Komplekse tal i elektronik

Transkript

1 3/-8 Komplekse tal i elektronik KOMPLEKSE tal er ideelle til beregning på elektriske og elektroniske kredsløb hvori der indgår komponenter, der ved vekselspændinger fase -forskyder strømme og spændinger, og hvis ohmske værdier afhænger af frekvensen. Dvs. spoler og kondensatorer. Med komplekse tal kan man opstille ligninger hvori frekvensen indgår som variabel. Ligningerne gælder altså for alle frekvenser, der blot skal indsættes og udregnes. Ligningerne giver fx. i forstærkerkoblinger som resultat både forstærkningen og fasedrejning. Komplekse tal opererer med begrebet Imaginære tal uvirkelige eller - indbildte tal. De tal, vi hidtil har opereret med, kan alle afbildes på en tallinie. Et sted er, et sted 47 osv. De er alle beliggende på X-aksen. Med komplekse tal indføres alle tal, der ligger i planet. Et tal kan fx ligge på en position i planet, der kan beskrives som 4 ud ad X-aksen, og 3 op ad Y-aksen. Dette ligner jo meget vektorer, hvor tallet ville benævnes (4, 3). Vektoren kan også angives som en vektors længde, og dens vinkel i forhold til X-aksen. Af Valle Thorø Side af 38

2 3/-8 Y-aksen kaldes også den Imaginære akse, og X-aksen den eelle akse. Tilsvarende med komplekse tal. Et komplekst tal kan angives med en vandret del og en lodret del. De kaldes hhv. den reelle del, og den imaginære del. Forkortes til e, og Im. En angivelse af et tal på den form kaldes Sumform. Som med vektorer kan tallet også angives med en længde og en vinkel. Denne form kaldes Polær. Altså afstanden ud til tallet, og vinklen i forhold til vandret mød højre! Den del af et komplekst tal, der er lodret angives med et j foran. I matematikkens verden benyttes i for den imaginære del af et tal, men i elektriske sammenhænge bruges i som formeltegn for strøm, og kan herved forveksles. Det er derfor normalt at bruge j. I komplekse tal findes definitionen, at j gange j = j. Eller som det må fremgå, j Med brug af komplekse tal er det derfor muligt at uddrage kvadratroden af et negativt tal!! Hvorfor er j = -? Den komplekse vektor j kan også skrives som + j. Dvs. ud ad x-aksen, og opad Y- aksen. På polær form er + j = 9 j * j er altså lig (9) * (9).Dette er lig *(9 + 9 ) = 8. Som igen er lig + j =. Altså er j j For regneregler for komplekse tal, se sidst i kompendiet! Fasedrejning i modstande, kondensatorer og spoler: For at komme lidt ind på forståelsen af komplekse tal brugt på elektroniske komponenter, undersøges komponenterne, modstande, kondensatorer og spoler, først vektorielt. MODSTANDE. Vi havde at strøm og spænding i en modstand er i fase Vac V Strøm Ur k Af Valle Thorø Side af 38

3 3/-8 Sat sammen : : V V 3mA ma V A Bemærk: Y- akser!! -V -V -ma >> -3mA s.5ms.ms.5ms.ms.5ms 3.ms 3.5ms 4.ms 4.5ms 5. V(V:+) -(I(:)) Time Vinklen mellem spænding og strøm kaldes Fi, φ. Vinklen er grader. I U U og I er i fase. I modstande er strøm og spænding i fase. Dvs. at strømmen løber samtidigt med at der er en spænding over modstanden. Der er altså ingen faseforskydning. Modstanden er ren ohmsk, og kan udtrykkes ved = U / I. I et "venstre-roterende" koordinatsystem afbildes U og I vandret ud ad samme akse. Strømmen tegnes vandret mod højre! KONDENSATOE. En kondensators "modstand" kaldes EAKTANS. Den måles i Ohm, og er udtrykt ved formlen X C. Frekvensen indgår i ligningen, dvs. reaktansen er frekvensafhængig og fc omvendt proportional med frekvensen. I en kondensator er strømmen 9 grader før spændingen, og heraf fremgår også, at spændingen er efter strømmen. For en nærmere beskrivelse af hvorfor det er sådan, se speciel kompendium herom Navnet "ELICE" bruges ofte som huskeregel. Omkring "C" er "I" før "E".( E burde egentlig være U, fordi vi bruger U som formeltegn for spænding! ). Af Valle Thorø Side 3 af 38

4 3/-8 Man siger også, at reaktansen er "kapasitiv". V I UC er altså lig Ugen. Altså når Ugen er i max, er UC også i max. X C f c VOFF = VAMPL = FEQ = k AC = V3 C n Der er 9 grader mellem strøm og spænding - - s.5ms.ms.5ms.ms.5ms 3.ms 3.5ms 4.ms 4.5ms 5.ms V(V3:+) -I(C)*5 Time Koordinatsystemet for vektorerne, der viser strøm og spænding ser således ud, idet strømmen er tegnet vandret: Current I Ugen Fi Vac Vdc V C n I [A] Uc Strømmen er 9 grader foran spændingen. SPOLE. Af Valle Thorø Side 4 af 38

5 3/-8 I en spole er strømmen 9 grader bagud i forhold til spændingen. Dvs. at U er før I. eaktansen kaldes "INDUKTIV", ikke ohmsk!!, og beregnes med X L f L. Enheden er Ohm. Ugen VOFF = VAMPL = FEQ = V L mh I [A] UL Fi I ELICE UL er 9 grader foran strømmen IL Simuleres med OCAD skal der sættes en lille modstand ind i serie med spolen, idet en ideel spole jo ikke har nogen trådviklingsmodstand, og strømmen i den kan derfor blive uendelig stor. En graf for strøm og spænding ses her: s 9.96s 9.97s 9.98s 9.99s.s V(UGEN) -I(L) Time På grafen ses, at U er 9 grader før I MODSTAND OG KONDENSATO I SEIE. Er der en modstand og en kondensator i serie, eller i parallel, vil den samlede impedans også være frekvensafhængig. Hermed vil der være en fasedrejning, der også er afhængig af frekvensen. Af Valle Thorø Side 5 af 38

6 3/-8 Leddet kaldes også et C-led. Ethvert Cled har en overgangs-frekvens, kaldet f. Det er den frekvens, ved hvilken XC =. V I 3 k U_out VOFF = VAMPL = FEQ = k AC = V3 C n Forholdene kan ved en given frekvens tegnes i det roterende koordinatsystem. Strømmen må være ens i serieforbindelsen. Derfor afsættes den vandret. Ur I U er i fase med strømmen, og afsættes vandret. UC er 9 grader bagud, ( idet strømmen er forud ), altså afsættes den nedad. Uout = Uc Fi Ugen Vektorerne ved lave frekvenser: Ur Current I Kondensatoren stjæler ikke meget signal. Uout Uc Ugenerator Fi V Udgangssignal og indgangssignal er næsten ens. V V -V -V s 5ms ms 5ms ms V(:) V(U_out) Time Af Valle Thorø Side 6 af 38

7 3/-8 Ved høje frekvenser Ur Current I Uout Uc Fi Ugenerator V Udgangsspændingen er lav. V V -V -V s 5us us 5us us V(:) V(U_out) Time O gen graf for udgangsspændingen ved et frekvenssweep: Graf for alle frekvenser, her mellem Hz og MHz. Ved lave frekvenser er outputtet lig indgangsspændingen De kan passere kredsløbet. Derfor Lowpass V V 8V 6V 4V V V Hz 3Hz Hz 3Hz.KHz 3.KHz KHz 3KHz KHz 3KHz.MHz V(:) Frequency "fi" er vinklen mellem strøm og spænding. Spidsen af vektoren Z beskriver en cirkelbue fra lodret nedad til vandret mod højre når frekvensen går fra mod uendelig."fi" er 45 grader ved XC =, dvs. ved f. Af Valle Thorø Side 7 af 38

8 3/-8 Den samlede "modstand", kaldes impedans, når den ikke er ren ohmsk. Den findes ved at addere de to vektorer "vektorielt", eller ved beregning: Z U U C eller Z X C Modstandstrekanten fremkommer ved at dividere spændingerne med strømmen. Trekanterne ligner altså hinanden hvad størrelsesforholdene angår. De er ligedannede! Af Z X C ses, at for f X C Z. Husk! X C f C Med værdierne = Kohm og C = nf fås følgende graf for Z, altså indgangsmodstanden Z X C Ugen V.M Vac Vdc V k C.M n (.8574K,.369K).Hz Hz Hz.KHz V(UGEN) / I() Frequency Ved lave frekvenser er modstanden i kondensatoren meget stor. Ved meget høje frekvenser går Xc mod nul, og grafen må gå mod K. Modstandens værdi ændres jo ikke! MODSTAND OG SPOLE I SEIE. Ved en spole i serie med en modstand er strømmen I igen fælles, og afsættes vandret. U er i fase med I, og afsættes vandret. UL er foran strømmen, dvs. afsættes opad. Af Valle Thorø Side 8 af 38

9 3/-8 Fasedrejningen "fi" er vinklen mellem strøm og spænding. Modstandstrekanten fremkommer ved at dividere spændingerne med strømmen, der jo er fælles. = U/I Vac Vdc Ugen V3 k L uh Det ses, at Z X L Idet X L f L findes, at for f XL Z Grafen for Z ser således ud:.5k Vac Vdc V Ugen V k L.K.5K mh (4.69,.K).K Hz Hz.KHz KHz KHz V(UGEN) / I() Frequency MODSTAND, KONDENSATO OG SPOLE I SEIE. Er der både en kondensator, en spole og en modstand i serie fås idet XL og XC er modsat rettede at: Z X X L C Af Valle Thorø Side 9 af 38

10 3/-8 Ugen k Fasedrejningen "fi" er vinklen mellem strøm og spænding Ugen som også svarer til vinklen mellem Z og. Ved den frekvens, hvor XC = XL, ophæves de helt. De er jo modsat rettede, og den samlede modstand bliver så rent ohmsk. Vac Vdc V C n L uh Ved lave frekvenser er kondensatoren en stor modstand. Ved høje frekvenser er det spolen, der yder stor modstand: Ugen 8K Vac Vdc V k C n L mh 4K (.5744K,.K) Hz Hz KHz.MHz V(UGEN) / I() Frequency Af Valle Thorø Side af 38

11 3/-8 Brug af komplekse tal på modstande, kondensatorer og spoler. I ovenstående eksempler er brugt et roterende koordinatsystem, med en X-akse til ikke faseforskudte størrelser, dvs. reelle, og en Y-akse til de faseforskudte, ( kaldes imaginære = svært forståelige ) størrelser. Vektorer heri udtrykker størrelser og fasedrejning for et givet kredsløb ved en given frekvens. Komplekse Vektorer: Fra venstre: Tilfældig vektor, der både består af en reel part og en imaginær part. I midten for kondensator og til højre vektoren for en spole. Ved matematisk beskrivelse af vektorerne bruges "j" foran de lodrette vektorer for at angive, at de er 9 grader foran eller bagud, dvs. i vores system opad eller nedad. +j tegnes opad, -j tegnes nedad Modstand: Kompleks fremstilling af vektoren for en modstand er: Z = + j "j", som udtales j nul, angiver, at modstanden ikke har en imaginær del, altså er ren ohmsk eller "reel". Altså er vektoren ud ad den normale talakse. Z bruges om Impedanser, eller Modstande, der ikke er rent ohmske. Kondensator: For kondensatorer fås, at impedansen Zc jxc Vektoren starter i Origo, og minus j fortæller, at den imaginære vector pejer nedad. Vi har fra tidligere, at: X C f c Af Valle Thorø Side af 38

12 3/-8 Derfor fås: Zc j fc fc kan også skrives som C, ( omega * C ), så Zc j C Eller fordi: j = j = j j = ωc ωc j ωc jωc Zc jc Bemærk j*j = -!! Vektoren starter i origo, og minustegnet indikerer, at den går nedad. Men hvorfor er j = -?? The complex vector j can be described as + j. Meaning, along the x-axis, and upwards In polar form it equals + j = 9 So j * j equals (9) * (9). This equals *(9 + 9 ) = 8. 8 is the same as. Spoler: Z L j L idet omega = *pi*f. Vektoren starter i origo, og går opad. EKSEMPEL Af Valle Thorø Side af 38

13 3/-8 Der ses i dette eksempel på en serieforbindelse af en modstand og en kondensator. Den samlede impedans "Z" er den vektorielle sum af vektoren "" og "XC" lodret nedad. Modstanden kan på kompleks form skrives som + j, og kondensatorens værdi som - jxc. Minusset angiver "nedad". Den samlede impedans Z bliver, idet "j" angiver de 9 graders drejning: Z C Vektoren Zin = ( + j ) + ( - jxc ). De reelle komposanter adderes for sig, og de imaginære adderes for sig, begge med fortegn. I øvrigt henvises til separat afsnit om regneregler. Her fås: Zin = - jxc. Dette angiver at vektoren Zin kan opløses i en projektion på x-aksen som er "" og en projektion på y-aksen der er XC lang i negativ, lodret retning. Længden af Z bliver vha Pythagoras : Z Xc Z C En graf kan tegnes for Z ved forskellige frekvenser. (frekvensen er variabel). Frekvensen indgår i omega. Fasedrejningen Inv-tan( XC/ ) eller på en anden skrivemåde "fi" = tg - (XC/) bliver : f Im tg e eller tg Xc eller tg f C Eksempel på beregning af impedansen Z og fi. Eksempel med spændingsdeler: Af Valle Thorø Side 3 af 38

14 I 3/-8 Flg. eksempel med en spændingsdeler, bestående af en modstand og en kondensator, et såkaldt "lavpas-led", vil være noget svær at overskue vha. vektorer. Men med en undersøgelse eller beregning vha. kompleks regning kan det lade sig gøre, omend mellemregningerne kan være svære at tolke. Den påtrykte spænding deler sig mellem modstanden og kondensatoren, og idet kondensatorens modstand er frekvensafhængig, må der også være et frekvensafhængig forhold mht. spændingsdelingen. VOFF = VAMPL = FEQ = k AC = V3 V 3 k C n U_out Nu er fasen ikke lig med 9 grader. - - s.5ms.ms.5ms.ms.5ms 3.ms 3.5ms 4.ms 4.5ms 5.ms V(3:) -I(C)*5 Time Først ses rent logisk, at ved høje frekvenser vil udgangen nærmest være kortsluttet, idet en kondensator er en lille modstand ved høje frekvenser. UOut er altså dæmpet ved høje frekvenser. Modsat har kondensatoren en meget stor modstand ved meget lave frekvenser, og dette fører til at kondensatoren ikke belaster eller "stjæler" ret meget af signalet ved lave frekvenser. UOut er altså næsten lig UIn ved lave frekvenser. Heraf navnet, LAVPASFILTE. Lave frekvenser passerer nærmest uhindret, og høje dæmpes. Dæmpningen af udgangen er altså frekvensafhængig. Man kan også opfatte kredsløbet som en forstærker, hvor forstærkningen dog er under gange. Af Valle Thorø Side 4 af 38

15 3/-8 Kredsløb med C-led og skitse af dets bode plot. Inddelingen på X-aksen er logaritmisk!! På Y-aksen angives forstærkningen i db. Dvs. * Log ( Uout / Uin ) Ser man logisk på kredsløbet, må der være en frekvens, hvor størrelsen af er lig størrelsen af Xc, idet Xc jo er frekvensafhængig. Det er jo en serieforbindelse, så strømmen er ens!! Derfor må spændingen over modstanden have samme størrelse som spændingen over C ved denne frekvens. Men de er jo vinkelrette på hinanden!!!! Og summen af dem må være lig den påtrykte spænding. Grafisk haves en ligesidet retvinklet trekant. Hypotenusen er den påtrykte spænding, og den må være lig Side Side. Eller med andre ord, spændingen over modstanden og kondensatoren er hver især,77 gange den påtrykte spænding.!! Frekvensen, hvor størrelsen af og Xc er ens, kan findes af: X C, f C, f C Undersøges et kredsløb med OCAD, findes følgende: Ugen Uc Til venstre ses et eksempel på et kredsløb. Vac Vdc V V k V+ V- C V n Graferne herunder viser spændingerne over modstanden, ( den blå, ) og over kondensatoren, den røde! Tilsammen er spændingerne lig den påtrykte spænding, Ugen. Af Valle Thorø Side 5 af 38

16 3/-8.V.5V V.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz V(UGEN) V(UC) V(UGEN,UC) Frequency Bodeplot Et Bodeplot, der viser kredsløbets "forstærkningen" i db ved forskellige frekvenser ser således ud: Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VDB(C:) Frequency En graf for fasedrejningen for udgangsspændingen ser således ud. Af Valle Thorø Side 6 af 38

17 3/-8 d -5d -d.hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VP(C:) Frequency Ved knækfrekvensen er forstærkningen faldet 3 db, og fasedrejningen er 45 grader. Ved knækfrekvensen er X C Undersøgelse af kredsløbet vha. vektorer: Afsæt vandret den fælles, dvs. strømmen!! Som det ses af diagrammet ovenover, tages udgangsspændingen UOut over kondensatoren. Fasedrejningen for udgangssignalet må altså være lig fasedrejningen over kondensatoren. Uout = Fi Ur Ugen I Uc UC er bagud i forhold til UGen. Stiger frekvensen, bliver XC mindre, derfor også vektoren, og fasedrejning en stiger. Af Valle Thorø Side 7 af 38

18 3/-8 UC er bagud i forhold til UGenerator. Vinklen "fi" på fasedrejningen, dvs. vinklen mellem Ugen og UOut beregnes: Tangens "fi" = Modstående Hosliggende = U U C = X C "fi" er følgelig tg U U C tg X C Længden af XC ændres når frekvensen ændres. XC bliver meget kortere ved høje frekvenser. Det indses også af formlen til beregning af XC. X C. Frekvensen f optræder i fc nævneren. Altså bliver XC mindre ved stigende frekvens. Samtidig ses af tegningen ovenover, at fasedrejningen bliver meget større ved høje frekvenser, op mod 9 grader. Er XC og lige store, er "fi" = tg - (/) = 45 grader. Det sker ved f. Undersøgelse af kredsløbet vha. kompleks regning: Undersøges spændingsdeleren, eller lavpasleddet, med kompleks notation, fås, idet der ses på overføringsfunktionen for kredsløbet: ( spændingsdelerformlen ) Forstærkningen for et C-kredsløb er: Gain A` X C X C Forstærkningen A` X C X C jc jc j C Man bør ikke have "j" i nævneren da det ikke er håndterlig. Ligningen forlænges derfor ved at gange i tæller og nævner med den kompleks konjugerede, dvs. den kompleks modsatte. Af Valle Thorø Side 8 af 38

19 3/-8 A` jc jc jc jc jc jc j C De to midterste led i nævneren går ud. Nu optræder der et "j ", og der er det specielle ved det komplekse system, at j*j er lig -. Altså fås: A` jc C Dette er en sammensat ligning, hvor nogle af leddene, angivet med "j", er vinkelret på den reelle, vandrette akse. Ligningen opdeles nu i en vandret, dvs. reel del uden "j", og en imaginær, lodret del med "j" foran. Nævneren må være fælles. A` j C C C Længden af de vektorielt sammenlagte dele er: A` C C C Som er det samme som: A C C Dvs. grafen for et Bodeplot for kredsløbet kan tegnes som log A ' med f som variabel!! Og fasedrejningen tg Im tg e C Obs: Idet nævneren er ens for den reelle del og den imaginære del, er det nok ved betragtning af fasevinklen at se på tællerne. Prøve: esultatet kan nu underkastes en prøve for at teste resultatet. Der undersøges først for frekvensen f gående mod nul, dvs. omega også går mod nul: Af Valle Thorø Side 9 af 38

20 3/-8 A` tg A` tg Eller A tg Uout er altså ved meget lave frekvenser Uin ganget med Dvs. at Uout går imod Uin ganget med og "" grader fasedrejning. Det må også være resultatet af en logisk betragtning da kondensatoren ikke udgør en belastning ved frekvensen f gående mod.. Herefter undersøges for frekvensen f gående mod uendelig, dvs. omega også går mod uendelig: A` tg A 9 9 ` Uout er altså ved meget høje frekvenser Uin ganget med 9. Dvs. at Uout går imod Uin ganget med og "9" grader fasedrejning bagud. Outputamplituden går imod "", eller "kortsluttet" til stel, og fasedrejningen er -9 grader. For frekvensen gående mod f, dvs. knækfrekvensen i bodeplottet, eller den frekvens, hvor = Xc, fås: Dette indsættes: Xc C C A ` tg Af Valle Thorø Side af 38

21 3/-8 A` 45 A` A`, A` =,77 og fasedrejningen = 45 grader bagud ved knækfrekvensen. Følgende skitser viser sammenhængen mellem Bodeplot og graf for fasedrejningen: Ovenfor ses OCAD grafer, og igen herunder, med andre komponentværdier: U Out = U In Cos(45) = U In = Uin,77 Ur Current I A` =,77 Fi Fasevinklen Fi er - 45 grader 45 Degrees Uout Uc Ugenerator ( ved knækfrekvensen f ) V Her er output lig med den påtrykte spænding ganget med,77. Frekvensen er 59 Hz. Ved denne frekvens er værdien af modstanden lig med Xc. V V -V Derfor: K = π f c -V s.5ms.ms.5ms.ms.5ms 3.ms V(:) V(U_out) Time Af Valle Thorø Side af 38

22 3/-8 Eksempel: Spændingsdeler: Vac Vdc V k C 5n Uout Hvis viste kredsløb bygges op, og der foretages en række målinger og beregninger ved forskellige frekvenser kan følgende måleskema udfyldes, og på baggrund af denne tegnes en graf for kredsløbet. Ønskes en graf tegnet for ovenstående eller et specifikt elektronisk system, kan der foretages en række målinger ved forskellige frekvenser. esultaterne kan placeres i et måleskema, og der kan efterfølgende tegnes en graf: Med OCAD fås følgende grafer for hhv. forstærkningen i db og fasedrejningen. Af Valle Thorø Side af 38

23 3/-8 (48.63,-3.443) -5 SEL>> -5 d Vdb(UOUT) (48.63,-45.) -5d -d.hz Hz Hz.KHz KHz VP(Uout) Frequency Med Cursorerne blev punkterne 3 db og 45 graders fasedrejning markeret. Ved knækfrekvensen er forstærkningen faldet til -3 db. db udregnes som * Log(Uout/Uin) I knækket er udgangsspændingen faldet til,77 gange Uin. Hvis indgangssignalet sættes til Volt, fås: A,77 Log 3 OPAMP- forstærker-kobling. Eksempel med inverterende OP-AMPforstærker med modstand parallel med kondensator i modkoblings-grenen. Vac Vdc Uin V C m - U OUT + OPAMP Uout Gnd Af Valle Thorø Side 3 af 38

24 3/-8 Forstærkningen A` = - m X C ( Leddene regnes som komplekse vektorer ) ( m Parallel med XC )/ Parallelforbindelsen findes ved at gange de to og dividere med deres sum. A` m j C m j C I tæller ganges for oven og neden med j C A` m jc j C m jc j C m j Cm m jcm Der ganges med kompleks konjungerede m A` jcm jcm jcm A` m Dette opdeles i længde og vinkel: ( Polær form! ) jcm Cm A` m Cm Cm tg Cm Af Valle Thorø Side 4 af 38

25 3/-8 Det minus, der står foran udtrykket, kan tolkes som en fasedrejning på 8 grader. Derfor kan ovenstående også skrives: A` m Cm Cm tg 8 Cm Bodeplot graf for forstærkningen kan findes af log A' Prøve: Der undersøges først for frekvensen f gående mod nul, dvs. omega også går mod nul: A` m tg 8 m m A` 8 A` 8 Ved lave frekvenser findes altså, som forventet, at forstærkningen er m divideret med, og fasedrejningen er 8 grader. Undersøges for frekvensen gående mod uendelig, dvs. at omega også går mod uendelig, fås: m A` tg 8 m m A` A` Altså A` 9 Ved høje frekvenser findes altså, igen som forventet, at forstærkningen er faldet meget. XC er jo meget lille, og fasedrejningen er 9 grader forud. Anvendes for ovenstående op-amp-forstærkerkredsløb flg. værdier, fås følgende graf: Af Valle Thorø Side 5 af 38

26 3/-8 m = 47 Kohm, = Kohm, C = 47 pf 4 SEL>> -4 8d Vdb( UOUT) 9d d Hz Hz.KHz KHz KHz VP(Uout) Frequency Øverste vises Bodeplot for forstærkningen. Nederste graf viser fasedrejningen. Den starter i 8 grader og ender ved ca. KHz ved 9 grader. ( For endnu højere frekvenser er der indflydelse fra fejl i operationsforstærkeren. ) Inverterende forstærker igen: Af Valle Thorø Side 6 af 38

27 3/-8 C Kredsløbet ser nu således ud! n k U Uin k - + OUT Uout OPAMP Overføringsfunktionen er: Nævneren ganges med jc A' Xc A' jc jc A' jc jc A' A' c c tg Minus tegnet kan opfattes som en fasevinkel på8 grader. Så der fås: A' c c tg 8 Test: A' 8 8 A' 8 tg Af Valle Thorø Side 7 af 38

28 Bode Plot: 3/ Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VDB(Uout) Frequency Og fasedrejningen: 8d 6d 4d d d 8d.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz 36+VP(Uout) Frequency I knækket haves: Af Valle Thorø Side 8 af 38

29 3/-8 3 db : Xc c A' c c tg A' 45 Non inverting amplifier: Kredsløbet er følgende: U Uin Vac Vdc V + - OUT Uout VD B OPAMP m 47k C 47p k Dets Bode Plot ser således ud!! 4 3.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VDB(Uout) Frequency Det ses, at for højere frekvenser går A mod db, som er lig en forstærkning på gange. Tæller Dette ses også af overføringsfunktionen: A Tælleren er lig 47 K parallel med Nævner 47 pf, og Nævneren er lig K. Af Valle Thorø Side 9 af 38

30 3/-8 Tælleren bliver ganske vist mindre ved højere frekvenser pga. at kondensatorens mindre impedans kortslutter modstanden, men der er jo stadig et-tallet. Fasegrafen ser således ud: -d -d -4d -6d -8d.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VP(Uout) Frequency Båndpas forstærker: U Nu monteres der en kondensator C i kredsløbet, som vist herunder. Den vil optræde i nævneren i overføringsfunktionen. Uin Vac Vdc V + OUT - OPAMP Uout m k C 47p k C u Bode Plot: Af Valle Thorø Side 3 af 38

31 3/ (5.57,43.77) (.5849K,43.748) 4 (66.4,46.795) 3 (4.783m,6.65) mhz mhz.hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz MHz VDB(Uout) Frequency Fasedrejningen er mere kompleks, pga. flere kondensatorer i kredsløbet. d 5d d -5d -d mhz mhz.hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz MHz VP(Uout) Frequency Givet følgende kredsløb: Af Valle Thorø Side 3 af 38

32 3/-8 Inverterende forstærker. C Ved høje frekvenser kortsluttes C, og forstærkningen må blive 3 U / 3 - OUT + OPAMP Der kan opstilles følgende overføringsfunktion: X C A Dette er lig med: 3 A C C X X 3 A` 3 jc jc, der kan ordnes til: A C 3 j j C () A c tg C C C 3 tg Ligning () kunne også omdannes, ved at gange med Omega C i tæller og nævner!! C C C 3 C C A tg tg To komplekse tal divideres med hinanden ved at dividere de reelle dele, og subtrahere vinklerne!! Graferne for bodeplot kan plottes, ved at plotte * log(a ) på en logaritmisk X-akse. Af Valle Thorø Side 3 af 38

33 3/-8 Her er et eksempel på et kredsløb med værdier: C n 56k 3 U 8k Vac Vdc V 5k - OUT + OPAMP VDB Og Bodeplot for det: 5 5.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VDB(:) Frequency Det ses, at ved høje frekvenser vil kondensatoren kortslutte, og tælleren være de to modstande i parallel. Derfor er forstærkningen lavere ved høje frekvenser!! Og fasen!! Af Valle Thorø Side 33 af 38

34 3/-8 8d 7d 6d 5d.Hz Hz Hz.KHz KHz KHz.MHz VP(:) Frequency egneregler for komplekse tal!! Først gennemgås her regnereglerne for komplekse tal. Vektorer i det komplekse plan kan beskrives på to måder. På rektangulær eller polær form. På rektangulær form angiver man længden ud ad x-aksen og højden op ad eller ned ad den imaginære akse. På polær form angiver man en vektors længde fra origo (, ) og en retning i form af vektorens vinkel til x-aksen. egnereglerne er forskellige for de to former. De illustreres med bogstav-eksempler og derefter regneeksempler med tal. Vi tænker os, at følgende vektorer, kaldet K, L og M, eksisterer: K a jb, L c jd, M e jf Ved tal-eksempler anvendes: K 3 j4 L j3 og på polær form ( se senere om omregning ): Af Valle Thorø Side 34 af 38

35 3/-8 K 553, 3 L 3, 656, 3 ( Udtales: K = 5 vinkel 53,3 ) ADDITION Addition af komplekse vektorer foregår på rektangulær form. Summen af K og L er: K L a jb c jd De reelle dele adderes for sig, og de imaginære for sig med fortegn. K L a c j b d K M a e j b f Et tal-eksempel: K L j j j SUBTAKTION Subtraktion af komplekse vektorer foregår også på rektangulær form. Differencen mellem K og L er: K L a jb c jd a c jb d eelle dele subtraheres for sig og imaginære dele for sig. Tal-eksempel: K L 3 j4 j3 3 j 4 3 j Addition og subtraktion svarer til at addere og subtrahere vektorer. MULTIPLIKATION Multiplikation af komplekse vektorer foregår enten på rektangulær eller polær form. ektangulær form: Af Valle Thorø Side 35 af 38

36 3/-8 komplekse tal på rektangulær form multipliceres med hinanden så hvert led multipliceres med de andre led, ialt 4 "dele" bliver det til., K a jb L c jd K L a c jad jbc jjbd j*j er -, så derfor fås K L ac bd jad bc Tal-eksempel: K L 3 j4 j3 3 j 33 j 4 43 K L 6 j7 Polær form: Følgende vektorer findes: O ab, P cd Vektorerne O og P ganges på polær form ved at gange de reelle dele og addere vinklerne. O P ab cd a cb d Tal-eksempel: K 553, 3 L 3, 656, , 3 3, 6 56, 3 K L K L 53, 6 53, 3 56, 3 8, 39, 44 Omregnes til rektangulær form, fås når den polære vektor opløses i komposanter på den reelle og imaginære akse ( x og y-akse ): j K L 8, 3 cos 9, 44 8, 3 sin 9, 44 K L 6 j7 Af Valle Thorø Side 36 af 38

37 3/-8 DIVISION ektangulær form: Division på rektangulær form er noget besværligt. Enten omregnes det komplekse tal til polær form, som ovenfor, eller der bruges en omskrivning af udtrykket vha. "den kompleks konjugerede". Herved kan der i stedet anvendes multiplikation. Den kompleks konjugerede er det komplekse tal spejlet i X-aksen., K a jb L c jd K L a jb c jd ( c + jd ) i nævner omdannes ved at der ganges med den kompleks konjungerede i tæller og nævner. K L a jb c jd c jd c jd ac jad jbc jjbd cc jcd jcd jjdd K L ac bd jbc ad c d Dette opdeles til brøkstreger: K L ac bd c d j bc ad c d Tal-eksempel: K L 3 j4 j3 3 j4 j j j jj j3 j3 4 j6 j6 jj9 K L 8 j j 3 Division på polær form: Af Valle Thorø Side 37 af 38

38 3/-8 På polær form udføres division ved at dividere de reelle dele og subtrahere vinklerne. O ab, P cd O P a b d c Tal-eksempel: K 553, 3 L 3, 6 56, 3 K L 5 53, , 3 56, 3, 38 3, 8 3, 6 56, 3 3, 6 Omregning fra rektangulær til polær: Vektoren K a jb omregnes til længde og vinkel: b K a b tg a For taleksemplet findes: K 3 4 tg 4 553, 3 grader. 3 Og tilbage igen, idet vektorens projektion på den reelle og imaginær-akse findes: j K 5 cos 53, 3 5 sin 53, 3 K 5, 6 j5, 8 3 j4 Af Valle Thorø Side 38 af 38