مذبذب الحجب

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
أساس المذبذب الحاجز في الحالة الصلبة
شكل الموجة الناتج عن هذه الدائرة
يمكن استخدام دائرة سارق جول هذه ، وهي عبارة عن مذبذب حجب، لتشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء من بطارية 1.5 فولت لفترة طويلة نسبيًا من الزمن، مع اعتبار السطوع بمثابة مقايضة.

المذبذب الحاجز (يُسمى أحيانًا مذبذب النبض ) هو تصميم بسيط لمكونات إلكترونية منفصلة، ​​قادر على إنتاج إشارة حرة التشغيل ، ولا يتطلب سوى مقاوم ومحول وعنصر تضخيم واحد مثل الترانزستور أو الصمام المفرغ (مع وجود مكثف عادةً). يُشتق الاسم من حقيقة أن عنصر التضخيم يكون مقطوعًا أو "مُحجَبًا" خلال معظم دورة التشغيل ، مما يُنتج نبضات دورية وفقًا لمبدأ مذبذب الاسترخاء . لا يُناسب الخرج غير الجيبي استخدامه كمذبذب محلي بترددات الراديو، ولكنه يُمكن استخدامه كمولد توقيت، لتشغيل المصابيح، ومصابيح LED ، وأسلاك الإضاءة الكهربائية ، أو مؤشرات النيون الصغيرة . إذا استُخدم الخرج كإشارة صوتية ، فإن النغمات البسيطة كافية أيضًا لتطبيقات مثل أجهزة الإنذار أو أجهزة تدريب شفرة مورس . تستخدم بعض الكاميرات مذبذبًا حاجزًا لتشغيل الفلاش قبل التقاط الصورة لتقليل تأثير العين الحمراء .

نظراً لبساطة الدائرة، فهي تُشكّل أساساً للعديد من المشاريع التعليمية في مجموعات الإلكترونيات التجارية. يمكن تغذية الملف الثانوي للمحول إلى مكبر صوت أو مصباح أو ملفات مرحل. بدلاً من المقاوم، يسمح مقياس الجهد الموصول بالتوازي مع مكثف التوقيت بضبط التردد بحرية، ولكن عند المقاومات المنخفضة، قد يتعرض الترانزستور لحمل زائد، وربما يتلف. ستقفز إشارة الخرج في السعة وتتشوه بشكل كبير.

تشغيل الدائرة

تعمل الدائرة بفضل التغذية الراجعة الموجبة عبر المحول، وتتضمن فترتين زمنيتين: الفترة الزمنية T<sub> مغلق </sub> عندما يكون المفتاح مغلقًا، والفترة الزمنية T <sub>مفتوح </sub> عندما يكون المفتاح مفتوحًا. تُستخدم الاختصارات التالية في التحليل:

  • t، الزمن، متغير
  • لحظة الإغلاق : اللحظة التي تنتهي فيها دورة الإغلاق، وتبدأ دورة الفتح. وهي أيضاً مقياس لمدة الوقت الذي يكون فيه المفتاح مغلقاً.
  • T open : اللحظة التي تنتهي فيها دورة الفتح، وتبدأ دورة الإغلاق. وهي نفسها T=0. كما أنها مقياس لمدة بقاء المفتاح مفتوحًا.
  • V b ، جهد المصدر على سبيل المثال V بطارية
  • V p هو الجهد عبر الملف الابتدائي. المفتاح المثالي سيوفر جهد التغذية V b عبر الملف الابتدائي، لذا في الحالة المثالية V p = V b .
  • V s ، الجهد عبر الملف الثانوي
  • V z ، جهد الحمل الثابت الناتج عن على سبيل المثال عن طريق الجهد العكسي لثنائي زينر أو الجهد الأمامي لثنائي باعث للضوء (LED).
  • أنا ، تيار التمغنط في الملف الابتدائي
  • I peak,m ، أقصى تيار مغناطيسي أو "ذروة" في الملف الابتدائي. يحدث مباشرة قبل فتح الدائرة T.
  • N p ، عدد الدورات الأساسية
  • عدد المنعطفات الثانوية N s
  • N، نسبة عدد اللفات تُعرَّف على أنها N s /N p . بالنسبة للمحول المثالي الذي يعمل في ظل ظروف مثالية، I s = I p /N، V s = N×V p .
  • L p ، الحث الذاتي (الابتدائي)، هو حاصل ضرب مربع عدد لفات الملف الابتدائي N p و"عامل الحث" A L. غالبًا ما يُكتب الحث الذاتي على النحو التالي: L p = A L × N p 2 × 10 −9 هنري. [ 1 ]
  • R، مفتاح مشترك ومقاومة أساسية
  • U p ، الطاقة المخزنة في تدفق المجال المغناطيسي في الملفات، كما هو ممثل بتيار التمغنط I m .

يتطلب إجراء تحليل أكثر تفصيلاً ما يلي:

  • M = الحث المتبادل، وتُحدد قيمته بدرجة اقتران المجال المغناطيسي الناتج عن الملف الابتدائي بالملف الثانوي (مشاركته فيه)، والعكس صحيح. لا يكون الاقتران مثاليًا أبدًا؛ إذ يوجد دائمًا ما يُسمى "تدفق التسرب" في كل من الملف الابتدائي والثانوي. يُحسب عادةً من قياسات قصر الدائرة في الملف الثانوي والملف الابتدائي.
    • L p,leak = الحث الذاتي الذي يمثل المجال المغناطيسي الناتج عن الملفات الأولية والمرتبط بها فقط
    • L s,leak = الحث الذاتي الذي يمثل المجال المغناطيسي الناتج عن الملفات الثانوية والمرتبط بها فقط
  • سعة اللفات C = السعة بين اللفات. توجد قيم للّفات الأولية فقط، وللّفات الثانوية فقط، ولللفات بين الأولية والثانوية. عادةً ما تُجمع في قيمة واحدة.

التشغيل أثناء إغلاق المفتاح (الوقت الذي يكون فيه المفتاح مغلقًا)

عند إغلاق المفتاح (الترانزستور، الصمام المفرغ)، يطبق جهد المصدر V<sub> b </sub> على الملف الابتدائي للمحول. تيار التمغنط I<sub> m</sub> للمحول [ 2 ] يُعطى بالعلاقة I<sub> m</sub> = V <sub>primary</sub> × t / L <sub> p</sub> ؛ حيث t (الزمن) متغير يبدأ من الصفر. يتداخل تيار التمغنط I <sub>m </sub> مع أي تيار ثانوي منعكس I <sub> s </sub> يتدفق إلى حمل ثانوي (مثل طرف التحكم في المفتاح؛ التيار الثانوي المنعكس في الملف الابتدائي = I<sub> s</sub> / N). يتسبب تغير التيار الابتدائي في تغير المجال المغناطيسي ("التدفق المغناطيسي") عبر ملفات المحول؛ ويحفز هذا المجال المتغير جهدًا ثانويًا ثابتًا نسبيًا V <sub>s</sub> = N × V<sub> b</sub> . في بعض التصاميم (كما هو موضح في المخططات)، يُضاف الجهد الثانوي V<sub> s</sub> إلى جهد المصدر V<sub> b</sub> ؛ في هذه الحالة، ولأن الجهد عبر الملف الابتدائي (أثناء إغلاق المفتاح) يساوي تقريبًا V <sub>b </sub> ، فإن V<sub> s</sub> = (N + 1) × V<sub> b</sub> . بدلاً من ذلك، قد يحصل المفتاح على جزء من جهد أو تيار التحكم الخاص به مباشرةً من Vb ، والباقي من Vs المستحث . وبالتالي، يكون جهد أو تيار التحكم الخاص بالمفتاح "متوافقًا في الطور"، مما يعني أنه يُبقي المفتاح مغلقًا، ويحافظ (عبر المفتاح) على جهد المصدر عبر الملف الابتدائي.

في حالة انعدام المقاومة الأولية أو انخفاضها، وكذلك مقاومة المفتاح، يكون ازدياد تيار التمغنط I<sub> m </sub> خطيًا، وفقًا للمعادلة الواردة في الفقرة الأولى. أما في حالة وجود مقاومة أولية أو مقاومة مفتاح كبيرة، أو كليهما (المقاومة الكلية R، مثل مقاومة الملف الأولي بالإضافة إلى مقاومة في الباعث، ومقاومة قناة الترانزستور ذي التأثير الحقلي)، فإن ثابت الزمن L<sub> p</sub> /R يجعل تيار التمغنط منحنىً تصاعديًا بميل متناقص باستمرار. في كلتا الحالتين ، سيهيمن تيار التمغنط I <sub>m</sub> على التيار الأولي الكلي (وتيار المفتاح) I<sub> p</sub> . وبدون مُحدد، سيزداد التيار إلى ما لا نهاية. مع ذلك، في الحالة الأولى (المقاومة المنخفضة)، سيعجز المفتاح في النهاية عن "تحمل" تيار أكبر، ما يعني أن مقاومته الفعالة ستزداد لدرجة أن انخفاض الجهد عبر المفتاح يساوي جهد التغذية؛ في هذه الحالة، يُقال إن المفتاح "مُشبع" (يُحدد ذلك، على سبيل المثال، بكسب الترانزستور h<sub> fe</sub> أو "بيتا"). في الحالة الثانية (مثلاً، عندما تكون مقاومة الملف الابتدائي و/أو الباعث هي المهيمنة)، يتناقص ميل التيار (المتناقص) إلى نقطة يصبح عندها الجهد المستحث في الملف الثانوي غير كافٍ لإبقاء المفتاح مغلقًا. في الحالة الثالثة، تتشبع مادة القلب المغناطيسي، أي أنها لا تستطيع تحمل المزيد من الزيادات في مجالها المغناطيسي؛ في هذه الحالة، يفشل الحث من الملف الابتدائي إلى الملف الثانوي. في جميع الحالات، ينخفض ​​معدل ارتفاع تيار التمغنط في الملف الابتدائي (وبالتالي التدفق المغناطيسي)، أو معدل ارتفاع التدفق المغناطيسي مباشرةً في حالة تشبع مادة القلب المغناطيسي، إلى الصفر (أو ما يقارب الصفر). في الحالتين الأوليين، على الرغم من استمرار تدفق التيار في الملف الابتدائي، إلا أنه يقترب من قيمة ثابتة تساوي جهد التغذية V<sub> b</sub> مقسومًا على المقاومة الكلية R في الدائرة الابتدائية. في هذه الحالة المحدودة بالتيار، يكون تدفق المحول ثابتًا. يؤدي تغير التدفق فقط إلى حث الجهد في الملف الثانوي، لذا يمثل التدفق الثابت فشلًا في الحث. ينخفض ​​جهد الملف الثانوي إلى الصفر، ويُفتح المفتاح. في الحالة الثالثة، قد يزداد التيار الأساسي مؤقتًا بسبب تشبع القلب، ولكن المفتاح سيفتح في النهاية بسبب عدم كفاية الجهد المستحث على الجانب الثانوي.

التشغيل أثناء الفتح (الوقت الذي يكون فيه المفتاح مفتوحًا)

بعد فتح المفتاح عند درجة حرارة T open ، يصبح تيار التمغنط في الملف الابتدائي I peak,m = V p × T closed /L p ، وتُخزَّن الطاقة U p في هذا المجال المغناطيسي الناتج عن I peak,m (الطاقة U m = 1/2 × L p × I peak,m 2 ). ولكن الآن، لا يوجد جهد ابتدائي (V b ) للحفاظ على أي زيادة في المجال المغناطيسي، أو حتى مجال مستقر، وذلك بسبب فتح المفتاح وإزالة الجهد الابتدائي. يبدأ المجال المغناطيسي (التدفق) بالانهيار، ويؤدي هذا الانهيار إلى إعادة الطاقة إلى الدائرة عن طريق حث التيار والجهد في لفات الملف الابتدائي، أو لفات الملف الثانوي، أو كليهما. يتم الحث في الملف الابتدائي عبر لفات الملف الابتدائي التي يمر من خلالها كل التدفق (مُمثَّلًا بمعامل الحث الابتدائي L p ). يُولد التدفق المنهار جهدًا ابتدائيًا يُجبر التيار على الاستمرار في التدفق إما خارج الملف الابتدائي باتجاه المفتاح (المفتوح الآن) أو إلى حمل ابتدائي مثل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) أو ثنائي زينر، إلخ. يحدث الحث في الملف الثانوي عبر لفاته التي يمر من خلالها التدفق المتبادل (المرتبط)؛ ويتسبب هذا الحث في ظهور جهد على الملف الثانوي، وإذا لم يتم حجب هذا الجهد (مثلًا بواسطة ثنائي أو بواسطة المعاوقة العالية جدًا لبوابة ترانزستور تأثير المجال)، فسيتدفق التيار الثانوي إلى الدائرة الثانوية (ولكن في الاتجاه المعاكس). في أي حال، إذا لم تكن هناك مكونات لامتصاص التيار، يرتفع الجهد عند المفتاح بسرعة كبيرة. بدون حمل ابتدائي أو في حالة التيار الثانوي المحدود جدًا، سيقتصر الجهد فقط على السعات الموزعة للملفات (ما يسمى بسعة ما بين اللفات)، وقد يؤدي ذلك إلى تلف المفتاح. عندما تكون السعة بين اللفات وحمل ثانوي صغير فقط موجودة لامتصاص الطاقة، تحدث تذبذبات عالية التردد للغاية، وتمثل هذه "التذبذبات الطفيلية" مصدرًا محتملاً للتداخل الكهرومغناطيسي .

ينقلب جهد الملف الثانوي الآن إلى قيمة سالبة على النحو التالي: يؤدي انهيار التدفق المغناطيسي إلى تدفق تيار الملف الابتدائي خارجًا باتجاه المفتاح المفتوح، أي في نفس الاتجاه الذي كان يتدفق فيه عند إغلاق المفتاح. ولكي يتدفق التيار خارجًا من طرف المفتاح في الملف الابتدائي، يجب أن يكون جهد الملف الابتدائي عند هذا الطرف موجبًا بالنسبة إلى طرفه الآخر عند جهد التغذية V<sub> b </sub> . ولكن هذا يمثل جهدًا ابتدائيًا معاكسًا في القطبية لما كان عليه أثناء إغلاق المفتاح: فخلال فترة الإغلاق (T<sub>closed</sub>) ، كان جهد طرف المفتاح في الملف الابتدائي قريبًا من الصفر، وبالتالي سالبًا بالنسبة إلى جهد التغذية؛ أما الآن، خلال فترة الفتح (T<sub> open </sub>)، فقد أصبح موجبًا بالنسبة إلى V<sub> b </sub>.

بسبب اتجاه لفات المحول، يجب أن يكون الجهد الظاهر على الملف الثانوي سالبًا . سيُبقي جهد التحكم السالب المفتاح (مثل ترانزستور ثنائي القطب NPN أو ترانزستور FET من النوع N) مفتوحًا ، وسيستمر هذا الوضع حتى يتم امتصاص طاقة التدفق المنهار (بواسطة شيء ما). عندما يكون الممتص في الدائرة الأولية، مثل ثنائي زينر (أو LED) بجهد Vz موصول "عكسيًا" عبر اللفات الأولية، يكون شكل موجة التيار مثلثًا، ويُحدد زمن الفتح t بالصيغة Ip = Ipeak ,m - Vz × Topen / Lp ، حيث Ipeak,m هو التيار الأولي عند لحظة فتح المفتاح. عندما يكون الممتص مكثفًا، يكون شكل موجة الجهد والتيار موجة جيبية نصف دورة، وإذا كان الممتص مكثفًا بالإضافة إلى مقاومة، يكون شكل الموجة موجة جيبية نصف دورة مخمدة.

عند اكتمال تفريغ الطاقة، تصبح دائرة التحكم "غير محجوبة". يصبح جهد (أو تيار) التحكم الموجه إلى المفتاح حرًا في التدفق إلى مدخل التحكم وإغلاق المفتاح. يسهل ملاحظة ذلك عند قيام مكثف "بتبديل" جهد أو تيار التحكم؛ حيث ينقل التذبذب الرنيني جهد أو تيار التحكم من السالب (المفتاح مفتوح) عبر الصفر إلى الموجب (المفتاح مغلق).

معدل التكرار 1/(T مغلق + T مفتوح )

في أبسط الحالات، تعتمد مدة الدورة الكلية (T مغلق + T مفتوح )، وبالتالي معدل تكرارها (مقلوب مدة الدورة)، بشكل شبه كامل على محاثة التمغنط للمحول L<sub> p</sub> ، وجهد التغذية، وجهد الحمل V<sub> z </sub>. عند استخدام مكثف ومقاوم لامتصاص الطاقة، يعتمد معدل التكرار على ثابت الزمن RC ، أو ثابت الزمن LC عندما تكون R صغيرة أو معدومة (يمكن أن تكون L <sub>p</sub> أو L<sub> s</sub> أو L <sub> p,s</sub> ).

براءات الاختراع

  • براءة الاختراع الأمريكية رقم 2211852، [ 3 ] تم تقديمها في عام 1937، " جهاز مذبذب الحجب ". (يعتمد على أنبوب مفرغ ).
  • براءة الاختراع الأمريكية رقم 2745012، [ 4 ] تم تقديمها في عام 1951، " مذبذبات حجب الترانزستور ".
  • براءة الاختراع الأمريكية رقم 2780767، [ 5 ] تم تقديمها في عام 1955، " ترتيب الدائرة لتحويل الجهد المنخفض إلى جهد مباشر عالي ".
  • براءة الاختراع الأمريكية رقم 2881380، [ 6 ] تم تقديمها في عام 1956، " محول الجهد ".

انظر أيضاً

الحواشي

  1. يمثل ↑ A L هندسة الملفات - طولها ومساحتها والمسافة بينها، إلخ؛ والمادة المغناطيسية (إن وجدت)؛ وهندسة المسار المغناطيسي عبر المادة المغناطيسية (إن وجد) - مساحته وطوله؛ والثوابت الفيزيائية الأساسية. تتراوح قيمة A L في النوى غير المفصولة بفجوة في المواد المغناطيسية المتصلة من 1000 إلى 10000؛ بينما تتراوح قيمتها في النوى المفصولة بفجوة من 100 إلى 1000. أما القضبان، والقوابس، وأنصاف النوى، وما إلى ذلك، فتتراوح قيمة A L فيها من 10 إلى 100. توجد صيغة مماثلة للحث الثانوي L s . للمزيد من المعلومات، راجع الصفحات 7-13 من "الكتالوج الكبير" لشركة Ferroxcube بتاريخ 1 سبتمبر 2008. يمكن إيجاد كيفية تحديد حث الملفات بدون مادة مغناطيسية في الفصل 10 " حساب الحث" في كتاب Langford-Smith 1953: 429-449.
  2. ↑ يكون هذا دقيقًا عندما تكون مقاومة الملف الابتدائي ومقاومة المفتاح صغيرة مقارنةً بانخفاض الجهد عبر المحث (L×dI primary /dt؛ حيث di/dt هو التغير في التيار بالنسبة للزمن).
  3. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 2211852 : "جهاز مذبذب حجب"، تم تقديمها في 22 يناير 1937، وتم استرجاعها في 16 أغسطس 2016
  4. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 2745012 : "مذبذبات حجب الترانزستور"، تم تقديمها في 18 أغسطس 1951، وتم استرجاعها في 16 أغسطس 2016
  5. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 2780767 : "ترتيب دائرة لتحويل جهد منخفض إلى جهد مباشر عالٍ"، تم تقديمها في عام 1955، وتم استرجاعها في 16 أغسطس 2016
  6. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 2881380 : "محول الجهد"، تم تقديم الطلب في 15 أكتوبر 1956، وتم الاطلاع عليه في 16 أغسطس 2016

مراجع

  • ميلمان، جاكوب؛ تاوب، هربرت (1965). "16. دوائر المذبذب الحجب". أشكال الموجات النبضية والرقمية والتبديلية: أجهزة ودوائر لتوليدها ومعالجتها . ماكجرو هيل. الصفحات 597-621 ، انظر الصفحة 616، المسائل 924-929. رمز Bibcode : 1965pdsw.book.....M . رقم مكتبة الكونغرس 64-66293 . رقم OCLC 896642528. في الواقع، يكمن الاختلاف الجوهري الوحيد بين المذبذب المضبوط والمذبذب الحجب في قوة الاقتران بين ملفات المحول.   
  • بيتيت، جوزيف؛ ماكوورتر، مالكولم (1970). "7. الدوائر التي تحتوي على محاثات أو محولات". التبديل الإلكتروني، والتوقيت، ودوائر النبض (  الطبعة الثانية). ماكجرو هيل. الصفحات 180-218 . LCCN 78-114292 .  على وجه الخصوص §7-13 المذبذب الحجب أحادي الاستقرار ص.  203 وما بعدها و §7-14 المذبذب الحجب غير المستقر ص.  206 وما بعدها.
  • ميلمان، جاكوب؛ هالكياس، كريستوس (1967). الأجهزة والدوائر الإلكترونية . ماكجرو هيل. ISBN 0-07-042380-6.للحصول على نسخة مضبوطة من المذبذب الحجب، أي دائرة من شأنها أن تصنع موجات جيبية جميلة إذا تم تصميمها بشكل صحيح، انظر 17-17 "مذبذبات الدائرة الرنانة" الصفحات  530-2.
  • لانغفورد-سميث، ف. (1968) [1953]. دليل مصمم الراديوترون (  الطبعة الرابعة). دار النشر اللاسلكية (شركة الصمامات اللاسلكية المحدودة، سيدني، أستراليا) بالاشتراك مع شركة راديو أمريكا. OCLC 705976463 . 
  • كالفيرت، جيمس ب. (2002). "المذبذب الحاجب" . فهرس الإلكترونيات . جامعة دنفر.وصف مبسط (بدون رياضيات) وغني بالمعلومات لدوائر التذبذب المختلفة، باستخدام الترانزستورات ثنائية القطبية والثلاثيات .
  • ماكدونالد، ج. (1964). "نماذج الدوائر للتنبؤ بأداء التبديل لمذبذبات الحجب النانوثانية". معاملات IEEE في نظرية الدوائر . 11 (4): 442-448 . doi : 10.1109/TCT.1964.1082353 .ورقة بحثية تستنتج بعض نماذج الدوائر من أجل التنبؤ بأداء التبديل لمذبذبات الحجب ثنائية القطبية .