1. Semnale cu frecvenţe multiple - Introducere

Acasă » Curent alternativ » 07 - Semnale cu frecvenţe multiple

Scop

Circuitele studiate până în acest moment au fost alimentate integral într-o singură frecvenţă sinusoidală. În multe aplicaţii însă, frecvenţa unică este mai degrabă excepţia decât regula. De multe ori întâlnim circuite unde frecvenţa tensiunii de alimentare este compusă din mai multe frecvenţe individuale suprapuse una peste cealaltă. Pe lângă asta, formele de undă ale tensiunii pot avea şi alte forme, nu doar sinusoidale, caz în care ele intră în categoria formelor de undă ne-sinusoidale.

Întâlnim de asemenea cazuri în care semnalul de curent continuu este combinat cu cel de curent alternativ: forma de undă este suprapusă peste un semnal de curent continuu. Rezultatul unei astfel de combinaţii este un semnal variabil în intensitate (amplitudine) dar nu şi în polaritate, sau polaritatea sa variază asimetric. Indiferent de caz, atunci când avem mai multe frecvenţe în acelaşi circuit, analiza acestuia este mult mai complexă decât ceea ce am văzut până acum.

Cuplaje inductive şi capacitive

Unele situaţii de semnale de curent sau tensiune cu frecvenţe multiple sunt create accidental, fiind rezultatul conexiunilor accidentale dintre circuite, conexiuni ce poartă numele de cuplaje, cauzate de capacităţile sau inductanţele parazite (nedorite) dintre conductorii acelor circuite.

Un exemplu clasic de cuplaj este întâlnit des în industrie, unde o reţea de semnal în curent continuu este plasată în apropierea unei reţele de alimentare în curent alternativ. Prezenţa tensiunilor înalte şi a curenţilor alternativi pot duce la modificarea comportamentului reţelei de curent continuu. Capacitatea parazită formată între izolaţiile celor două reţele poate induce tensiune de la cea de curent alternativ la cea de curent continuu, iar inductanţele parazite formate între cele două lungimi ale conductorilor pot duce la situaţia în care curenţii primei reţele să inducă tensiune pe cale electromagnetică în conductorii celei de a doua reţele. Rezultatul este o combinaţie de semnale de curent continuu şi alternativ. Schema prezentată reprezintă modul în care sursa de zgomot de curent alternativ se poate cupla la circuitul de curent continuu prin inductanţa (M_p) şi capacitatea parazită (C_p).

Cuplajul poate să apară şi între două seturi de conductori de curent alternativ, caz în care ambele semnale vor purta o combinaţie de frecvenţe:

Folosirea cablurilor răsucite şi ecranate

Atunci când tensiunile alternative parazite se mixează cu semnalele de curent continuu, rezultatele sunt de obicei nedorite. Din acest motiv, reţeaua de alimentare cu energie electrică (curent alternativ, puteri mari) trebuie să fie neapărat separată de reţelele de semnal (curent continuu, puteri mici), iar semnalele transmise prin intermediul cablurilor răsucite (twisted) formate din doi conductori, şi nu doar printr-un singur fir şi conexiunea acestuia la împământare:

Ecranajul cablului - o folie metalică înfăşurată în jurul celor doi conductori izolaţi - este conectat la împământare, şi izolează ambii conductori faţă de cuplajul electrostatic (capacitiv), blocând orice câmp electric exterior. Răsucirea celor doi conductori, unul lângă celălalt, anulează orice cuplaj electromagnetic (inductanţă mutuală), întrucât orice tensiune parazită indusă va fi aproximativ egală în amplitudine dar defazată cu 180⁰ (opoziţie de fază) în ambii conductori, cele două semnale anulându-se practic între ele, rezultând o diferenţă de potenţial aproape nulă.

Alte moduri de generare a frecvenţelor multiple

Cuplajul este doar unul dintre exemplele de combinare a frecvenţelor, fiind accidental şi de nedorit. În alte cazuri însă, semnalele cu frecvenţe multiple sunt rezultatul proiectării voite a circuitului sau reprezintă o calitate intrinsecă a semnalului analizat. Cel mai uşor mod de producere a semnalelor cu frecvenţe multiple este conectarea în serie a surselor de tensiune de frecvenţe diferite:

În unele cazuri, frecvenţa mixată a semnalului este produsă de o singură sursă de tensiune. Un exemplu este microfonul, un traductor ce transformă presiunea aerului datorată frecvenţelor audio într-o tensiune a cărei formă de undă corespunde acestor frecvenţe ne-sinusoidale. Foarte puţine sunete naturale sunt formate dintr-o vibraţie sinusoidală pură, ci, majoritatea sunt compuse dintr-o serie de vibraţii la frecvenţe şi amplitudini diferite combinate într-un singur semnal final.

Armonicile şi frecvenţa fundamentala

De exemplu, acordurile muzicale sunt produse printr-un amestec de frecvenţe peste frecvenţa de bază, denumită frecvenţa fundamentală, fiecare dintre acestea fiind un multiplu al fundamentalei, şi purtând numele de armonici. Chiar şi o simplă notă de pian este compusă dintr-o frecvenţă predominantă amestecată cu alte armonici, fiecare dintre acestea fiind un multiplu al primei (fundamentala). Pentru ilustrare, putem considera următorul tabel, în care frecvenţa fundamentală este de 1.000 Hz (cifră luată la întâmplare):

Unele instrumente muzicale nu pot produce anumite tipuri de frecvenţe armonice. De exemplu, un „instrument” realizat dintr-un tub deschis la un capăt şi închis la celălalt (precum o sticlă) nu va putea produce armonici pare. Un asemenea instrument, construit astfel încât să producă o frecvenţă fundamentală de 1.000 Hz, va produce şi armonici de 3.000, 5.000, 7.000, etc. Hz, dar nu va putea produce 2.000, 4.000, 6.000, etc. Hz

O formă de undă pur sinusoidală (frecvenţă unică, „curată”), neavând nicio armonică, sună „sec” urechii umane. Majoritatea instrumentelor muzicale nu sunt capabile să producă sunete atât de „simple”.