أي المكثفات تتعامل مع التردد الركن

تلعب المكثفات دورًا محوريًا في الدوائر الإلكترونية التي تؤثر على المعلمات المختلفة بما في ذلك تردد الزاوية وهو أمر بالغ الأهمية في تصميم المرشح. تهدف هذه المقالة إلى استكشاف تعقيدات المكثفات فيما يتعلق بتردد الزاوية مع التركيز على أنواعها المناسبة للفصل، وفهم طرق تردد زاوية المرشح للعثور على تردد الزاوية وتأثير أنواع المكثفات على منطقة التردد المنخفض.

I. مقدمة إلى المكثفات وتردد الزاوية

يتكون المكثف عندما يتم فصل موصلين معدنيين بواسطة مادة عازلة.

يظهر الرسم التخطيطي لمكثف اللوحة المتوازية في الشكل (أ).

تسمى الصفائح المعدنية المفصولة بمادة عازلة بالأقطاب الكهربائية، والتي يمكن توصيلها بالدائرة عبر الأسلاك. تسمى المادة العازلة التي تفصل بين الألواح بمادة عازلة. يظهر الشكل (ب) الرمز الشائع الاستخدام للمكثفات في الدوائر.

عند توصيل أقطاب المكثف بمصدر طاقة، بسبب قوة المجال الكهربائي، ستظهر شحنات موجبة على القطب المتصل بالطرف الموجب لمصدر الطاقة، وستظهر شحنات سالبة على القطب المتصل بالطرف السالب، كما مبين في الشكل (ج).

كمية الشحنة على كلا القطبين متساوية، مما يؤدي إلى إنشاء مجال كهربائي في عازل الألواح، وبالتالي تخزين كمية معينة من طاقة المجال الكهربائي في المكثف.

ما نوع المكثف الذي يجب استخدامه للفصل؟

تعريف والغرض من فصل المكثفات:

تخدم مكثفات الفصل بشكل أساسي غرضين:

1. قم بإزالة تداخل الإشارة عالية التردد.

2. تخزين الطاقة (تقوم المكثفات القريبة في الرقائق أيضًا بدور تخزين الطاقة، وهو دور ثانوي).

عندما تعمل الأجهزة عالية التردد، يكون تيارها متقطعا وعلى ترددات عالية. حتى لو كانت المسافة بين VCC الخاص بالجهاز ومصدر الطاقة الرئيسي قصيرة، فإن الممانعة \( Z = i \cdot wL + R \) يمكن أن تتأثر بشكل كبير بتحريض الخط، مما يتسبب في عدم استقبال الجهاز للتيار الذي يمر به يحتاج على وجه السرعة.

يمكن أن تعوض مكثفات الفصل هذا النقص، وهذا هو السبب في أن العديد من لوحات الدوائر تضع مكثفات صغيرة بالقرب من أطراف VCC للأجهزة عالية التردد (عادةً، يتم توصيل مكثف الفصل بالتوازي عند طرف VCC لتأريض مكون التيار المتردد).

أنواع المكثفات الأنسب لتطبيقات الفصل:

- مكثفات التنتالوم 4.7μF فعالة في تصفية الضوضاء ذات التردد المنخفض.

- 0.1μF، المكثفات الخزفية 0603 أكثر فعالية من مكثفات التنتالوم في تصفية الضوضاء في نطاق 1-50 ميجا هرتز.

- 0.001μF، المكثفات الخزفية 0402 فعالة في تصفية الضوضاء عالية التردد فوق 50 ميجا هرتز.

يمكن تحديد نطاق تردد الضوضاء المحدد من خلال تحليل الدائرة (تردد الساعة) والقياسات، والتي ستحدد نوع وحزمة المكثف المستخدم للفصل. في معظم الحالات، يكون استخدام مكثف سيراميك 0.1μF بالاشتراك مع مكثف التنتالوم كافيًا لتلبية متطلبات النظام لفصل ضوضاء الطاقة.

المكثفات الإلكتروليتية: متى يتم استخدامها لفصل التردد المنخفض:

عادةً ما يتطلب فصل الضوضاء منخفضة التردد مكثفات إلكتروليتية (تتراوح عادة من 1μF إلى 100μF) لتكون بمثابة خزان شحن للتيارات العابرة منخفضة التردد.

إن توصيل المكثفات الخزفية ذات الحث المنخفض والمثبتة على السطح (عادةً 0.01μF إلى 0.1μF) مباشرةً بأطراف طاقة IC يمكن أن يؤدي إلى الحد الأقصى من ضوضاء الطاقة عالية التردد. يجب توصيل جميع مكثفات الفصل مباشرة بسطح أرضي منخفض الحث حتى تكون فعالة. يتطلب هذا الاتصال آثارًا قصيرة أو طرقًا لتقليل محاثة السلسلة الإضافية.

توفر معظم أوراق بيانات IC دوائر فصل الطاقة الموصى بها في قسم التطبيقات، ويجب على المستخدمين دائمًا اتباع هذه التوصيات لضمان التشغيل السليم للجهاز.

يمكن أيضًا استخدام حبات الفريت (السيراميك العازل المصنوع من الأكاسيد أو مركبات أخرى من النيكل والزنك والمنغنيز) لفصل مرشحات الطاقة. تعتبر الفرّيتات حثية عند الترددات المنخفضة (

إن حبات الفريت ليست ضرورية دائمًا ولكنها يمكن أن تعزز عزل الضوضاء عالية التردد وفصلها، مما يوفر عادةً مزايا. من المهم التأكد من عدم تشبع حبات الفريت أبدًا، خاصة عندما تقوم مكبرات الصوت التشغيلية بقيادة تيارات خرج عالية.

عندما تتشبع الفريت، فإنها تصبح غير خطية وتفقد خصائص الترشيح الخاصة بها. قد تصبح بعض الفريت غير خطية قبل التشبع الكامل. لذلك، إذا كانت مرحلة الطاقة تعمل بالقرب من منطقة التشبع هذه، فيجب فحص الفريت أثناء وضع النماذج الأولية.

العوامل المؤثرة على اختيار فصل المكثفات:

نظرًا لخصائص تردد المكثفات وتخطيط الجهاز على PCB، يتأثر أيضًا تأثير قمع الضوضاء. تظهر أدناه الدائرة المكافئة للمعلمة الموزعة للحالة غير المثالية للمكثفات:

- C يمثل السعة الاسمية.

- RS هي المقاومة المتسلسلة المكافئة (ESR).

- يمثل L محاثة السلسلة المكافئة (ESL).

- يمثل RP مقاومة العزل وتيار التسرب، والتي يمكن تجاهلها في تطبيقات الفصل.

- يمثل RDA وCDA معلمات فقدان امتصاص العزل الكهربائي (DA)، والتي يمكن أيضًا تجاهلها في تطبيقات الفصل.

باختصار، المعلمات الأساسية التي تؤثر على مكثف الفصل هي C وESR وESL.

ما هو تردد ركن التصفية؟

شرح تردد زاوية الفلتر وأهميته في تصميم الفلتر:

الفلتر عبارة عن دائرة تسمح لترددات معينة بالمرور بينما تحجب ترددات أخرى. هناك أربعة أنواع رئيسية من المرشحات: مرشحات التردد المنخفض، ومرشحات التمرير العالي، ومرشحات تمرير النطاق، ومرشحات إيقاف النطاق (أو الشق).

- تسمح مرشحات الترددات المنخفضة فقط بمرور المكونات ذات التردد المنخفض لإشارة الإدخال.

- تسمح مرشحات التمرير العالي فقط بمرور المكونات عالية التردد للإشارة.

- تسمح مرشحات تمرير النطاق فقط بمرور نطاق ضيق من الترددات حول تردد رنين المرشح.

- تسمح المرشحات ذات الحز بالمرور لجميع الترددات باستثناء النطاق الضيق المتمركز حول تردد رنين المرشح.

تُستخدم المرشحات لمعالجة الإشارات للحصول على جودة إشارة أفضل. يمكن للمرشحات منع الضوضاء في الإشارات، وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وقمع التذبذبات في الإشارات، وتحسين الاستقرار، وقمع التداخل، وتحسين موثوقية الإشارة. يمكن أن يساعدك فهم دور المرشحات في الاستفادة بشكل أفضل من الإلكترونيات التناظرية لتحسين جودة الإشارة.

تعمل المرشحات كأجهزة انتقائية للتردد، مما يسمح لمكونات تردد محددة للإشارة بالمرور مع تخفيف المكونات الأخرى بشكل كبير. وباستخدام خاصية انتقائية التردد هذه، يمكن تصفية ضوضاء التداخل، أو يمكن إجراء تحليل طيفي.

يتمثل دور المرشح في السماح للإشارات المفيدة بالمرور بأقل قدر ممكن من التوهين مع عكس الإشارات غير المرغوب فيها قدر الإمكان. تحتوي المرشحات عادةً على منفذين: إشارة دخل وإشارة خرج، باستخدام هذه الخاصية لاختيار مجموعة موجات مربعة أو موجة ضوضاء مركبة تمر عبر المرشح للحصول على موجة جيبية بتردد محدد.

وتتمثل وظيفة المرشح في السماح لإشارات ترددات معينة بالمرور بسلاسة مع قمع إشارات الترددات الأخرى بشكل كبير. في الأساس، إنها دائرة انتقائية للتردد.

في المرشحات، يسمى نطاق التردد الذي يمكن أن تمر عبره الإشارات بنطاق المرور، في حين يسمى نطاق التردد الذي يتم فيه توهين الإشارات بشكل كبير أو إخمادها بالكامل بنطاق التوقف. ويسمى التردد الحدودي بين نطاق المرور ونطاق التوقف بتردد القطع.

العلاقة بين المكثفات والتردد الزاوي للمرشحات:

يتم توصيل مكثفات المرشح بالتوازي عند خرج دائرة الطاقة المصححة لتقليل عامل تموج التيار المتردد وتسهيل إخراج التيار المستمر. في الدوائر الإلكترونية التي تحول التيار المتردد إلى تيار مستمر، لا تعمل مكثفات المرشح على تثبيت خرج التيار المستمر فحسب، بل تقلل أيضًا من تأثير التموج المتناوب على الدائرة الإلكترونية، وتمتص تقلبات التيار المتولدة أثناء تشغيل الدائرة الإلكترونية والتداخل الذي يحدث من خلال مصدر طاقة التيار المتردد، وبالتالي استقرار أداء الدائرة الإلكترونية.

كيفية العثور على تردد الزاوية؟

الصيغ الرياضية لحساب تردد الزاوية:

السرعة الزاوية \( \omega \) في الصيغة \( e = E_m \sin \omega t \) يشار إليها غالبًا بالتردد الزاوي أو السرعة الزاوية. وهو يمثل الزاوية الكهربائية التي يتغير من خلالها التيار المتردد في الثانية، أي \( \omega = \alpha/t \). هنا، يتم التعبير عن الزاوية الكهربائية عادةً بالراديان، لذا فإن وحدة \( \omega \) هي راديان/ثانية.

خلال فترة واحدة \(T\) تكون الزاوية التي يدورها ملف المولد \(2\pi \) (راديان)، وبالتالي تكون العلاقة:

\[ \omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f \]

دليل خطوة بخطوة لتحديد تردد الزاوية في السيناريوهات العملية:

طريقة حساب التردد هي كما يلي:

1. المفهوم الأساسي: في المستوى المركب، يمكن تمثيل الزاوية بالزاوية الزاوية أو زاوية القدر. ضمن النطاق من 0 إلى 2π، تكون الزوايا الزاوية والمقدارية متماثلة. في الهندسة الكهربائية، غالبًا ما تستخدم زاوية الحجم لتمثيل التردد الزاوي.

2. العلاقة: العلاقة بين التردد الزاوي \( \omega \) وزاوية القدر \( \theta \) هي: تساوي \(d\theta/dt \)، أي أن التردد الزاوي هو معدل تغير زاوية القدر مع الوقت. عندما يزداد تردد موجة جيبية أو جيب التمام، فإن الزاوية (أو الطور) المقابلة تزداد أيضًا وتتغير بشكل أسرع.

3. الزاوية الأمامية القصوى: إذا كان لدينا موجة جيبية يتجه طورها بزاوية معينة، فإن هذه الزاوية تسمى الزاوية الأمامية. تتوافق الزاوية الأمامية القصوى مع الحد الأقصى للتردد أو التردد الزاوي.

4. طريقة الحساب: للعثور على التردد المقابل للزاوية الأمامية القصوى، نحتاج أولاً إلى معرفة موضع هذه الزاوية في المستوى المركب. ثم استخدم العلاقة أعلاه لحساب التردد الزاوي المقابل.

5. الاعتبارات: في التطبيقات العملية