כל מרכיבי האלקטרוניקה יכולים להתחלק לשתי קטגוריות רחבות, האחת היא הרכיבים הפעילים והשנייה כמרכיבים פסיביים. הרכיבים הפסיביים כוללים את הנגד (R), את הקבל (C) ואת המשרן (L). אלה הם שלושת הרכיבים הנפוצים ביותר במעגל אלקטרוניקה ותמצאו אותם כמעט בכל מעגל יישומים. שלושת המרכיבים הללו יחד בצירופים שונים יהוו את המעגלים RC, RL ו- RLC ויש להם יישומים רבים כמו ממעגלי סינון, משנקי אור בצינור, מולטיברטורים וכו '. אז במדריך זה נלמד את הבסיס של המעגלים הללו, התיאוריה שמאחורי אותם וכיצד להשתמש בהם במעגלים שלנו.
לפני שאנחנו קופצים לנושאים העיקריים בואו להבין מה R, L ו- C עושים במעגל.
נגד: נגדים מסומנים באות "R". נגד הוא אלמנט שמפזר אנרגיה בעיקר בצורה של חום. תהיה לו ירידת מתח שנשארה קבועה לערך קבוע של זרם הזורם דרכה.
קבלים: קבלים מסומנים באות "C". קבל הוא אלמנט המאחסן אנרגיה (באופן זמני) בצורה של שדה חשמלי. הקבל מתנגד לשינויים במתח. ישנם סוגים רבים של קבלים, שמתוכם משתמשים בעיקר בקבל הקרמי ובקבלים האלקטרוליטיים. הם נטענים לכיוון אחד ומתפרקים לכיוון ההפוך
משרן: משרנים מסומנים באות "L". משרן דומה גם לקבל, הוא גם אוגר אנרגיה אך מאוחסן בצורה של שדה מגנטי. משרנים מתנגדים לשינויים הנוכחיים. משרנים הם בדרך כלל חוט סליל ופחות משמשים לעיתים רחוקות בהשוואה לשני המרכיבים הקודמים.
כאשר הנגד, הקבל והמשרנים האלה מורכבים, נוכל ליצור מעגלים כמו RC, RL ו- RLC, המציגים תגובות תלויות זמן ותדרים, אשר יעזרו ליישומי AC רבים כאמור. RC / RL / מעגל RLC יכול לשמש פילטר, מתנד ועוד לא ניתן לכסות כל היבט זה של מורה, כך נלמד את ההתנהגות הבסיסית של אותם במדריך זה.
עקרון בסיסי של מעגלי RC / RL ו- RLC:
לפני שנתחיל עם כל נושא נבין כיצד מתנגדים, קבלים ומשרן במעגל אלקטרוני. לצורך הבנה נבחן מעגל פשוט המורכב מקבל ונגד בסדרה עם ספק כוח (5V). במקרה זה כאשר ספק הכוח מחובר לזוג RC, המתח על פני הנגד (Vr) גדל לערכו המרבי בעוד המתח על פני הקבל (Vc) נשאר באפס, ואז לאט לאט הקבל מתחיל לבנות מטען וכך המתח על פני הנגד יקטן והמתח על פני הקבל יגדל עד שמתח הנגד (Vr) הגיע לאפס ומתח הקבל (Vc) הגיע לערכו המרבי. את המעגל ואת צורת הגל ניתן לראות ב- GIF למטה
הבה ננתח את צורת הגל בתמונה שלעיל כדי להבין מה קורה בפועל במעגל. צורת גל מאוירת מוצגת בתמונה למטה.
כאשר המתג מופעל המתח על פני הנגד (גל אדום) מגיע למקסימום שלו והמתח על פני הקבל (גל כחול) נשאר באפס. ואז הקבל נטען ו Vr הופך לאפס ו- Vc הופך למקסימלי. באופן דומה כאשר המתג כבוי מתפרק קבלים ומכאן שהמתח השלילי מופיע על פני הנגד וככל שהקבל מתפרק מתח הקבל וגם הנגד הופך לאפס כמוצג לעיל.
ניתן לדמיין את אותו הדבר גם עבור משרנים. החלף את הקבל במשרן וצורת הגל פשוט תשתקף, כלומר המתח על פני הנגד (Vr) יהיה אפס כאשר המתג מופעל מכיוון שכל המתח יופיע על פני המשרן (Vl). כאשר המשרן טוען את המתח על פני (Vl) הוא יגיע לאפס והמתח על פני הנגד (Vr) יגיע למתח המרבי.
מעגל RC:
מעגל RC (Circuit המיכלים נגד) יכלול קבלי נגד מחובר גם בסדרה או במקביל מתח או מקור זרם. סוגים אלה של מעגלים נקראים גם מסנני RC או רשתות RC מכיוון שהם משמשים לרוב ביישומי סינון. ניתן להשתמש במעגל RC לייצור כמה פילטרים גסים כמו מסנני מעבר נמוך, מעבר גבוה ופס מעבר. מעגל RC מהסדר ראשון יכלול רק נגד אחד המיכלים אחד ואנחנו מנתחים את אותו במדריך זה
כדי להבין את מעגל ה- RC, בואו ניצור מעגל בסיסי על פרוטאוס ונחבר את העומס על פני היקף כדי לנתח כיצד הוא מתנהג. המעגל יחד עם צורת הגל מופיע להלן
חיברנו עומס (נורה) של התנגדות ידועה 1k אוהם בסדרה עם קבל של 470uF ליצירת מעגל RC. המעגל מופעל באמצעות סוללת 12 וולט ומתג משמש לסגירה ולפתיחת המעגל. צורת הגל נמדדת על פני נורת העומס ומוצגת בצבע צהוב בתמונה למעלה.
בתחילה כאשר המתג פתוח מתח מקסימלי (12 וולט) מופיע על עומס הנורה ההתנגדית (Vr) והמתח על פני הקבל יהיה אפס. כאשר המתג סגור המתח על פני הנגד יירד לאפס ואז עם טעינת הקבל המתח יגיע חזרה למקסימום כפי שמוצג בתרשים.
זמן הטעינה של הקבל ניתן על ידי הנוסחאות T = 5Ƭ, כאשר "Ƭ" מייצג tou (קבוע זמן).
בואו נחשב את הזמן שלוקח לטעינה של הקבל במעגל.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0.47 שניות T = 5Ƭ = (5 * 0.47) T = 2.35 שניות.
חישבנו כי זמן טעינת הקבל יעמוד על 2.35 שניות, ניתן לאמת את אותו הדבר גם מהגרף שלמעלה. הזמן שלוקח ל- Vr להגיע מ -0 וולט ל -12 וולט שווה לזמן שנדרש לטעינה של הקבל מ -0 וולט למתח המרבי. הגרף מודגם באמצעות הסמנים שבתמונה למטה.
באופן דומה אנו יכולים גם לחשב את המתח על פני הקבל בכל זמן נתון ואת הזרם דרך הקבל בכל זמן נתון באמצעות הנוסחאות הבאות.
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
איפה, V B הוא מתח הסוללה ו- I o הוא זרם המוצא של המעגל. הערך של t הוא הזמן (בשניות) שבו צריך לחשב את המתח או את הערך הנוכחי של הקבל.
מעגל RL:
מעגל ה- RL (מעגל משרן הנגד) יורכב ממשרן ונגד המחוברים שוב בסדרה או במקביל. מעגל RL סדרתי יונע על ידי מקור מתח ומעגל RL מקביל יונע על ידי מקור זרם. מעגל RL משמש בדרך כלל כמסננים פסיביים, מעגל RL מסדר ראשון עם משרן אחד וקבל אחד מוצג להלן.
באופן דומה במעגל RL עלינו להחליף את הקבל במשרן. ההנחה היא כי הנורה פועלת כעמס התנגדות טהור והתנגדות הנורה מוגדרת לערך ידוע של 100 אוהם.
כאשר המעגל פתוח, המתח על פני עומס ההתנגדות יהיה מקסימאלי וכאשר המתג סגור המתח מהסוללה מתחלק בין המשרן לעומס ההתנגדות. המשרן נטען במהירות ומכאן שעומס ההתנגדות R יחווה ירידת מתח פתאומית.
ניתן לחשב את זמן טעינת המשרן באמצעות הנוסחה T = 5Ƭ, כאשר "Ƭ" מייצג tou (קבוע זמן).
בואו נחשב את הזמן שנדרש למשרן לטעון במעגל. כאן השתמשנו במשרן של ערך 1mH ובנגד של 100 אוהם
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 שניות T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 שניות.
באופן דומה, אנו יכולים גם לחשב את המתח על פני המשרן בכל זמן נתון ואת הזרם דרך המשרן בכל זמן נתון באמצעות הנוסחאות הבאות.
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
איפה, V B הוא מתח הסוללה ו- I o הוא זרם המוצא של המעגל. הערך של t הוא הזמן (בשניות) שבו צריך לחשב את המתח או הערך הנוכחי של המשרן.
מעגל RLC:
מעגל RLC כפי שהשם מרמז יכלול נגד, קבלי משרן מחוברים בסדרה או במקביל. המעגל יוצר מעגל מתנד אשר נפוץ מאוד במקלטי רדיו וטלוויזיות. הוא משמש בדרך כלל גם כמעגל מנחת ביישומים אנלוגיים. מאפיין התהודה של מעגל RLC מסדר ראשון נדון להלן
מעגל ה- RLC נקרא גם כמעגל תהודה סדרתי, כמעגל תנודה או כמעגל מכוון. למעגל זה יכולת לספק אות תדר מהדהד כפי שמוצג בתמונה למטה
כאן יש לנו קבלים C1 של 100u ומשרן L1 של סדרת פח מחוברת של 10mH באמצעות מתג. מכיוון שהחוט המחבר את C ו- L יהיה בעל התנגדות פנימית מסוימת, ההנחה היא כי קיימת כמות קטנה של התנגדות עקב החוט.
בתחילה, אנו שומרים על המתג 2 כפתוח וסוגרים את המתג 1 כדי לטעון את הקבל ממקור הסוללה (9V). ואז לאחר טעינת הקבל המתג 1 נפתח ואז המתג 2 נסגר.
ברגע שהמתג נסגר המטען המאוחסן בקבל ינוע לכיוון המשרן ויטעין אותו. לאחר שהקבל נטען לחלוטין, המשרן יתחיל להתפרק בחזרה לקבל בדרך זו המטענים יזרמו הלוך ושוב בין המשרן לקבל. אך מכיוון שיהיה אובדן חיובי כלשהו במהלך תהליך זה המטען הכולל יקטן בהדרגה עד שהוא יגיע לאפס כפי שמוצג בתרשים לעיל.
יישומים:
הנגדים, המשרנים והקבלים עשויים להיות רכיבים רגילים ופשוטים, אך כאשר הם משולבים בכדי להתאסף ויוצרים מעגלים כמו RC / RL ו- RLC מעגלים הם מגלים התנהגות מורכבת מה שהופך אותו למתאים למגוון רחב של יישומים. מעטים מהם מפורטים להלן
- מערכות תקשורת
- עיבוד אות
- הגדלת מתח / זרם
- משדרי גלי רדיו
- מגברי RF
- מעגל LC מהדהד
- מעגלי שירים משתנים
- מעגלי מתנד
- סינון מעגלים