Un circuit oscilator este un dispozitiv conceput pentru a genera (crea) oscilații electromagnetice. De la începuturi și până în prezent, a fost folosit în multe domenii ale științei și tehnologiei: de la viața de zi cu zi până la fabrici uriașe care produc o mare varietate de produse.
Din ce este făcut?
Circuitul oscilator este format dintr-o bobină și un condensator. În plus, poate conține și un rezistor (element cu rezistență variabilă). Un inductor (sau solenoid, așa cum este numit uneori) este o tijă pe care sunt înfășurate mai multe straturi de înfășurare, care, de regulă, este un fir de cupru. Acest element este cel care creează oscilații în circuitul oscilator. Tija din mijloc este adesea numită șoc sau miez, iar bobina este uneori numită solenoid.
Bobina circuitului oscilator oscilează numai atunci când există o sarcină stocată. Când trece curentul prin el, acumulează o sarcină, pe care apoi o eliberează circuitului dacă tensiunea scade.
Firurile bobinei au de obicei foarte puțină rezistență, care rămâne întotdeauna constantă. În circuitul unui circuit oscilant, apare foarte des o schimbare a tensiunii și a curentului. Această modificare este supusă anumitor legi matematice:
-
U=U0cos(w(t-t0), unde
U este tensiunea curentă punct în timp t, U0 - tensiunea la momentul t0, w - frecvența oscilații electromagnetice.
O altă componentă integrală a circuitului este condensatorul electric. Acesta este un element format din două plăci, care sunt separate printr-un dielectric. În acest caz, grosimea stratului dintre plăci este mai mică decât dimensiunile acestora. Acest design vă permite să acumulați o sarcină electrică pe dielectric, care poate fi apoi transferată în circuit.
Diferenta dintre un condensator si o baterie este ca nu are loc o transformare a substantelor sub actiunea unui curent electric, ci o acumulare directa de sarcina intr-un camp electric. Astfel, cu ajutorul unui condensator, este posibil să se acumuleze o încărcătură suficient de mare, care poate fi cedată dintr-o dată. În acest caz, puterea curentului în circuit crește foarte mult.
De asemenea, circuitul oscilator constă dintr-un alt element: un rezistor. Acest element are rezistență și este conceput pentru a controla curentul și tensiunea din circuit. Dacă rezistența rezistorului crește la o tensiune constantă, atunci puterea curentului va scădea conform legiiOma:
-
I=U/R, unde
I este curent, U este tensiune, R este rezistență.
Inductor
Să aruncăm o privire mai atentă la toate subtilitățile inductorului și să înțelegem mai bine funcția acestuia într-un circuit oscilator. După cum am spus deja, rezistența acestui element tinde spre zero. Astfel, atunci când este conectat la un circuit DC, ar avea loc un scurtcircuit. Cu toate acestea, dacă conectați bobina la un circuit de curent alternativ, aceasta funcționează corect. Acest lucru vă permite să concluzionați că elementul oferă rezistență la curentul alternativ.
Dar de ce se întâmplă acest lucru și cum apare rezistența la curent alternativ? Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să ne întoarcem la un astfel de fenomen precum auto-inducția. Când curentul trece prin bobină, în ea ia naștere o forță electromotoare (EMF), care creează un obstacol în calea schimbării curentului. Mărimea acestei forțe depinde de doi factori: inductanța bobinei și derivata puterii curentului în funcție de timp. Matematic, această dependență este exprimată prin ecuația:
-
E=-LI'(t), unde
E este valoarea EMF, L este valoarea inductanței bobinei (pentru fiecare bobină este diferită și depinde privind numărul de bobine ale înfășurării și grosimile acestora), I'(t) - derivată a puterii curentului în funcție de timp (rata de modificare a puterii curentului).
Puterea curentului continuu nu se modifică în timp, deci nu există rezistență atunci când este expus la acesta.
Dar în cazul curentului alternativ, toți parametrii săi se schimbă constant conform unei legi sinusoidale sau cosinusului,ca urmare, apare un EMF care previne aceste modificări. O astfel de rezistență se numește inductivă și se calculează prin formula:
- XL =wL
Curentul din solenoid crește și scade liniar conform diferitelor legi. Aceasta înseamnă că, dacă opriți alimentarea cu curent a bobinei, aceasta va continua să dea încărcare circuitului pentru o perioadă de timp. Și dacă în același timp alimentarea curentă este întreruptă brusc, atunci va apărea un șoc din cauza faptului că încărcarea va încerca să fie distribuită și să iasă din bobină. Aceasta este o problemă serioasă în producția industrială. Un astfel de efect (deși nu este în întregime legat de circuitul oscilator) poate fi observat, de exemplu, la tragerea ștecherului din priză. În același timp, sare o scânteie, care la o astfel de scară nu este capabilă să dăuneze unei persoane. Se datorează faptului că câmpul magnetic nu dispare imediat, ci se disipează treptat, inducând curenți în alți conductori. La scară industrială, puterea curentului este de multe ori mai mare decât cei 220 de volți cu care suntem obișnuiți, așa că atunci când un circuit este întrerupt în producție, pot apărea scântei de o asemenea putere care provoacă mult rău atât plantei, cât și persoanei.
O bobină este baza din ce constă un circuit oscilator. Inductanțele solenoizilor în serie se adună. În continuare, vom arunca o privire mai atentă asupra tuturor subtilităților structurii acestui element.
Ce este inductanța?
Inductanța bobinei unui circuit oscilator este un indicator individual egal numeric cu forța electromotoare (în volți) care apare în circuit atunci cândmodificarea curentului cu 1 A într-o secundă. Dacă solenoidul este conectat la un circuit de curent continuu, atunci inductanța sa descrie energia câmpului magnetic creat de acest curent conform formulei:
-
W=(LI2)/2, unde
W este energia câmpului magnetic.
Factorul de inductanță depinde de mulți factori: de geometria solenoidului, de caracteristicile magnetice ale miezului și de numărul de bobine de sârmă. O altă proprietate a acestui indicator este că este întotdeauna pozitiv, deoarece variabilele de care depinde nu pot fi negative.
Inductanța poate fi definită și ca proprietatea unui conductor purtător de curent de a stoca energie într-un câmp magnetic. Se măsoară în Henry (numit după omul de știință american Joseph Henry).
Pe lângă solenoid, circuitul oscilator constă dintr-un condensator, despre care vom discuta mai târziu.
Condensator electric
Capacitatea circuitului oscilator este determinată de capacitatea condensatorului electric. Despre aspectul lui a fost scris mai sus. Acum să analizăm fizica proceselor care au loc în ea.
Deoarece plăcile condensatoarelor sunt făcute dintr-un conductor, un curent electric poate circula prin ele. Între cele două plăci există însă un obstacol: un dielectric (poate fi aer, lemn sau alt material cu rezistență mare. Datorită faptului că sarcina nu se poate deplasa de la un capăt la altul al firului, se acumulează pe plăci de condensator. Aceasta crește puterea câmpurilor magnetice și electrice din jurul său.electricitatea acumulată pe plăci începe să fie transferată în circuit.
Fiecare condensator are o tensiune nominală optimă pentru funcționarea sa. Dacă acest element este operat pentru o perioadă lungă de timp la o tensiune peste tensiunea nominală, durata de viață a acestuia este redusă semnificativ. Condensatorul circuitului oscilator este afectat constant de curenți și, prin urmare, atunci când îl alegeți, trebuie să fiți extrem de atenți.
Pe lângă condensatorii obișnuiți despre care s-a discutat, există și ionistori. Acesta este un element mai complex: poate fi descris ca o încrucișare între o baterie și un condensator. De regulă, substanțele organice servesc ca dielectric într-un ionistor, între care se află un electrolit. Împreună creează un strat electric dublu, care vă permite să acumulați în acest design de multe ori mai multă energie decât într-un condensator tradițional.
Care este capacitatea unui condensator?
Capacitatea unui condensator este raportul dintre sarcina condensatorului și tensiunea sub care se află. Puteți calcula această valoare foarte simplu folosind formula matematică:
-
C=(e0S)/d, unde
e0 este permisivitatea materialului dielectric (valoarea tabelului), S - aria plăcilor condensatorului, d - distanța dintre plăci.
Dependența capacității condensatorului de distanța dintre plăci se explică prin fenomenul de inducție electrostatică: cu cât distanța dintre plăci este mai mică, cu atât acestea se afectează mai puternic între ele (conform legii lui Coulomb), cu atât sarcina plăcilor este mai mare și tensiunea este mai mică. Și pe măsură ce tensiunea scadevaloarea capacității crește, deoarece poate fi descrisă și prin următoarea formulă:
-
C=q/U, unde
q este sarcina în coulombi.
Merită să vorbim despre unitățile acestei cantități. Capacitatea se măsoară în faradi. 1 farad este o valoare suficient de mare pentru ca condensatoarele existente (dar nu ionistorii) să aibă o capacitate măsurată în picofarads (un trilion de farad).
Rezistor
Curentul din circuitul oscilator depinde și de rezistența circuitului. Și pe lângă cele două elemente descrise care alcătuiesc circuitul oscilator (bobine, condensatoare), există și un al treilea - un rezistor. El este responsabil pentru crearea rezistenței. Rezistorul diferă de alte elemente prin faptul că are o rezistență mare, care poate fi schimbată la unele modele. În circuitul oscilator, acesta îndeplinește funcția de regulator de putere a câmpului magnetic. Puteți conecta mai multe rezistențe în serie sau în paralel, crescând astfel rezistența circuitului.
Rezistența acestui element depinde și de temperatură, așa că ar trebui să fiți atenți la funcționarea lui în circuit, deoarece se încălzește la trecerea curentului.
Rezistența rezistenței este măsurată în ohmi, iar valoarea sa poate fi calculată folosind formula:
-
R=(pl)/S, unde
p este rezistivitatea materialului rezistenței (măsurată în (Ohmmm2)/m);
l - lungimea rezistenței (în metri);
S - aria secțiunii (în milimetri pătrați).
Cum se conectează parametrii căii?
Acum ne apropiem de fizicăfuncţionarea circuitului oscilator. În timp, încărcarea plăcilor condensatoarelor se modifică conform unei ecuații diferențiale de ordinul doi.
Dacă rezolvați această ecuație, din ea decurg câteva formule interesante, care descriu procesele care au loc în circuit. De exemplu, frecvența ciclică poate fi exprimată în termeni de capacitate și inductanță.
Totuși, cea mai simplă formulă care vă permite să calculați multe cantități necunoscute este formula Thomson (numită după fizicianul englez William Thomson, care a derivat-o în 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - perioada oscilațiilor electromagnetice, L și C - respectiv, inductanța bobinei circuitului oscilator și capacitatea elementelor circuitului, p - numărul pi.
Factor Q
Există o altă valoare importantă care caracterizează funcționarea circuitului - factorul de calitate. Pentru a înțelege ce este, ar trebui să apelați la un astfel de proces precum rezonanța. Acesta este un fenomen în care amplitudinea devine maximă cu o valoare constantă a forței care susține această oscilație. Rezonanța poate fi explicată printr-un exemplu simplu: dacă începeți să împingeți leagănul la ritmul frecvenței sale, atunci acesta va accelera, iar „amplitudinea” sa va crește. Și dacă alungi timpul, vor încetini. La rezonanță, o mulțime de energie este adesea disipată. Pentru a putea calcula amploarea pierderilor, au venit cu un astfel de parametru precum factorul de calitate. Este un raport egal cu raportulenergie din sistem la pierderile care apar în circuit într-un ciclu.
Factorul de calitate al circuitului este calculat prin formula:
-
Q=(w0W)/P, unde
w0 - frecvența de oscilație ciclică rezonantă;
W - energie stocată în sistemul oscilator;
P - disiparea puterii.
Acest parametru este o valoare fără dimensiune, deoarece arată de fapt raportul dintre energie: stocată și cheltuită.
Ce este un circuit oscilator ideal
Pentru o mai bună înțelegere a proceselor din acest sistem, fizicienii au venit cu așa-numitul circuit oscilator ideal. Acesta este un model matematic care reprezintă un circuit ca un sistem cu rezistență zero. Produce oscilații armonice neamortizate. Un astfel de model face posibilă obținerea de formule pentru calculul aproximativ al parametrilor de contur. Unul dintre acești parametri este energia totală:
W=(LI2)/2.
Astfel de simplificări accelerează considerabil calculele și fac posibilă evaluarea caracteristicilor unui circuit cu indicatorii dați.
Cum funcționează?
Întregul ciclu al circuitului oscilator poate fi împărțit în două părți. Acum vom analiza în detaliu procesele care au loc în fiecare parte.
- Prima fază: placa condensatorului încărcată pozitiv începe să se descarce, dând curent circuitului. În acest moment, curentul trece de la o sarcină pozitivă la una negativă, trecând prin bobină. Ca urmare, în circuit apar oscilații electromagnetice. curent care trece prinbobină, merge la a doua placă și o încarcă pozitiv (în timp ce prima placă, din care curgea curentul, este încărcată negativ).
- A doua fază: are loc procesul invers. Curentul trece de la placa pozitivă (care era negativă la început) la negativă, trecând din nou prin bobină. Și toate acuzațiile intră în vigoare.
Ciclul se repetă atâta timp cât există o încărcare pe condensator. Într-un circuit oscilator ideal, acest proces se desfășoară la nesfârșit, dar într-unul real, pierderile de energie sunt inevitabile din cauza diverșilor factori: încălzire, care apare din cauza existenței rezistenței în circuit (căldură Joule) și altele asemenea.
Opțiuni de design de contur
Pe lângă circuitele simple „bobină-condensator” și „bobină-rezistor-condensator”, există și alte opțiuni care folosesc un circuit oscilator ca bază. Acesta, de exemplu, este un circuit paralel, care diferă prin faptul că există ca element al unui circuit electric (pentru că, dacă ar exista separat, ar fi un circuit în serie, despre care a fost discutat în articol).
Există și alte tipuri de modele care includ diferite componente electrice. De exemplu, puteți conecta un tranzistor la rețea, care va deschide și închide circuitul cu o frecvență egală cu frecvența de oscilație din circuit. Astfel, în sistem vor fi stabilite oscilații neamortizate.
Unde este folosit un circuit oscilator?
Cea mai familiară aplicație a componentelor circuitelor sunt electromagneții. Ele, la rândul lor, sunt utilizate în interfoane, motoare electrice,senzori și în multe alte zone nu atât de obișnuite. O altă aplicație este un generator de oscilații. De fapt, această utilizare a circuitului ne este foarte familiară: în această formă este folosit în cuptorul cu microunde pentru a crea unde și în comunicațiile mobile și radio pentru a transmite informații la distanță. Toate acestea se datorează faptului că oscilațiile undelor electromagnetice pot fi codificate în așa fel încât să devină posibilă transmiterea informațiilor pe distanțe mari.
Inductorul în sine poate fi folosit ca element al unui transformator: două bobine cu un număr diferit de înfășurări își pot transfera sarcina folosind un câmp electromagnetic. Dar, deoarece caracteristicile solenoizilor sunt diferite, indicatorii de curent din cele două circuite la care sunt conectate aceste două inductori vor diferi. Astfel, este posibil să se transforme un curent cu o tensiune de, să zicem, 220 volți într-un curent cu o tensiune de 12 volți.
Concluzie
Am analizat în detaliu principiul de funcționare al circuitului oscilator și al fiecărei părți ale acestuia separat. Am aflat că un circuit oscilator este un dispozitiv conceput pentru a crea unde electromagnetice. Cu toate acestea, acestea sunt doar bazele mecanicii complexe a acestor elemente aparent simple. Puteți afla mai multe despre complexitățile circuitului și ale componentelor sale din literatura de specialitate.
