Sirkuit osilasi adalah perangkat yang dirancang untuk menghasilkan (membuat) osilasi elektromagnetik. Dari awal hingga hari ini, telah digunakan di banyak bidang sains dan teknologi: dari kehidupan sehari-hari hingga pabrik besar yang memproduksi berbagai macam produk.
Terbuat dari apa?
Rangkaian osilasi terdiri dari koil dan kapasitor. Selain itu, mungkin juga mengandung resistor (elemen dengan resistansi variabel). Induktor (atau solenoid, seperti yang kadang-kadang disebut) adalah batang yang dililitkan beberapa lapisan belitan, yang biasanya berupa kawat tembaga. Elemen inilah yang menciptakan osilasi di sirkuit osilasi. Batang di tengah sering disebut choke atau inti, dan kumparan kadang-kadang disebut solenoid.
Kumparan rangkaian osilasi hanya berosilasi bila ada muatan yang tersimpan. Ketika arus melewatinya, ia mengumpulkan muatan, yang kemudian dilepaskan ke rangkaian jika tegangan turun.
Kabel kumparan biasanya memiliki hambatan yang sangat kecil, yang selalu konstan. Pada rangkaian rangkaian osilasi, perubahan tegangan dan arus sangat sering terjadi. Perubahan ini tunduk pada hukum matematika tertentu:
-
U=U0cos(w(t-t0), di mana
U adalah tegangan arus titik waktu t, U0 - tegangan pada waktu t0, w - frekuensi osilasi elektromagnetik.
Komponen integral lain dari rangkaian ini adalah kapasitor listrik. Ini adalah elemen yang terdiri dari dua pelat, yang dipisahkan oleh dielektrik. Dalam hal ini, ketebalan lapisan antara pelat kurang dari ukurannya. Desain ini memungkinkan Anda untuk mengakumulasi muatan listrik pada dielektrik, yang kemudian dapat ditransfer ke sirkuit.
Perbedaan antara kapasitor dan baterai adalah bahwa tidak ada transformasi zat di bawah aksi arus listrik, tetapi akumulasi muatan langsung dalam medan listrik. Jadi, dengan bantuan kapasitor, adalah mungkin untuk mengumpulkan muatan yang cukup besar, yang dapat diberikan sekaligus. Dalam hal ini, kekuatan arus dalam rangkaian meningkat pesat.
Juga, rangkaian osilasi terdiri dari satu elemen lagi: resistor. Elemen ini memiliki resistansi dan dirancang untuk mengontrol arus dan tegangan dalam rangkaian. Jika resistansi resistor dinaikkan pada tegangan konstan, maka kekuatan arus akan berkurang sesuai dengan hukumOma:
-
I=U/R, di mana
I arus, U tegangan, R hambatan.
Induktor
Mari kita lihat lebih dekat semua seluk-beluk induktor dan lebih memahami fungsinya dalam rangkaian osilasi. Seperti yang telah kami katakan, resistansi elemen ini cenderung nol. Dengan demikian, ketika terhubung ke rangkaian DC, akan terjadi korsleting. Namun, jika Anda menghubungkan koil ke sirkuit AC, itu berfungsi dengan baik. Hal ini memungkinkan Anda untuk menyimpulkan bahwa elemen menawarkan resistensi terhadap arus bolak-balik.
Tetapi mengapa ini terjadi dan bagaimana hambatan muncul dengan arus bolak-balik? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu beralih ke fenomena seperti induksi diri. Ketika arus melewati kumparan, gaya gerak listrik (EMF) muncul di dalamnya, yang menciptakan hambatan untuk mengubah arus. Besarnya gaya ini tergantung pada dua faktor: induktansi kumparan dan turunan dari kekuatan arus terhadap waktu. Secara matematis, ketergantungan ini dinyatakan melalui persamaan:
-
E=-LI'(t), dimana
E adalah nilai EMF, L adalah nilai induktansi kumparan (untuk setiap kumparan berbeda dan tergantung pada jumlah gulungan belitan dan ketebalannya), I'(t) - turunan dari kekuatan arus terhadap waktu (laju perubahan kekuatan arus).
Kekuatan arus searah tidak berubah seiring waktu, jadi tidak ada hambatan saat terkena.
Tetapi dengan arus bolak-balik, semua parameternya terus berubah sesuai dengan hukum sinusoidal atau kosinus,akibatnya, EMF muncul yang mencegah perubahan ini. Resistansi semacam itu disebut induktif dan dihitung dengan rumus:
- XL =wL
Arus dalam solenoida meningkat dan menurun secara linier sesuai dengan berbagai hukum. Ini berarti bahwa jika Anda menghentikan suplai arus ke koil, itu akan terus memberi muatan ke rangkaian untuk beberapa waktu. Dan jika pada saat yang sama suplai arus tiba-tiba terputus, maka kejutan akan terjadi karena fakta bahwa muatan akan mencoba didistribusikan dan keluar dari koil. Ini adalah masalah serius dalam produksi industri. Efek seperti itu (walaupun tidak sepenuhnya terkait dengan rangkaian osilasi) dapat diamati, misalnya, saat mencabut steker dari soket. Pada saat yang sama, percikan melompat, yang pada skala seperti itu tidak dapat membahayakan seseorang. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa medan magnet tidak segera hilang, tetapi secara bertahap menghilang, menginduksi arus pada konduktor lain. Pada skala industri, kekuatan arus berkali-kali lebih besar dari 220 volt yang biasa kita gunakan, jadi ketika sirkuit terputus dalam produksi, percikan kekuatan seperti itu dapat terjadi yang menyebabkan banyak kerugian baik bagi pabrik maupun orangnya.
Kumparan adalah dasar dari rangkaian osilasi. Induktansi solenoida secara seri bertambah. Selanjutnya, kita akan melihat lebih dekat semua seluk-beluk struktur elemen ini.
Apa itu induktansi?
Induktansi kumparan dari rangkaian osilasi adalah indikator individual yang secara numerik sama dengan gaya gerak listrik (dalam volt) yang terjadi pada rangkaian ketikaperubahan arus sebesar 1 A dalam 1 sekon. Jika solenoida dihubungkan ke rangkaian DC, maka induktansinya menggambarkan energi medan magnet yang diciptakan oleh arus ini sesuai dengan rumus:
-
W=(LI2)/2, di mana
W adalah energi medan magnet.
Faktor induktansi tergantung pada banyak faktor: pada geometri solenoida, pada karakteristik magnetik inti dan pada jumlah gulungan kawat. Sifat lain dari indikator ini adalah selalu positif, karena variabel yang bergantung tidak boleh negatif.
Induktansi juga dapat didefinisikan sebagai sifat konduktor pembawa arus untuk menyimpan energi dalam medan magnet. Itu diukur dalam Henry (dinamai setelah ilmuwan Amerika Joseph Henry).
Selain solenoid, rangkaian osilasi terdiri dari kapasitor, yang akan dibahas nanti.
Kapasitor Listrik
Kapasitansi rangkaian osilasi ditentukan oleh kapasitansi kapasitor listrik. Tentang penampilannya tertulis di atas. Sekarang mari kita analisa fisika dari proses-proses yang terjadi di dalamnya.
Karena pelat kapasitor terbuat dari konduktor, arus listrik dapat mengalir melaluinya. Namun, ada penghalang di antara kedua pelat: dielektrik (bisa berupa udara, kayu, atau bahan lain dengan hambatan tinggi. Karena fakta bahwa muatan tidak dapat berpindah dari satu ujung kabel ke ujung lainnya, muatan tersebut terakumulasi di ujung kabel. pelat kapasitor Hal ini meningkatkan kekuatan medan magnet dan listrik di sekitarnya.listrik yang terkumpul di pelat mulai ditransfer ke sirkuit.
Setiap kapasitor memiliki peringkat tegangan yang optimal untuk pengoperasiannya. Jika elemen ini dioperasikan untuk waktu yang lama pada tegangan di atas tegangan pengenal, masa pakainya berkurang secara signifikan. Kapasitor rangkaian osilasi terus-menerus dipengaruhi oleh arus, dan oleh karena itu, saat memilihnya, Anda harus sangat berhati-hati.
Selain kapasitor biasa yang dibahas, ada juga ionistor. Ini adalah elemen yang lebih kompleks: dapat digambarkan sebagai persilangan antara baterai dan kapasitor. Sebagai aturan, zat organik berfungsi sebagai dielektrik dalam ionistor, di antaranya terdapat elektrolit. Bersama-sama mereka menciptakan lapisan listrik ganda, yang memungkinkan Anda untuk mengakumulasi dalam desain ini energi berkali-kali lebih banyak daripada di kapasitor tradisional.
Berapa kapasitansi kapasitor?
Kapasitas kapasitor adalah rasio muatan kapasitor dengan tegangan di mana ia berada. Anda dapat menghitung nilai ini dengan sangat sederhana menggunakan rumus matematika:
-
C=(e0S)/d, di mana
e0 adalah permitivitas bahan dielektrik (nilai tabel), S - luas pelat kapasitor, d - jarak antar pelat.
Ketergantungan kapasitansi kapasitor pada jarak antara pelat dijelaskan oleh fenomena induksi elektrostatik: semakin kecil jarak antara pelat, semakin kuat mereka mempengaruhi satu sama lain (menurut hukum Coulomb), semakin semakin besar muatan pelat dan semakin rendah tegangan. Dan saat tegangan berkurangnilai kapasitansi meningkat, karena itu juga dapat dijelaskan dengan rumus berikut:
-
C=q/U, di mana
q adalah muatan dalam coulomb.
Ada baiknya berbicara tentang satuan kuantitas ini. Kapasitansi diukur dalam farad. 1 farad adalah nilai yang cukup besar sehingga kapasitor yang ada (tetapi bukan ionistor) memiliki kapasitansi yang diukur dalam picofarad (satu triliun farad).
Resistor
Arus dalam rangkaian osilasi juga bergantung pada resistansi rangkaian. Dan selain dua elemen yang dijelaskan yang membentuk rangkaian osilasi (kumparan, kapasitor), ada juga yang ketiga - resistor. Dia bertanggung jawab untuk menciptakan perlawanan. Resistor berbeda dari elemen lain karena memiliki resistansi besar, yang dapat diubah dalam beberapa model. Dalam rangkaian osilasi, ia melakukan fungsi pengatur daya medan magnet. Anda dapat menghubungkan beberapa resistor secara seri atau paralel, sehingga meningkatkan resistansi rangkaian.
Hambatan elemen ini juga tergantung pada suhu, jadi Anda harus berhati-hati dengan operasinya di sirkuit, karena memanas saat arus lewat.
Resistensi resistor diukur dalam Ohm, dan nilainya dapat dihitung menggunakan rumus:
-
R=(pl)/S, di mana
p adalah resistivitas bahan resistor (diukur dalam (Ohmmm2)/m);
l - panjang resistor (dalam meter);
S - luas penampang (dalam milimeter persegi).
Bagaimana menautkan parameter jalur?
Sekarang kita mendekati fisikapengoperasian rangkaian osilasi. Seiring waktu, muatan pada pelat kapasitor berubah sesuai dengan persamaan diferensial orde kedua.
Jika Anda memecahkan persamaan ini, beberapa rumus menarik mengikuti darinya, yang menjelaskan proses yang terjadi di sirkuit. Misalnya, frekuensi siklik dapat dinyatakan dalam kapasitansi dan induktansi.
Namun, rumus paling sederhana yang memungkinkan Anda menghitung banyak besaran yang tidak diketahui adalah rumus Thomson (dinamai setelah fisikawan Inggris William Thomson, yang menurunkannya pada tahun 1853):
-
T=2p(LC)1/2.
T - periode osilasi elektromagnetik, L dan C - masing-masing, induktansi kumparan dari rangkaian osilasi dan kapasitansi elemen rangkaian, p - nomor pi.
faktor Q
Ada nilai penting lain yang menjadi ciri pengoperasian sirkuit - faktor kualitas. Untuk memahami apa itu, seseorang harus beralih ke proses seperti resonansi. Ini adalah fenomena di mana amplitudo menjadi maksimum dengan nilai konstan gaya yang mendukung osilasi ini. Resonansi dapat dijelaskan dengan contoh sederhana: jika Anda mulai mendorong ayunan ke ketukan frekuensinya, maka ayunan itu akan berakselerasi, dan "amplitudo"-nya akan meningkat. Dan jika Anda mendorong keluar dari waktu, mereka akan melambat. Pada resonansi, banyak energi sering hilang. Untuk dapat menghitung besarnya kerugian, mereka datang dengan parameter seperti faktor kualitas. Ini adalah rasio yang sama dengan rasioenergi dalam sistem dengan kerugian yang terjadi pada rangkaian dalam satu siklus.
Faktor kualitas rangkaian dihitung dengan rumus:
-
Q=(w0W)/P, di mana
w0 - frekuensi osilasi siklik resonansi;
W - energi yang tersimpan dalam sistem osilasi;
P - disipasi daya.
Parameter ini adalah nilai tak berdimensi, karena sebenarnya menunjukkan rasio energi: disimpan dan dihabiskan.
Apa yang dimaksud dengan rangkaian osilasi ideal
Untuk pemahaman yang lebih baik tentang proses dalam sistem ini, fisikawan datang dengan apa yang disebut rangkaian osilasi ideal. Ini adalah model matematika yang mewakili rangkaian sebagai sistem dengan resistansi nol. Ini menghasilkan osilasi harmonik tak teredam. Model seperti itu memungkinkan untuk mendapatkan formula untuk perkiraan perhitungan parameter kontur. Salah satu parameter ini adalah energi total:
W=(LI2)/2.
Penyederhanaan seperti itu secara signifikan mempercepat perhitungan dan memungkinkan untuk mengevaluasi karakteristik sirkuit dengan indikator yang diberikan.
Bagaimana cara kerjanya?
Seluruh siklus rangkaian osilasi dapat dibagi menjadi dua bagian. Sekarang kita akan menganalisis secara rinci proses yang terjadi di setiap bagian.
- Fase pertama: Pelat kapasitor bermuatan positif mulai terlepas, memberikan arus ke rangkaian. Pada saat ini, arus mengalir dari muatan positif ke muatan negatif, melewati kumparan. Akibatnya, osilasi elektromagnetik terjadi di sirkuit. arus yang melaluikumparan, pergi ke pelat kedua dan mengisinya secara positif (sedangkan pelat pertama, dari mana arus mengalir, bermuatan negatif).
- Fase kedua: proses sebaliknya terjadi. Arus mengalir dari pelat positif (yang awalnya negatif) ke negatif, melewati lagi melalui koil. Dan semua tuduhan jatuh pada tempatnya.
Siklus akan berulang selama ada muatan pada kapasitor. Dalam rangkaian osilasi ideal, proses ini berlangsung tanpa henti, tetapi dalam rangkaian nyata, kehilangan energi tidak dapat dihindari karena berbagai faktor: pemanasan, yang terjadi karena adanya hambatan dalam rangkaian (panas Joule), dan sejenisnya.
Opsi desain kontur
Selain rangkaian sederhana "koil-kapasitor" dan "kumparan-resistor-kapasitor", ada opsi lain yang menggunakan rangkaian osilasi sebagai dasarnya. Ini, misalnya, adalah rangkaian paralel, yang berbeda karena ia ada sebagai elemen rangkaian listrik (karena, jika ada secara terpisah, itu akan menjadi rangkaian seri, yang dibahas dalam artikel).
Ada juga jenis desain lain yang menyertakan komponen listrik yang berbeda. Misalnya, Anda dapat menghubungkan transistor ke jaringan, yang akan membuka dan menutup rangkaian dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi osilasi di rangkaian. Dengan demikian, osilasi tak teredam akan terbentuk dalam sistem.
Di mana rangkaian osilasi digunakan?
Aplikasi komponen sirkuit yang paling dikenal adalah elektromagnet. Mereka, pada gilirannya, digunakan dalam interkom, motor listrik,sensor dan di banyak area lain yang tidak biasa. Aplikasi lain adalah generator osilasi. Sebenarnya, penggunaan sirkuit ini sangat akrab bagi kita: dalam bentuk ini digunakan dalam gelombang mikro untuk menciptakan gelombang dan dalam komunikasi seluler dan radio untuk mengirimkan informasi dari jarak jauh. Semua ini disebabkan oleh fakta bahwa osilasi gelombang elektromagnetik dapat dikodekan sedemikian rupa sehingga memungkinkan untuk mengirimkan informasi jarak jauh.
Induktor itu sendiri dapat digunakan sebagai elemen transformator: dua kumparan dengan jumlah belitan yang berbeda dapat mentransfer muatannya menggunakan medan elektromagnetik. Tetapi karena karakteristik solenoida berbeda, indikator arus di dua sirkuit yang menghubungkan kedua induktor ini akan berbeda. Dengan demikian, adalah mungkin untuk mengubah arus dengan tegangan, katakanlah, 220 volt menjadi arus dengan tegangan 12 volt.
Kesimpulan
Kami telah menganalisis secara rinci prinsip operasi rangkaian osilasi dan masing-masing bagiannya secara terpisah. Kami belajar bahwa rangkaian osilasi adalah perangkat yang dirancang untuk menciptakan gelombang elektromagnetik. Namun, ini hanya dasar-dasar mekanika kompleks dari elemen-elemen yang tampaknya sederhana ini. Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang seluk-beluk sirkuit dan komponennya dari literatur khusus.
