cnc4all

Емкость

Емкость(конденсатор) с точки зрения гидравлики — это гибкая растяжимая мембрана, перекрывающая трубу. Растяжимость мембраны(жесткость) аналогична емкости. Чем легче она тянется — тем больше емкость. Важно! Не чем прочнее, а чем легче тянется! Если мембрана подобна презервативу, то это большая емкость. Если как покрышка — маленькая емкость. Прочность мембраны же(какую максимальную разность давлений может удержать) — это напряжение, на которое рассчитан конденсатор.

В первый момент, когда мембрана не растянута вообще, она не сопротивляется току — жидкость течет свобоно, напряжения на конденсаторе не оседает. Однако по мере растяжения мембрана начинает сопротивляться току, ток замедляется, по сторонам мембраны появляется разность давлений (падение напряжения). В определенный момент натяжение мембраны становится таким, что насос больше не может его продавить — наступает равновесие, ток останавливается, на выводах конденсатора напряжение становится максимальным, его сопротивление току — бесконечным.

Еще раз подчеркнем — чем больше заряженность(натянутость) конденсатора, тем больше он сопротивляется току в направлении заряда, тем больше на нем падение напряжения, тем меньше ток. В нулевой момент времени — ток максимален, падение напряжения равно нулю.

График тока и напряжения на конденсаторе при зарядке от источника постоянной ЭДС можно посмотреть в учебнике, там же будет рассказано и почему они имеют такой вид, но мне кажется, что представление в виде мембраны дает интуитивное понятие об этом.

Также интуитивно понятно, что если снять внешнее напряжение с конденсатора(отключить блок питания), конденсатор сам станет источником ЭДС с обратным знаком: растянутая мембрана будет давить и гнать жидкость в обратном направлении.

Индуктивность

Это тяжелый маховик с лопастями, перекрывающими ток жидкости полностью. В самый первый момент, когда к жидкости прикладывается разность давлений от насоса - жидкость на участке цепи с индуктивностью никуда не трогается. Чтобы ей начать движение, она должна сдвинуть маховик с места, заставив его вращаться — то есть жидкости надо отдать часть своей энергии в кинетическую энергию маховика. И скорость течения жидкости(сила тока) будет непосредственно связана с тем, насколько удалось разогнать маховик. Поэтому сила тока будет расти постепенно, от нуля до некоторого максимального значения, заданного, по закону Ома, сопротивлением цепи. А напряжение ведет себя наоборот — пока маховик не раскрутился и ток маленький, на нем большое падение напряжения, а когда полностью раскрутился и ток максимален — практически нулевое, сопротивления-то нет!

В гидравлической аналогии индуктивность — это масса. В данном случае — масса маховика.

В аналогии конденсатора-мембране энергия запасается в силе растяжения мембраны. В индуктивности энергия тоже запасается, но в кинетической энергии вращения массы.

Итак, допустим, мы подали разность давлений от насоса на индуктивность, подождали, пока она раскрутится и установится некий постоянный режим тока, а затем резко вместо насоса поставили резистор - решетку фильтра. Что произойдет с маховиком? Он начнет отдавать энергию — за счет массы продолжит толкать жидкость куда она и текла изначально. По сути, тоже станет источником питания. Но, выполняя работу, маховик будет замедляться — создаваемая им разность напряжений будет все меньше, пока не остановится окончательно.

Теперь предположим, что мы разогнали маховик, а затем мгновенно перекрыли ток жидкости задвижкой. Что произойдет в трубах? Очевидно, произойдет маховик резко остановится, будет скачок давления - гидравлический удар. Причем — разгоняли мы маховик давлением, допустим, 10 бар, в течение 3 секунд — и все это время закачивали в него какую-то энергию. А перекрыв вентилем ток, мы мгновенно остановили маховик — всю накопленную энергию маховик уже не за 3 сек, а за какую-то долю секунды сбросил обратно в жидкость. Это означает, что давление в момент удара намного превышает 10 бар источника питания — энергию выделить надо, и единственный способ это сделать путем повышения давления. Индуктивность никакими обязательствами по поддержанию разности давлений, как это делает наш насос - не связана!

В зависимости от массы маховика(индуктивности) разница между напряжением питания, которым заряжали катушку, и тем напряжением, что она выдает при разрыве цепи, может достигать десятков, сотен раз.

Это важное свойство индуктивности, больше никакой базовый элемент схемы таким не обладает, и его очень важно учитывать, так как такие гидроудары повреждают другие элементы цепи — диоды, транзисторы.

К полупроводникам мы перейдем чуть позже, а в следующий раз рассмотрим примеры цепей, содержащий все три элемента и поговорим еще немного об энергии, веществе, правилах Кирхгофа. Опять же, все будет без цифр, цифры — это следующий этап, и они все хорошо изложены в учебниках по электротехнике.

Если у кого-то есть вопросы, или мы что-то упустили — пишите обязательно. Задача — чтобы понятно стало. А для этого надо знать — что именно непонятно.

Сейчас часть 2. Вот тут советую глянуть видео, т.к. текстом несколько сложновато будет - сегодня про источники питания.

Следующее, что важно рассмотреть - это то, что приводит нашу жидкость в движение. В электронике это источники питания, или источники электрической энергии, из которых нас интересуют 2 вида: источники напряжения и источники тока. Источник тока поддерживает в нашей гидравлике постоянное количество жидкости через сечение, т.е. постоянный поток, источник напряжения — постоянное давление. Источники тока мы рассмотрим потом.

То, с чем обычно работают в электронике, что вы видите на схемах — это источник напряжения. Переменный ток оставим тоже пока на потом, будем говорить об источниках постоянного напряжения. Если говорить упрощенно, идеальный источник постоянного напряжения - это такая штука, которая всегда на своих выходах создает одну и ту же разность потенциалов(т.е. одно и то же напряжение). Всегда. Вне зависимости от того, что к нему подключено.

В методе гидравлических аналогий будем представлять ИИПН в виде хитрого насоса, который в выключенном состоянии — не пропускает ток жидкости, а во включенном — мгновенно начинает выдавать на выходе паспортное давление. Причем всегда выдает именно его — подключите вы туда решетку фильтра с большим сопротивлением, или с практически нулевым — насос подстроится и выдаст нужную разность давлений на входе и выходе, даже если надо разогнаться до первой космической.

Как именно представить насос — см. видео. Обратите внимание — модель такова, что он не только давит жидкость на своем выходе, но и можно представлять таким образом, что он еще и втягивает жидкость на своем входе! Иногда такой взгляд полезен для рассмотрения схемы.

Это идеальная модель. Конечно, в реальной жизни так не бывает, и если мы соединим клеммы батареи накоротко, то есть очень малым сопротивлением, там пойдет не бесконечный ток, а напряжение на выходе батареи при этом упадет. Происходит это потому, что батарея, как и реальный насос — имеют внутреннее сопротивление, и его иногда надо учитывать. Как именно учитывать — будет показано в видео, которое подытожит вводную серию роликов, пока просто запоминаем, что реальная модель источника напряжения — это идеальный источник плюс внутренний резистор, а источника давления — идеальный насос(выдающий на своих выходах всегда одно и то же давление) плюс внутренняя решетка фильтра.

Теперь такой момент

Обратите внимание, что мы постоянно в разговоре приравниваем слова «источник давления» и «источник разности давлений». Строго говоря, верно только второе, так как в нашей замкнутой гидравлической системе не бывает просто «давления», как и в электронике под напряжением всегда имеется в виду разность потенциалов(напряжение) между двумя какими-то точками. Но зачастую для упрощения, чтобы не упоминать постоянно о второй точке, в схеме находят некоторую точку G и когда говорят "давление(напряжение) в точке А" — всегда имеется в виду «разность давлений(разность потенциалов, напряжение) между точками G и A.

Такую общую точку называют общим потенциалом, обычно это минус источника питания.

При этом не забываем: потенциал(давление) во всех точек схемы, соединенных проводниками с нулевым сопротивлением(трубами) — всегда одинаков. То есть получается «точка G» на самом деле не точка, а весьма большая область. Логично, что если где-то внезапно давление в одной такой точке вырастет — то оно мгновенно же и выровняется, жидкость мгновенно перераспределится так, что давление везде станет одинаковым.

Этот прием(с общим потенциалом) позволяет упростить электронную схему визуально, но в гидравлических аналогиях наоборот, немного её усложняет. Поэтому мы его рассмотрим подробно только когда возникнет необходимость.

Под конец рассмотрим одну трудность, с которой могут столкнутся начинающие. Авторы текстов на электротехнические темы постоянно употребляют выражение «напряжение на элементе[резисторе, конденсаторе] такое-то». Так вот, с этим выражением все обращаются очень вольно. И может оно означать на самом деле аж 2 вещи

1) Напряжение на клеммах элемента, на его входе и выходе

2) Напряжение между входом(точке, дальней от общего потенциала) и общим потенциалом

Что конкретно имеется в виду — каждый раз вам придется догадываться из контекста, потому что всегда есть вероятность, что говорящий употребил эту фразу не в том смысле, что вы подумали поначалу.

Чтобы понять, почему это две столь разные вещи, необходимо четко усвоить понятие «падение напряжения на элементе». Оно простое, но иногда почему-то не усваивается начинающими.

Рассмотрим, откуда появляется напряжение(разность давлений) на входе и выходе элемента, допустим, решетки фильтра. Умозрительно это прекрасно понятно, так работают редукторы давления в гидравлике — они сопротивляются току жидкости, в результате перед ними давление выше, а после них — ниже. На них как бы «оседает» часть давления, они от него отделяют некоторую часть, которая не передается дальше. Если элемент оказывает сопротивление току жидкости — на нем остается часть давления. Вот эта разность давлений(потенциалов) на концах элемента, возникающая вследствие его сопротивления протекающему по нему току(наведенному внешним источником энергии) в электротехнике называется «падение напряжения на элементе». Какое именно падение — это зависит от элемента. Кратко - оно зависит от его сопротивления и протекающего через него тока! Если чуть точнее — то, в какой пропорции осядет напряжение на элементах цепи — зависит от пропорций величин их сопротивления потоку. А абсолютные числовые значения пропорциональны току.

А теперь можно представить себе цепочку из решеток фильтра. Естественно на каждом осядет часть давления. Чтобы это вычислить в цифрах, на каких сколько— можно обратиться за формулами в учебник, они простые, наша задача представить в уме, как именно это происходит.

Пока так, в следующий раз о конденсаторах. Тоже чисто умозрительно.

Если где-то оказалось непонятно - смотрите видео, там подробней, и со схемами.

Жидкость течет по проводникам, в нашем методе - по большого диаметра трубам, которые с жидкостью имеют минимальное сцепление, то есть трубы у нас такие, что току жидкости практически не мешают. Идеальные проводники, те самые соединительные линии в электронных схемах, тоже рассматривают как имеющие нулевое сопротивление, вот и мы себе такие трубы будем рассматривать.

Приводится же жидкость в движение разностью давлений в точках. Разность давлений отражает понятие "напряжение" в электрике, которое, как известно, есть разность потенциалов.

Потенциал - это давление, разность потенциалов, т.е. напряжение, ЭДС - это разность давлений.

Если в нашей гидравлической системе есть 2 точки с разным давлением, и есть путь для жидкости, она устремляется по нему, стараясь давление сравнять. При этом испытывает она влияние элементов схемы, первый из который - сопротивление. В электрических схемах это резистор, в нашем изложении - это решетка фильтра. Чем плотнее решетка, тем больше сопротивление.

То же самое голосом и руками:

В результате пришла мысль записать короткий курс, где сперва будут изложены основы моделирования "в голове" электроники через гидравлику, а потом на примерах разобрано функционирование простейших схем. Планируется здесь постить учебные видео длиной 5-10 минут, сопровождая кратким конспектом.

Возможно, это кому-то пригодится, и даст импульс для дальнейшего самостоятельного освоения электроники уже по классическим материалам.

То же самое по смыслу, но в формате youtube shorts: