Filtry, karty dźwiękowe, orangutany i zgubione napięcia - czyli dlaczego napięcie spada pod obciążeniem.

[Krzychu22]

Cześć!

Tl;dr : Dlaczego (i w jaki sposób można to opisać fizycznie) napięcie źródła spada pod obciążeniem?

Wersja dłuższa:

Po ukończeniu kursów elektroniki i lutowania postanowiłem wziąć się co nieco za technikę audio razem z Elektroprzewodnikiem. Zacząłem od tematu filtrów pasywnych (film https://www.youtube.com/watch?v=tAeXu7M5oxg). Do wygenerowania sinusoidy na wyjściu słuchawkowym komputera posłużyłem się programem https://www.roomeqwizard.com/. Samo stworzenie filtru poszło gładko. Układ i charakterystyka poniżej (109 Hz to częstotliwość graniczna dla R = 1620 omów oraz C = 100nF:





Natomiast mam problem ze zrozumieniem zachowania napięć w układzie, w sytuacjach gdy mamy:
a) nieobciążone wyjście słuchawkowe,
b) wyjście obciążone (load)
c) wyjście obciążone + filtr.

Pomiary wykonuję oscyloskopem (Aneng AOS02).

Dla nieobciążonego wyjścia (a) amplituda wynosi 3,01 V, co daje 2,13 napięcia skutecznego (3,01/1,41=2,15). Nuda. 

Przejdźmy do b). Dodając obciążenie (44 omy, symulacja słuchawek) sytuacja się zmienia i amplituda wynosi 2,8 V (1,98 Usk). W takim wypadku przez „słuchawki” płynie jakieś 45mA.
To by też znaczyło, że przy dodaniu słuchawek gdzieś po drodze „straciliśmy” 0,15V (2,13 V – 1,98 V = 0,15V) . Biorąc pod uwagę prąd (45mA) musiało się to odłożyć na jakichś 3,3 omach. (R=0,15/0,045 = 3,3)
Zakładam tutaj, że źródło ma jakąś stałą rezystancję wewnętrzną na której odkłada się to napięcie, co prawdopodobnie jest założeniem błędnym, co zaraz wykażę.

Przejdźmy teraz do sytuacji c): dodajmy do obciążenia filtr dolnoprzepustowy z cz.g. 109 Hz opisany wcześniej. Co się zmieniło w pomiarach?
- amplituda zmierzona na 44 omach (słuchawki, load) wynosi 1,62V. Usk1 = 1,14 V

- amplituda zmierzona na kondensatorze wynosi 1,15 V. Usk2 = 0,81 V

- nie mierzyłem, ale z prawa Kirchhoffa wynikałoby, że spadek na rezystorze (1,62k) wynosi Usk3 = Usk1-Usk2 = 1,14V – 0,81V = 0,33V, co jest dziwne, bo rezystor i kondensator mają tu podobny opór*

- prąd na słuchawkach musi wynosić 1,14V/44omy = 26mA

- prąd na rezystorze (1,62k) musi wynosić 0,33V/1620O = 0,0002A, a więc 0,2mA.

- prąd pobierany przez układ = 26,2mA.
- jednocześnie, porównując z nieobciążoną linią (2,13V) brakuje nam 0,99V (2,13 – 1,14).

Zakładając że rezystancja wewnętrzna źródła jest stała (w b) wynosiła ona 3 omy), to odkładające się na niej napięcie (0,99V) musiałoby wygenerować 0,3A prądu. 300 mA != 26,2mA, a więc ta dedukcja nie ma sensu.

 

Możliwe wyjaśnienie:
- porównywanie z nieobciążoną linią nie ma sensu, gdyż za każdym razem generowany jest inny prąd (oraz napięcie) wynikające z przyłożonego obciążenia. Dla sytuacji a) obciążenie jest duże (miernik) a malutki prąd źródło jest w stanie wygenerować, stąd najwyższe napięcie.

W pozostałych przypadkach obciążenie jest mniejsze (44 omy w b) oraz 43 omy* w c), a źródło nie jest w stanie dać takiego prądu – więc generuje mniejszy, zmniejszając też napięcie. Co dziwne oba układy różnią się wypadkową rezystancją w niewielkim stopniu, ale różnice w napięciu (na słuchawkach 44o są to odpowiednio 1,98 w b) vs 1,14 w c)) oraz prądzie (45mA vs 26 mA) są już znaczne.

Skąd te zmiany? Gdzie się podziały zagubione volty? 

https://cdn-useast1.kapwing.com/static/templates/where-banana-blank-template-full-7a0648bc.webp
 

* Obliczenia: Xc = 1/(6,14*109*0,0000009) = 1623o

R = 1620o

Z = sqr(X^2 + R^2) = 2293o

Rz = (Z*44/Z+44) = 43o

Dziwi mnie różnica napięć na rezystorze 1620 oraz kondensatorze o reaktancji 1623. Czy nie powinny mieć takiego samego napięcia skutecznego? Dlaczego więc Usk na kondensatorze jest 0,81, zostawiając jedynie 0,33 na rezystor 1620o.

[Krzychu22]

Aaa, i bardzo proszę o wyjaśnienie takie zrozumiałe dla orangutana  

[H1M4W4R1]

54 minuty temu, Krzychu22 napisał:

Aaa, i bardzo proszę o wyjaśnienie takie zrozumiałe dla orangutana  

Uwzględniłeś przesunięcie fazowe napięcia na kondensatorze względem rezystora?

[Krzychu22]

6 godzin temu, H1M4W4R1 napisał:

Uwzględniłeś przesunięcie fazowe napięcia na kondensatorze względem rezystora?

Nie. Nie poznałem jeszcze tego zagadnienia . 
Z tym, że to by chyba tłumaczyło jedynie różnice między napięciami na kondensatorze i rezystorze przy takim samym oporze - a nie różnice w napięciach między „wersjami” układu.