ניסוי _2

    תכנון  ובנייה של מתנד סינוסאוידדאלי בתדר גבוה

            
  מתנד גשר ויין:

1- מהו מתנד ?ומה מאפייניו?

        

מ ת נ ד י ם   הם  מעגלים  אלקטרוניים  שבעזרתם  הופכים  אנרגית  זרם  ישר, המתקבל  מספקי- כוח, להספק  זרם  חילופין,  ללא  עזרת  אות  מבוא  חיצוני.  מעגלי  מתנדים  מאפשרים  היווצרות  אותות  בעלי  צורות  שונות  ותדרים  שונים  על  ידי  בחירת  המעגל  המתאים  לכל  צורך. 

המאפיין החשוב ביותר של מתנד הוא התדירות של אות החילופין,שאותו הוא מייצר.אנו משתמשים במתנד כדי לקבל מתח חילופין בתדירות הדרושה לנו.

מאפיין אחר חשוב של המתנד הוא יציבות התדר שלו. בין שמדובר במתנד קבוע,ובין שמדובר במתנד משתנה ,לאחר שקובעים את תדירות התנודות ,אנו מעוניינים שהיא תישאר קבועה ולא תשתנה עם הזמן.

2- ציין שני סוגי מתנדים ומנה את מאפייניהם.

ניתן  לסווג  את  מעגלי  המתנדים, לפי  צורת  הגל  שהם  יוצרים,  לשני  סוגים  עיקריים:

א)  מתנדים  לאות  הרמוני -  היוצרים  גלים  שצורתם  קרובה  מאוד  לאות סינוסוידלי;

ב)  מתנדים   לאותות  לא  סינוסוידליים-  יוצרים  אותות  שצורתם  אינה  תנודה  הרמונית, כגון:  גל      

       ריבועי ,  גל  משולש  או  גל  שן -  משור  וכדומה;

גם  את  קבוצת  מתנדים  הרמוניים  ניתן  לחלק  לשתי  קבוצות  עיקריות:

א) מתנדים  אשר  עיקרון  פעולתם  מבוסס  על  שימוש  במשוב  חיובי ;

       כשמערכת  המשוב  מורכבת  מסלילים  וקבלים, נקרא  המתנד  - מתנד  LC .

       במקרה  שהמערכת  משוב  מורכבת  מנגדים  וקבלים - זו  מתנד  RC .  

ב) מתנדים  בהם  אנו  מפעילים  רכיבים  בעלי  התנגדות  דינאמית  שלילית, כגון: טטרודה

   (שפופרת  ריק, בעלת  שני  סריגים )  או  דיודת  מנהרה .

 


מתנד הרמוני (סינוסואידי)
אות סינוסואידי
המתנד ההרמוני יוצר גל סינוסואידי. בבסיסו הוא מגבר שמוצאו מחובר למסנן צר-סרט, שמוצאו מחובר לכניסת המגבר. כאשר מדליקים את המגבר, מופיע רעש במוצא שלו. הרעש עובר דרך המסנן כך שרק תדרים שהם בתחום הצר שמעביר המסנן מועברים בחזרה אל כניסת המגבר, ואלו מוגברים יותר ויותר כיוון שהתהליך חוזר על עצמו. תוך מספר מחזורים קטן מתייצב המתנד ומגיע למצב עמיד. אז מתקבל במוצא המגבר אות שמורכב מתחום צר של תדרים, שמרכזו הוא התדר המרכזי של המסנן, ורוחבו הספקטרלי נקבע על ידי רוחב המסנן.
ניתן לצמד אל המסנן גביש פיאזואלקטרי (לרוב מקוורץ) כדי לייצב את תדר התנודה. תכנון כזה מכונה מתנד גבישי.
את ההגברה והסינון ניתן להשיג במגוון של דרכים, ולכן ישנן גישות שונות לתכנון מתנדים הרמוניים, ביניהן מתנד הארטלי, מתנד קולפיטס ומתנד קלאפ.


מתנד רלקסציה
במתנדי רלקסציה משתמשים ליצירת גל שאינו סינוסי, כגון גל מרובע או "שן מסור". המתנד מכיל רכיב לא לינארי, למשל טרנזיסטור, שפורק באופן מחזורי את האנרגיה הטעונה בקבל או במשרן, וכך גורם לשינויים מהירים במוצא.
במתנדי רלקסציה לגל מרובע אפשר להשתמש ליצירת אות השעון הדרוש למעגלים ספרתיים מסוימים, למשל מונים או "טיימר"ים, אך מתנדים גבישיים עדיפים עליהם בגלל יציבותם.
במתנדי גל משולש או שן מסור משתמשים במעגלי תזמון לאותות הסריקה האופקית בשפופרות קרן קתודית באוסצילוסקופים ובטלוויזיות. במחוללי דפקים ניתן להשתמש בגל המשולש כדי ליצור קירוב של גל סינוס. סוג אחר של מתנד רלקסציה הוא המולטי-ויברטור.




3-מדוע חשוב לבנות מתנד בתד גבוה?
מעניין אותנו,כמובן,השימוש במתנדים בשטח התקשורת האלקטרונית ובמיוחד בשידורי הרדיו והטלויזיה.לדוגמה שידור תמונת טלויזיה באמצעות לויין מבוסס על מתנד סינוסאוידאלי בתדר של אלפי מגה הרצים.
זאת אומרת שחשוב לנו לבנות מתנד בתדר גבוה מסיבה שהתדר הנמוך מושפע מאויר וסביבה.השפעה זו עלולה לגרום נחות לאות,וכפי שלמדנו,יש קשר בין נחות האות לבין מרחק השידור ,כך כשכל שהמרחק יגדל עוצמת האות תקטן (הסתכל באיור1). 

                                                                          איור -1  
                                                 

עובדה זו מחייבת אותנו לבנות מתנד בתדר גבוה על מנת לשדר אותות בצורה  ויעילה יותר.



4-תכנן מתנד גשר ויין בעל תדר מוצא של 10קילו הרץ.


במתנד גשר ויין תדר התנודות הוא:F = 1/2πRC
נציב במשוואה את הנתון:  F=10khz
ונקבל: RC=15.915micro
מכאן בחרתי בנגד בערך של 1k והצבתי אותו במשוואה שלמעלה ונוצר ש-C=15.915nf


הגבר המגבר,המחובר בחוג סגור דרך הנגדים R1 ו R2 הוא :A=3.יחס הנגדים:R2\R1=2.
הערה:נהוג לתכנן את ההגבר כך שיהיה קצת יותר גדול מ-3. גם יחס הנגדים צריך להיות גדול יותר מ-2 בהתאמה.
(לפי הנוסחה: A=1+R2\R1).

על פי כן,בחרתי בערכים מתאימים : R2=4.2k , R1=2k.
גם מדדתי למגבר את המתחים האלה: 8v ,-8v.


5-ציין את שיקולי התכנון וערכי הרכיבים שבחרת .


מתנד גשר וין הוא מעגל אלקטרוני המקיים את שני התנאים ל-AB=1ׁׁ _  ( ערכים ווקטוריים):


1_,תנאי מופע_הסחת המופע של הגבר החוג של-360.
2_תנאי גודל_גודלו של הגבר החוג היא יחידה_AB=1ׁ (המכפלה בערך המוחלט).


*שני התנאים האלה מקיימים את תנאי ברקהאוזן לקיום תנודות .


מתנד זה מקיים את שני התנאים עבור תדר מסוים(הוא שימושי לתדרים נמוכים , החל מחלקי הרץ ועוד מאות אחדות של קילו הרץ.

                                                         איור 2:מעגל עקרוני של מתנד גשר ויין




לפי כלל מחלק מתח :    {Vb =Vo*Zp\Zp+Zp}
לאחר תהליך של הצבת כללים בנוםחה שלעיל מקבלים: { B=1\3 } ,
הערה:היגב עקבות הקבל תלויות בתדר .זאת אומרת,B תלויה בתדר.ולכן,יש תדר מסוים שעבורו מתקיים שני התנאים של ברקהוזן.


*מימוש פשוט של מתנד גשר וין מושג באמצעות מגבר שרת ,כמתואר בתרשים שלמטה:

                                                                     איור 3
                                               

לפי איור 3,ניתן לראות שההדק החיובי של המגבר מחובר לאות מבוא (Vi) .זאת אומרת ,שמגבר זה לא הופך מופע.וכפי שלמדנו בשנה שעברה ,ההגבר  של מגבר לא הופך מופע מקיים את הנוסחה הזו:      {A=1+R2\R1}



סרטט את המעגל שתכננת.

 

מהלך הניסוי:


מצב 1:  AB>=1ׁ (המכפלה גדולה קצת מ-1)


במצב זה השתמשתי,כמובן, בערכים של :R2=4.2k , R1=2k.
וקיבלתי את התוצאה הבאה:

                                                       איור4

ניתן לראות באיור4 ,את האות המתקבל במוצא המעגל -שבניתי בתוכנת המולתיסים - בעזרת משקף תנודות.
התנאי AB>=1 מאפשר למגבר  לעורר תנודות ראשונות (הסתכל באיור 4).התנודות גודלו ואחר כך הם התייצבו.






מצב2: AB>1


במצב זה השתמשתי בערכים של:R2=1M , R1=2k.
וקיבלתי את התוצאה הבאה:

                                                                               איור5

 אבל, התוצאה שכן צריך להתקבל היא:

                                                                         איור6




    הסבר:


הערה:על מנת להבין את ההסבר,הסתכל באיור2.
-מספקים למגבר אות סינוס -(X(t.
-המגבר מגביר את האות כך שמתקבל אות חדש-(AX(t.
-האות נכנס לרשת המבוא(B), מ-B יוצא האות-(BAX(t.
-ופעם שנייה נכנס האות האחרון למגבר.
- האות המתקבל במוצא רשת המבוא יגדל בכל פעם יותר ויותר .כלומר בכל פעם מתקבל אות שווה למכפלות האותות הקודמות .

 עלפי כן:
AB<A^2*B^2<A^3*B^3


*אם נסתכל באויר 6 ,אנו רואים שהתנודות  הולכות וגודלות יותר ויותר ,עד שהאות מגיע למצב רוויה בגלל שהוא מוגבל בין שני ערכים (Vcc,+Vcc-).




מצב3: AB=1




במצב זה השתמשתי בערכים של:R2=4k , R1=2k.
במצב זה לא התקבלו לי תנודות.

   הסבר:


הערה:על מנת להבין את ההסבר,הסתכל באיור2.
-מספקים למגבר אות סינוס -(X(t.
-המגבר מגביר את האות כך שמתקבל אות חדש-(AX(t.
-האות נכנס לרשת המבוא(B), מ-B יוצא האות-(BAX(t.
-ופעם שנייה נכנס האות האחרון למגבר.




- האות המתקבל במוצא רשת המבוא שווה בכל פעם ופעם .כלומר בכל פעם מתקבל אות שווה לאותות הקודמות .


עלפי כן:
AB=A^2*B^2=A^3*B^3

 הערה חשובה:בתוצאה שקיבלנו באיור 7 לא מתקבלים תנודות כי התנאיAB=1 לא מאפשר למגבר לעורר תנודות ראשונות-קשה לו להתחיל (לכן יש צורך להשתמש בתנאיAB>=1ׁ).






מצב4: AB<1

במצב זה השתמשתי בערכים של:
וקיבלתי את התוצאה הבאה:

אבל, התוצאה שכן צריך להתקבל היא:

                                                                              איור8

    הסבר:


הערה:על מנת להבין את ההסבר,הסתכל באיור2.
-מספקים למגבר אות סינוס -(X(t.
-המגבר מגביר את האות כך שמתקבל אות חדש-(AX(t.
-האות נכנס לרשת המבוא(B), מ-B יוצא האות-(BAX(t.
-ופעם שנייה נכנס האות האחרון למגבר.
- האות המתקבל במוצא רשת המבוא יקטן בכל פעם יותר ויותר .


עלפי כן:
AB>A^2*B^2>A^3*B^3

 *אם נסתכל באויר8 ,אנו רואים שהתנודות  הולכות וקטנות .כלומר עוצמת האות  תקטן שהתנודות יאבדנה.

 האם כל ערכי הנגדים והקבלים שמקיימים את תנאי התדר מתאימים לבניית מתנד ? כלומר האם יש חשיבות לערכי הנגדים והקבלים או שרק צריך להתחשב בערך של המכפלה ' RC' המקיימת את תנאי התדר.


נםיתי לחבר למעגל שבניתי נגד של 1 אום וקבל של  uf 15.915 (במצב -AB>=1) אבל התוצאה לא השתנתה.
נםיתי גם לחבר למעגל נגד של M1 וקבל של 15.915 pf וקיבלתי אותה תוצאה.

מסקנה: צריך רק להתחשב בערך של המכפלה ' RC' המקיימת את תנאי התדר.