מגבר תפעולי הוא חלק בלתי נפרד מהאלקטרוניקה, ולמדנו בעבר על מגברי אופ במעגלים שונים המבוססים על מגבר, ובנינו גם מעגלי מתנד רבים באמצעות רכיבי מגבר ורכיבים אלקטרוניים אחרים.
מתנד בדרך כלל מתייחס למעגל המייצר פלט תקופתי וחוזר על עצמו כמו גל סינוס או גל מרובע. מתנד יכול להיות קונסטרוקציה מכנית או אלקטרונית המייצרת תנודה בהתאם לכמה משתנים. בעבר למדנו על מתנדים פופולריים רבים כמו מתנד משמרת שלב RC, מתנד קולפיטס, מתנד וויין ברידג 'וכו'. היום נלמד על מתנד הרפיה.
מתנד הרפיה היא זו אשר עונה על כל התנאים שלהלן:
- עליו לספק צורת גל לא סינוסואידית (של מתח או פרמטר זרם) בפלט.
- עליו לספק אות תקופתי או אות חוזר כמו גל משולש, ריבוע או מלבני בפלט.
- המעגל של מתנד הרפיה חייב להיות מעגל לא לינארי. פירוש הדבר שתכנון המעגל חייב לכלול התקני מוליכים למחצה כמו טרנזיסטור, MOSFET או OP-AMP.
- תכנון המעגל חייב לכלול גם מכשיר לאחסון אנרגיה כמו קבל או משרן אשר נטען ומתפרק ברציפות כדי לייצר מחזור. תדירות או תקופת התנודה של מתנד כזה תלויה בקבוע הזמן של המעגל הקיבולי או האינדוקטיבי שלהם.
עבודה של מתנד הרפיה
להבנה טובה יותר של מתנד הרפיה, הבה נבחן תחילה את עבודתו של מנגנון פשוט המוצג להלן.
המנגנון המוצג כאן הוא נדנדה שכולם חוו ככל הנראה בחייהם. קרש נע קדימה ואחורה בהתאם לכוח הכבידה שחווים ההמונים בשני קצותיו. במילים פשוטות, הנדנדה היא משווה של 'מסה' והיא משווה את מסת החפצים המוצבת בשני קצות הקרש. אז כל אובייקט שיש לו מסה גבוהה יותר מפלס לקרקע בזמן שחפץ המסה התחתון מורם לאוויר.
בהתקנת הנדנדה זו, יהיה לנו מסה קבועה 'M' בקצה אחד ודלי ריק בקצה השני כפי שמוצג באיור. במצב התחלתי זה המפלס 'M' יופנה לקרקע והדלי יתלה באוויר על פי עיקרון הנדנדה שנדון לעיל.
כעת, אם פתח את הברז שמונח מעל הדלי הריק, אז המים מתחילים למלא את הדלי הריק ובכך מגדילים את מסת כל ההתקנה.
וברגע שהדלי יתמלא לחלוטין, אז כל המסה בצד הדלי תהיה יותר מהמסה הקבועה 'M' המוצבת בקצה השני. אז הקרש נע לאורך הציר ובכך מעביר את מיסה 'M' ומקרקע את דלי המים.
ברגע שהדלי פוגע בקרקע, המים הממולאים בדלי נשפכים לחלוטין לקרקע כפי שמוצג באיור. לאחר הזליגה, המסה הכוללת בצד הדלי תחזור להיות פחותה לעומת המסה הקבועה 'M'. אז שוב הקרש נע לאורך הציר ובכך מעביר את הדלי לאוויר שוב למילוי נוסף.
מחזור זה של מילוי ושפיכה ממשיך לעלות עד שמקור המים קיים כדי למלא את הדלי. ובגלל מחזור זה, הקרש נע לאורך הציר במרווחים תקופתיים, ובכך נותן תפוקת תנודה.
כעת, אם נשווה את הרכיבים המכניים לרכיבים חשמליים, הרי שיש לנו.
- הדלי יכול להיחשב כמכשיר לאחסון אנרגיה שהוא קבלים או משרן.
- נדנדה היא משווה או מגבר-על המשמש להשוואת המתחים של הקבל וההפניה.
- מתח ייחוס נלקח לשם השוואה נומינלית של ערך הקבל.
- ניתן לכנות את זרימת המים כאן כמטען חשמלי.
מעגל מתנד הרפיה
אם נצייר את המעגל החשמלי המקביל למנגנון הנדנדה לעיל, נקבל את מעגל המתנד הרפיה כמוצג להלן :
בגבורה זו הרפית אופ-אמפר מתנד ניתן להסביר כדלקמן:
- לאחר פתיחת הברז, המים זורמים לדלי מים ובכך ממלאים אותו לאט.
- לאחר מילוי דלי המים כולו, כל המסה בצד הדלי תהיה יותר מהמסה הקבועה 'M' המוצבת בקצה השני. ברגע שזה קורה, הקרש מעביר את עמדותיו למקום מתפשר יותר.
- לאחר שנשפך המים לחלוטין, המסה הכוללת בצד הדלי תחזור להיות פחותה לעומת המסה הקבועה 'M'. אז הפיר יעבור שוב למקומו הראשוני.
- שוב הדלי מתמלא במים לאחר ההפצה הקודמת ומחזור זה נמשך לנצח עד שיש מים שזורמים מהברז.
אם נשרטט את הגרף למקרה הנ"ל, זה ייראה בערך למטה:
כאן,
- בתחילה, אם ניקח בחשבון את תפוקת המשווה גבוהה, במהלך הזמן הזה הקבל יטען. עם טעינת הקבל מתח המסוף שלו יעלה בהדרגה, מה שניתן לראות בגרף.
- לאחר שמתח מסוף הקבל יגיע לסף, תפוקת המשווה תעבור מגבוה לנמוך כפי שמוצג בתרשים. וכאשר תפוקת המשווה הופכת לשלילית, הקבל מתחיל להתפרק לאפס. לאחר שהקבל מתפרק לחלוטין בגלל נוכחותו של מתח יציאה שלילי, הוא נטען שוב אלא בכיוון ההפוך. כפי שניתן לראות בגרף בגלל מתח המוצא השלילי, מתח הקבל עולה גם בכיוון שלילי.
- לאחר שהקבל נטען למקסימום בכיוון שלילי, המשווה מעביר את הפלט לשלילי לחיובי. ברגע שהפלט עובר למחזור חיובי, הקבל מתפרק בנתיב השלילי ובונה מטענים בנתיב החיובי כפי שמוצג בתרשים.
- אז מחזור טעינת הקבל ופריקה בנתיבים חיוביים ושליליים מפעיל את המשווה מייצר אות גל מרובע ביציאה המוצגת לעיל.
תדירות מתנד הרפיה
ברור שתדירות התנודה תלויה בקבוע הזמן של C1 ו- R3 במעגל. ערכים גבוהים יותר של C1 ו- R3 יובילו לשיעורי טעינה ופריקה ארוכים יותר, וכך ייצרו תנודות בתדר נמוך יותר. באופן דומה, ערכים קטנים יותר יפיקו תנודות בתדירות גבוהה יותר.
כאן גם R1 ו- R2 ממלאים תפקיד קריטי בקביעת תדירות צורת הגל המוצא. הסיבה לכך היא שהם שולטים בספי המתח שעליהם C1 צריך לטעון. לדוגמא, אם הסף מוגדר 5V, אז C1 צריך רק לטעון ולפרוק עד 5V ו- -5V בהתאמה. מצד שני, אם הסף מוגדר ל- 10V, אז יש צורך ב- C1 כדי לטעון ולהתפרק ל- 10V ו- -10V.
אז נוסחת תדירות המתנד להרפיה תהיה:
f = 1/2 x R 3 x C 1 x ln (1 + k / 1 - k)
כאן, K = R 2 / R 1 + R 2
אם הנגדים R1 ו- R2 שווים זה לזה, אז
f = 1 / 2.2 x R 3 x C 1
יישום מתנד הרפיה
ניתן להשתמש במתנד הרפיה ב:
- מחוללי אותות
- מונים
- מעגלי זיכרון
- מתנדים לבקרת מתח
- מעגלים מהנים
- מתנדים
- מולטי ויברטורים.