הבדלים בין גרסאות בדף "מעגל RLC"

גרסה מ־12:05, 22 באוקטובר 2014

מעגל $RLC$ מורכב מנגד $R$ , משרן $L$ וקבל $C$ . רכיבים אלו מחוברים בטור או במקביל ספק זרם או מתח. הזרם במעגלי $RLC$ מתואר על ידי משוואה דפרנציאלית מסדר שני, ולכן יש הקוראים למעגלים אלו מעגלים מסדר שני. באלקטרוניקה משתמשים במעגלי $RLC$ כמסננים המעבירים רוחבי פס מסוימים של אותות בגלל תופעת התהודה שבהם וכמנחיתי תדרים לא רצויים. אחד השימושים במעגל $RLC$ הוא בתקשורת רדיו. בניסוי זה נבחן תנודות ותהליכי מעבר של הזרם במעגל, ונכיר את השימוש במעגל כמסנן באמצעות תהודה. ניסוי זה מקביל במהותו לתנודות המכניות במעבדה "תנודות".

תוכן עניינים

1 רקע תיאורטי
- 1.1 תנודות חופשיות
- 1.2 תנודות מאולצות ותהליכי מעבר
2 מערכת הניסוי

רקע תיאורטי

תנודות חופשיות

איור 1-1 מתאר זרם המנודד בתנודות חופשיות בהנחה שהקבל טעון במטען $Q$ . כאשר נסגור את המפסק $S$ במעגל סכום המתחים במסלול סגור צריך להיות שווה לאפס- (לפי כלל המתחים של קירכהוף, Kirchhoff), ולכן נקבל:

עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת לקסינג): IR+U_C+Lֹ{dI \over dt}=0

איור 1 - מעגל RLC: תנודות חופשיות (1) תנודות מאולצות (2)

כאשר $I$ הוא הזרם במעגל, $U_C$ הוא המתח על הקבל, ו- עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת לקסינג): -Lֹ{dI \over dt}=0

הוא המתח הנוצר בסליל ההשראות בשל שינוי הזרם החשמלי דרכו.

נגזור את המשואה ואחרי חישוב הנגזרת נקבל:

${{d^2I} \over dt^2}+{{RdI} \over {Ldt}}+{I \over {LC}}=0$

זוהי משוואה דיפרנציאלית מסדר שני המתארת תנודות דועכות. ופתרונה:

$x(t) = A\exp (-\delta t)\cos ( \Omega t-\phi))$

כאשר $\Omega$ הוא תדר התנודות העצמיות של המערכת השווה ל- $\Omega ^2 = \omega_0 ^2- \delta^2$ , $\omega_0^2 = {1 \over {LC}}$ , ו- $\delta={\R \over 2L}$ הנקרא גורם הריסון.

האמפליטודה A והפאזה $\phi$ תלויים בתנאי התחלה של המערכת.

היחס $Q=\omega_0 {L \over R}={1 \over {\omega_0 RC}}$ נקרא גורם האיכות של המעגל והוא מבטא את היחס בין המתח האפקטיבי בסליל או בקבל למתח האפקטיבי בנגד.

תנודות מאולצות ותהליכי מעבר

כשמופעל מתח חיצוני (איור 1-2), הזרם במעגל הוא סופרפוזיציה של תנודות חופשיות ומאולצות - כשתדירות הכא"מ החיצוני $\omega$ שווה לתדירות העצמית $\omega_0$ , משרעת הזרם גדלה באופן מתמיד עד לערך קבוע. כשהתדירויות הנ"ל שונות זו מזו, תיווצר סופרפוזיציה של תנודות חופשיות ומאולצות שתגרום לפעימות דועכות. תדירות הפעימות היא ההפרש שבין תדירות המתח המאלץ לבין תדירות התנודות העצמיות. הזמן בו מגיעה המשרעת לערך קבוע תלוי בגורם האיכות של המעגל: עם הגדלת גורם האיכות, מתארך זמן דעיכת הפעימות, כי זמן דעיכת התנודות החופשיות גדל.

המשוואה הדיפרנציאלית המבטאת את שינוי הזרם במעגל תנודות מאולצות מבוססת על חוק קירכהוף למעגל סגור:

${{d^2I} \over dt^2}+{{RdI} \over {Ldt}}+{I \over {LC}}=E_0 \cos \omega t$

הפתרון הכללי של המשוואה הזאת הוא סכום של הפתרון הכללי של המשוואה ההומוגנית המתאימה (כאשר הצד הימני שווה לאפס) ופתרון פרטי של המשוואה הכללית הנתונה. הפתרון הכללי של המשוואה ההומוגנית מתאר תנודות חופשיות. הפתרון הפרטי של המשוואה הכללית מכיל תנודות של הזרם במעגל, במצב בו התנודות החופשיות כבר חדלו להתקיים. צורתו של הזרם במעגל זה נתון על ידי : $I=I_0 \cos (\omega t - \phi)$ . כאשר: משרעת הזרם $I_0$ היא: $I_0={E_0 \over {\sqrt {R^2+( \omega L -{1 \over { \omega C}})^2}}}$ .

זווית המופע $\phi$ היא $\tan \phi={ (\omega L - (\omega C)^{-1}) \over R}$ .

מערכת הניסוי

איור 2 מציג את מעגלי המדידה, כאשר איור 2-1 הוא עבור החלק האיכותי של הניסוי ואיור 2-2 הוא עבור החלק הכמותי של הניסוי.

בחלק האיכותי של הניסוי נבחן את תהליכי המעבר של תנודות מאולצות ומרוסנות במעגל- $RLC$ על מסך האוסצילוסקופ. לשם כך נאפנן את המתח החיצוני באות ריבועי בתדירות גבוהה, לכן על הנגד הקטן $R_1$ נוצר באופן מחזורי מתח בתדירות גבוהה. בנוסף ל- $R_1$ מחברים בטור: סליל $L$ , קבל $C$ , נגד משתנה $R$ ונגד קטן $R_2$ . המתח מהמתנד משמש כמקור מתח חיצוני, והמתח הנוצר על הנגד $R_2$ פרופורציוני לזרם במעגל. אם מודדים את המתח על נגדים $R_1$ ו- $R_2$ באמצעות הסקופ, ניתן לקבל במקביל את התלות בזמן של הכא"מ החיצוני מהמתנד ואת הזרם במעגל.

@@ שורה 45: / שורה 45: @@
 זווית המופע <math>\phi</math> היא <math>\tan \phi={ (\omega L - (\omega C)^{-1}) \over R}</math>.
+==מערכת הניסוי==
-את תהליכי המעבר של תנודות מאולצות במעגל-RLC אפשר לראות על מסך האוסצילוסקופ. על המעגל מופעל מתח מאופנן בתדירות גבוהה. עקב כך על הנגד הקטן R1 נוצר באופן מחזורי מתח בתדירות גבוהה (ציור 2). בנוסף ל-R1 מחברים בטור: סליל L, קבל C, נגד משתנה R ונגד קטן R2. המתח מהמתנד משמש כמקור מתח חיצוני. המתח הנוצר על הנגד R2 פרופורציוני לזרם במעגל. הכניסות של ערוצי הסקופ CH1 ו- CH2 מחוברים לנגדים R1 ו- R2. לכן על המסך רואים במקביל בערוץ אחד את התלות בזמן של הכא"מ החיצוני מהמתנד, ובערוץ השני את הזרם במעגל.
+איור 2 מציג את מעגלי המדידה, כאשר איור 2-1 הוא עבור החלק האיכותי של הניסוי ואיור 2-2 הוא עבור החלק הכמותי של הניסוי.
-המשוואה הדיפרנציאלית המבטאת את שינוי הזרם במעגל מבוססת על חוק קירכהוף למעגל סגור:
+בחלק האיכותי של הניסוי נבחן את תהליכי המעבר של תנודות מאולצות ומרוסנות במעגל-<math>RLC</math> על מסך האוסצילוסקופ. לשם כך נאפנן את המתח החיצוני באות ריבועי בתדירות גבוהה, לכן על הנגד הקטן <math>R_1</math> נוצר באופן מחזורי מתח בתדירות גבוהה. בנוסף ל-<math>R_1</math> מחברים בטור: סליל <math>L</math>, קבל <math>C</math>, נגד משתנה <math>R</math> ונגד קטן <math>R_2</math>. המתח מהמתנד משמש כמקור מתח חיצוני, והמתח הנוצר על הנגד <math>R_2</math> פרופורציוני לזרם במעגל.
+אם מודדים את המתח על נגדים <math>R_1</math> ו- <math>R_2</math> באמצעות הסקופ, ניתן לקבל במקביל  את התלות בזמן של הכא"מ החיצוני מהמתנד ואת הזרם במעגל.

הבדלים בין גרסאות בדף "מעגל RLC"

גרסה מ־12:05, 22 באוקטובר 2014

תוכן עניינים

רקע תיאורטי

תנודות חופשיות

תנודות מאולצות ותהליכי מעבר

מערכת הניסוי

תפריט הניווט

כלים אישיים

גרסאות שפה

מרחבי שם

חיפוש

עוד

צפיות

ניווט

כלים