מעגלי RC/RL/LC

הנגד 'R', המשרן 'L' והקבל 'C' הם אלמנטים בסיסיים במעגל, כל אחד עם תכונות שונות המהוות את הבסיס לכל המכשירים החשמליים המודרניים.

נגד הוא רכיב חשמלי המפזר אנרגיה, בדרך כלל בצורה של חום. לעומת זאת, קבל אוגר אנרגיה בשדה חשמלי, ומשרן אוגר אנרגיה בשדה מגנטי.

כאשר נגדים, קבלים ומשרנים מחוברים יחד, המעגלים מציגים תגובות תלויות זמן ותדר שימושיות עבור עיבוד אותות AC, מכשירי רדיו, מסננים חשמליים ויישומים רבים אחרים.

סרטון זה ימחיש את ההתנהגויות של נגד-קבל ומעגל נגד-משרן, ויציג את התנודה במעגל משרן-קבל עם אובדן אנרגיה התנגדותי מועט.

בואו ללמוד כיצד זרם ומתח מתנהגים במעגלים הכוללים נגדים, משרנים וקבלים.

ראשית, בואו נדבר על מעגל של נגד בסדרה עם קבל, הנקרא מעגל RC. כאשר המתג סגור, הפלט של מקור המתח מופעל על פני שני הרכיבים והזרם מתחיל לזרום. מכיוון שהקבל אינו טעון בתחילה, יש לו מתח אפס על פני המסופים שלו. לפיכך, כל יציאת מקור המתח מופיעה על פני הנגד והזרם הוא בערכו המרבי.

אם נסתכל על עלילת המתח והזרם כנגד הזמן, בתחילה VR שווה למתח המקור המתח על פני הקבל 'VC' הוא אפס והזרם הוא במקסימום. ככל שהזרם טוען את הקבל, 'VC' עולה. בתגובה, VR יורד ולכן גם הזרם יורד, בהתאם לחוק אוהם. בסופו של דבר מתח הנגד הוא אפס וזרימת הזרם נעצרת.

ניתוח דומה אפשרי עבור מעגל RL המורכב מנגד בסדרה עם משרן. ברגע שהמתג נסגר, זרימת המטען הפתאומית יוצרת שדה מגנטי במשרן, והמתח שלו 'VL' שווה למתח המקור. כתוצאה מכך, ה-VR הראשוני הוא אפס ולכן גם הזרם ההתחלתי הוא אפס.

כעת, כדי לעקוב אחר השינויים, בואו נסתכל על גרף המתח והזרם כמו קודם. עם הזמן ככל שמתח המשרן יורד, המתח על פני הנגד גדל ולכן גם הזרם עולה. בסופו של דבר, מתח המשרן הוא אפס, כל יציאת מקור המתח היא על פני הנגד, והזרם הוא בערכו המקסימלי.

הדעיכה של מעברי זרם ומתח במעגלי RC ו-RL נגרמת על ידי פיזור אנרגיה בנגד. לעומת זאת, למעגל LC, שיש לו קבל המחובר למשרן, באופן אידיאלי אין התנגדות או אובדן אנרגיה, ומציג התנהגות שונה מאוד.

אם הקבל במעגל זה נטען למתח V ולאחר מכן מחובר למשרן, אנרגיה חשמלית המאוחסנת בקבל מועברת למשרן ומומרת לאנרגיה מגנטית. לאחר מכן המשרן מעביר את האנרגיה שלו בחזרה לקבל, ואז התהליך מתהפך כשהזרם זורם בכיוון ההפוך, תהליך זה חוזר על עצמו ללא הגבלת זמן והמתח על פני כל רכיב מתנודד באופן סינוסואיד עם הזמן.

מעגל RLC כמו זה מוסיף נגד למעגל ה-LC. תנודות בתצורה זו מדכאות מכיוון שהנגד מפזר אנרגיה במהלך כל מחזור. בסופו של דבר התנודות נפסקות כאשר המתח והזרם דועכים לאפס.

כעת, לאחר שהסברנו את היסודות של מעגלי RC, RL ו-LC, בואו נסתכל על ההתנהגויות שלהם במעבדה.

השג אוסצילוסקופ, נורה קטנה עם התנגדות של כמה אוהם, מתג ואספקת מתח DC או סוללת 1.5 וולט. הרכיבו מעגל זה והשאירו את המתג פתוח.

בחר את קנה המידה האנכי של האוסילוסקופ ל-1 וולט לכל חלוקה ואת סולם הזמן לשנייה אחת לכל חלוקה. מאוחר יותר ייתכן שיהיה צורך להתאים את ההגדרות הללו לצפייה אופטימלית באותות במהלך הבדיקות השונות.

סגור את המתג כדי להפעיל חשמל על הנורה.

מכיוון שהנורה פועלת כמו נגד, הזרם דרכה פרופורציונלי למתח. כפי שמראים עקבות האוסילוסקופ, הנורה מתבהרת באופן מיידי כאשר המתג נסגר ומתכהה מיד עם פתיחת המתג.

הרכיבו את המעגל כפי שמוצג עם קבל 1 פאראד בסדרה עם הנורה. שימו לב שהאוסצילוסקופ מודד מתח על פני הנגד. השאר את המתג פתוח עד תחילת הבדיקה.

סגור את המתג והתבונן בנורה ובעקבות האוסילוסקופ. הנורה מאירה לזמן קצר לפני החשיכה מכיוון שהקבל מעביר זרם כאשר המתח משתנה בפתאומיות, כאשר המתג נסגר. ככל שהזמן מתקדם, הזרם דרך המעגל דועך בגלל התנגדות הנורה והקיבול.

פתח את המתג ושנה את המעגל על ידי חיבור נורה שנייה במקביל לראשונה.

סגור שוב את המתג. צפו גם בנורות וגם בעקבות האוסילוסקופ. שתי הנורות המקבילות נדלקות ונכבות מהר יותר מהנורה הבודדת. הסיבה לכך היא שההתנגדות המקבילה של שתי נורות קטנה מההתנגדות של נורה בודדת. למעגל המתקבל יש ירידה קצרה יותר בזרם ותגובה מהירה יותר.

הרכיבו מעגל זה עם משרן הנרי 1 מילי, בסדרה עם הנורה. השאר את המתג פתוח עד תחילת הבדיקה.

סגור את המתג והתבונן בנורה ובעקבות האוסילוסקופ. לנורה לוקח זמן קטן להידלק מכיוון שהמשרן מוליך מעט זרם כאשר המתח משתנה בפתאומיות, כמו כאשר המתג נסגר.

ככל שהזמן מתקדם, הזרם של המשרן - וזה דרך הנורה - מתקרב לרמת מצב יציב. פתח את המתג וחבר נורה שנייה במקביל לראשונה.

סגור שוב את המתג. צפו גם בנורות וגם בעקבות האוסילוסקופ. שתי הנורות המקבילות נדלקות ונכבות לאט יותר מהנורה הבודדת. הסיבה לכך היא שההתנגדות המקבילה של שתי נורות קטנה מההתנגדות של נורה בודדת.

הרכיבו מעגל זה עם קבל 10 מיקרו פאראד, ומשרן הנרי 8 מילי, יחד עם האוסילוסקופ המחובר על פני הקבל. סגור את מתג 1 כדי לטעון את הקבל והשאיר את מתג 2 פתוח עד לתחילת הבדיקה.

פתח את מתג 1 כדי לנתק את מקור המתח מהמעגל. סגור את מתג 2 והתבונן באוסילוסקופ. מתח המשרן מתנדנד ועשוי להראות דעיכה מסוימת הנגרמת על ידי ההתנגדות הקטנה של החוטים במעגל. תקופת התנודה היא בסדר גודל של מילי שניות, מה שעולה בקנה אחד עם הזמן הצפוי בהתבסס על ערכי הקיבול וההתנגדות.

נגדים, קבלים ומשרנים הם רכיבים פשוטים אך למעגלי RC, RL ו-LC המשתמשים בהם יש התנהגויות מורכבות, המאפשרות יישומים רבים בעיבוד אותות אלקטרוניים, מעגלי תזמון ומסננים.

בדוגמה זו, חוקרים השתילו משדרי רדיו תת עוריים בעכברים כדי לחקור את לחץ הדם בזמן שהם נעים בחופשיות. מקלטי רדיו משתמשים בדרך כלל במעגלי משרן-קבל כדי לבחור תדר ספציפי מתוך הפס הרחב של אנרגיית תדר רדיו מיורטת, או RF. התדר הנכון נושא את המידע הרצוי להגברה ועיבוד נוסף על ידי אלקטרוניקה נוספת במקלט.

אלקטרואנצפלוגרפים מודדים פעילות חשמלית במוח. אלקטרודות המונחות על הקרקפת קולטות אותות ברמת מילי-וולט בטווח תדרים רחב. מעגלי RC, RL ו-LC הם חלק מהמסננים המפחיתים הפרעות חשמליות וחפצים, ובכך מסייעים ברכישת נתונים משמעותיים.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE להתנהגות תלוית זמן של מעגלים המשתמשים בנגדים, קבלים ומשרנים. כעת עליך להבין את היסודות של מעגלי RC, RL ו-LC, וכיצד מעגלים אלה נבדלים זה מזה. תודה שצפית!