التقويم والتنعيم
| English | العربية |
|---|---|
| diodes/ˈdaɪəʊdz/ | دايودات |
| capacitor/kəˈpæsɪtə/ | مكثف |
| rectification/ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ | التقويم |
| smoothing/ˈsmuːðɪŋ/ | التنعيم |
| ripple/ˈrɪpl/ | تموج |
| forward-biased/ˈfɔːwəd ˈbaɪəst/ | موجه للأمام |
| reverse-biased/rɪˈvɜːs ˈbaɪəst/ | موجه للخلف |
| bridge rectifier/brɪdʒ ˈrektɪfaɪə/ | مقوم الجسر |
داخل شاحن الهاتف
- يأخذ شاحن الهاتف جهد تيار متردد رئيسي يعكس اتجاهه خمسين مرة في الثانية، ويوفر للهاتف تياراً مستقراً $5\ \text{V}$.
- بين هذين العنصرين توجد بالضبط مكونات هذه الدرس: ثنائيات لمنع الانعكاس، ومكثف لتنعيم ما يتبقى.
- التقويم هو تحويل تيار متردد إلى تيار مستمر (في اتجاه واحد). هذا هو التعريف المحدد للاختبار.
- ثم التنعيم يكون باستخدام مكثف عبر الحمل لتقليل تموجات خرج مقوّم.
ما تفعله الثنائية
- الثنائية توصّل فقط عندما تكون مقطّبة أمامياً: أنودها، وهو الطرف المسطح لمثلث الرمز، أكثر إيجابية من كاثودها، وهو الخط العمودي.
- وإلا فهي مقطّبة عكسياً وتعمل كمفتاح مفتوح.
- تعامل معها على أنها مثالية: مقاومة صفر في اتجاه واحد، ومقاومة لانهائية في الاتجاه الآخر.
- التيار التقليدي يتدفق دائماً عبر الثنائية في اتجاه يشير إليه المثلث. كل سؤال "أكمل الدائرة" هو تطبيق هذه القاعدة الواحدة على كل ثنائية على حدة.
الصمام ثنائي يمر التيار:
هذا السلوك أحادي الاتجاه هو ما يسمح للصمامات بتقويم التيار المتردد إلى تيار مستمر.
صل كل مصطلح بالتعريف الذي يضعه المصحح.
التيار المقوم لا يزال متغيراً؛ ما يجعله مستمراً أنه لا يعكس اتجاهه أبداً.
تقويم نصف الموجة
- ثنائية واحدة على التوالي مع الحمل تمرر نصف الموجة الموجب فقط من كل دورة. في النصف السالب تكون مقوّبة عكسياً ولا يمر أي تيار على الإطلاق.
- الخرج عبارة عن نصف موجات موجبة مفصولة بـفراغات صافٍ مسطحة متساوية الطول. الخرج المتوسط $= V_0/\pi \approx 0.32\,V_0$.
- يتم التخلص من نصف المدخلات، والخارج غير منتظم جداً.
تلال، ثم فراغ، ثم تلال
تقويم نصف الموجة يستخدم صمام ثنائي ____.
صمام ثنائي واحد يمر النصف الموجب ويمنع النصف السالب (يترك فجوات).
رسم دائرة نصف الموجة
- المصدر، وصمام ثنائي واحد على التوالي، الحمل، و $V_{\text{OUT}}$ مأخوذة عبر الحمل. يشير المثلث إلى الاتجاه الذي يجب أن يسير فيه تيار الخرج.
- إذا كان مطلوباً مكثف تنعيم، يجب وضعه على التوازي مع الحمل، لا على التوالي. المكثف على التوالي سيمنع التيار المستمر تماماً، وهو عكس الغرض منه.
ثنائية واحدة في السلك، مكثف واحد عبر الحمل
أين يوضع مكثف التنعيم؟
يجب أن يفريغ عبر الحمل بين الذروات، مما يتطلب وضعه على التوازي. على التوالي سيمنع التيار المستمر تماماً، وهو عكس الغرض منه.
تقويم كامل الموجة
- جسر التقويم يستخدم أربع ثنائيات بحيث يسري تيار الحمل في نفس الاتجاه بغض النظر عن أي طرف إدخال يكون موجباً.
- الخرج عبارة عن تتابع مستمر من التلال الموجبة بدون فراغات، بتردد ضعف تردد المدخلات. الخرج المتوسط $= 2V_0/\pi \approx 0.64\,V_0$، ضعف قيمة نصف الموجة.
- يُستخدم كل المدخلات، وما يتبقى أسهل بكثير في تنعيمه.
بدون فراغات، وضِعف التكرار
مسار التقويم والتنعيم
راقب تحول المدخل المتردد إلى خرج مستمر أكثر نعومة.
كم عدد الصمامات الثنائية في قوس (تقويم كامل الموجة)؟
أربعة صمامات، مرتبة بحيث يتدفق تيار الحمل دائماً في نفس الاتجاه بغض النظر عن الطرف الموجب للمدخل.
خرج تقويم كامل الموجة يتكرر بضعف تردد مدخل التيار المتردد.
تصبح كلا النصفي قمم موجبة، لذا تموج الخرج بضعف تردد المدخل.
مثال محلول: شرح الجسر
- اشرح كيف تنتج الثنائيات الأربع تقويماً كاملاً للموجة. هذا سؤال معياري رباعي النقاط، ويُعطى نقاطاً على تسمية الثنائيات.
- عندما يكون الطرف P موجباً: يخرج التيار من P، ويمر عبر الثنائية التي تشير بعيداً عن P نحو أعلى الحمل، ويتدفق أسفل عبر الحمل، ويعود إلى Q عبر الثنائية التي تشير نحو Q. الثنائيتان الأخريان مقوّبتان عكسياً ولا تحملان شيئاً.
- عندما يكون Q موجباً: الثنائي الآخر يوصّل، لكنهما مرتبان بحيث يدخل التيار إلى الحمل من الأعلى أيضاً.
- لذا فإن تيار الحمل يكون في نفس الاتجاه في نصفي الدورتين. حدد أي ثنائي يوصّل في كل نصف دورة وأي طرف من أطراف الحمل يكون موجباً.
ثنائيان في كل مرة، اتجاه واحد عبر الحمل
رتب شرح نصف دورة واحدة في قوس التقويم.
الإجابة كاملة الأرباع تعتمد على تسمية الزوج الموصل في كل نصف دورة، وليس على قول أن التيار "يسير في نفس الاتجاه"
إكمال الجسر
- عند إعطاء جسر تفتقر فيه بعض الثنائيات، استخدم قاعدة واحدة: كلتا الثنائيتين المتصلتين بالطرف الموجب للخرج تشيران نحوه، وكلتا الثنائيتين المتصلتين بالطرف السالب للخرج تشيران بعيداً عنه.
- ثنائية واحدة مقلوبة إما أن تُشَبّه المصدر في نصف دورة أو لا تمرر شيئاً على الإطلاق.
- تحقق من إجابتك بتتبع نصف دورة كاملة حول الحلقة قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
في مقوم الجسر، كلا الثنائيين المتصلين بالقطب الموجب للمخرج يتجهان نحوه.
وكلاهما المتصل بالقطب السالب يتجه بعيداً عنه. إذا عكس أحد الثنائيين اتجاهه، إما أن يسبّب قصر الدائرة في المصدر خلال نصف دورة أو لا يمرر شيئاً.
التنعيم باستخدام مكثف
- ضع مكثفاً $C$ على التوازي مع الحمل $R$. في الجزء الصاعد من كل نبضة، يشحن حتى يصل بالقرب من القيمة القصوى.
- على الجزء الهابط، وعبر أي فجوة، تكون الصمامات الثنائية مقطوبة عكسياً، لذلك يتفري المكثف عبر الحمل ويبقي التيار مستمراً. هذا التناقص له ثابت زمن $RC$.
- عند القمة التالية، يعيد الشحن مرة أخرى. يصبح الجهد الآن قريباً من القيمة القصوى مع انخفاضات صغيرة، وحجم هذه الانخفاضات هو التذبذب (Ripple).
لا ينخفض أبداً إلى الصفر، ولا يرتفع أبداً فوق القيمة القصوى
لتنعيم مخرج المقوم، قم بتوصيل مكثف:
على التوازي، يشحن حتى القيمة القصوى ثم يفرغ عبر الحمل بين القمم، مما يحافظ على الجهد مرتفعاً.
مثال محلول: ما مقدار التموج؟
- مستقطب نصف موجي مغذى بمصدر $50\ \text{Hz}$ يحتوي على مكثف $470\ \mu\text{F}$ عبر حمل $1.2\ \text{k}\Omega$. قدر الانخفاض النسبي بين القمم، واذكر ما الذي ستغيره الجسر.
- النصف الموجي يعطي قمة واحدة لكل دورة، لذا فإن القمم تبعد عن بعضها $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$.
- الثابت الزمني: $RC = (1.2\times10^3)(470\times10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$.
- التفريغ: $V = V_0 e^{-t/RC} = V_0 e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_0$، بانخفاض يقارب $3.5\%$.
- مع وجود جسر، تكون القمم تبعد عن بعضها $10\ \text{ms}$ فقط، لذا ينخفض الانخفاض للنصف ليصبح تقريباً $1.8\%$. وبما أن $t \ll RC$، فإن التذبذب يكون تقريباً $V_0 t/(RC)$: متناسباً طردياً مع الوقت بين القمم، وعكسياً مع كل من $R$ و$C$.
قالب موجات كامل مزود بمصدر تردد 50 هرتز يغذي حملاً مقاومته 1.2 كيلو-أوم وبمكثف سعة 470 ميكروفاراد. كم عدد الملي ثانية التي تفصل بين قمم الخرج؟
يعمل المخرج لمقوم الموجة الكاملة بضعف تردد الدخل، أي 100 قمة في الثانية و10 ملي ثانية بينها. أما المقوم أحادي الموجة فيعطي 20 ملي ثانية وما يقارب ضعف التموج.
متوسط مخرج المقوم أحادي الموجة هو $V_0$ مقسوماً على ____.
يقدم المقوم أحادي الموجة 0.32 V0؛ بينما يستخدم الجسر كلا النصفين ويضاعفه ليصبح 2V0/pi = 0.64 V0. كما يضاعف الجسر تردد التموج، ولهذا السبب ينعم المكثف نفسه بشكل أفضل معه.
ما الذي يقلل التذبذب، وكيفية رسمه
- قيمة $C$ أكبر: شحنة مخزنة أكثر، مما يعني انخفاضاً أصغر بين القمم.
- قيمة $R$ أكبر: تيار حمل أقل، مما يعني تفريغاً أبطأ. لاحظ أن هذا هو مقاومة الحمل، لذا فإن الحمل الأثقل (صغير $R$) يجعل التذبذب أسوأ.
- تصحيح كامل بدلاً من نصف موجي: وقت أقل للتفريغ بين القمم.
- لرسمه: ارسم النتوءات بخط خفيف، ثم منحنى يلمس كل قمة، وينخفض بلطف، ويتحول بحدة للأعلى حيث يلتقي النتوء التالي به. لا يصل أبداً إلى الصفر ولا يرتفع فوق القمة.
قيمة $RC$ أكبر تمس خط القيمة القصوى
حدد جميع التغييرات التي تقلل التموج.
قيمة أكبر لـ $RC$ (أو وقت أقل بين القمم) تجعل المكثف يفرغ أقل بين القمم — مما يقلل التموج. والمكثف الأصغر يفعل العكس.
علامات ضائعة
- مكثف التنعيم يوضع عبر الحمل، على التوازي. على التوالي يحجب التيار المستمر بالكامل.
- في شرح الجسر، حدد أي زوج من الثنائيات يمرر التيار في كل نصف دورة. قول "يتدفق التيار في نفس الاتجاه" يُعطي علامة واحدة فقط من أربعة.
- مخرج التصحيح الكامل يتكرر بـ ضعف تردد المدخل، وليس بنفس التردد.
- مقاومة حمل أصغر تعني تذبذباً أكبر، لأن المكثف يفرغ بشكل أسرع.
- النصف الموجي يحتوي على فواصل صفرية مسطحة؛ التصحيح الكامل لا يحتوي عليها. ارسم الفواصل بنفس عرض النتوءات.
لقد فهمت الأمر
- التصحيح (Rectification) يحول التيار المتردد إلى تيار في اتجاه واحد؛ الثنائي يمرر التيار فقط عندما يكون انحيازاً أمامياً، في اتجاه يشير إليه مثلثه.
- النصف موجي يستخدم ثنائية واحدة ويمرر نصف كل دورة، ومتوسط $V_0/\pi$؛ بينما الجسر المكون من أربع ثنائيات يمرر كلا النصفين، ومتوسط $2V_0/\pi$، بتردد ضعف التردد الأصلي.
- مكثف على التوازي مع الحمل ينعم المخرج عن طريق التفريغ عبر الحمل بين القمم، بثابت زمن $RC$.
- يتقلص التذبذب مع زيادة $C$، وزيادة مقاومة الحمل، والتصحيح الكامل بدلاً من تصحيح النصف موجي.