რეალური წრედის ელემენტები

წინა სტატიაში განხილული წრედის ელემენტები იდეალური წრედის ელემენტებია. რეალური წრედის ელემენტები ახლოს არიან მათემატიკურ, იდეალურ მოდელებთან, მაგრამ შეუძლებელია, რომ ისინი უნაკლო იყვნენ. კარგი ინჟინერი ყოველთვის აცნობიერებს რეალური კომპონენტების იმ ზღვრებს, რომლებიც მათ, იდეალური აბსტრაქციებისგან განსხვავებით, აუცილებლად აქვთ.

ერთი ასეთი განსხვავება იდეალურისგან ისაა, რომ ფიზიკურ მოწყობილობებს, როგორებიცაა რეზისტორი, ინდუქტორი და კონდენსატორი $(\text{R, L, C})$‍, აქვთ დასაშვები ცდომილება სასურველ სიდიდესთან მიახლოებით (რაც უფრო პატარაა დასაშვები ცდომილება, მით უფრო ძვირია მოწყობილობა). რეალური კომპონენტების ნამდვილი სიდიდე ყოველთვის განსხვავდება მითითებულისგან.

რეალური წრედის ელემენტები არ აღიწერებიან იდეალური განტოლებებით ძაბვის ან დენის ექსტრემუმებში. რეზისტორის წრფივი მათემატიკური აბსტრაქცია არ მუშაობს $\mathrm{\infty }$‍ ძაბვაზე ან $\mathrm{\infty }$‍ დენზე რეალური რეზისტორისთვის. რაღაც მომენტში მოდელი ირღვევა და შეიძლება კომპონენტი დაზიანდეს. რეალურ სამყაროში ყველა იდეალური კომპონენტის აბსტრაქტულ მოდელს სწორად მუშაობის განსაზღვრული არე აქვს.

რეალური კომპონენტი მხოლოდ ეს კომპონენტი არ არის. მაგალითად, ავიღოთ რეზისტორი: რადგან რეზისტორის ბოლოებზე შეერთებული სადენები ქმნიან მაგნიტურ ველს, ის აუცილებლად გამოავლენს ინდუქციურ თვისებებსაც. გარდა ამისა, რეზისტორები გამტარი მასალებისგანაა დამზადებული და წრედში სხვა გამტარებთან სიახლოვეშია ჩართული. ერთად ეს გამტარები კონდენსატორის ფირფიტებივით მოქმედებენ და, შესაბამისად, რეზისტორს კონდენსატორის მსგავსი თვისებაც ექნება.

მაღალ სიხშირეებზე და დენის ან ძაბვის მკვეთრი ცვლილებისას ეს პარაზიტული ეფექტები შეიძლება საყურადღებო იყოს. თუ ეს ეფექტები გასათვალისწინებელია, შეგვიძლია კომპონენტი იდეალური ელემენტების კომბინაცით აღვწეროთ, როგორც ეს მოცემულ სურათზეა:

რეალური კომპონენტების მახასიათებლები გარემო ფაქტორებზეა დამოკიდებული. კომპონენტების უმრავლესობა ტემპერატურის მიმართ მგრძნობიარეა; პარამეტრები იცვლება იმის მიხედვით, თუ რამდენად ცივი ან ცხელია კომპონენტი. თუ წრედს დიდ ტემპერატურულ დიაპაზონში უწევს მუშაობა, უნდა ვიცოდეთ, თუ როგორ დამოკიდებულებაშია გამოყენებული კომპონენტების მახასიათებლები ტემპერატურასთან.

შენიშვნა: ხანის აკადემიის ელექტროინჟინერიის კურსებში პარაზიტული ეფექტები არ იქნება განსახილველი. ზემოაღნიშნული მხოლოდ იმას ემსახურება, რომ მათი არსებობის შესახებ იცოდეთ. თუ პარაზიტული ეფექტების გასათვალისწინებელი მკაფიო მიზეზი არ არსებობს, ელექტრული წრედების სიმულაციისას ყველა ასეთი ეფექტის მოდელირებით საქმე არ უნდა გაირთულოთ.

რეალური რეზისტორების წარმოებისას ჩვენი მიზანია, შევქმნათ ისეთი კომპონენტი, რომელიც შესაძლოდ მაქსიმალურად დააკმაყოფილებს იდეალური რეზისტორის განტოლებას, ომის კანონს, $v=i\text{R}$‍.

რეზისტორის წინაღობის სიდიდე ორ რამეზეა დამოკიდებული:

გამოყენებული მასალა (რისგანაც ის დამზადებულია) განსაზღვრავს, თუ რამდენად რთულია ელექტრონების მასში გატარება. შეგიძლიათ, ეს წარმოიდგინოთ, როგორც ელექტრონების გასავლელი მასალის ატომებთან შეჯახების სიხშირე. მასალის ამ მახასიათებელს კუთრი წინაღობა ეწოდება. შეიძლება, შეგხვდეთ გამტარიანობაც, რაც კუთრი წინაღობის შებრუნებულია.

კონკრეტული კუთრი წინაღობის მქონე მასალის შერჩევის შემდეგ, რეზისტორის წინაღობა მის ფორმაზეა დამოკიდებული. გრძელი რეზისტორის წინაღობა უფრო მეტია, ვიდრე მოკლესი, რადგან ელექტრონებს მეტი შეჯახების დაძლევა უწევთ მასალის ატომებს შორის გავლისას. დიდი განივკვეთის რეზისტორს უფრო დაბალი წინაღობა აქვს, ვიდრე მცირე განივკვეთისას, რადგან ელექტრონებს უფრო ფართო გზა აქვთ გასავლელად.

ნამდვილი რეზისტორი ფუჭდება (გადაიწვება) თუკი მის მიერ მოხმარებული სიმძლავრე მასალის გამძლეობის ფარგლებს სცდება. რეზისტორზე დაშვებულ სიმძლავრეს უთითებენ, რომელსაც არ უნდა გადააჭარბოთ. თუ $1$‍ ვატის $1/8$‍ ვატიან რეზისტორში გამოყოფას შეეცდებით, ხელში რეზისტორის ნაცვლად რაღაცის ნამწვავი შეგრჩებათ.

სტანდარტული ღერძული რეზისტორის მაგალითი:

ფერადი ზოლები რეზისტორის წინაღობასა და ცდომილებას მიუთითებენ. ზოლები სტაფილოსფერი, სტაფილოსფერი, ყავისფერი და ოქროსფერია. რეზისტორის ფერთა კოდის ცხრილის მიხედვით, პირველი ორი ზოლი სიდიდის ციფრებს წარმოადგენს, $33$‍. მესამე ხაზი მამრავლია, ყავისფერი $\times {10}^1$‍-ს აღნიშნავს. მეოთხე (ბოლო) ზოლი ცდომილებას მიუთითებს, ოქროსფერი $\pm 5\mathrm{\%}$‍-ს აღნიშნავს. რეზისტორის წინაღობაა $330\mathrm{\Omega }\pm 5\mathrm{\%}$‍.

ეს მაღალი სიზუსტის რეზისტორია, 5 ზოლით:

წაიკითხეთ ზოლები მარცხნიდან მარჯვნივ: წითელი, წითელი, ლურჯი, ყავისფერი, ყავისფერი $=2,2,6,1,1$‍. პირველი სამი ზოლი $(226)$‍ სიდიდეს განსაზღვრავს. მეოთხე ზოლი მამრავლია $(\times {10}^1)$‍, მეხუთე (ბოლო) ზოლი ცდომილებას აღნიშნავს, ყავისფერი $1\mathrm{\%}$‍-ს ნიშნავს. რეზისტორის წინაღობაა $2260\mathrm{\Omega }\pm 1\mathrm{\%}$‍.

ეს ზედაპირზე სამაგრი რეზისტორია:

წინაღობის მნიშვნელობა $3$‍-ნიშნა კოდითაა გამოსახული: $102$‍, რაც $10\times {10}^2=1000\mathrm{\Omega }$‍-ს ნიშნავს. ამ რეზისტორის ზომითი მახასიათებელია „0603 Metric“, ანუ $0.6\text{mm}\times 0.3\text{mm}$‍.

რეზისტორის მაგალითი ინტეგრირებულ წრედში:

დიზაინერი არჩევს რომელიმე მაღალი კუთრი წინაღობის ფენას ინტეგრირებულ წრედში და ქმნის (ხატავს) კლაკნილ ფიგურას, რათა სასურველი წინაღობა მიიღოს.

რეალური კონდენსატორების წარმოებისას ჩვენი მიზანია, შევქმნათ ისეთი კომპონენტი, რომელიც შესაძლოდ მაქსიმალურად დააკმაყოფილებს იდეალური კონდენსატორის განტოლებას, $i=\text{C}\text{d}v/\text{d}t.$‍

კონდენსატორი ორი გამტარი ზედაპირის ერთმანეთთან ახლოს მოთავსებით იწყობა. ფირფიტებს შორის შეიძლება იყოს ჰაერი ან ნებისმიერი სხვა იზოლატორი. კონდენსატორის ტევადობა ბევრ ფაქტორზეა დამოკიდებული, მათ შორის: ფირფიტების ფართობი, ფირფიტებს შორის მანძილი (იზოლატორის სისქე) და იზოლატორის ფიზიკური მახასიათებლები.

კონდენსატორების შესახებ მეტის გაგება შეგიძლიათ კონდენსატორებისა და ტევადობის სექციაში ხანის აკადემიის ფიზიკის კურსიდან.

რეალური კონდენსატორები:

ცილინდრულ კონდენსატორებს (შავი, მუქი ლურჯი ან ვერცხლისფერი, ზემოთ მარცხნივ) ორი მეტალის ფირფიტის ერთმანეთზე გადახვევით აკეთებენ. ფირფიტების ფართობის მაქსიმიზაციით კომპაქტური ზომისა და დიდი ტევადობის კონდენსატორი მიიღება.

წრის ფორმის კონდენსატორები (ხისფერი და სტაფილოსფერი ქვემოთ) უბრალოდ ორი, ერთმანეთისგან იზოლატორით გამოყოფილი ლითონის დისკია.

ცვლადი ტევადობის კონდენსატორებში (თეთრი, მარჯვნივ) იზოლატორის როლს ჰაერი ასრულებს. ფირფიტების ერთი წყება ბრუნავს, რომ ფირფიტების მეორე წყებასთან მეტი ან ნაკლები ფართობი გადაფაროს. მაგალითისთვის, ასეთი კონდენსატორები რადიოს სამართავად გამოიყენება.

იდეალური კონდენსატორის განტოლებასთან აცდენა ყველაზე მეტად ისეთი მაღალი ძაბვის პირობებში ხდება, როცა ფირფიტებს შორის მოქცეული იზოლაცია ირღვევა. ამ დროს იზოლატორი ვეღარ აფერხებს მუხტის ერთი ფირფიტიდან მეორეზე გადასვლას და კონდენსატორიც კარგავს თავის ფუნქციას. რეალურ კონდენსატორებზე დაშვებული ძაბვაა მითითებული, რომლის გადაჭარბებაც არ შეიძლება.

რადგან კონდენსატორს შემაერთებელი სადენები აქვს, მას აუცილებლად ექნება მცირე პარაზიტული წინაღობაც და ინდუქციურობაც. პარაზიტული ინდუქციურობა შეიძლება ყურადსაღები იყოს, თუ კონდენსატორს დენის სწრაფი და მკვეთრი ცვლილებისთვის ვიყენებთ, მაგალითად, როცა ის ციფრული ჩიპის ენერგიის წყაროა. ჩიპისთვის მიწოდებული დენის სწრაფი ცვლილების საჭიროება ნიშნავს, რომ კონდენსატორის შემაერთებლებს ძალიან დაბალი ინდუქციურობა უნდა ჰქონდეთ.

კონდენსატორის ფირფიტები იზოლატორით უნდა იყოს გამოყოფილი (მათ შორის დენი არ უნდა გადიოდეს). თუმცა, ყველა იზოლატორი იდეალური არ არის, ამიტომ ცოტა დენი მაინც იპარება. ეს ე.წ. გამოჟონილი დენები კონდენსატორში პირდაპირ გაივლიან მაშინაც კი, როცა ძაბვა უცვლელია (როცა $\text{d}v/\text{d}t=0)$‍. გამოჟონილი დენები გვაქვს მაშინაც, როცა არასათანადოდ გაწმენდილი წრედი დენს კონდენსატორის გარშემო, კომპონენტის ზედაპირზე ატარებს.

ზედაპირზე სამაგრი კონდენსატორი ასე გამოიყურება:

თუ პლატა სათანადოდ არ გაიწმინდა, გამოჟონილმა დენებმა, შესაძლოა, ლითონის ბოლოებს შორის დარჩილვისას დატოვებულ ნარჩენებში გაიაროს.

ზედაპირზე სამაგრი კონდენსატორი უამრავი გამტარი ელექტროდის ფირფიტისა და იზოლატორი კერამიკული ფენის მონაცვლეობით განლაგებითაა აწყობილი.

რეალური ინდუქტორის წარმოებისას ჩვენი მიზანია, შევქმნათ ისეთი კომპონენტი, რომელიც შესაძლოდ მაქსიმალურად დააკმაყოფილებს იდეალური ინდუქტორის განტოლებას, $v=\text{L}\text{d}i/\text{d}t.$‍

ინდუქტორის მუშაობის პრინციპის სრული ანალიზი ამ სტატიის ფარგლებს სცდება. ინდუქტორებისა და მაგნიტური ველების შესახებ მეტის გასაგებად იხილეთ მაგნიტური ველები ხანის აკადემიის ფიზიკის კურსიდან.

ნებისმიერი დენის გამტარი ქმნის მაგნიტურ ველს მის სიახლოვეში ისე, როგორც ეს სურათზეა ნაჩვენები. შესაბამისად, სპირალურად დახვეული კაბელის შექმნილი მაგნიტური ველი კონცენტრირებულია სპირალის შიგნით.

ინდუქტიურობის კარგად გასააზრებლად მათი მექანიკურ სისტემაში მასასთან შედარება გამოგვადგება. ინდუქტორი ისევე ინახავს მაგნიტურ ენერგიას, როგორც მოძრავი მასა ინახავს კინეტიკურ ენერგიას. წარმოიდგინეთ მბრუნავი მქნევარა თვალი (თვალი მძიმე კიდეებით). მისი მყისიერად შეჩერება შეუძლებელია. ინდუქტორიც ასევეა. ინდუქტორში დენი მყისიერად არ ქრება. მაგნიტური ველის ენერგია „ინერციით“ აგრძელებს პროცესს.

ინდუქტორების დამზადება: მაღალი ინდუქციურობის, $\text{L}$‍-ის, მისაღწევად გამტარს სპირალურად ახვევენ. მაგნიტური ველის კიდევ უფრო გასაზრდელად სპირალის შიგნით შესაბამისი მაგნიტური თვისებების მასალას ათავსებენ. ეს ტოროიდული ფორმის რკინა/კერამიკის გულარზე, ფერიტზე, შემოხვეული, ინდუქტორია (დონატის ფორმის ფერიტის გულარი არ ჩანს, რადგან სპილენძის სადენით მთლიანადაა დაფარული).

ფერიტის გულარი აკონცენტრირებს და აძლიერებს მაგნიტურ ველს, რაც, თავის მხრივ, ზრდის ინდუქციურობას, $\text{L}$‍-ს.

რეალური ინდუქტორები მნიშვნელოვნად განსხვავდებიან იდეალური მოდელისგან. იქიდან გამომდინარე, რომ ინდუქტორები გრძელი სადენისგან მზადდება, მათ ხშირად დიდი პარაზიტული წინაღობა აქვთ.

ინდუქტორების კიდევე ერთი ნაკლოვანება, რომელსაც ვერ გავექცევით, არის მათი ზომა. მაგნიტური ველი ინდუქტორის შიგნით და მიმდებარე სივრცეში ვრცელდება, კაბელი კი საკმაოდ გრძელი უნდა იყოს, რომ დიდი ოდენობით მაგნიტური ველი მოიცვას და სასურველ ინდუქციურობას მიაღწიოს. ამიტომაცაა იშვიათი ინტეგრირებულ წრედში ჩაშენებული ინდუქტორები.

სტატიას ამ გასაოცარი სურათით დავასრულებთ, რომელზეც უგულარო ინდუქტორია გამოსახული. ეს უზარმაზარი სპილენძის სპირალი (გამტარი), აშშ-ში, ნიუ ჯერსიში, აშენებული უკაბელო ტელეგრაფის სადგურის ნაწილი იყო. სადგურს შეტყობინების გაგზავნა 4000 მილის (6400 კმ-ის) მანძილზე შეეძლო, მთელი ატლანტის ოკეანის გავლით გერმანიამდე. ვაუ! რა თქმა უნდა, ინდუქტორების უმრავლესობა ამაზე გაცილებით პატარაა.