فئات: مقالات مميزة » إلكترونيات عملية
مرات المشاهدة: 32001
تعليقات على المادة: 2
المكثفات في الدوائر الإلكترونية
في المقالات السابقة ، تحدثنا لفترة وجيزة عن تشغيل المكثفات في دوائر التيار المتردد ، وكيف ولماذا تمر المكثفات في التيار المتردد (انظر - مكثفات التيار المتردد). في هذه الحالة ، لا يتم تسخين المكثفات ، ولا يتم تخصيص الطاقة لها: في نصف موجة من الجيوب الأنفية ، يتم شحن المكثف ، وفي الحالة الأخرى ، يتم تفريغها بشكل طبيعي ، أثناء إعادة الطاقة المخزنة إلى المصدر الحالي.
تسمح لك طريقة تمرير التيار هذه بتسمية المكثف بمقاومة حرة ، وهذا هو السبب في أن المكثف المتصل بالمنفذ لا يجعل دوران العداد. وكل هذا يرجع إلى أن التيار في المكثف يتقدم قبل 1/4 بالضبط من الوقت الذي يطبق فيه الجهد.
لكن تقدم المرحلة هذا يجعل من الممكن ليس فقط "خداع" العداد ، ولكن أيضًا يجعل من الممكن إنشاء دوائر مختلفة ، على سبيل المثال ، مولدات الإشارات الجيبية والمستطيلة ، والتأخير الزمني ومرشحات التردد المختلفة.
في عملية هذه القصة ، يتعين على المرء في بعض الأحيان أن يتذكر ما قيل بالفعل من قبل ، إذا جاز التعبير ، لتلخيص. هذا سيساعد على عدم العودة إلى المقالات السابقة من أجل تذكر صيغة بسيطة ، أو ببساطة ، "ما هو؟"
موازية وسلسلة اتصال المكثفات
مع اتصال مواز للمكثفات ، فإن السعة الإجمالية هي ببساطة مجموع الحسابي من السعات. بطبيعة الحال ، مع هذا التضمين ، ستكون السعة الكلية أكبر من سعة أكبر مكثف. Cototal = C1 + C2 + C3 + ... + Cn.
في حالة الاتصال المتسلسل ، تكون السعة الإجمالية أقل من السعة الأصغر.
1 / Cototal = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + ... + 1 / Cn.
عندما يتم توصيل اثنين من المكثفات متطابقة في سلسلة ، فإن السعة الكلية تساوي نصف السعة واحدة: على سبيل المثال ، عند توصيل اثنين من المكثفات 1 µF لكل منهما ، فإن السعة الإجمالية ستكون 0.5 µF.
السعة Xc
هنا ، كل شيء ، كما هو الحال عند توصيل المقاومات ، هو عكس ذلك تمامًا: حيث يقلل اتصال السلسلة من السعة الكلية ويزيدها موازٍ. لا ينبغي أن ننسى هذا الظرف عند توصيل المكثفات ، لأن الزيادة في السعة تؤدي إلى انخفاض في السعة Xc
Xc = 1/2 * π * f * C.
من وجهة نظر الرياضيات ، يعد هذا أمرًا طبيعيًا تمامًا ، لأن السعة C هي مقام الكسر. بالمناسبة ، يكون التردد f في نفس المكان ، وبالتالي فإن الزيادة في التردد تؤدي أيضًا إلى انخفاض في السعة Xc. المعنى المادي لهذا هو أنه من خلال المكثف نفسه ، من الأفضل ، دون عوائق ، أن تمر الترددات العالية. سيناقش هذا بعد قليل ، عندما يتعلق الأمر بمرشحات تمرير منخفض وعالية النجاح.
إذا أخذنا مكثفًا بسعة 1 فهرنهايت ، فعند تردد 60 هرتز ، سيكون Xc هو 2653 أوم ، ولتردد 400 هرتز ، يكون للمكثف نفسه Xc يبلغ 398 أوم فقط. يمكن لأولئك الذين يرغبون في التحقق من هذه النتائج من خلال الصيغة ، والاستبدال .14 = 3.14 ، والتردد في هيرتز ، والسعة في farads. ثم ستكون النتيجة في أوم. كل شيء يجب أن يتوافق مع نظام SI!
لكن المكثفات لا تستخدم فقط كمقاومة للتخميد الحر أو في مرشحات المقوم. بدون مشاركتهم ، دوائر للمولدات منخفضة التردد وعالية التردد ، محولات متعددة الموجات ، تفاضل وتكامل الدوائر ، مكبرات الصوت وغيرها من المخططات.
بعد ذلك ، سيتم النظر في الإشارات الكهربائية المختلفة التي يجب أن تعمل عليها المكثفات. بادئ ذي بدء ، هذه إشارات دورية مناسبة للمراقبة مع مرسمة الذبذبات.
فترة وتواتر التذبذبات
لذلك يسمى التذبذب الدوري الدوري ، والذي ، دون توقف ، يكرر نفس الشكل ، على سبيل المثال ، التذبذب الجيوب الأنفية واحد. تدعى مدة هذا التأرجح الكامل بالتحديد بالفترة T ، ويتم قياسها بالثواني ، بالميللي ثانية ، بالمايكرو ثانية.تتعامل الإلكترونيات الحديثة مع النانو ثانية (مليار من الثانية).
يُطلق على عدد الفترات بالثانية تردد (عدد المرات) التذبذبات f ، ويتم التعبير عنها بالهرتز. 1Hz هو التردد الذي يتم فيه تأرجح واحد ، فترة كاملة واحدة ، في ثانية واحدة. يتم التعبير عن نسبة الفترة والتردد بالصيغة البسيطة T = 1 / f.
وفقًا لذلك ، عند معرفة فترة التذبذب ، من السهل جدًا حساب التكرار f = 1 / T.
هذه هي الطريقة التي يتم بها حساب التكرار عند القياس باستخدام مرسمة الذبذبات: يتم حساب عدد الخلايا في فترة ما ، مضروبة في مدة خلية واحدة ، ويتم الحصول على الفترة ، على سبيل المثال ، بالميكرو ثانية. ولاكتشاف التردد ، استخدموا الصيغة الأخيرة ببساطة.
عادي الذبذبات الإلكترونية يسمح لك بمراقبة الإشارات الدورية فقط التي يمكن مزامنتها مع تردد المسح من أجل الحصول على صورة ثابتة مناسبة للبحث. إذا قمت بإرسال إشارة إلى برنامج موسيقي لإدخال الذبذبات ، فلن تتمكن من إيقاف الصورة لأي شيء. لمراقبة هذه الإشارات ، يتم استخدام ذبذبات التخزين.
عندما تقاس فترة بالمللي ثانية ، يتم الحصول على التردد بالكيلو هرتز ، لفترة تقاس بالميكرو ثانية ، يتم التعبير عن التردد بالميغاهرتز بالفعل. هذا إذا كنت لا تتبع متطلبات نظام SI: الفترة بالثواني ، التردد بالهرتز.
الاهتزازات غير الجيبية
كما ذكرنا سابقًا ، فإن موجة جيبية هي الأكثر شيوعًا ومناسبة للدراسة والاستخدام العملي للمنحنى الدوري. في الظروف الصناعية ، يتم الحصول عليها باستخدام المولدات الكهربائية ، على سبيل المثال ، في محطات الطاقة الكهرومائية. في الأجهزة الإلكترونية ، يتم استخدام الاهتزازات من الأشكال المختلفة.
في الأساس ، هذه ثلاثة أشكال: الجيبية والمستطيلة والمثلثية ، كما هو مبين في الشكل 1. كل من التيار والجهد يمكن أن يكون لهما هذا الشكل ، لذلك ، يوضح الشكل فقط محور الوقت ، ويتم ترك المحور الإحداثي بدون اسم.
يتم إنشاء مثل هذه التذبذبات بواسطة دوائر إلكترونية خاصة. وغالبا ما تسمى الإشارات المستطيلة والمثلثية النبضية. ومع ذلك ، هناك الكثير من الدوائر الإلكترونية التي تقوم بإجراء تحويل الإشارة: على سبيل المثال ، المستطيل ، يمكن صنع مثلث من الجيوب الأنفية.
الشكل 1
لكل الإشارات الثلاث ، يوضح الشكل فترتين ، كل الإشارات لها نفس التردد.
طيف الإشارات غير الجيبية
يمكن تمثيل أي إشارة كهربائية كمقياس للسعة في وقت ما. يسمى تردد هذه العينات بتكرار أخذ العينات ، وأعلى مرتين على الأقل من التردد العلوي للإشارة المقاسة. ثم من هذه العينات ، يمكنك استعادة الإشارة الأصلية. تستخدم هذه الطريقة ، على سبيل المثال ، في تسجيل الصوت الرقمي. وتسمى هذه الطريقة أيضًا تحليل الوقت.
طريقة أخرى تفترض أن أي إشارة ، حتى إشارة مستطيلة ، يمكن تمثيلها كمجموع جبري من الجيوب الأنفية مع ترددات ومراحل مختلفة. وتسمى هذه الطريقة تحليل التردد. لكن ، ما قيل "بترددات مختلفة" ليس صحيحًا تمامًا: تسمى الجيوب الأنفية المكونة للتناسق التوافقيات وتتردد تردداتها في قوانين معينة.
يطلق على الموجة الجيبية التي يساوي ترددها تردد الموجة المربعة التوافقي الأساسي أو الأول. يتم الحصول على التوافقيات عن طريق ضرب التردد الأساسي بعدد زوجي ، والتوافقيات الفردية ، على التوالي ، من خلال الفردية.
وبالتالي ، إذا كان التوافقي الأول له تردد 1000 هرتز ، فإن الثاني هو 2000 هرتز ، الرابع هو 4000 هرتز ، إلخ. سيكون التوافقيات الفردية ترددات 3000Hz ، 5000Hz. علاوة على ذلك ، يكون كل التوافقي أصغر في السعة من السعة الرئيسية: كلما كان التوافقي أعلى ، كان السعة أصغر.
في الموسيقى ، وتسمى التوافقيات نغمات. هم الذين يشكلون جرس الصوت ، مما يجعل من الممكن التمييز بين الكمان والبيانو والغيتار من الساكسفون. لا يسمحون بالخلط بين صوت الذكور والإناث أو التمييز بين بتروف وإيفانوف. وفقط الجيوب الأنفية نفسها لم يعد بالإمكان تحللها أو تجميعها من أي إشارات.
ويبين الشكل 2 بناء نبضة مستطيلة.
الشكل 2
وتظهر التوافقيات الأولى والثالثة في الجزء العلوي من الشكل. من السهل أن نرى أنه في فترة واحدة من أول ثلاث فترات متناسقة من التمريرة الثالثة. في هذه الحالة ، تبلغ سعة التوافقي الثالث ثلث الأول. ويرد أيضا مجموع التوافقيات الأولى والثالثة هنا.
أدناه ، مع مجموع التوافقيات 1 و 3 ، يتم عرض 5 توافقيات أخرى: لفترة إشارة مستطيلة تمكنت من القيام بها بالضبط خمس فترات. في هذه الحالة ، تكون السعة أصغر ، وبشكل أدق ، بالضبط 1/5 من السعة الرئيسية (الأولى). لكن لا ينبغي للمرء أن يفكر في أن كل شيء ينتهي عند التوافقي الخامس: إنه ببساطة لا يمكن إظهاره في الشكل ، في الواقع هناك الكثير.
إن تكوين إشارات سن المنشور والمثلث ، كما هو موضح في الشكل 3. ، أكثر تعقيدًا إلى حد ما ، وإذا اشتركت التوافقيات الفردية في الحالة السابقة ، فحينئذٍ تدخل التوافقيات.
الشكل 3
وبالتالي ، يمكننا أن نقول حقيقة أنه بمساعدة العديد من التوافقيات يتم تجميع إشارة من أي شكل ، وعدد ونوع التوافقيات تعتمد على الشكل الموجي ، كما هو مبين في الشكلين 2 و 3.
عند إصلاح وإعداد المعدات الإلكترونية ، يتم استخدام الذبذبات لدراسة الإشارات الكهربائية. انها تسمح لك أن تنظر في شكل إشارات دورية ، السعة ، وقياس فترة التكرار. لكن التوافقيات الموضحة في الشكلين 2 و 3 لا يمكن رؤيتها.
حتى إذا قمت بتوصيل ، على سبيل المثال ، غيتار كهربائي بمنظار الذبذبات ، اسحب سلسلة واحدة ، يظهر الجيوب الأنفية على الشاشة ، إنه أول متناسق. في هذه الحالة ، لا يمكن أن يكون هناك أي حديث عن أي تلميحات. سينتج نفس الجيوب الأنفية إذا انفجرت في الأنبوب أو الفلوت أمام الميكروفون.
كيفية الحصول على نبضات مستطيلة
بعد التعرف على الإشارات الكهربائية ، نحتاج إلى استدعاء المكثفات التي بدأت المقالة بها. بادئ ذي بدء ، يجب أن تتعرف على واحدة من الدوائر الإلكترونية الكلاسيكية - متعدد الهزاز(الشكل 4) هو الذي يولد نبضات مستطيلة. الدائرة كلاسيكية لدرجة أنها تبدأ العمل على الفور دون الحاجة إلى أي إعدادات أو تعديلات.
الشكل 4
الهزاز المتعدد هو مكبر للصوت على مرحلتين ، مغطى بردود فعل إيجابية. إذا كانت مقاومات تحميل المجمّع R1 = R4 ، تكون المقاومات الأساسية R2 = R3 متساوية ، والمكثفات C1 = C2 متساوية ، تسمى الهزاز المتعدد متماثل ويولد نبضات موجة مربعة من نوع التعرج - مدة النبضة تساوي مدة الإيقاف المؤقت.
دورة العمل من هذه النبضات (نسبة الفترة إلى فترة النبض) تساوي اثنين. في مخططات اللغة الإنجليزية ، كل شيء عكس ذلك تمامًا: يسمونه دورة العمل. يتم حسابها كنسبة مدة النبضة إلى فترة تعاقبها ويتم التعبير عنها كنسبة مئوية. وبالتالي ، بالنسبة للتعرج ، تكون دورة التشغيل 50٪.
هل الكمبيوتر صحيح؟
اقترح عالم الفيزياء الهولندي فان دير بول اسم "الهزاز المتعدد" ، لأن طيف الإشارة المستطيلة يحتوي على العديد من التوافقيات. يمكنك التحقق من ذلك إذا كان يمكنك وضع جهاز استقبال لاسلكي يعمل في نطاق الموجة المتوسطة بالقرب من متعدد الهزاز الذي يعمل حتى على تردد صوتي: ستأتي العواء من السماعة. هذا يشير إلى أنه بالإضافة إلى تردد الصوت ، تنبعث الهزاز المتعدد أيضًا تذبذبات عالية التردد.
لتحديد تردد التوليد ، يمكن استخدام الصيغة f = 700 / (C1 * R2).
مع هذا الشكل من الصيغة ، فإن سعة المكثف في الميكروفاراد (μF) ، والمقاومة بالكيلو أوم (KΩ) ، تؤدي إلى هيرتز (Hz). وبالتالي ، يتم تحديد التردد من خلال ثابت وقت الدائرة C1 * R2 ؛ لا تؤثر أحمال المجمع على التردد. إذا أخذنا C1 = 0.02 μF ، R2 = 39 KΩ ، فسنحصل على f = 700 / (0.02 * 39) = 897.4 هرتز.
متعدد الهزاز في عصر أجهزة الكمبيوتر و ميكروكنترولر وفقًا لهذا المخطط ، لا يتم استخدامه تقريبًا على الرغم من أنه قد يكون مناسبًا للتجارب المختلفة. بادئ ذي بدء ، باستخدام أجهزة الكمبيوتر. هكذا تبدو دارة multivibrator المجمعة في برنامج Multisim. كما يوضح اتصال الذبذبات.
الشكل 5
في هذه الدائرة ، يتم تثبيت المكثفات والمقاومات كما في المثال السابق. تتمثل المهمة في التحقق من الحساب وفقًا للمعادلة ما إذا كان سيتم الحصول على نفس التردد. للقيام بذلك ، قم بقياس فترة النبضات ، ثم أعد حسابها حسب التردد. يظهر نتيجة الذبذبات Multisim في الشكل 6.
الشكل 6
بعض التوضيحات إلى الشكل 6.
على شاشة الذبذبات ، يُظهر النبض الأحمر النبضات على مجمع الترانزستور والأزرق على القواعد. أسفل الشاشة في نافذة بيضاء كبيرة ، تُظهر الأرقام نتائج القياس. نحن مهتمون بعمود "الوقت". يقاس الوقت بالمؤشرات T1 و T2 (مثلثات حمراء وزرقاء فوق الشاشة).
وبالتالي ، يتم عرض فترة تكرار النبض T2-T1 = 1.107 مللي ثانية بدقة تامة. يبقى فقط لحساب التردد f = 1 / T = 1 / 1.107 * 1000 = 903Hz.
والنتيجة هي نفسها تقريبًا كما في الحساب وفقًا للمعادلة ، والتي تُعطى أعلى قليلاً.
لا يمكن استخدام المكثفات بشكل منفصل فقط: بالاقتران مع المقاومات ، فإنها تتيح لك ببساطة إنشاء مرشحات مختلفة أو إنشاء دوائر تحول طور. ولكن سوف نناقش هذا في المقال القادم.
استمرار المقال: المكثفات في الدوائر الإلكترونية. الجزء 2
بوريس الأديشين
انظر أيضا في electro-ar.tomathouse.com
: