المرشحات الخاملة

يوضح الشكل 20.9 محاكاة لدائرة مقوم موجة كاملة. تمت محاكاة جهد الدخل باستخدام مزوّد جهد متناوب منخفض لأغراض التبسيط.

يُظهر لنا خرج المحاكاة نقطتين مهمتين.

• يمكننا حساب تردد الخرج من خط راسم الذبذبات. تم ضبط القاعدة-الزمن على 5 مللي ثانية لكل قسم أفقي. يأخذ كل "نتوء" قسمين. لذلك، فإن تردد النبضات المستمر هو

$f = \frac{1}{t}$ $f = \frac{1}{2 \times 5 \times 10^{-3}}$ $f = 100 \text{ Hz}$. تردد الدخل هو 50 هرتز، وبالتالي فإن تردد الخرج هو ضعف تردد الدخل.

• تبلغ سعة نبضات التيار المستمر نحو 1.7 قسم. يتم ضبط حساسية القناة (أ) على 10 فولت لكل قسم عمودي. تبلغ السعة 17 فولت تقريباً. كيف يمكن أن يحدث ذلك إذا كان الدخل 12 فولت؟ انظر إلى مخطط الدائرة مرة أخرى. موضح بوصفه $12 \text{ V}_{rms}$. قيمة جذر متوسط مربع الجهد هي قيمة "متوسطة" للجهد.

$V_{rms} = \frac{V_{peak}}{\sqrt{2}}$ إذا كنت تستخدم القيمة المعطاة لـ $V_{rms}$، $12 = \frac{V_{peak}}{\sqrt{2}}$ $V_{peak} = 12\sqrt{2} = 16.97 \text{ V}.$ تتوافق المحاكاة مع القيمة المحسوبة.

إن خرج دائرة المقوم غير مناسب لتشغيل معظم الدوائر الإلكترونية. يجب أن يكون أكثر نعومة لتوفير جهد ثابت. طريقة بسيطة لتنعيم جهد الخرج هي توصيل مكثف باعتباره مستودع. يتم شحن المكثف بسرعة على الحافة الصاعدة لجهد الدخل. عند الحافة السفلية لجهد الدخل، يتم تفريغ المكثف من خلال الحمل. إذا كان ثابت الوقت للمكثف والحمل صغيرًا جدًا، فسيفقد المكثف معظم شحنته وسيظل جهد الخرج مضطربًا. ويجب أن تكون قيمة المكثف كبيرة بما يكفي لمنع حدوث تغيير كبير جدًا في الجهد.

استخدمت المحاكاة في الشكل 20.10 مكثفًا سعته 2 ميكروفاراد لتوفير التنعيم وإظهار جهد التموج على جهد التيار المستمر. من الناحية العملية، ستستخدم مكثفًا ذا قيمة أكبر لتقليل جهد التموج. يُظهر لنا خرج المحاكاة عدة نقاط مهمة.

• تردد جهد الدخل هو 50 هرتز. الفترة الزمنية لجهد تموج الخرج هي 10 مللي ثانية. وبالتالي، فإن تردد تموج الخرج هو 100 هرتز. تردد جهد التموج هو ضعف تردد الجهد المزوّد.
• الفترة الزمنية للمكثف-المقاوم هي

$\tau = RC$ $\tau = 10 \times 10^3 \times 2 \times 10^{-6}$ $\tau = 20 \times 10^{-3} \text{ s} = 20 \text{ ms}.$ إذا كنت تستخدم قاعدة أساسية تقريبية لمعدل الانحلال الأسي، فسيستغرق تفريغ المكثف نحو 5 ثوابت زمنية. في هذه الحالة، سيستغرق التفريغ الكامل نحو 100 مللي ثانية. يبدأ المكثف في إعادة الشحن بعد نحو 10 مللي ثانية، وبالتالي لا ينخفض الجهد كثيرًا.

المصطلح الرئيس التنعيم - مكون أو دائرة تعمل على تنعيم نبضات جهد التيار المستمر.

• تبلغ سعة جهد التموج نحو 0.7 قسم عمودي. الحساسية هي 10 فولت لكل قسم عمودي. جهد التموج هو 7 فولت.
• يبلغ متوسط جهد خرج التيار المستمر تقريبًا

$V_{ave} = \frac{17 + 10}{2} = 13.5 \text{ V}$ تتوافق هذه القيمة توافقًا كبيرًا مع جهد التيار المستمر المحاكى باستخدام جهاز قياس متعدد الأغراض (ملتيميتر) لقياس الجهد الموضح في الشكل 20.11.

يوفر مزوّد الطاقة المنعم جهد خرج تيار مستمر أكثر ثباتًا، لكنك لاحظت أن القيمة يمكن أن تختلف باختلاف الحمل. كلما زاد تيار الخرج، زادت سرعة تفريغ المكثف، وبالتالي يكون جهد التموج أكبر، وسيكون الجهد المقاس أصغر. يمكن إضافة دائرة منظم الجهد لإعطاء جهد ثابت لمجموعة كبيرة من الأحمال. توجد أنواع عديدة من منظمات الجهد. يُركز هذا الجزء على منظم الجهد الخطي. تعتبر منظمات تحويل الجهد أكثر تعقيدًا ويمكن دراستها لاحقًا.

لقد رأينا أن الدايود يسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط عندما يكون القطب الموجب ذو انحياز موجب أكثر من الكاثود (الانحياز الأمامي). ومع ذلك، يمكن أن يعمل الدايود عند توصيله في انحياز عكسي إذا كان الجهد مرتفعًا بدرجة كافية. ينتج عن هذا ما يعرف بانهيار الانهيار الانهماري، وسيتم تدمير الدايود. (يؤدي التدفق الحالي إلى التسخين؛ يولد التسخين المزيد من الموصلات الحرة في المواد شبه الموصلة، ما يؤدي إلى زيادة كبيرة في التيار، الأمر الذي يؤدي إلى مزيد من الحرارة والتيار وهذا يؤدي إلى تلف دائم). يعمل دايود زينر مثل أنواع الدايود الأخرى عند توصيله في انحياز أمامي على النحو الموضح في الخصائص. وهو مصمم بحيث يكون له جهد انهيار محدد جيدًا. يُحدد جهد زينر من خلال بناء الجهاز. ويحدث انهيار زينر عادةً بجهد أقل نسبيًا من جهد الانهيار العكسي للدايود للأغراض العامة. يُوصّل المقاوم بالتسلسل مع دايود زينر للحد من تدفق التيار من خلاله. ويمكن إصلاح انهيار زينر. تتوافر دايودات زينر بمجموعة متنوعة من قيم جهد زينر. ويمكن استخدامها لإعطاء الجهد المرجعي الدقيق، أو لتنظيم جهد الخرج لمزوّد الطاقة. يمكنك أن ترى أن جهد زينر لهذا الدايود هو -3 فولت.

المصطلحات الرئيسة منظم الجهد - مكون أو نظام يحافظ على الجهد عند قيمة ثابتة. دايود زينر - صمام ثنائي مصمم لإعطاء جهد مرجعي ثابت عند توصيله في انحياز عكسي.

يوضح الشكل 20.12 مزوّد طاقة مع تنظيم دايود زينر، حيث يحدّ ⁦R2⁩ من تدفق التيار عبر دايود زينر الذي يبلغ جهده 5.1 فولت. تمت زيادة قيمة مكثف التنعيم عن الدائرة السابقة لتقليل جهد التموج عند الدخل إلى قسم المنظم.

تُظهر خطوط راسم الذبذبات الافتراضي في الشكل 20.14 جهد التموج على جهد الدخل (أحمر). جهد الخرج (الأزرق) هو قيمة ثابتة تبلغ نحو 5 فولت، على النحو المتوقع. ستبقى قيمة الخرج عند 5 فولت بشرط أن يظل جهد التموج أعلى منها.

قد يختار المصمم استخدام دائرة متكاملة لمنظم الجهد تحتوي على تحكم أكثر تعقيدًا في وحدة واحدة. وتتوافر منظمات الجهد الثابت في مجموعة من قيم الخرج وتصنيفات الطاقة. يوضح الشكل 20.15 دائرة مزوّد الطاقة المعدلة بمكثف تنعيم أكبر لتقليل جهد التموج ومنظم جهد ثابت 5 فولت. وتحتوي الدائرة المتكاملة على ثلاثة أطراف، الدخل والخرج والتأريض. (التأريض هي النقطة المرجعية في الدائرة التي يمكن من خلالها قياس جميع الجهد، عادةً 0 فولت).

يمكن إعادة رسم مخطط الكتلة في الشكل 20.3 ليشمل الأنظمة الفرعية التي سبق فحصها في الجزء أعلاه. يوضح الشكل 20.16 العلاقة بين الأنظمة الفرعية ووظيفتها وأشكال موجات الإشارة المبسطة.

دراسة حالة ⁦LM317⁩ عبارة عن منظم جهد موجب قابل للتعديل صممته شركة (إس تي ميكروإلكترونكس). تشير ورقة بيانات المنتج ⁦(19 DocID2154 Rev)⁩ إلى أن الدوائر المتكاملة ⁦(ICs)⁩ "... مصممة لتزويد أكثر من 1.5 أمبير من تيار الحمل بجهد خرج قابل للتعديل على مدى 1.2 فولت إلى 37 فولت. يكون اختيار جهد الخرج الاسمي عن طريق مجزيء مقاوم، ما يسهل استخدام الجهاز تسهيلاً ممتازًا ويزيل تكديس العديد من المنظمات الثابتة. وهذا يجعلها مفيدة جدًا لإنشاء مزوّد طاقة مستمر بجهد متغير لطالب دارس للهندسة الإلكترونية. يوضح الشكل 20.17 دائرة منظم أساسية قابلة للتعديل ودائرة أكثر عملية تحتوي على:

• مكثف تجزيء دخل سعته 0.1 ميكروفاراد، المسمى ⁦C1⁩
• مكثف سعته 10 ميكروفاراد، المسمى ⁦C2⁩، لتحسين رفض التموج
• مكثف تنتالوم سعته 1 ميكروفاراد، المسمى ⁦C3⁩، يعمل على الخرج لتحسين الاستجابة العابرة
• دايود الحماية، المسمى ⁦D1⁩، يحمي الجهاز من قصر الدائرة
• دايود ثاني، المسمى ⁦D2⁩، يحمي من قصر الدائرة في الخرج.

ما الدائرة التي ستختار إنشاءها إذا كنت تقوم بعمل تيار مستمر منظم بجهد متغير لإجراء تجارب إلكترونية في ورشتك المنزلية؟ لماذا تختار هذه الدائرة؟

بحث قبل البدء في جزء المرشحات، راجع نظرية التيار المتناوب وتفاعل المكثفات والمحاثات والمخططات الطورية ونظريات الشبكة.

تسمح دائرة المرشح بتمرير الترددات في نطاق معين بينما تحظر الترددات الأخرى. يعد قسم التنعيم في مزوّد الطاقة مثالاً لمرشح بسيط مصنوع من مقاوم ومكثف. والمقاومات والمكثفات هي مكونات خاملة، حيث لا تعطي أي كسب إشارة. جهد خرج المرشح أصغر من جهد الدخل. وتعمل المرشحات على تخفيف الإشارة. يُقاس التوهين بالديسيبل ⁦(dB)⁩. الديسيبل هو وحدة لوغاريتمية لكسب الطاقة. ويُحسب الديسيبل على النحو الآتي: $dB = 10 \log_{10} \frac{P_{out}}{P_{in}}$ تذكر أنه يمكنك كتابة الطاقة بثلاث طرق، $P = VI = \frac{V^2}{R} = I^2R$ ومن ثم، يمكنك كتابة كسب الجهد (أو التوهين)، على النحو الآتي: $10 \log_{10} \left( \frac{V_{out}^2}{R} \times \frac{R}{V_{in}^2} \right)$ استخدم الجبر لإعادة ترتيب القسمة، ثم تبسيطها، $10 \log_{10} \left( \frac{V_{out}^2}{R} \times \frac{R}{V_{in}^2} \right)$ $10 \log_{10} \left( \frac{V_{out}^2}{V_{in}^2} \right) = 10 \log_{10} \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right)^2$ الآن قم بتطبيق قواعد اللوغاريتمات، $\log a^b = b \log a$ $10 \log_{10} \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right)^2 = 20 \log_{10} \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right) dB$ ومن ثم، يمكنك كتابة الجهد (الكسب أو التوهين) بالديسيبل على النحو الآتي: $A_v = 20 \log_{10} \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right) dB$ عادةً ما تكون مكتوبة على النحو الآتي: $A_v = 20 \log \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right) dB$ الرمز ⁦log()⁩ يعني أن أساس اللوغاريتم هو 10.

موضوعات ذات صلة يتناول نتاج التعلم د في الوحدة 57: المبادئ الكهربائية والإلكترونية، ممانعة ومعاوقة المكونات الخاملة في دائرة تيار متناوب أحادية الطور، والمتجهات الطورية والتمثيل الطوري للكميات المتناوبة.

المصطلحات الرئيسة مرشح - دائرة يمكنها تمرير ترددات محددة أو حجبها. توهين - انخفاض قدرة الإشارة في نظام.

المصطلحات الرئيسة مرشح تمرير الترددات المنخفضة - مرشح يسمح بمرور الترددات التي تقل عن قيمة معينة ويمنع الترددات الأعلى. مرشح تمرير الترددات العالية - مرشح يسمح بمرور الترددات التي تزيد عن قيمة معينة ويمنع الترددات المنخفضة. مرشح تمرير ترددات النطاق - مرشح يسمح بمرور الترددات بين قيمة أقل وقيمة أعلى ويمنع الترددات الأخرى.

ملحوظة:

• عندما تكون قيمة $20 \log \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right)$ موجبة فهذا يعني أن الإشارة مُكبرة (كسب).
• عندما تكون قيمة $20 \log \left( \frac{V_{out}}{V_{in}} \right)$ سالبة فهذا يعني أن الإشارة مُوهنة (فقدان).

احسب توهين المرشح إذا كان جذر متوسط مربع جهد الدخل يبلغ 10 فولت، وكان جذر متوسط مربع جهد الخرج يبلغ 8 فولت. $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{V_o}{V_i} \right) = 20 \log \left( \frac{8}{10} \right)$ $\text{التوهين} = 20 \log (0.8) = -1.94 \text{ dB}$ لاحظ أن التوهين يعطي قيمة سالبة قدرها ⁦dB⁩ على النحو المذكور أعلاه.

هناك عدة أنواع من المرشحات. ثلاثة أنواع شائعة هي:

• تمرير الترددات المنخفضة ⁦(LP) -⁩ يُسمح فقط بالترددات التي تقل عن تردد قطع معين بالمرور.
• تمرير الترددات العالية ⁦(HP) -⁩ يُسمح فقط بالترددات التي تزيد عن تردد قطع معين بالمرور.
• تمرير تردد النطاق ⁦(BP) -⁩ يُسمح فقط بالترددات بين ترددات قطع منخفضة وعلوية معينة.

  السلوك المثالي هو:

يمكن بناء مرشح تمرير ترددات منخفضة ⁦(LP)⁩ أو مرشح تمرير ترددات مرتفعة ⁦(HP)⁩ خامل بسيط باستخدام المقاوم والمكثف في ترتيب مجزئ جهد. ويحدد نوع المرشح موضع المقاوم والمكثف.

الترددات المنخفضة ⁦(LP)⁩ وتمرير الترددات العالية ⁦(HP)⁩ وتمرير ترددات النطاق ⁦(BP)⁩. تعتمد المرشحات على دائرة مجزئ جهد. يوضح الشكل 20.20 مجزئ جهد يستخدم مقاومين. فرق الجهد عبر ⁦R2⁩ هو نسبة ⁦R2⁩ إلى المقاومة الكلية ⁦RT⁩.

عندما تنظر إلى مرشح ⁦LP⁩ سترى أن ⁦R2⁩ ليس مقاومًا. بل إنه مكثف. تذكر، أنه في دائرة التيار المتناوب، قيمة المقاومة ثابتة مع التردد المتغير، ⁦R⁩. تقل الممانعة، $X_c$ للمكثف مع التردد. $X_c = \frac{1}{2\pi fC}$ إن المعاوقة ⁦Z⁩ لشبكة ⁦R-C⁩ ليست مجرد مجموع المقاومة والممانعة. تذكر أن الجهد عبر المقاوم متفق الطور مع التيار الذي يمر عبره لجميع الترددات. يتأخر الجهد عبر المكثف عن التيار بمقدار 90 درجة. يجب أن نرسم مخططًا طوريًا للعثور على المعاوقة الكلية، ⁦Z⁩، لتركيبة المقاوم-المكثف. إذا رسمنا مخططًا طوريًا لشبكة ⁦R-C⁩،

إذا كنت تستخدم نظرية فيثاغورس، إذن، $Z^2 = R^2 + X_c^2$ $Z = \sqrt{R^2 + X_c^2}$ لذلك يعطي "مجزئ الجهد"، $V_{out} = \frac{X_c}{Z} V_{in}$ يمكن كتابة هذا على النحو الآتي، $V_{out} = \frac{X_c}{\sqrt{R^2 + X_c^2}} V_{in}$ يمكنك إعادة ترتيب النتيجة لإعطاء كسب الجهد، $\frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{X_c}{\sqrt{R^2 + X_c^2}}$ بالنسبة لمرشح ⁦LP⁩. باستخدام طريقة "مجزئ الجهد"، $V_o = \frac{X_c}{Z} V_i = \frac{X_c}{\sqrt{R^2 + X_c^2}} V_i$

• عندما يكون التردد منخفضًا، فإن $X_c$ يكون كبيرًا، $R \gg X_c$

  معاوقة شبكة ⁦R-C⁩ $\approx \sqrt{R^2 + X_c^2} \approx X_c$

$V_o = \frac{X_c}{X_c} V_i$ $\frac{V_o}{V_i} = 1$ $(1) 20 \log \left( \frac{V_o}{V_i} \right) = 20 \log (1)$ $\text{(التوهين)} = 0 \text{ dB}$

• عندما تكون ⁦f⁩ كبيرة، تكون $X_c$ صغيرة

  معاوقة شبكة ⁦R-C⁩ $\approx \sqrt{R^2 + X_c^2} \approx R$

• عندما يكون التردد مساويًا لتردد القطع (الزاوية)، فإن ممانعة المكثف تساوي قيمة المقاومة.

$X_c = R$ معاوقة شبكة ⁦R-C⁩ $\approx \sqrt{R^2 + R^2} = \sqrt{2} R$ $V_o = \frac{R}{\sqrt{2} R} V_i = \frac{1}{\sqrt{2}} V_i$ $\frac{V_o}{V_i} = \frac{1}{\sqrt{2}}$ $\left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) 20 \log = 20 \log \left( \frac{V_o}{V_i} \right) \text{(التوهين)}$ $\text{(التوهين)} = -3 \text{ dB}$

باستخدام طريقة "مجزئ الجهد"، $V_o = \frac{R}{Z} V_i = \frac{R}{\sqrt{R^2 + X_c^2}} V_i$

• عندما يكون التردد منخفضًا، فإن $X_c$ يكون كبيرًا، $R \gg X_c$

  معاوقة شبكة ⁦R-C⁩ $\approx \sqrt{R^2 + X_c^2} \approx X_c$

$V_o = \frac{R}{R} V_i$ $\frac{V_o}{V_i} \approx 0$

• عندما تكون ⁦f⁩ كبيرة، تكون $X_c$ صغيرة

  معاوقة شبكة ⁦R-C⁩ $\approx \sqrt{R^2 + X_c^2} \approx R$

$V_o = \frac{R}{R} V_i$ $\frac{V_o}{V_i} = 1$ $\text{(التوهين)} = 20 \log (1) = 0 \text{ dB}$

• عندما يكون التردد مساويًا لتردد القطع (الزاوية)، فإن ممانعة المكثف تساوي قيمة المقاومة.

$X_c = R$ معاوقة شبكة ⁦R-C⁩ $\approx \sqrt{R^2 + R^2} = \sqrt{2} R$ $V_o = \frac{R}{\sqrt{2} R} V_i = \frac{1}{\sqrt{2}} V_i$ $\frac{V_o}{V_i} = \frac{1}{\sqrt{2}}$ $\left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) 20 \log = 20 \log \left( \frac{V_o}{V_i} \right) \text{(التوهين)}$ $\text{التوهين} = -3 \text{ dB}$ مرشح ⁦BP⁩ هو مزيج من مرشح ⁦HP⁩ ومرشح ⁦LP⁩. تُحسب ترددات القطع (الزاوية) بالطريقة نفسها المستخدمة في مرشحات التمرير التمرير المنخفض ⁦(LP)⁩ ومرشحات التمرير العالي ⁦(HP)⁩. لا تحتوي استجابات التردد لمرشحات ⁦RC⁩ الحقيقية على قواطع حادة، كما هو موضح أدناه. سعة الإشارة ليست الشيء الوحيد الذي يتغير مع التردد. حيث يتغير فرق الطور بين جهد الدخل والخرج أيضًا مع التردد. يجب أن تتذكر أن الجهد عبر المكثف يتأخر عن تيار الدخل. لقد رأينا بالفعل أنه عند التردد المنخفض يتصرف المكثف كدائرة مفتوحة. يكون جهد الخرج متفق الطور مع جهد الدخل. عند التردد العالي، يتأخر جهد الخرج عن جهد الدخل بمقدار 90 درجة. وعند تردد القطع (الزاوية) يكون فرق الطور -45 درجة. يوضح المثال العملي كيفية تمثيل استجابة التردد للنظام من خلال كسبه (التوهين) والطور في مخطط بود.

المصطلح الرئيس استجابة التردد - رسم بياني يوضح الكسب (التوهين) مقابل التردد.

احسب كيف يختلف كسب الجهد (التوهين) وزاوية الطور لمرشح التمرير المنخفض باختلاف التردد. نعلم من الملاحظات الخاصة بمرشح ⁦LP⁩ أنه، $\text{(التوهين)} = \frac{V_o}{V_i} = \frac{R}{\sqrt{R^2 + X_c^2}}$ باستخدام المخطط الطوري لشبكة ⁦R-C⁩، يمكن حساب زاوية الطور باستخدام، $\tan \phi = -\frac{IX_c}{IR} = -\frac{X_c}{R}$ تشير الإشارة السالبة إلى أن جهد الخرج يتأخر عن جهد الدخل. $\phi = -\tan^{-1} \left( \frac{X_c}{R} \right)$

$\phi = -\arctan \left( \frac{X_c}{R} \right)$ صيغة التوهين لمرشح ⁦LP⁩ هي، $\frac{V_o}{V_i} = \frac{R}{\sqrt{R^2 + X_c^2}}$

$\frac{V_o}{V_i} = \frac{R/R}{\sqrt{R^2/R^2 + X_c^2/R^2}}$ $\text{(التوهين)} = \frac{V_o}{V_i} = \frac{1}{\sqrt{1 + \left( \frac{X_c}{R} \right)^2}}$ عندما $f = f_c, R = X_c$ $\phi = -\tan^{-1} \left( \frac{R}{R} \right) = -\tan^{-1} (1)$ $\phi = -45^{\circ}$ $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{V_o}{V_i} \right) = 20 \log \left( \frac{R}{\sqrt{R^2 + (R)^2}} \right) dB$ $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{R}{\sqrt{2R^2}} \right) = 20 \log \left( \frac{R}{R\sqrt{2}} \right) dB$ $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right) = -3 dB$

لاحظ أنه عندما يكون $X_c = R$ فإن جهد الخرج لا يكون نصف جهد الدخل. وهذا لأنه جمع للمتجهات الطورية للجهدين. $\frac{V_o}{V_i} = \frac{1}{\sqrt{2}} = 0.707$ احسب التوهين وزاوية الطور لبعض ترددات العينة. عندما يكون $X_c = 0.01R$ ($f = 0.01f_c$) $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{1}{\sqrt{1 + (0.01)^2}} \right) = 0.0 dB$ $\text{(زاوية الطور)} = -\tan^{-1} (0.01) = -0.57^{\circ}$ عندما يكون $X_c = 0.1R$ ($f = 0.1f_c$) $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{1}{\sqrt{1 + (0.1)^2}} \right) = 0.0 dB$ $\text{(زاوية الطور)} = -\tan^{-1} (0.1) = -5.7^{\circ}$ عندما يكون $X_c = 10R$ ($f = 10f_c$) $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{1}{\sqrt{1 + (10)^2}} \right) = -20 dB$ $\text{(زاوية الطور)} = -\tan^{-1} (10) = -84.3^{\circ}$ عندما يكون $X_c = 100R$ ($f = 100f_c$) $\text{(التوهين)} = 20 \log \left( \frac{1}{\sqrt{1 + (100)^2}} \right) = -40 dB$ $\text{(زاوية الطور)} = -\tan^{-1} (100) = -89.4^{\circ}$ يبدأ التوهين عند 20 ديسيبل/عقد لأي مرشح مقاومة-مكثفة ⁦(RC Filter)⁩ مكثفة منخفض التمرير بغض النظر عن قيم المكونات.

وقفة للتفكير تُطبّق إشارة بتردد 4 كيلو هرتز على مرشح مقاومة-مكثفة خامل لتمرير الترددات المنخفضة. القيم المكونة لمرشح تمرير الترددات المنخفضة هي $R = 2 \text{ k}\Omega$ و $C = 33 \text{ nF}$. احسب:

• الممانعة السعوية، $X_c$،
• المعاوقة الكلية، ⁦Z⁩،
• التوهين
• التوهين بالديسيبل.

تلميح عند استخدام الصيغة لحساب الممانعة والمعاوقة، تأكد من تحويل قيم المكونات إلى أوم وفاراد ⁦(Ohm and Farad)⁩. اتبع الخطوات الواردة في المثال العملي لحساب التوهين كرقم وبالديسيبل. توسيع الأفق تدرب على استخدام الترميز الهندسي عند استخدام وحدات كبيرة جدًا وصغيرة جدًا.

المصطلح الرئيس مخطط بود - مخطط الكسب (التوهين) والطور مقابل التردد.

يُعرف الجمع بين مخططات الكسب (التوهين) وزاوية الطور مقابل التردد باسم مخطط بود. كان هندريك دبليو بود ⁦(Hendrik W. Bode) (1905 - 1982)⁩ مهندسًا أمريكيًا قدم إسهامات مهمة في تحليل وتصميم أنظمة التحكم. يُرسم التردد على المحور السيني. النطاق الواسع للترددات المرسومة لنظام نموذجي يعني أن مقياس التردد عادة ما يكون لوغاريتميًا.

صمّم مرشح مقاومة ⁦(R-C Filter)⁩ الخال لتمرير الترددات العالية بتردد قطع (زاوي) 475 هرتز، لقيمة مقاوم 10 كيلو أوم ⁦(kΩ)⁩. قم بمحاكاة الخرج لإظهار أن الدائرة تعمل على النحو المتوقع.

$R = X_c = \frac{1}{2\pi f_c C}$ أعد ترتيب الصيغة لجعل ⁦C⁩ المتغير الأساسي، $C = \frac{1}{2\pi f_c R}$

استبدل القيم المعطاة. $C = \frac{1}{2\pi \times 475 \times 10 \times 10^3}$ $C = 33.5 \times 10^{-9} \text{ F}$ $C = 33.5 \text{ nF}$

المكثف ذو سعة 33.5 نانوفاراد ⁦(nF)⁩ ليس شائعًا ونادرًا ما يكون متوافرًا. لذلك، حدد مكثفًا متاحًا بقيمة قريبة، على سبيل المثال سعة 33 نانوفاراد. ارسم الدائرة في برنامج التصميم. تستخدم الدائرة في الشكل 20.23 مولد إشارات لتوفير جهد دخلي، ومخطط بود ⁦(Bode)⁩ لمحاكاة استجابة التردد. صدّر خرج المحاكاة إلى ملف اكسيل لتوفير الوصول إلى المزيد من أدوات التحليل، الشكل 20.24.

يوضح مخطط بود ⁦(Bode)⁩ أن الدائرة تعمل على النحو المتوقع. حيث يزداد التوهين بمقدار 20 ديسيبل لكل عقد حتى يصل إلى 0 ديسيبل، أي أن الخرج يساوي جهد الدخل. تنخفض زاوية الطور من 90 درجة إلى 0 درجة، عندما يكون الخرج متفق الطور مع الدخل. يمكن تقريب تردد الزاوية عند 475 هرتز. قد تحتاج إلى التدرب على قراءة المقاييس اللوغاريتمية لتأكيد ذلك.

بحث إذا لم تكن معتادًا على قراءة المقاييس اللوغاريتمية، فمن الجدير إجراء بحث حول كيفية تنفيذ ذلك. وتتوافر العديد من مقاطع الفيديو عبر الإنترنت التي تشرح العملية ببساطة.

• تُستخدم المقاييس اللوغاريتمية عندما تشمل البيانات نطاقًا واسعًا من القيم.
• تكون تقسيمات المقياس اللوغاريتمي متساوية ولكنها تمثل زيادات بقوى العدد 10، (1، 10، 100..)
• بين هذه التقسيمات المتساوية، يكون المقياس مضغوطًا كلما زادت الأرقام. على سبيل المثال، المسافة بين 2 و 3 على المقياس تكون أكبر من المسافة بين 7 و 8.

أُعدت المحاكاة عن طريق تحديد ترددات البدء والإيقاف والمتغيرات التي ستُرسم. في هذه الحالة، المحاكاة عبارة عن استخدام المتغيرات في الدائرة.

الضوضاء الكهربائية هي اضطراب غير مرغوب فيه في الإشارة المرغوبة. ويعد جهد التموج الذي يظهر على جهد الخرج لمزوّد الطاقة مثالاً على الضوضاء الكهربائية. يعود اسم الضوضاء إلى أيام الاتصالات اللاسلكية الأولى عندما كانت الإشارات المستقبلة مشوهة بسبب الهسهسة والفرقعة. يحدث هذا النوع من الضوضاء بسبب مصادر خارجية، على سبيل المثال الظروف الجوية أو المجالات المغناطيسية حول الآلات الصناعية أو النشاط الشمسي. ويمكن أيضًا توليد الضوضاء داخل مكونات الدائرة. تُعطى الضوضاء الداخلية المختلفة أسماء مختلفة، مثل ضوضاء جونسون وضوضاء اللقطة وضوضاء الوميض. غالبًا ما يشير مهندسو الصوت إلى أنواع مختلفة من الضوضاء باستخدام "اللون".

• الضوضاء البيضاء مزيج عشوائي من جميع الترددات، تمامًا مثل الضوء الأبيض هو مزيج من جميع الألوان. وهو الشكل الأكثر شيوعًا للضوضاء. نسمعها عادةً بتردد مرتفع نسبيًا، ولكن هذا بسبب الطريقة التي تتفاعل بها الأذن البشرية مع الأصوات. تُصنّف ضوضاء جونسون على أنها ضوضاء بيضاء.
• الضوضاء الوردية تشبه الضوضاء البيضاء، ولكن في إشارة الضوضاء الوردية، تعمل الترددات بمستويات طاقة مختلفة فتُسمع جميع الترددات بالتساوي. وتُصنّف ضوضاء الوميض على أنها ضوضاء وردية.
• الضوضاء البنية (الحمراء) تشبه الضوضاء الوردية، ولكنها تبدو أقل ترددًا من الضوضاء البيضاء والوردية.

المصطلح الرئيس الضوضاء الكهربائية - اضطراب غير مرغوب فيه في إشارة مرغوبة. يمكن أن تحدث الضوضاء بسبب مصادر خارجية ويمكن أن تتولد داخل مكونات الدائرة.

• تُصدر الضوضاء البنفسجية (الأرجوانية) صوتًا عاليًا وتكون براقة، بينما تبدو الضوضاء البنية منخفضة ومكتومة.
• تُستخدم ألوان أخرى مثل الرمادي والأزرق والأسود والبرتقالي لوصف الضوضاء.

ربما سمعت صوتًا منخفض التردد على أجهزة الصوت. يحدث هذا بسبب التقاط تردد التيار الكهربائي من مزوّد الطاقة إلى الإشارة الصوتية. وتتمثل إحدى الطرق البسيطة لتقليل همهمة التيار الكهربائي هذه في استخدام مرشح التمرير العالي بتردد زاوية أعلى من من تردد مزوّد التيار الكهربائي (عادةً 50 هرتز أو 60 هرتز بحسب البلد). ستجد المزيد من المعلومات حول الضوضاء في الأنظمة الإلكترونية في جزء تطبيقات الاتصالات.

دراسة حالة يعمل مهندس إلكتروني في شركة تُنتج مكبرات صوت إلكترونية. وقد حدد مالك الشركة فجوة في السوق في مكبرات الصوت المناسبة للمجموعات التي تعزف الموسيقى في القاعات المحلية. يجب أن يحتوي مكبر الصوت على عناصر تحكم منفصلة للترددات العالية والمتوسطة والمنخفضة للسماح باستخدامه لتضخيم الإشارات من مكتب المزج المتصل بعدد من الأدوات والميكروفونات. اقترح المهندس الإلكتروني أن النظام يمكن أن يستخدم المرشحات لفصل الترددات المختلطة إلى ترددات منخفضة ومتوسطة وعالية. يمكن بعد ذلك تضخيم كل إشارة بشكل منفصل لإنتاج الخرج المطلوب لمكبرات الصوت المناسبة (مثل مكبر الصوت الجهير ومكبر الصوت المتوسط ومكبر الصوت العالي). أنتج المهندس رسمًا بيانيًا (الشكل 20.26) لتوضيح الغرض من المرشحات المختلفة.

وافق مالك الشركة على أن هذه الفكرة جيدة وكلف المهندس الإلكتروني بإنتاج دائرة نموذجية. اقترح مهندس آخر استخدام مكبر طاقة لتضخيم إشارة التردد المختلط قبل ترشيحها. يمكن تركيب المرشحات في برج مكبر الصوت باستخدام مكبرات الصوت الثلاثة. هل يمكنك تحديد أي مزايا أو عيوب لكل اقتراح؟ ما الحل المفضل لديك؟ كيف تبرر لمالك الشركة اختيارك؟

بحث قبل البدء في جزء مكبرات الترانزستور، راجع بنية مواد أشباه الموصلات، مثل السيليكون، وكيف يمكن تشويبها لإعطاء مواد من النوع ⁦n-type⁩ و ⁦p-type⁩.

في عام 1948، أبلغ جون باردين ⁦(John Bardeen)⁩ ووالتر براتين ⁦(Walter Brattain)⁩، اللذين يعملان في مختبرات بيل في أمريكا، لأول مرة عن مبدأ الترانزستور. صاغ زميلهم جون بيرس ⁦(John Pierce)⁩ مصطلح "ترانزستور" باعتباره اختصار لمصطلح مقاوم النقل - ما يشير إلى أن تيارًا كبيرًا يتحكم فيه تيار أصغر. طور ويليام (بيل) شوكلي ⁦(William (Bill) Shockley)⁩ البنية ثنائية القطب للترانزستور. عمل شوكلي ⁦(Shockley)⁩ أيضًا على بنية الثاني من الترانزستورات، ترانزستورات الأثر الحقلي، وطوّر فكرة حصلت على براءة اختراع في عام 1925 من قبل جوليوس ليلينفيلد ⁦(Julius Lilienfeld)⁩ ولاحقًا من قبل أوسكار هيل ⁦(Oskar Heil) (1934)⁩. لم يتمكن ليلينفيلد ⁦(Lilienfeld)⁩ وهيل ⁦(Heil)⁩ من صنع جهاز عملي بالمواد المتاحة لهما.

المصطلح الرئيس ترانزستور وصلي ثنائي القطب ⁦(BJT)⁩ - جهاز شبه موصل ثلاثي الأطراف. بنيته "طبقة بينية" من مادة ⁦npn⁩ أو ⁦pnp⁩ وتسمى أطرافه الثلاثة القاعدة والباعث والمجمع. يكون التحكم في التيار في منطقة المجمع بواسطة تيار أصغر في منطقة القاعدة.

يحتوي الترانزستور ثنائي القطب أو الوصلي على ثلاثة أطراف. يُوصّل كل طرف بمنطقة مشوبة واحدة من "طبقة بينية" من مادة ⁦n-p-n⁩ أو ⁦p-n-p⁩. تُعرف المناطق الثلاثة باسم الباعث، والمجمع، والقاعدة. يوضح الشكل 20.27 البنية المثالية لترانزستور ⁦n-p-n⁩، ورمزه في الدائرة. يشير السهم الموجود على الباعث إلى اتجاه تدفق التيار التقليدي. ستستخدم معظم الأمثلة الترانزستورات ثنائية القطب ⁦n-p-n⁩، لأنها مستخدمة في نطاق أوسع. اتجاه السهم هو عكس الترانزستور ثنائي القطب ⁦p-n-p⁩.

يوضح الشكل 20.28 مخطط كتلة لنظام إلكتروني. تحتاج كل إشارات الدخل والخرج إلى طرفين. يحتوي الترانزستور ثنائي القطب على ثلاثة أطراف فقط. إذا قمت بتوصيل ترانزستور بالنظام الإلكتروني، فيجب توصيل أحد الأطراف بشكل مشترك مع كل من إشارات الدخل والخرج. الأوضاع الثلاثة الممكنة لتوصيل الترانزستور في الدائرة هي:

• قاعدة مشتركة
• مجمع مشترك
• باعث مشترك

توصيل الباعث المشترك هو الأكثر استخدامًا. من استخدامات الترانزستور استخدامه مفتاحًا (مُبدّلًا). يوضح الشكل 20.29 كيفية عمل الترانزستور كمفتاح.

الوصلة بين قاعدة الترانزستور والباعث هي وصلة ⁦p-n⁩، وتعمل مثل الدايود.

• عندما يكون جهد القاعدة-الباعث أعلى من 0.7 فولت (تقريبًا)، يكون الترانزستور في حالة تشغيل كاملة. ويتحكم تيار صغير في القاعدة في تيار أكبر في المجمع. الصمام الثنائي الباعث للضوء (ليد) قيد التشغيل "⁦ON⁩".
• عندما يكون جهد القاعدة-الباعث أقل من 0.6 فولت (تقريبًا)، فإنه لا يوجد تيار قاعدة قابل للقياس. الترانزستور في حالة إيقاف التشغيل "⁦OFF⁩". مؤشر ليد منطفئ "⁦OFF⁩".

  توضح الدائرة النهائية في الشكل 20.29 كيف يمكن تصميم الدائرة لتكون مفتاح تشغيل/إيقاف التشغيل "⁦ON/OFF⁩" تلقائي. تزداد مقاومة المقاوم المعتمد على الضوء ⁦(LDR)⁩ في الظلام.

عندما يتم وضع مقاوم معتمد على الضوء في الظلام، يزداد فرق الجهد عبر المقاوم. وعندما ينخفض مستوى الضوء إلى القيمة المختارة، يكون الجهد في القاعدة عالٍ بما يكفي لتشغيل الترانزستور. يُعيّن المستوى بواسطة مقياس الجهد. عند وضع مقاوم معتمد على الضوء في الضوء الساطع، تنخفض المقاومة. عند مستوى إضاءة معين، ينخفض الجهد الموجود في القاعدة إلى ما دون النقطة التي يتم فيها إيقاف تشغيل الترانزستور. الاستخدام الثاني للترانزستور هو استخدامه مُكبرًا. لن يعمل الترانزستور إلا عندما يكون ذو انحياز صحيح. في التشغيل العادي،

• وصلة المجمع - القاعدة في انحياز عكسي،
• وصلة الباعث - القاعدة في انحياز أمامي.

يمكن تفسير تشغيل الدائرة باستخدام خصائص الجهد-التيار للترانزستور. توضح خصائص الدخل قيمة تيار القاعدة، I_B، عند قيم ثابتة لجهد المجمع-الباعث، VCE. يوضح الشكل 20.31 أن وصلة القاعدة-الباعث تعمل كدايود وصلة من النوع ⁦p-n⁩. لا يوجد تيار (قابل للقياس) حتى يصل VBE إلى 0.6 فولت تقريبًا، ويزداد التيار خطيًا تقريبًا فوق 0.7 فولت تقريبًا. يعرض الرسم البياني عائلة المنحنيات المتحصل عليها عند قياس خصائص الدخل عند قيم مختلفة لـ VCE.

المصطلح الرئيس خصائص الدخل - رسم بياني يظهر العلاقة بين تيار الدخل وجهد الدخل عند جهد خرج معين.

توضح خصائص الخرج قيمة تيار المجمع، I_C، عند قيم جهد المجمع-الباعث، VCE تؤخذ القراءات للحصول على قيمة ثابتة لتيار القاعدة I_B. تُظهر خصائص الدخل أن تيار القاعدة، I_B، يتناسب مع جهد القاعدة-الباعث VBE، في المنطقة النشطة. يعرض الشكل 20.30 عائلة المنحنيات المتحصل عليها عند قياس خصائص الدخل لقيم مختلفة لـ I_B (أو VBE).

يعمل الترانزستور ⁦n-p-n⁩ على تحويل تيار قاعدة صغير، I_B إلى تيار مجمع أكبر I_C. نسبة I_C إلى I_B هي كسب التيار للترانزستور. تُعرف باسم نسبة نقل التيار ذو الانحياز الأمامي. وعادةً ما تُمثل بالآتي hfe أو b. نسبة نقل التيار ذو الانحياز الأمامي = كسب التيار في توصيل الباعث المشترك hfe = β = (I_C)/(I_B) للتلخيص، فإن الترانزستور الوصلي ثنائي القطب ⁦(BJT)⁩ هو جهاز يتحكم فيه التيار. يتحكم تيار القاعدة في تيار المجمع. يُعطى كسب المكبر عادةً على شكل كسب جهد، A_v. (من السهل قياس الجهد. يُوصّل

المصطلح الرئيس خصائص الخرج - رسم بياني يظهر العلاقة بين تيار الخرج وجهد الخرج عند جهد دخل معين.

الفولتيميتر (جهاز قياس الجهد) بالتوازي، ما يعني أنه لا يلزم تغيير الدائرة. ويجب توصيل مقياس التيار الكهربائي بالتسلسل. يجب قطع الدائرة لتوصيل مقياس التيار الكهربائي بها). يمكن أيضًا تحديد كسب الجهد بالديسيبل. A_v = VoutVin يجب تحديد المكونات في الشكل 20.27 للتأكد من أن إشارة الخرج مماثلة لشكل إشارة الدخل. الترانزستور في مُكبر الباعث المشترك هو المكون الوحيد في الدائرة. يوضح الشكل 20.31 كيف يستخدم المصمم خصائص الخرج لتحديد ظروف الانحياز للسماح للترانزستور بتكبير الإشارة المتناوبة بأكملها. تُحدد نقطة سكون، ⁦Q⁩، للسماح للإشارة بالتأرجح بالتساوي حولها. الدليل التقريبي هو اختيار VCE ليكون نصف جهد التزويد. في الرسم التخطيطي، يبلغ جهد التزويد 12 فولت ونقطة ⁦Q⁩ هي 6 فولت، وقد تم رسم خط التحميل للخصائص لتمثيل R_C + R_E. قيمة I_B عند نقطة السكون هي 6 مللي أمبير.

إذا كان I_B يساوي 6 مللي أمبير، فإن I_C = 0.57 أمبير. عندما يرتفع I_B إلى 8 مللي أمبير، يصبح I_C نحو 0.72 أمبير؛ التغير في ⁦0.15 =⁩ I_C أمبير. عندما ينخفض I_B إلى 4 مللي أمبير، يصبح I_C نحو 0.42 أمبير؛ التغير في ⁦0.15 =⁩ I_C أمبير. كسب التيار هو، A_i = change in I_Cchange in I_B = 0.152 × 10-3 = 75

المصطلح الرئيس نقطة السكون - تُعرف أيضًا باسم نقطة الانحياز. جهد التيار المستمر في طرف ترانزستور معين دون تطبيق دخل إشارة.

كسب التيار بالديسيبل هو، A_i = 20 (75) = 37.50 dB تبلغ سعة جهد الدخل 350 مللي فولت، وتبلغ سعة جهد الخرج 2 فولت.

A_v = 20 (5.7) = 15.12 dB لاحظ أنه عندما يرتفع جهد الدخل، ينخفض جهد الخرج. وعندما ينخفض جهد الدخل، يرتفع جهد الخرج. يعكس الترانزستور الإشارة. تعطي الدائرة كلاً من كسب التيار والجهد. كسب الطاقة للمكبر هو كسب الطاقة = كسب الجهد × كسب التيار Pgain = PoutPin = Vout × IoutVin × Iin Pgain = A_v × A_i Pgain = 5.7 × 75 = 427.5 يمكن أيضًا تحديد كسب الطاقة بالديسيبل؛ Pgain = 10 ( PoutPin ) Pgain = 10 (427.5) = 26.31 dB لاحظ أنه في صيغة حساب كسب الطاقة، نستخدم ⁦10 log()⁩. عند حساب كسب الجهد أو كسب التيار، نستخدم ⁦20 log(). [⁩تذكر قواعد اللوغاريتمات. (A × B) = (A) + (B)] كيف تتحكم المكونات في الدائرة؟ انظر إلى الدائرة في الشكل 20.28 مرة أخرى. يشكل R_1 و R_2 مجزئ جهد. عينوا جهد التيار المستمر في القاعدة لانحياز الترانزستور لإعطاء نقطة سكون، ⁦Q⁩. يُحدد تيار المجمع I_C بواسطة تيار الطور، I_B. I_C = hfe I_B يولد تيار المجمع فرق جهد عبر R_L، ما يحدد الجهد عند المجمع، V_C V_C = V_s - I_R L

V_E = I_E × R_E جهد القاعدة-الباعث هو، VBE = V_B - V_E

يوفر R_E تغذية راجعة للتحكم في استقرار المكبر. عندما يبدد الترانزستور الطاقة، تزداد درجة الحرارة. سيؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى زيادة التيار، ما يؤدي إلى ارتفاع أكبر في درجة الحرارة. هذا يمكن أن يؤدي إلى الهروب الحراري وتدمير الترانزستور. تؤدي الزيادة في I_B إلى زيادة في I_C وبالتالي زيادة I_E. عندما يزداد I_E، يزداد فرق الجهد عبره. هذه الزيادة ترفع V_E، وهذا يقلل VBE. يؤدي الانخفاض في VBE إلى تقليل I_B، ما يؤدي إلى انخفاض في I_C وانخفاض درجة الحرارة. لذلك، يمنع R_E التغييرات في I_B ما يعطي تغييرات في I_C، ولكن الغرض الكامل من المكبر هو عكس ذلك. نريد تكبير التغييرات في القاعدة. يوفر C_E مسار تجزيء للإشارة. يتم اختيار قيمة C_E للحصول على ممانعة أقل عند تردد تشغيل الإشارة من R_E يتحكم في جهد انحياز التيار المستمر عند الباعث. يسمح C_E بتكبير الإشارة. C_1 و C_2 مكثفات اقتران. تسمح للإشارة بالدخول والخروج من الدائرة. وتحظر جهد انحياز التيار المستمر لمنع المكبر من التأثير في أي وحدات تأتي قبله أو بعده في النظام.

قرر مهندس إلكتروني تصميم مكبر باعث مشترك لنظام صوتي. فاختار المكونات التي اعتقد أنها ستوفر ظروف الانحياز المناسبة لتشغيل الدائرة. ثم أجرى محاكاة للدائرة باستخدام برنامج احترافي.

استخدم المصمم أدوات افتراضية في المحاولة الأولى للمحاكاة. يقيس الملتيميتر ⁦1 (XMM1)⁩ جهد القاعدة والباعث. VBE = 612 mV. يقيس الملتيميتر ⁦2 (XMM2)⁩ جهد المجمع والباعث. VCE = 5.25 V. يُظهر راسم الذبذبات ⁦(XSC1)⁩ جهد الدخل باللون الأحمر وجهد الخرج باللون الأزرق. حلل المصمم نتائج المحاكاة، وتوصل إلى بعض الاستنتاجات:

• يبدو جهد القاعدة والباعث منخفضًا بعض الشيء مقارنة بمنحنى خصائص الدخل (الشكل 20.31). الترانزستور في حالة توصيل، لكنه لم يصل بعد إلى الجزء الخطي من المنحنى.
• جهد المجمع والباعث يزيد قليلاً عن نصف جهد مصدر الطاقة. وقد لا يسمح هذا بالتأرجح المتساوي لجهد الخرج.
• تظهر شاشة راسم الذبذبات أن الترانزستور يعمل على تكبير الأجزاء الموجبة والسالبة من الشكل الموجي، ولكن يوجد بعض التشويه.

• تردد جهد الخرج يعادل تردد جهد الدخل.
• وينعكس جهد الخرج مقارنة بجهد الدخل (إزاحة طورية بزاوية 180 درجة).
• استخدم المصمم الجهد من الذروة إلى الذروة لحساب كسب جهد المكبر للسماح بالتشويه،

A_v ≈ (8)/(0.1) = 80 بالديسيبل، A_v = 20 (80) = 38 dB استقر رأي المصمم على أن المحاكاة كانت خطوة أولية جيدة في تصميم المكبر. ومع ذلك، ستكون هناك حاجة إلى بعض التغييرات في قيم المكونات قبل استخدامها في مكبر عملي.

وقفة للتفكير انظر إلى النتائج التي حصل عليها المصمم. ما قيم المكونات التي يمكن للمصمم تغييرها لتحسين جودة خرج المكبر؟ فكر في التأثير المترتب على جعل كل مكون أكبر أو أصغر في ظروف الانحياز. كيف ستؤثر التغييرات في الخرج؟

تلميح انظر إلى النتائج التي حصل عليها المصمم. ما قيم المكونات التي يمكن للمصمم تغييرها لتحسين جودة خرج المكبر؟ توسيع الأفق فكر في التأثير المترتب على جعل كل مكون أكبر أو أصغر في ظروف الانحياز. كيف ستؤثر التغييرات في الخرج؟

نفّذ مصمم دائرة المكبر في الشكل 20.34 محاكاة مسح تيار متناوب لمكبر الباعث المشترك. وأدى هذا لقياس كسب خرج الجهد لمجموعة من ترددات الدخل من 1 هرتز إلى 1 جيجا هرتز. تظهر استجابة التردد للمكبر في الشكل 20.35.

يحتوي المكبر على استجابة مسطحة بين تردد القطع السفلي (الزاوي) وتردد القطع العلوي. النطاق الترددي هو نطاق التردد بين نقطتي القطع.

المصطلحات الرئيسة تردد القطع (الزاوي) - يُسمى أحيانًا نقطة نصف الطاقة. التردد الذي يتم عنده توهين الطاقة بنسبة 50 في المائة. توهين الجهد هو -3 ديسيبل. النطاق الترددي - نطاق التردد بين تردد القطع السفلي والعلوي (الزاوي).

يمكن كتابة النطاق الترددي على النحو الآتي fhc - flc = النطاق الترددي حيث إن fhc و flc ترددات الزاوية العالية والمنخفضة. توجد العديد من التطبيقات للمكبرات. المكبر أعلاه هو مثال لمكبر إشارة صغير. يمكن أن يوفر التصميم إشارة مكبرة خطية مع كسب الطاقة. قد يحتوي على طاقة كافية لتشغيل مكبر صغير، ولكنه لن يكون مناسبًا لتوفير إشارة الخرج لنظام مخاطبة الجمهور أو نظام صوت المسرح.

هناك نوعان أساسيان من ترانستور الأثر الحقلي ⁦(FET)⁩:

• ترانستور الأثر الحقلي الوصلي ⁦(JFET)⁩
• ترانستور الأثر الحقلي أشباه الموصلات بأكسيد المعادن ⁦(MOSFET)⁩

يعتمد كلا نوعي ترانستور الأثر الحقلي على استخدام حقل كهربائي للتحكم في التيار المتدفق عبر قناة مشوبة (قد تكون من النوع ⁦n⁩ أو ⁦p⁩). أحد الاختلافات بين الترانستور الوصلي ثنائي القطب وترانستور الأثر الحقلي هو

• يتم التحكم في الترانستور الوصلي ثنائي القطب بالتيار
• يتم التحكم في ترانستور الأثر الحقلي بالجهد

الشكل 20.36 رمز دائرة ترانستور أثر حقلي ذي قناة ⁦n⁩. الشكل 20.37 بنية ترانستور أثر حقلي ذي قناة ⁦n⁩. الشكل 20.38 محاكاة لمكبر مصدر مشترك ترانستور أثر حقلي وصلي. لاحظ التشابه مع مكبر الباعث المشترك.

ترانستور الأثر الحقلي ⁦(FET) -⁩ جهاز شبه موصل ثلاثي الأطراف. تسمى الأطراف الثلاثة البوابة والمصدر والتفريغ. يتدفق التيار عبر قناة من النوع ⁦p⁩ أو ⁦n⁩ بين التفريغ والمصدر الذي يتحكم فيه الحقل الكهربائي على البوابة.

الشكل 20.38 مكبر ترانستور أثر حقلي ذي مصدر مشترك. تبلغ سعة جهد الخرج نحو 4 فولت، وسعة جهد الدخل 0.5 فولت، وكسب الجهد هو A_v = (4)/(0.5) = 8 كسب الجهد بالديسيبل هو، A_v = 20 (8) = 18.07dB تبلغ سعة جهد الخرج نحو 4 فولت. يبلغ الحمل 10 كيلو أوم. سعة التيار المتدفق في الجمل هي I = (V)/(R) = (4)/(10 × 103) = 0.4 mA

Irms = Ipeak√(2) = 0.4 × 10-3√(2) = 0.28 mA الطاقة المشتتة في الجمل هي p = I2 × R p = (0.28 × 10-3)2 × 10 × 103 = 0.8 mW يوضح الشكل 20.39 استجابة التردد لمكبر المصدر المشترك لنطاق التردد من 1 هرتز إلى 1 جيجاهرتز.

الشكل 20.39 استجابة تردد مكبر ترانستور أثر حقلي ذي مصدر مشترك.

يمكن تقدير النطاق الترددي من الرسم البياني. يبلغ تردد القطع الأدنى نحو 10 هرتز. يبلغ تردد القطع العلوي نحو 30 ميجاهرتز.

تحتاج مرحلة خرج النظام الصوتي إلى زيادة حمل مكبر الصوت. إذا قمت بفحص نظام صوتي، فسترى أن مكبرات الصوت عادة ما تكون ذات معاوقة 4 أوم أو 8 أوم. يجب أن يكون مكبر القدرة قادرًا على توفير التيارات العالية اللازمة لتشغيل مكبرات الصوت ذات المعاوقة المنخفضة.

ماذا سيحدث إذا كان الحمل في مكبر المصدر المشترك في الشكل 20.34 هو 4 أوم بدلًا من 10 كيلو أوم؟ سيكون التيار المسحوب بالحمل جهد الخرج نفسه، I = (V)/(R) = (4)/(4) = 1 A سيكون جذر متوسط مربع التيار المتدفق في الحمل، Irms = Ipeak√(2) = 1√(2) = 0.707 A ستكون الطاقة المشتتة في الحمل، p = I2 × R p = (0.707)2 × 4 = 2 W هذا أكبر بـ 2500 مرة من الدائرة المحاكاة. من المحتمل أن تؤدي الحرارة الناتجة عن الطاقة المشتتة إلى تدمير الترانستور. وسيتعين على المصمم الحصول على ترانستور قادر على التعامل مع متطلبات الطاقة الأكبر.

تُرتب مكبرات الطاقة في "فئات" مختلفة بحسب طريقة عملها. تُحدد الفئات المختلفة من خلال نسبة دورة واحدة من إشارة الدخل التي يكبرها المكون النشط. الفئات الأكثر استخدامًا للتطبيقات الصوتية هي الفئة ⁦A⁩ و ⁦B⁩ و ⁦AB⁩ و ⁦C⁩.

يعد الباعث المشترك ومكبرات المصدر المشترك أمثلة عن المكبر من الفئة ⁦A⁩. يجري الترانستور 360 درجة كاملة من الإشارة. إذا صُمّم المكبر من الفئة ⁦A⁩ تصميمًا صحيحًا، فإنه يمكن أن يكون خطيًا للغاية، ويوفر كسبًا عاليًا وتشوهًا منخفضًا. هذا يعني أنه يُستخدم في مكبرات الصوت عالي الأداء ⁦(hi-fi)⁩. ومع ذلك، يمكن تقييده بمقدار الحرارة التي يمكن تبديدها. يعمل الترانستور المستخدم في مكبر الصوت من الفئة ⁦A⁩ على سحب التيار باستمرار، حتى عندما تكون إشارة الدخل صفرية. وهذا يجعل الدائرة غير فعالة. تبلغ الكفاءة النموذجية لمكبر من الفئة ⁦A⁩ نحو ثلاثين بالمائة.

يستخدم المكبر من الفئة ⁦B⁩ اثنين من الترانستورات، أحدهما لتكبير الدورة النصفية الموجبة والثاني لتكبير الدورة النصفية السالبة. وتُختار الترانستورات لتكون زوجًا مكملاً، على سبيل المثال زوج ترانستور.

مكبر من الفئة ⁦A -⁩ مكبر طاقة يُوصل فيه العنصر النشط (الترانستور) 360 درجة كاملة من الإشارة. مكبر من الفئة ⁦B -⁩ مكبر طاقة يُوصل فيه كل عنصر نشط (ترانستور) 180 درجة من الإشارة.

و ⁦n-p-n⁩ و ⁦p-n-p⁩، أو زوج ترانستور ⁦FET⁩ لقناة ⁦n⁩ وقناة ⁦p⁩، بخصائص مطابقة. يُطلق على التكوين أحيانًا اسم مكبر "الدفع والسحب". عندما تكون إشارة الدخل صفرية، يتم إيقاف تشغيل كلا الترانستورات. تيار السكون هو صفر. هذا يعني أنه لا حاجة إلى انحياز تيار مستمر. يعتبر المكبر من الفئة ⁦B⁩ أكثر فعالية من المكبر من الفئة ⁦A⁩. يوضح الشكل 20.40 مكبرًا من الفئة ⁦B⁩ باستخدام زوج تكميلي من الترانستورات ثنائية القطب.

الشكل 20.40 مكبر أساسي من الفئة ⁦B⁩ يظهر تشويها متقاطعا. عندما تنظر عن كثب إلى أشكال موجات الجهد في الشكل 20.40، يمكنك أن ترى أن الخرج مشوه حول نقاط التقاطع. ووفق ما رأيناه سابقًا، تحتاج وصلة ⁦p-n⁩ للقاعدة-الباعث إلى فرق جهد من 0.6 فولت إلى 0.7 فولت للسماح بإجراء التوصيل. لا تحتوي الترانستورات على انحياز تيار مستمر. لذلك، يتم إيقاف تشغيل كلا الترانستورات عندما تكون إشارة الدخل صفرية. يتم إيقاف تشغيل ⁦Q1⁩ عندما ينخفض جهد القاعدة-الباعث الخاص به إلى أقل من 0.6 فولت، ولا يتم تشغيل ⁦Q2⁩ حتى يصل جهد القاعدة-الباعث إلى 0.6- فولت. يُعرف هذا النوع من التشويه بالتشويه المتقاطع. وتتمثل إحدى طرق تقليله في توفير انحياز كافٍ للحفاظ على تشغيل كل ترانستور حتى نقطة التقاطع الدقيقة. يماثل الجهد المطلوب جهد الانحياز الأمامي لوصلة ⁦p-n⁩. يوضح الشكل 20.41 كيف يمكن إدخال الدايود في الدائرة لتقليل التشويه المتقاطع.

الشكل 20.41 مكبر من الفئة ⁦AB⁩ مزود بدايود لتقليل التشويه المتقاطع. الوحدة 20 الدوائر الإلكترونية التناظرية

يؤدي انحياز الترانستورات في مكبر الفئة ⁦B⁩ لإزالة التشويه المتقاطع إلى إنتاج مكبر من الفئة ⁦AB⁩. إن استخدام الدايود لتوفير الانحياز له مزايا أكثر من تقليل التشويه المتقاطع. حيث ينطوي الدايود على سلوك مميز مماثل لوصلة القاعدة-الباعث ⁦p-n⁩. سيعمل الدايود بطريقة مشابهة لتغيرات درجة الحرارة. يمكن زيادة مقدار الانحياز في المضاعفات عن طريق إضافة الدايود بالتسلسل.

فئة مكبر الطاقة القياسية الرابعة هي الفئة ⁦C⁩. يكون الترانستور في دائرة الفئة ⁦C⁩ في انحياز لتنفيذ أقل من نصف دورة. وبالتالي، فإن الخرج هو نبضة. يتراوح طول النبض عادة بين 80 درجة و 120 درجة من إشارة الدخل. ونتيجة لذلك، فإن إشارة الخرج ليست نسخة خطية من الدخل. يعني مقدار التشويه أن المكبر من الفئة ⁦C⁩ غير مناسب للاستخدام في دائرة صوتية. تُستخدم المكبرات من الفئة ⁦C⁩ عادةً في تطبيقات الترددات الراديوية ⁦(RF)⁩، على سبيل المثال المثال مذبذب ⁦RF⁩. تظهر الدائرة في الشكل 20.42 مكبرًا من الفئة ⁦C⁩ مع حمل دائرة مضبوط. يُنفذ الجمل باستخدام محث ومكثف. وتُختار قيم المحث والمكثف بحيث يحدث تردد الرنين بتردد إشارة الدخل نفسها.

الشكل 20.42 مكبر من الفئة ⁦C⁩. يوضح الشكل 20.43 استجابة التردد لمكبر الفئة ⁦C⁩ في الشكل 20.42. حيث يُظهر أن الإشارة موهنة عند ترددات أعلى وأقل من تردد يبلغ نحو 400 كيلو هرتز.

مكبر من الفئة ⁦AB -⁩ مكبر طاقة يُوصل فيه كل عنصر نشط (ترانستور) أكثر من 180 درجة من الإشارة لتقليل التشويه المتقاطع. مكبر من الفئة ⁦C -⁩ مكبر طاقة يكون فيه الجهاز النشط (الترانستور) في وضع انحياز للتوصيل لأقل من نصف دورة. وبالتالي، فإن الخرج عبارة عن نبضة تتراوح بين 80 درجة و 120 درجة من إشارة الدخل. نتيجة لذلك، ستكون إشارة الخرج غير خطية.

الشكل 20.43 استجابة التردد لمكبر من الفئة ⁦C⁩. يتم التحكم في التردد من خلال اختيار قيم المحث والمكثف. يحدث تردد الرنين عند X_L = X_C 2π fL = (1)/(2π fC) إعادة ترتيب المعادلة لجعل التردد هو الموضوع، f2 = (1)/((2π)2 LC) f = 12π √(LC) استبدال القيم من الدائرة، f = 12π 220 × 10-6 × 600 × 10-12 f = 438 × 103 = 438 kHz يعطي عرض الذروة وارتفاعها في الشكل 20.43 مقياسًا لجودة انتقائية الدائرة. يعتبر المرشح ذو الذروة الضيقة والعالية أكثر انتقائية من المرشح ذي الذروة العريضة المنخفضة. كلما كانت الذروة أضيق وأعلى، اقترب المرشح أن يكون مثاليًا. كلما اقترب المرشح أن يكون مثاليًا، زاد عامل ⁦Q (⁩الجودة). مقياس قيمة ⁦Q⁩ هو، Q = Centre frequencyBandwidth = (f_c)/(f_2 - f_1)

f_c = 400 kHz, f_1 = 380kHz, f_2 = 420kHz Q = (400 × 103)/(420 × 103 - 380 × 103) = 10