يمكن تقسيم جميع مكونات الإلكترونيات إلى فئتين عريضتين ، واحدة هي المكونات النشطة والأخرى كمكونات سلبية. تشمل المكونات السلبية المقاوم (R) والمكثف (C) والمحث (L). هذه هي المكونات الثلاثة الأكثر استخدامًا في الدوائر الإلكترونية وستجدها في كل دائرة تطبيق تقريبًا. ستشكل هذه المكونات الثلاثة معًا في مجموعات مختلفة دوائر RC و RL و RLC ولديها العديد من التطبيقات مثل من دوائر الترشيح وخنق أنبوب الضوء وأجهزة الهزاز المتعددة وما إلى ذلك. لذلك في هذا البرنامج التعليمي سوف نتعلم أساسيات هذه الدوائر ، النظرية وراء لهم وكيفية استخدامها في دوائرنا.
قبل أن ننتقل إلى الموضوعات الرئيسية ، دعنا نفهم ما تفعله R و L و C في الدائرة.
المقاوم: المقاومات يرمز لها بالحرف "R". المقاوم هو عنصر يبدد الطاقة في الغالب على شكل حرارة. سيكون له انخفاض في الجهد عبره يظل ثابتًا لقيمة ثابتة للتيار المتدفق خلاله.
المكثفات: يُشار إلى المكثفات بالحرف "C". المكثف هو عنصر يخزن الطاقة (مؤقتًا) في شكل مجال كهربائي. مكثف يقاوم التغيرات في الجهد. هناك أنواع عديدة من المكثفات ، منها المكثف الخزفي والمكثفات الإلكتروليتية تستخدم في الغالب. يتم شحنها في اتجاه واحد وتفريغها في الاتجاه المعاكس
المحرِّض: يُرمز إلى المحرِّضات بالحرف "L". المحث مشابه أيضًا للمكثف ، فهو أيضًا يخزن الطاقة ولكن يتم تخزينه في شكل مجال مغناطيسي. المحاثات تقاوم التغييرات الحالية. المحاثات عادة ما تكون عبارة عن سلك ملفوف ونادرًا ما تستخدم مقارنة بالمكونين السابقين.
عندما يتم تجميع هذه المقاومة والمكثفات والمحثات معًا ، يمكننا تشكيل دوائر مثل دائرة RC و RL و RLC التي تعرض استجابات تعتمد على الوقت والتردد والتي ستكون مفيدة في العديد من تطبيقات التيار المتردد كما ذكرنا بالفعل. A دائرة RC / RL / RLC يمكن أن تستخدم فلتر ، مذبذب وأكثر من ذلك بكثير أنه من غير الممكن لتغطية كل جانب من جوانب في هذا البرنامج التعليمي، ولذا فإننا سوف نتعلم سلوك الأساسي منها في هذا البرنامج التعليمي.
المبدأ الأساسي لدارات RC / RL و RLC:
قبل أن نبدأ بكل موضوع ، دعونا نفهم كيف يتصرف المقاوم والمكثف والمحث في الدائرة الإلكترونية. لغرض الفهم ، دعونا ننظر في دائرة بسيطة تتكون من مكثف ومقاوم في سلسلة مع مصدر طاقة (5V). في هذه الحالة عندما يكون مصدر الطاقة متصلاً بزوج RC ، يزداد الجهد عبر المقاوم (Vr) إلى قيمته القصوى بينما يظل الجهد عبر المكثف (Vc) عند الصفر ، ثم يبدأ المكثف ببطء في بناء الشحنة وبالتالي سينخفض الجهد عبر المقاوم وسيزداد الجهد عبر المكثف حتى يصل جهد المقاوم (Vr) إلى الصفر ووصل جهد المكثف (Vc) إلى قيمته القصوى. يمكن رؤية الدائرة وشكل الموجة في GIF أدناه
دعونا نحلل شكل الموجة في الصورة أعلاه لفهم ما يحدث فعليًا في الدائرة. يظهر شكل موجة مصور جيدًا في الصورة أدناه.
عند تشغيل المفتاح ، يصل الجهد عبر المقاوم (الموجة الحمراء) إلى الحد الأقصى ويظل الجهد عبر المكثف (الموجة الزرقاء) عند الصفر. ثم يشحن المكثف ويصبح Vr صفرًا ويصبح Vc الحد الأقصى. وبالمثل ، عندما يتم إيقاف تشغيل المفتاح ، فإن تفريغ المكثف وبالتالي يظهر الجهد السالب عبر المقاوم وعندما يقوم المكثف بتفريغ كل من جهد المكثف والمقاوم يصبح صفراً كما هو موضح أعلاه.
يمكن تصور نفس الشيء بالنسبة للمحثات أيضًا. استبدل المكثف بمحث وسيتم عكس شكل الموجة فقط ، أي أن الجهد عبر المقاوم (Vr) سيكون صفراً عند تشغيل المفتاح لأن الجهد بالكامل سيظهر عبر المحث (Vl). عندما يقوم المحرض بشحن الجهد عبر (Vl) فإنه سيصل إلى الصفر وسيصل الجهد عبر المقاوم (Vr) إلى الحد الأقصى للجهد.
دائرة RC:
في دائرة RC (المقاوم المكثفات الدائرة سوف) تتكون من المكثفات والمقاومات متصلة إما في سلسلة أو موازية لجهد أو مصدر في الوقت الراهن. تسمى هذه الأنواع من الدوائر أيضًا بمرشحات RC أو شبكات RC نظرًا لأنها شائعة الاستخدام في تطبيقات التصفية. يمكن استخدام دائرة RC لعمل بعض المرشحات الخام مثل مرشحات التمرير المنخفض والمرور العالي ومرشحات Band-Pass. A الدائرة الدرجة الأولى RC سيتكون فقط المقاوم واحد واحد المكثفات وسنقوم بتحليل نفسه في هذا البرنامج التعليمي
لفهم دائرة RC ، دعنا ننشئ دائرة أساسية على البروتينات ونوصل الحمل عبر النطاق لتحليل كيفية تصرفه. الدائرة مع شكل الموجة موضحة أدناه
لقد قمنا بتوصيل حمولة (مصباح كهربائي) بمقاومة معروفة 1 كيلو أوم في سلسلة بمكثف 470 فائق التوهج لتشكيل دائرة RC. يتم تشغيل الدائرة بواسطة بطارية بجهد 12 فولت ويستخدم مفتاح لإغلاق الدائرة وفتحها. يتم قياس شكل الموجة عبر لمبة التحميل ويظهر باللون الأصفر في الصورة أعلاه.
في البداية ، عندما يكون المفتاح مفتوحًا ، يظهر الجهد الأقصى (12 فولت) عبر حمل المصباح المقاوم (Vr) وسيكون الجهد عبر المكثف صفراً. عندما يتم إغلاق المفتاح ، سينخفض الجهد عبر المقاوم إلى الصفر ، وبعد ذلك مع شحن المكثف ، سيعود الجهد إلى الحد الأقصى كما هو موضح في الرسم البياني.
الوقت الذي يستغرقه المكثف لشحنه مُعطى بالصيغ T = 5Ƭ ، حيث يمثل "Ƭ" tou (ثابت الوقت).
دعونا نحسب الوقت المستغرق لشحن مكثفنا في الدائرة.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0.47 ثانية T = 5Ƭ = (5 * 0.47) T = 2.35 ثانية.
لقد حسبنا أن الوقت المستغرق لشحن المكثف سيكون 2.35 ثانية ، ويمكن أيضًا التحقق من ذلك من الرسم البياني أعلاه. الوقت الذي يستغرقه وصول Vr من 0 فولت إلى 12 فولت يساوي الوقت الذي يستغرقه المكثف للشحن من 0 فولت إلى أقصى جهد. تم توضيح الرسم البياني باستخدام المؤشرات في الصورة أدناه.
وبالمثل ، يمكننا أيضًا حساب الجهد عبر المكثف في أي وقت والتيار عبر المكثف في أي وقت باستخدام الصيغ أدناه
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
حيث ، V B هو جهد البطارية و I o هو تيار الخرج للدائرة. قيمة t هي الوقت (بالثواني) الذي يجب فيه حساب الجهد أو القيمة الحالية للمكثف.
دائرة RL:
على حلبة RL (المقاوم مغو الدائرة سوف) تتكون من وسيط والمقاوم على اتصال مرة أخرى إما في سلسلة أو موازية. سيتم تشغيل دائرة RL التسلسلية بواسطة مصدر الجهد وسيتم تشغيل دائرة RL الموازية بواسطة مصدر حالي. تُستخدم دائرة RL بشكل شائع كمرشحات سلبية ، ودائرة RL من الدرجة الأولى مع محث واحد ومكثف واحد موضحة أدناه
وبالمثل في دائرة RL ، يتعين علينا استبدال المكثف بمحث. يُفترض أن يعمل المصباح كحمل مقاوم نقي ويتم ضبط مقاومة المصباح على قيمة معروفة تبلغ 100 أوم.
عندما تكون الدائرة مفتوحة ، سيكون الجهد عبر الحمل المقاوم إلى أقصى حد وعندما يتم إغلاق المفتاح ، يتم مشاركة الجهد من البطارية بين المحث والحمل المقاوم. يتم شحن المحرِّض بسرعة ، ومن ثم سيحدث انخفاض مفاجئ في الجهد بفعل الحمل المقاوم R.
يمكن حساب الوقت المستغرق لشحن المحرِّض باستخدام الصيغة T = 5Ƭ ، حيث يمثل "Ƭ" tou (ثابت الوقت).
دعونا نحسب الوقت المستغرق لشحن المحرض في الدائرة. هنا استخدمنا محثًا بقيمة 1 مللي أمبير والمقاوم بقيمة 100 أوم
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 ثوانٍ T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u ثانية.
وبالمثل ، يمكننا أيضًا حساب الجهد عبر المحرِّض في أي وقت والتيار عبر المحث في أي وقت باستخدام الصيغ أدناه
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
حيث ، V B هو جهد البطارية و I o هو تيار الخرج للدائرة. قيمة t هي الوقت (بالثواني) الذي يجب فيه حساب الجهد أو القيمة الحالية للمحث.
حلبة RLC:
A RLC الدائرة كما يوحي الاسم سوف تتكون من المقاوم، مكثف ومغو متصلة في سلسلة أو موازية. تشكل الدائرة دائرة مذبذب تستخدم بشكل شائع في أجهزة استقبال الراديو وأجهزة التلفزيون. كما أنها تستخدم بشكل شائع كدوائر مثبطة في التطبيقات التناظرية. تمت مناقشة خاصية الرنين لدائرة RLC من الدرجة الأولى أدناه
في دائرة RLC يسمى أيضا باسم الدائرة سلسلة الرنين، الدائرة تتأرجح أو دائرة ضبطها. هذه الدائرة لديها القدرة على توفير إشارة تردد طنين كما هو موضح في الصورة أدناه
هنا لدينا مكثف C1 من 100u ومحث L1 من سلسلة قصدير متصلة 10mH من خلال مفتاح. نظرًا لأن السلك الذي يربط بين السلكين C و L سيكون له بعض المقاومة الداخلية ، فمن المفترض وجود قدر ضئيل من المقاومة بسبب السلك.
في البداية ، نحتفظ بالمفتاح 2 مفتوحًا ونغلق المفتاح 1 لشحن المكثف من مصدر البطارية (9 فولت). ثم بمجرد شحن المكثف ، يتم فتح المفتاح 1 ثم يتم إغلاق المفتاح 2.
بمجرد إغلاق المفتاح ، ستتحرك الشحنة المخزنة في المكثف باتجاه المحرِّض وتشحنه. بمجرد أن يتم تفريغ المكثف بالكامل ، سيبدأ المحرِّض في التفريغ مرة أخرى في المكثف بهذه الطريقة سوف تتدفق الشحنات ذهابًا وإيابًا بين المحث والمكثف. ولكن نظرًا لوجود بعض الخسارة في الرسوم أثناء هذه العملية ، فإن إجمالي الشحنة سينخفض تدريجيًا حتى يصل إلى الصفر كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه.
التطبيقات:
قد تكون المقاومات والمحثات والمكثفات مكونات عادية وبسيطة ولكن عندما يتم دمجها لتكوين دوائر مثل دائرة RC / RL و RLC فإنها تظهر سلوكًا معقدًا مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات. قليل منهم مدرجون أدناه
- نظم الاتصالات
- معالجة الإشارات
- الجهد / التكبير الحالي
- أجهزة إرسال موجات الراديو
- مضخمات التردد اللاسلكي
- دارة LC الرنانة
- دوائر نغمات متغيرة
- دارات المذبذب
- دوائر الترشيح