اتصال کوتاه

بلاگ

  • چگونه80 سال پیش کامپیوتر در برلین اختراع شد؟

    چگونه80 سال پیش کامپیوتر در برلین اختراع شد؟

    مهندسی به نام «کُنراد سوزه» در یک شرکت مهندسی مکانیک آلمان اولین کامپیوتر مدرن موجود در این سیاره را ساخت. اما فکر این موضوع چگونه بوجود آمد؟ چگونه 80 سال پیش کامپیوتر در برلین اختراع شد

    .

    .

    کنراد سوزه1 (متولد 1910 و درگذشته در 1995) آدم جسوری بود. وی به عنوان مهندس سازه در برلین در «شرکت هواپیماسازی هنشل»2 یک محل شغل دایمی داشت، که البته در اوضاع اقتصادی بسیار خراب آلمان در آغاز دهه 1930 موضوع بی‌اهمیتی نبود. انجام محاسبات تکراری، اما، چنان مهندس مکانیک و استاتیک ما را خسته کرده بود که وی در سال 1935 خود را به سمت خود-اشتغالی سوق داد. او در اتاق نشیمن والدین‌اش یک ماشین محاسبه ساخت که قرار بود به طور خودکار محاسبات طولانی و خسته‌کننده‌ی مسایل ایستایی مهندسان مکانیک را انجام دهد. محصول کار او پیشگام اختراع ماشین‌حساب دیجیتال در جهان بود که واقعاً کار هم می‌کرد. بنابراین، می‌توان به جرات گفت که ماشین‌حساب دیجیتال شماره یک جهان با نام Z3  اولین بار دقیقاً 80 سال پیش، در 12 مه 1941 به بهره‌برداری رسید.

    .

    ماشین حساب دیجیتال شماره یک جهان با نام زد3 در موزه فن آوری برلین

    .

    خوب، بهتر است گام به گام پیش برویم: سوزه نمی خواست چیزی کمتر از یک «مغز مکانیکی» طراحی کند. از نظر مفهومی، این جوان بیست و پنج ساله عرصه‌ی جدیدی را ایجاد کرد. دستگاه از سیستم باینری استفاده می‌کرد، یعنی با حالت‌های «صفر» و «یک»، وضعیت‌های «درست» و «نادرست» را محاسبه کند. پس می‌توان گفت که سوزه برای اجرای دستورات متوالی و کنترل توالی آن‌ها می‌خواست از روابط منطق  «دو دویی» یا  «باینری» استفاده کند.

    .

    فراتر از یک ماشین محاسب: کنراد سوزه دست کم گرفته شده بود

    سوزه تصمیم گرفت برای انجام محاسبات استاتیک، با یک حافظه جمع و جور 16 رقمی کار کند. او برای اولین آزمایش‌های خود تجربه‌ای را از دوران جوانی به کار گرفت: پس از پایان دوران دبیرستان، او یک جرثقیل پیچیده بارگیری ذغال‌سنگ را با استفاده از یک کیت فلزکاری ساخت شرکت  «اشتابیل»  ساخته بود که برای آن گواهی افتخار شرکت را دریافت کرد و این نشان می‌داد که تمرکز و انگیزه‌ی ساخت وسایل مکانیکی پیچیده را دارد.

    .

    ماشین حساب مکانیکی با نام زد1 در موزه آلمان در شهر مونیخ

    .

    نسخه‌ی اولیه رایانه‌ی سوزه، Z1 ساخت سال 1938، شامل ورق‌های فلزی به شکل نوارهایی بود که بر روی یکدیگر قرار داشتند. «رالف بولوو»3، دانشمند کامپیوتر و تاریخ‌دان اهل برلین، به مناسبت سالگرد Z3 در وبلاگ بزرگ‌ترین موزه رایانه جهان، یعنی «موزه هاینتس نیکسدورف»4 در شهر «پادربورن»5 آلمان، در مورد اختراع سوزه نوشته بود: “Z1 در بیشتر مواقع گیر می‌کرد.”

    .

    نوارهای فلزی روی یکدیگر

    سوزه در دومین تلاش خود راه حل کاملاً مکانیکی را کنار گذاشت. اکنون می‌بایستی حدود دویست عدد رله‌ی الکترومغناتیسی محاسبات را بر عهده بگیرند. Z2 تا حدودی بهتر از Z1 کار می‌کرد اما هنوز برای استفاده تجاری و ارایه به بازار قابل اعتماد نبود. ولی این اختراع از چشمان تیزبین «آلفرد تایشمن»6، که رئیس بخش انستیتوی مقاومت مصالح موسسه تحقیقات هوانوردی آلمان (DVL) بود، دور نماند .

    .

    مهندس کنراد سوزه در کنار نمونه مدل سازی شده از ماشین حساب مکانیکی خود با نام زد1 در موزه فن آوری آلمان در شهر برلین

    .

    تایشمن در یک موسسه پژوهشی در فرودگاهی در برلین به ویژه روی پدیده‌ی لرزش بال‌های هواپیما (Flutter) تحقیق می‌کرد. “این همان چیزی است که از 1920 به بعد کارشناسان هواپیمایی آن را پیچش موزون یا ریتمیکِ بال و دُم می‌خوانند که می‌تواند در سرعت خاصی رخ دهد و در بدترین حالت باعث سقوط هواپیما شود.”

    .

    به سود پژوهش‌های فلوتر سازه‌ی هواپیما

    مهندسان در DVL با ایجاد تغییرات در طراحی سعی در کنترل فلوتر داشتند. به عنوان مثال، برای این منظور، محل نصب وزنه‌های تعبیه شده در داخل بال‌ها را تغییر می‌دادند تا مرکز ثقل آن تغییر کند. “اما برای این کار و پیدا کردن مکان مناسب، محاسبات بسیاری باید انجام شود.” وقتی تایشمن Z2 را دید، امکان استفاده از آن در تحقیقات فلوتر را تشخیص داد. به این ترتیب بود که سوزه مأمور ساخت یک ماشین محاسب بزرگ‌تر شد.

    سوزه یک سال دیگر طول کشید تا Z3 را توسعه دهد. و او از این چالش بزرگ پیروزمند بیرون آمد – البته در دوران جنگ دوم جهانی و شرایط اقتصاد جنگی آن روزگار در آلمان، این اختراع تا حد زیادی نادیده گرفته شد، اما Z3 به عنوان اولین ماشین حساب قابل برنامه‌ریزی و قابل‌کنترل توسط برنامه در تاریخ کامپیوتر جهان ثبت شد.

    اولین آزمایش هشتاد سال پیش، در 12 مه 1941 در بحبوحه‌ی جنگ دوم جهانی در محله‌ی کرویتزبرگ در شهر برلین انجام شد. سوزه در آن‌جا کارگاه یک دفتر مهندسی را برای مقصود خود آماده کرده بود: تجهیزی شامل دو هزار عدد رله تمام کارهای واحد پردازش مرکزی و حافظه‌ها را بر عهده گرفته بودند. یک کنترل پنل کوچک برای ورودی و خروجی اعداد وجود داشت و برنامه‌نویسی با نوارهای سوراخ‌داری از جنس نوارهای فیلم سینما انجام می‌شد. “اگر استفاده از فناوری الکترومغناتیسی را در ساخت رایانه مجاز می‌شمارید، Z3 اولین رایانه‌ی واقعی و کاربردی بود.”

    اما Z3 هرگز واقعاً مورد استفاده قرار نگرفت. اگرچه چندین بار کارکرد آن نمایش داده شد، اما بالاخره در یک بمباران هوایی در سال 1943 تخریب شد. اولین رایانه‌ی مبتنی بر فن‌آوری لامپ الکترونی، ENIAC7  که توسط «جان ماشلی»8 و «جان پرسپر اِکِرت»9 در ایالات متحده ساخته شد، نیز تا سال 1946 تکمیل نشد. این رایانه، همان طور که از نامش پیداست: «انتگرال‌گیر و ماشین حساب عددی» برای تسریع «انتگرال‌گیری عددی»، یعنی محاسبه منطقه زیر یک منحنی در یک دستگاه مختصات در نظر گرفته شده بود. در این‌جا البته موضوع فقط یک تمرین سرانگشتی ریاضی انتزاعی نبود، بلکه این محاسبات باید به سربازان آمریکایی و خدمه‌ی توپخانه در جبهه‌های جنگ جهانی دوم در محاسبه‌ی سریع مسیر پرتابه‌های توپخانه کمک ویژه‌ای کنند.

    با وجود این هدف‌گزاری، آنها نتوانستند از ENIAC در طول جنگ جهانی دوم بهره‌مند شوند، زیرا این ماشین فقط پس از پایان جنگ تکمیل شد. با نزدیک شدن به دوران  جنگ سرد‌، هدف این ماشین محاسب نیز تغییر کرد: حال ENIAC توسط دانشمندان در لوس‌آلاموس برای محاسبه قدرت تخریب اولین بمب هیدروژنی مورد استفاده قرار گرفته بود.

    یک مدل 1:1 از ENIAC  را می‌توان در موزه HNF در شهر پادربورن آلمان تماشا و تحسین کرد، یک نمونه‌ی مدل‌سازی‌شده از Z3  موجود در «موزه آلمان»10 در مونیخ در معرض نمایش قرار دارد. علاوه بر این، یک نمونه مدل‌سازی دیگر هم در «موزه فناوری آلمان»11 در برلین وجود دارد که پسر آن مهندس پیشگام کامپیوتر، «هورست سوزه»12، در سال 2010 به یادبود صدمین سالگرد تولد پدرش ساخته و به موزه اهدا کرده است.

    .

    کنراد سوزه در 25 سالگی اولین کامپیوتر عملی را با استفاده از فن آوری های مکانیکی ساخت

    .

    .

    منبع:

    روزنامه فرانکفورتر آلگماینه سایتونگ

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    محبوب‌ترین شیی در موزه نیکسدورف

    برای مطالعه بیش‌تر روی ساختمان و عملکرد رایانه Z1

    برای مطالعه بیش‌تر روی ساختمان و عملکرد رایانه Z3

    کامپیوتر Z1 در ویکیپدیای انگلیسی

    کامپیوتر Z3 در ویکیپدیای انگلیسی

    .

    .

    پانویس‌ها:

    1- Konrad Zuse

    2- Henschel Flugzeugbau

    3- Ralf Bülow

    4- (Heinz Nixdorf)

    5- Pderborn

    6- Alfred Teivhmann

    7- ENIAC=Electrical Numerical Integrator and Calculator

    8- John Mauchly

    9- John Presper Eckert

    10- Deutsches Museum

    11- Deutsches Technikmuseum

    12- Horst Zuse

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-05-26 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • سد کلام الکترونیکی – بخش 2

    سد کلام الکترونیکی – بخش 2

    معرفی یک راه حل سخت‌افزاری آنالوگ برای تشخیص و جداسازی گفتار از موزیک زمینه، و یا تفکیک آواز و ترانه از موسیقی همراه، یک راه حل الکترونیکی خالص برای یک مسأله‌ی بسیار ویژه سد کلام یا جداکننده صدا از موسیقی

    .

    .

    مدار ترکیبی

    رسیدن به یک توان تشخیص بسیار خوب میان کلام و موسیقی با ترکیب‌کردن دو روش ناهمواری و وقفه در یک مجموعه امکان‌پذیر است. چون وقفه‌ها به همان خوبیِ روش‌های دیگر در یک محدودکننده‌ی لگاریتمی قابل شناسایی هستند، این روش در مدار شکل 6 به خدمت گرفته شده است، به این صورت که سیگنال از کلکتور ترانزیستور 3 از طریق مقاومت 15 و خازن 8 برای تقویت به ترانزیستور 4 فرستاده می‌شود و سپس مانند تصویر 2 مورد فرآوری قرار می‌گیرد. بخش ورودیِ مدار مطابق تصویر 2 است و تشخیص از راه ناهمواری توسط ترانزیستورهای 5، 8، و 9 صورت می‌پذیرد.

    .

    مدار ترکیبی مسدود کردن کلام بر اساس ترکیب دو روش وقفه و ناهمواری صورت می گیرد. ولتاژهای داده شده در حالت بدون ورودی اندازه گیری می شود

    تصویر 6: مدار تشخیص ترکیبی که در آن هر دو روش ناهمواری و وقفه به کارگرفته شده است. ولتاژهای درج شده روی این شماتیک در حالت بدون سیگنال ورودی اندازه گیری شده‌اند

    .

    طبقه‌ی تقویت‌کننده‌ی نهایی با ترانزیستور 12 و طبقه‌ی مسدودکننده با ترانزیستور 1و همچنین مدار فرمان آن در هر دو روش مشترک هستند. پالس‌های وقفه‌ها و ناهمواری‌ها از مسیر دیودهای 9 و 10 روی خازن مشترک 19 قرار می‌گیرد که شارژ آن با میانگین فراوانی هر دو نوع پالس تناسب دارد. تشخیص کلام با حضور فقط یکی از این دو نوع پالس ممکن است. وجود هر دو نوع پالس به صورت همزمان، تنها سرعت پاسخ مدار را بهبود می‌بخشد. به این ترتیب، مسدودکردن پس از اولین دو سه کلمه‌ی کلام اتفاق می‌افتد، در حالی که با مدارهایی که قبلاً معرفی شدند، طول زمان تشخیص کمی طولانی‌تر است.

    در تصویر 6 به‌جای تنظیم پیوسته‌ی باقی‌مانده‌ی بلندی صدای کلام، مداری برای تبدیل شامل کلیدهای 1 و 2 پیش‌بینی شده است. در وضعیتی که کلیدها در مدار نشان داده شده‌اند، کلام تا حد مقدور (50- دسی‌بل) تضعیف می‌گردد. اگر کلیدها در حالت وسط قرار داده شوند، این تضعیف به‌خاطر بیکار شدن خازن 3 به میزان 20 دسی‌بل محدود می‌گردد، و در حالت سوم کلیدها، ورودی مستقیم به خروجی داده می‌شود.

    در تصویر 6 مدار فلیپ‌فلاپ شامل ترانزیستورهای 10 و 11 هم نو است که می‌تواند برای حس کردن قطعات موسیقی نامطلوب به مدار اضافه شود. در ابتدای اجرای چنین قطعه‌ای از کلید 3 برای ابقای حالت انسداد در ترانزیستور 1 استفاده شده و این ترانزیستور انتقال سیگنال به خروجی را قطع می‌کند. در این حالت بیکاری، فلیپ‌فلاپ وقتی می‌تواند به حالت پیشین برگردد که در سیگنال اجرا وقفه‌ای پدیدار شود. چون در پی چنین وقفه‌ای ترانزیستور 6 به حالت هدایت می‌رود، ترانزیستور 10 می‌تواند از طریق دیود 8 مسدود شود. پیدا شدن وقفه معمولاً در پایان قطعه‌ی موسیقی حس‌شده و اتفاق می‌افتد. در نتیجه، فلیپ‌فلاپ به وضعیت قبلی بازمی‌گردد، و اجرا حتی تا پایان گفتارِ پس از اتمام اجرای موسیقی نامطلوب مسکوت باقی نگه‌داشته می‌شود.

    مدار ساده‌ای برای منبع تغذیه پیشنهاد شده که ولتاژ تغذیه‌ی دیودهای نوری را از روی اولین خازن الکترولیت صافی (خازن 20) برداشت کرده و توان تغذیه‌ی اندکی را که برای ترانزیستورهای مدار لازم هستند، از طریق دیود زینر 16 تامین می‌کند.

    .

    مدار اضافی برای انتخاب میان انسداد کلام یا موسیقی

    تصویر 7: کلید تبدیل اضافی برای انسداد انتخابی موسیقی یا کلام

    .

    در صورت لزوم امکان اضافه کردن یک مدار تبدیل عملکرد مانند تصویر 7 به مدار اصلی نیز وجود دارد که با آن می‌توان از دستگاه همچنین به عنوان مسدودکننده‌ی موسیقی (فقط پخش صدای کلام) نیز استفاده کرد. در این کاربرد، ترانزیستور 1 به عنوان کلیدی بر روی خط سیگنال صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، فقط مقاومت 43 مورد نیاز خواهد بود.

    .

    مونتاژ و راه‌اندازی مدار

    مدار کامل با منبع تغذیه و بانضمام مدار افزوده شده را می‌توان در جعبه‌ای به اندازه‌های حدود 6×10×16 سانتی‌متر جای‌داد. طرح پیشنهادی برای فیبر مدار چاپی در تصویر 9 دیده می‌شود و فقط وقتی قابل استفاده است که در مونتاژ آن از مقاومت‌های یک‌هشتم وات یا کوچک‌تر استفاده شود، یعنی مقاومت‌هایی که در فاصله‌ی کمتر از 2/5 میلی‌متر از هم قابل مونتاژ هستند. تصویر 9 ترتیب چینش افزاره‌ها بر روی این فیبر دیده می‌شود. کلیدها، پتانسیومترها، دیودهای نوری و جک‌های ورودی و خروجی روی پانل جعبه نصب می‌شوند. کلید روشن/خاموش و ترانس و فیوز مدار هم در داخل جعبه‌ی پلاستیکی (عایق ولتاژ برق شهری) نصب می‌شوند و ولتاژ 9 ولتی را توسط دو قطعه سیم تلفنی به مدار می‌برند. خوب است که پتانسیومترها به شاخص مدرّج مجهز شوند تا پیدا کردن مجدد تنظیمات آسان باشد. با انتخاب متناسب مقاومت‌های 26 و 27 می‌توان ترتیبی داد که میانگین بهینه برای حس‌کردن ناهمواری تقریباً در وسط شاخص مدرج پتانسیومتر 2 قرار گیرد. برای این که عوض کردن این مقاومت‌ها ساده باشد، آن‌ها نه بر روی فیبر مدار چاپی، بلکه به اتصالات این پتانسیومتر لحیم می‌شوند. در ابتدای تنظیم می‌توان حتی آن‌ها را توسط دو قطعه سیم کوتاه پل کرد و از مدار خارج نمود.

    .

    طرح فیبر مدار چاپی پیشنهادی برای مونتاژ مدار سد کلام

    تصویر 8: طرح فیبر مدار چاپی پیشنهادی برای مونتاژ مدار

    .

    راهنمای چینش افزاره ها روی فیبر مدار چاپی و اتصال های بیرونی مدار سد کلام

    تصویر 9: راهنمای چینش افزاره‌ها روی فیبر و اتصالات به اجزایی که روی پانل دستگاه نصب می‌شوند

    .

    تنظیم تریمر 14 بر اساس اطلاعات ذکر شده روی شماتیک‌های 4 و 5 انجام می‌شود. این تنظیم با شماتیک 4 آسان‌تر است، زیرا حساسیت به وقفه بخصوص از پیش با مقدار داده شده برای مقاومت 15 تعیین شده است. بنابراین فقط کافیست که ابتدا در حضور کلام، پتانسیومتر 1 طوری تنظیم شود که نمایشگر وقفه گاه‌گاه (مثلاً با مکث پایان جمله) روشن شود. سپس فقط می‌ماند تنظیم پتانسیومتر 2 که با سعی و خطا، به صورت متناوب روی بهترین حالت مصالحه بین کلام و موزیک تنظیم می‌گردد. احتمالاً بشود مقاومت‌های 26 و 27 طوری تغییر داده شوند که بازه‌ی تنظیم پتانسیومتر 2 به حدی که واقعاً در عمل لازم هست، محدود و منحصر شود.

    یک مرحله‌ی دیگر بهبود‌بخشی را هم می توان با تغییر دادن مقادیر دیگر پشت سر گذاشت. با وجود این که این مدار در طول هفته‌ها تلاش و تجربه با کلام‌ها و موسیقی‌های مختلف به این‌جا رسیده، اما تجربه و اصلاح آن هنوز به نقطه‌ی نهایت نرسیده است و مدار نهایی ممکن است دربردارنده‌ی اصلاحات و بهبودهای بیش‌تری هم بشود.

    البته تجربیات در این مسیر فقط وقتی می‌توانند سودمند باشند که حداقل گاه‌گاه یک سری آزمایش‌های دقیق عملیاتی روی مدار صورت گیرد. برای این آزمایش‌ها وجود یک سیگنال ژنراتور که دارای یک ورودی برای مدولاسیون دامنه باشد، مفید است. وقتی که چنین ژنراتوری روی فرکانسی بین 1 و 2 کیلوهرتز به کار انداخته شود و با فرکانسی در حدود چند هرتز به صورت عمیق مدوله شود، می‌توان نوسان‌هایی مانند آنچه که در تصویر 10 نمایش داده شده را مشاهده نمود. در این‌جا فرکانس مدولاسیون طوری تنظیم شده است که زمان نزول منحنی مشخصه تقریباً 10 میلی‌ثانیه باشد. در تصویر 10 منحنی وسطی  نماینده‌ی ولتاژ کلکتور ترانزیستور 6 است، و می‌توان تشخیص داد که این ترانزیستور پس از درک وقفه به حالت هدایت می‌رود. منحنی زیرین نمایشگر ایجاد پالس ناهمواری روی ولتاژ کلکتور ترانزیستور 8 بر اثر نزول سریع دامنه‌ی سیگنال است.

    .

    سناریوهای مختلف واکنش مدار به سیگنال ورودی

    تصویر 10: واکنش آشکارسازهای وقفه (وسط) و ناهمواری (پایین) به روند سریع پایین‌رفتن یک سیگنال ورودی (بالا)،  تصویر 11: هنگامی که یک نویز زمینه‌ای وجود داشته باشد، هیچ وقفه‌ای تشخیص داده نخواهد شد، اما روند سریع پایین‌رفتن یک سیگنال ورودی می‌تواند همچنان توسط یک آشکارساز ناهمواری شناسایی شود (پایین)، تصویر 12: هنگام وجود یک روند کند پایین‌رفتن سیگنال ورودی، تشخیص وقفه همچنان بدون نقص کار خواهد کرد (وسط)

    .

    در تصویر 11 با سیگنال ورودی استفاده‌شده‌ی قبلی (اسیلوگرام بالایی) یک ولتاژ متناوب ضعیف دارای فرکانس متفاوت (به عنوان نویز زمینه‌ای) مخلوط شده است. آشکارساز وقفه (منحنی وسطی) جواب نمی‌دهد، اما یک پالس ناهمواری (منحنی پایین) هنوز به دست می‌آید، البته با تداوم کوتاه‌تر اما با دامنه‌ی کافی. تصویر 12 نهایتاً با اسیلوگرامی را با سرعت انحراف اشعه‌ی کم اسیلوسکوپ روند آرام پایین‌رفتن (در حدود 30 میلی‌ثانیه) در خاتمه‌ی یک سیگنال صوتی را نشان می‌دهد. آشکارساز وقفه (وسط) عمل می‌کند، در آشکارساز ناهمواری اما فقط یک ایمپالس بوجود آمده، اما دامنه‌ی آن برای مسدود کردن سیگنال هنوز کافی نیست.

    رسیدن به تشخیص ایده‌آل و بی‌نقص، اما، حتی با مدار بهبودیافته نیز مقدور نیست. در برنامه‌های موسیقی روزمره و معمولی (آواز با همراهی آرام گیتار، موسیقی الکترونیکی با اصوات مقطع)  موسیقی در کمابیش 5درصد زمان اجرا قطعه‌های موسیقایی حضور دارند که تا 20درصد به عنوان کلام شناسایی می‌شوند و به این علت به دفعات قطع و مسدود می‌شوند. از  سوی دیگر، متنی که روی موسیقی با ولوم بالا خوانده می‌شود، به عنوان کلام تشخیص داده می‌شود. در این‌جا استفاده ار مدار به صورت نیمه‌خودکار به یاری می‌آید، به این ترتیب که ابتدا حساسیت به ناهمواری با پتانسیومتر 2 دوباره به حالت نرمال برگردانده شود. تجربه نشان داده که این امکان تغییر دادن حساسیت البته به ندرت ضرورت پیدا می‌کند، اما امکانی بسیار موثری و مطلوبی است.

    مشاهدات نشان داده که زبان آلمانی مانند دیگر زبان‌های اروپای شمالی و زبان‌های اسلاوی برای این کاربرد دارای یک «فاکتور ناهمواری» واقعاً خوب می‌باشند. زبان فرانسوی، اما، به علت به هم چسبیدن کلمات در هنگام بیان کمتر مناسب است. در زبان‌های جنوب اروپا که انتهای واژه‌ها اغلب با حروف صدادار پایان می‌یابند فاکتور ناهمواری خوبی دارند، که حتی در ادای خیلی سریع کلام هم همچنان نتایج قابل‌استفاده و خوبی به دست می‌دهند.

    .

    امکانات در سمت فرستنده

    طبعاً تفکیک کلام از موسیقی خیلی آسان‌تر می‌شد اگر در سمت فرستنده برای آن کاری صورت می‌گرفت. یک بار ده‌ها سال پیش چنین چیزی وجود داشت-البته به صورت مطلقاً اتفاقی.

    .

    از طریق این برآمدگی ها و تورفتگی ها در منحنی مشخصه ها یک فرستنده ی سخن پراکنی رادیویی با مدولاسیون دامنه ناخواسته قادر به تشخیص کلام از نوا شده بود

    تصویر 13 –  از طریق این برآمدگی‌ها و تورفتگی‌ها در منحنی مشخصه‌ها، یک فرستنده‌ی سخن‌پراکنی رادیویی قدیمی با مدولاسیون دامنه، ناخواسته قادر به تشخیص کلام از نوا می‌شد

    .

    در یک ایستگاه فرستنده هنگام تبدیل (Fade over) از تقویت‌کننده‌ی میکروفن (کلام) به تقویت‌کننده‌ی پیکاپ (ورودی موسیقی)، تغییرات ولتاژهای مستقیمی ظهور کردند که مشخصاً به دلیل متفاوت‌بودن ولتاژ تغذیه‌ی دو تقویت‌کننده نسبت به هم پیدا شده بودند. این تغییرات چنان آرام و با تأنی اتفاق می‌افتادند که اصلاً قابل شنیدن نبودند؛ با این حال انتقال آن‌ها از طریق خازن کوپلاژ به تقویت‌کننده‌ی مدولاسیون فرستنده، مانند تصویر 13، سبب بروز یک فرورفتگی و برآمدگی روی موج حامل فرستنده می‌شد. چون ثابت‌زمانی آن‌ها بزرگ‌تر از ثابت‌زمانی مدار «کنترل خودکار بهره AGC» بود، حضور آن‌ها سبب انحراف ولتاژ کنترلی می‌گردید که با استفاده از آن می‌شد مستقیماً یک فلیپ‌فلاپ را تحریک کرد، که آن نیز به نوبه‌ی خود به یک سد کلام فرمان بدهد. شوربختانه این سعادت عمر زیادی نداشت، چرا که آن ایستگاه فرستنده خیلی زود به تجهیزات روزآمد استودیویی مجهز شد که در همه حال از ولتاژ ثابت و یکنواختی برخوردار بودند.

    به کارگیری دوباره‌ی این موضوع نه تنها متصّور، بلکه حتی بسیار عملی و آسان نیز هست. در این صورت، در گیرنده استفاده از فقط یک مسدودکننده و یک فلیپ‌فلاپ کافی خواهد بود.

    .

    بخش پیشین

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    به نجوای مرموز آب گوش فرا دهیم!.

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-04-24 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • سد کلام الکترونیکی – بخش 1

    سد کلام الکترونیکی – بخش 1

    معرفی یک راه حل سخت‌افزاری آنالوگ برای تشخیص و جداسازی گفتار از موزیک زمینه، و یا تفکیک آواز و ترانه از موسیقی همراه، یک راه حل الکترونیکی خالص برای یک مسأله‌ی بسیار ویژه سد کلام یا جداساز صدا از موسیقی

    .

    .

    پیش از هر چیز لازم است یادآوری کنم که چون عملاً در زمینه‌ی ادبیات موسیقی هیچ فرهنگ واژگان فارسی وجود ندارد (یا من نیافتم) و اصطلاحات موسیقی در ایران عمدتاً به همان شکل لاتین مورد استفاده قرار می‌گیرند، من به سلیقه‌ی خودم برای اصطلاحات و واژه‌های فرهنگ موسیقی، که در اصل آلمانی این مقاله به کار برده شده بودند، معادل‌هایی به فارسی انتخاب کردم. من به خود چنین اجازه‌ای دادم زیرا در این‌جا نه مستقیماً با موسیقی، بلکه با یک «موضوع فنی» در حوزه‌ی صدا و موسیقی سر و کار داریم، و ترجیح دادم که در توضیحات فنی خود برای درک بهتر مطلب از واژه‌های فارسی استفاده کنم.

    .

    طرح مسأله و راه‌حل‌ها

    گوش‌فرادادن به موسیقی منتشره از ایستگاه‌های فرستنده به عنوان «صدای زمینه» هنگامی آرامش‌بخش است که چُرت شنونده دایم توسط کلمات و گفتارهای گویندگان و آگهی‌های تجارتی پاره نشود! بدین جهت، تمایل به داشتن یک «سد کلام خودکار»، عمری به درازای خود سخن‌پراکنی رادیویی دارد. برای تشخیص و تفکیک کلام از موسیقی راه‌حل‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری وجود دارند. در این‌جا یک راه الکترونیکی خالص بررسی می‌شود.

    اما پیش از ورود به موضوع، چند نمونه از جداسازی کلام و موسیقی به عنوان نمونه ارایه می‌شود:

    .

    نوع قطعه کامل کلام موسیقی
    ترانه بیا زندگی کنیم سینا حجازی آهنگ پاپ
    سرود ای ایران غلامحسین بنان مارش
    دکلمه شعر از آب‌ها به بعد خسرو شکیبایی موسیقی زمینه‌ای
    ترانه سرود دو صدایی بوی جوی مولیان بانو مرضیه و غلامحسین بنان ارکستر
    ترانه عروس محمد نوری آهنگ پاپ

    .

    از مدت‌ها پیش معیارها و شاخص‌هایی شناخته شده‌اند که به وسیله‌ی آن‌ها کلام و موزیک از طریق تحلیل منحنی‌های مشخصه (Intrinsic Curve, Envelope) تا حد قابل قبولی از یکدیگر تشخیص داده می‌شوند.

    دو تا از این ملاک‌ها، یعنی روش وقفه یا مکث (Pause) و روش ناهمواری (Roughness)، در مداری که در ادامه تشریح می‌شود، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ترکیب این دو روش موجب مقداری پیچیدگی در ساختمان مدار شده، اما نرخ جداسازی را تا حد مطلوبی بالا برده است. تنظیم و کالیبراسیون سطح یا دامنه‌ی هر سیگنال ورودی آسان است، چرا که نمایش بصری با یک دیود نوری در مدار پیش‌بینی شده است. هنگام حضور کلام خالص، مدار یک سد کلامی با دقت 99% به دست می‌دهد، و در برابر وضعیتی که روی صدای آرام موسیقی صحبت شده باشد، کلام تا 90% به درستی تشخیص داده می‌شود. خطای عملکردی ممکن است روی قطعه‌های شعاری مانند موسیقی «بحر طویل» فرنگی یا «رپ» (Rap) و اجراهایی که تعداد زیادی وقفه دارند، بروز کند. در قطعات معمول موسیقی خطای عملکرد به فقط حدود 2% محدود می‌باشد.

    فوت‌وفن کاری این مدار، قطع‌کردن ارتباط ورودی به خروجی در لحظات تشخیص کلام است. این روش را که به آن «کلیدگری» نام می‌نهیم، توسط ظاهرشدن و محوشدن عمل کلید با سرعت کم صورت می‌گیرد. کل مدار با 9 ولت کار می‌کند و به راحتی می‌تواند به یک رادیو اضافه و در داخل آن جاسازی شود. تبدیل از حالت «مسدودکن» به «اجرای عادی» موسیقی امکان‌پذیر هست. هنگام کار به عنوان سد کلام، مدار تشخیص به رادیو ملحق می‌شود، با پخش یک قطعه موسیقی نامطلوب قطع می‌گردد. سپس دستگاه به طور خودکار، پس از وقفه‌ی متعاقب آن، دوباره کار خود را از سر می‌گیرد.

    .

    معیارهای تشخیص

    از لحاظ فنی ساده‌ترین روشی که برای تشخیص و تمییز میان کلام و موسیقی وجود دارد، بر فراوانی و تعدّد بروز وقفه‌ها استوار است. در موسیقی چنین وقفه‌هایی به ندرت اتفاق می‌افتد، اما در کلام و گفتار پس از حتی ادای هر واژه مکث و وقفه‌ای صورت می‌گیرد. ارزیابی و تشخیص این وقفه‌ها با استفاده از یک مدار «کلیدزنی آستانه» (Threshold Switching) و با تحلیل شکل‌موج مشخصه‌ی سیگنال صوتی امکان‌پذیر است. این مدار در آغاز یا پایان هر وقفه یک پالس کوتاه (از نظر زمانی) تولید می‌کند. با انتگرال‌گیری از این پالس یک ولتاژ مستقیم به دست خواهد آمد که مقدار آن با فراوانی وقفه‌ها رابطه‌ی مستقیم دارد و به وسیله‌ی همین ولتاژ است که تقطیع سیگنال صدا و حذف کلام از آن کنترل و اجرا می‌شود.

    این سامانه موسیقی را فقط هنگامی به درستی تشخیص می‌دهد که آستانه‌ی کلیدزنیِ مدارِ آشکارسازوقفه پایین‌تر از سطح اجرایی که در موسیقی به آن «خیلی نرم» (Pianissimo) می‌گویند، صورت پذیرد. در این صورت، کلام فقط وقتی تشخیص داده می‌شود که سطح نویزهای زمینه‌ای متناسباً در سطح پایینی قرار داشته باشد. در گزارش‌های خبری که همراه با سروصدای خیابان تهیه می‌شوند، یا در میدان‌های ورزشی با همراهی موسیقی با گفتار، نویزها و اختلالات صوتی دیگر، این روشِ تشخیص از عهده‌ی انجام وظیفه‌ی خود برنخواهد آمد.

    در «روش ناهمواری» بر «فرآیند طنین» (Reverbration Process) یا به عبارت دیگر «میرایی صوت» موسیقی تمرکز می‌شود که بخشی در آلات موسیقایی (میرایی در تارهای مرتعش و سطوح تشدیدگر)، و بخشی در محیط و فضای اجرا (ساختار سالن کنسرت) اتفاق می‌افتد و با این ویژگی‌ها از کلامی که مستقیم جلوی میکروفن بیان می‌گردد، متمایز می‌شود. نظر به این که این فرآیندِ طنین و میرایی روندی نمایی (به معنای ریاضی آن) دارد، در کاربردهای فنی باید ابتدا منحنی مشخصه‌ی آن را توسط یک تقویتکننده‌ی لگاریتمی به حالت خطی (Linear) درآورد و سپس باید از فرآیندهای نوسانی مشتق گرفته شود و حاصل آن طوری فرآوری شود که به محض تجاوز از یک سرعت نزول تعریف شده، پالسی تولید شود. با انتگرال‌گیری از پالسی که به این صورت ایجاد شده است، دوباره یک ولتاژ مستقیم به دست می‌آید که با افزایش «ناهمواری» اجرا، بالا می‌رود و با آن فرمان کلیدزنی و قطع صادر می‌شود.

    روش ناهمواری به نظر تردید برانگیز می‌رسد، زیرا اغلب دیده می‌شود که برخی از هنرمندان از دیگران بسیار نزدیک‌تر به میکروفن صحبت می‌کنند یا می‌خوانند. همچنین، تعداد کمی از سازهای طنین‌دار از قبیل فلوت، ابوا، و سازدهنی در نزدیکی میکروفن نواخته می‌شوند، و در سازهای الکترونیکی که اصولاً نه میکروفنی در کار است و نه طنینی.

    پس روش ناهمواری فقط وقتی قابل استفاده است که از پیش دقت شده باشد که آیا این «ناهمواری موسیقایی» در عمل همراه با نویز زمینه‌ای واقعاً شدید همراه است. یعنی، کافیست که هنگام معاینه‌ی ناهمواری سیگنال صوتی، محدودیت تا حدی اِعمال شود که ناهمواری فقط بتواند از مقداری پایین‌تر از یک سطح سیگنال تشخیص داده شود.

    چون ناهمواری فقط وقتی کلیدزنی و قطع را به راه می‌اندازد که به دفعات اتفاق بیفتد، این روش در زمان حضور طنین خیلی قوی و در برابر کلامی که دارای وقفه‌های زیادی باشد، بی‌اثر و غیرقابل استفاده می‌شود. در اینجا استفاده‌ی کمکی از روش وقفه به انجام مقصود کمک خواهد کرد. با چنین کاربرد ترکیبی می‌توان آستانه‌ی کلیدزنی آشکارساز وقفه را پایین‌تر قرار داد و بدین وسیله از بروز عمل قطع، در حالی که صدای موزیک خیلی کم شده باشد، پیش‌گیری کرد. تنظیم دقیق حساسیت به وقفه و ناهمواری وقتی ساده‌تر می‌شود که حالت کار کلیدزنی مدار توسط یک دیود نوری نمایش داده شود.

    .

    مدار با روش وقفه یا مکث

    سد کلامی که در بالا تشریح شد به این شکل به کار گرفته می‌شود: این دستگاه بین خروجی آشکارساز صدای یک دستگاه معمولی سخن‌پراکنی (مانند گیرنده رادیو) و ورودی یک تقویت‌کننده‌ی صوتی وصل می‌شود. چون قله‌ی ولتاژ سیگنال در خروجی آشکارساز فقط چند صد میلی‌ولت است، و در ارتباط با موسیقی باید روی دینامیکی در حدود 40 دسی‌بل حساب کرد، بایستی در این مدار ضریب تقویتی در حدود 50 دسی‌بل پیش‌بینی شود، زیرا در غیر این صورت ولتاژ سیگنال موسیقی‌های خیلی آرام (از نظر بلندی صدا) همچنان زیر ولتاژ پیشروی دیودهایی که در بخش منظم‌کننده‌ی منحنی مشخصه به کار برده شده‌اند، قرار می‌گیرد.

    تصویر 1 نشان می‌دهد که برای تقویت اولیه‌ی سیگنال ورودی یک تقویت‌کننده‌ی عملیاتی به کار برده شده است. فرکانس مرزی پایین از طریق انتخاب مقدار ظرفیتی صحیح برای خازنهای 1 و 2 و 3  روی 100 هرتز قرار داده شده است، و همزمان روی همین تقویت‌کننده‌ی عملیاتی شبکه‌ی جبران فرکانس موجود، افت تقویت را از فرکانس تقریباً 3 کیلوهرتز آغاز می‌کند. این محدود‌کردن بازه‌ی فرکانسی، تشخیص وقفه‌ها را در شرایطی که فرکانس‌های نامطلوب خیلی بم (مثلاً 50 هرتز برق شهر) یا خیلی زیر (صداهای سوت‌مانندِ هم‌پوشانی‌شده با موزیک) حضور داشته باشند، بهبود می‌بخشد. در حالت کارکرد عادی، به نظر می‌رسد که سیگنال خروجی تقویت‌کننده‌ی عملیاتی به شدت بر اثر «فرا-رانش»  یا اوور درایو (Over Drive) دچار اعوجاج و شکستگی شده باشد. اما جای نگرانی نیست، چرا که در این‌جا فقط باید وقفه‌ها تمیز داده شوند، و اعوجاج‌های ناشی از وقفه‌ها در سیگنال ورودی اهمیتی ندارند و قابل چشم‌پوشی هستند.

    .

    مدار یک سد کلام بر اساس روش وقفه. ولتاژهای داده شده در حالت بدون سیگنال ورودی اندازه گیری شده اند

    تصویر 1: مدار یک سد کلام بر اساس روش وقفه

    مقادیر ولتاژی نوشته شده روی این شماتیک در حالت بدون سیگنال ورودی اندازه‌گیری شده است

    .

    یکسوسازهای سیگنال شامل دیودهای 1 و 2 روی خازن 9 یک ولتاژ منفی ایجاد می‌کنند که ترانزیستور 2 را به حالت قطع می‌برد. فقط در حضور یک وقفه در سیگنال، ولتاژی که از پیش، روی مقاومت 9 قرار دارد، می‌تواند فعال شده و ترانزیستور 2 را به حالت هدایت ببرد. همچنین ترانزیستور 4 از طریق مقاومت 11 جریان بیس دریافت می‌کند و سبب روشن‌شدن دیود نوری 1 می‌شود. برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌توان این دیود نوری را توسط کلید 1 بیکار کرد. تغییر ولتاژی که در پایان وقفه روی مقاومت 11 باقی می‌ماند، پس از مشتق‌گیری و یکسوسازی (توسط خازن 10 و دیودهای 3 و 4) به یک ایمپالس تبدیل می‌گردد که در خازن 13 ذخیره می‌شود.

    ابتدا وقتی که هیچ وقفه‌ی دیگری پیدا نشود، بار ذخیره شده در خازن 13 می‌تواند در مقاومت 15 تخلیه شود. در مقابل، در صورت بروز پالس‌های وقفه‌ی مداوم و متراکم، خازن 13 همچنان شارژشده باقی می‌ماند.

    پس از صاف‌کردن نویز صوتی ناشی از کلیدزنی توسط مدار فیلتر شامل خازن 12 و تریمر 14، ولتاژ کلیدزنی به پایه‌ی گیت ترانزیستور 1 می‌رسد. پایه‌ی «چشمه» (Source) این ترانزیستور از طریق مقاومت‌های مقسّم ولتاژ 5، 6 و 7 یک ولتاژ اولیه دریافت می‌کند که با حضور آن ترانزیستور مذکور فقط وقتی هادی می‌شود که ولتاژ گیت آن نسبت به زمینِ مدار به حدود مثبت 5 ولت رسیده باشد. ولتاژ متناوب ورودی از طریق مقاومت 4، خازن 5 و مقاومت 8 به پایه‌ی «منفذ» (Drain) ترانزیستور 1 می‌رسد. با تنظیم مقاومت 8 روی صفر اهم سرکوب کلام به بیش‌ترین حد خواهد رسید، زیرا در این وضعیت فقط مقاومت داخلی این ترانزیستور (مقاومت اشباع) با مقاومت 4 یک شبکه‌ی مقسم ولتاژ ایجاد می‌کند. تا موقعی که ترانزیستور 1 مسدود باقی بماند، این مقاومت داخلی عملاً بینهایت است و سیگنال صوتی می‌تواند بدون تضعیف قابل اعتنایی از طریق خازن های 5 و 8 به بیس مدار مبدل امپدانس (ترانزیستور 3) و از امیتر آن به خروجی برود. با پدیدار شدن وقفه‌های فراوان، ولتاژ گیت ترانزیستور 1 کم‌کم بالا می‌رود (این ولتاژ توسط خازن 12 صاف می‌شود). مقاومت داخلی ترانزیستور 1 به همین نسبت به آرامی پایین می‌آید تا به حدود 100 اهم می‌رسد و سیگنال صوتی تا تقریباً 50- دسی‌بل تضعیف می‌شود. تضعیف کمتر از این (شنیدن صدای ضعیف کلام) هم امکان‌پذیر هست، در صورتی که مقاومت 8 متناسباً تنظیم شده باشد. ممکن است عجیب به نظر برسد که تحت هیچ شرایطی ولتاژ مستقیم روی ترانزیستور 1 قرار نمی‌گیرد: اما به علت ساختار قرینه‌ی ترانزیستور اثر میدان، کارکرد با یک ولتاژ متناوب خالص کاملاً ممکن می‌باشد. اعوجاج در سیگنال صوتی در صورتی ممکن است بوجود آید که دامنه‌ی سیگنال ورودی خیلی زیاد باشد. بنابراین، مقدار قله‌ای ولتاژ ورودی باید کمتر از 1 ولت باشد.

    اگر یک تون صوتی یکنواخت را به ورودی مدار بدهیم و خروجی آن به یک آمپلی‌فایر رفته باشد، نحوه‌ی کار مدار را می‌توان به خوبی ملاحظه کرد. وقفه‌ها را می‌توان با اتصال سریع و لحظه‌ای ورودی مدار یکسوساز سیگنال به زمین، شبیه‌سازی کرد: در پی این عمل، نمایشگر بصریِ وقفه روشن خواهد شد. اما پخش سیگنال ابتدا هنگامی قطع خواهد شد که اتصال زمین‌کردن دو بار به سرعت پشت سر هم اتفاق بیفتد.

    حساسیت مدار با پتانسیومتر 1 تنظیم می‌شود، طوری که با صحبت‌کردن در میکروفن تا جای ممکن نمایشگرِ وقفه هر چه بیشتر چشمک بزند. سپس همین وضعیت با موزیک خالص امتحان می‌شود: حتی با صدای خیلی کم هم نباید وقفه‌ای توسط مدار تشخیص داده شود. طبعاً برای رسیدن به این مقصود پتانسیومتر 1 باید بازتنظیم شود. این مدار به ویژه برای دریافت موج اف.ام. ایستگاه‌های محلی مناسب است، زیرا با دریافت سیگنال‌های رادیویی که فش‌فش و نویز فراوانی دارند، هیچ وقفه‌ای تشخیص داده نخواهد شد. در چنین حالتی البته می‌توان پتانسیومتر 1 را طوری تنظیم کرد که آستانه‌ی وقفه بالای سطح نویز قرار گیرد، اما با موزیک با صدای کم، مدار انتقال صدا را قطع می‌کند.

    .

    کاربرد روش ناهمواری

    اصول کار این مدار ابتدا در مدار بلوکی زیر (تصویر 2) نشان داده شده است و بلوک‌های کاری 1 و 2 با طبقاتی که در تصویر 1 نامگذاری شده‌اند تطابق دارند. در این‌جا پتانسیومتر 8 همان عملی را انجام می‌دهد که پتانسیومتر 2 در تصویر 2.

    .

    نقشه بلوکی سد کلام

    تصویر 2: دیاگرام بلوکی یک سد کلام با روش ناهمواری

    .

    آماده‌سازی سیگنال ناهمواری با یک طبقه تقویتکننده – محدودکننده‌ی لگاریتمی آغاز می‌شود. چون در موسیقی اغلب چند فرآیند صوتی یکدیگر را پوشش می‌دهند، و ارتفاع صدای آن‌ها با روندی تقریباً نمایی (اکسپوننشیال) میرا می‌شود، استفاده از یک تقویت‌کننده‌ی لگاریتمی خالص هیچ بهبودی ایجاد نمی‌کند.

    در تصویر زیر (تصویر 3) سیگنال ضروری برای تعیین سرعت میرایی نمایش داده شده است. تصویر از یک شکل موجی که به صورت نمایی میرا می‌شود (شکل موج 3-الف)، آغاز شده، که با محدودکردن لگاریتمی به صورت خطی درمی‌آید (شکل موج 3-ب). قلّه‌های تیز انتهای موجها به واسطه‌ی این محدودسازی انحنا پیدا می‌کنند و گِرد و پَهن می‌شوند. برای تعیین سرعت نزول منحنی مشخصه حالا باید این سیگنال یکسوسازی شود. مدار فیلتر صاف‌کننده، که بلافاصله به دنبال مدار یکسوساز قرار دارد، باید دارای ثابت‌زمانی (du/dt) کوچکی باشد تا ولتاژ خروجی آن واقعاً و در عمل با قله‌های سیکل‌های موج هماهنگ باشد و آن‌ها را نمایندگی کند. با چنین ثابت‌زمانی کوتاهی در مدار صافی، یکسوسازی نیم موج (تصویر 3-پ)، حداقل در فرکانس‌های پایین و بم، ولتاژ ریپلی (Uw) ایجاد می‌شود که در حضور یک تُن صوتی دایمی می‌تواند شبهه‌ی وجود یک ناهمواری شدید را به وجود آورد. در نتیجه، لازم است که یکسوسازی به صورت تمام موج صورت پذیرد (تصویر 3-ت). دامنه‌ی ریپل در خروجی این مدار ولتاژ بسیار کمتری دارد و فرکانس آن دو برابر است که با امکانات ساده قابل صاف کردن می‌باشد.

    .

    در روش ناهمواری ثابت زمانی مدار فیلترها باید به دقت تعیین شود زیرا در غیر این صورت باقی مانده ی ریپل ها به عنوان ناهمواری به حساب خواهند آمد

    تصویر 3: در روش ناهمواری ثابت‌زمانی شبکه‌های صافی باید به دقت تعیین شوند، زیرا در غیر این صورت ریپل باقی‌مانده به عنوان ناهمواری ارزیابی می‌شود

    .

    این تصویر همچنین نشان می‌دهد بهتر آن است که ابتدا موج را به صورت لگاریتمی محدود کرد و سپس منحنی مشخصه را ساخت. اگر این مسیر وارونه انجام شود (یکسوسازی گروه موج تصویر 3-الف) حتی ثابت‌زمانی کوتاه‌تری لازم خواهد آمد.

    ولتاژهای دارای اختلاف فاز 180 درجه‌ای که برای یکسوسازی تمام‌موج ضروری هستند، در طبقه‌ی قرینه‌ساز (طبقه‌ی 4 در تصویر 2) تولید می‌شوند و طوری در جریان فرا-رانش قرار داده شده‌اند که عمل محدودسازی آن از نقطه‌ای در حدود 30درصدِ بیشینه‌ی ارتفاع آن آغاز شود. به این ترتیب ناهمواری فقط هنگامی می‌تواند تشخیص داده شود که: متناسباً نویز زمینه کمی وجود داشته باشد. کلامی که در نزدیکی میکروفن بیان می‌شود، با همراهی موسیقی قوی روی هم به عنوان «موسیقی» تشخیص داده خواهد شد، اما گفتار روی زمینه‌ی موسیقایی با صدای کم به عنوان «کلام» دیده خواهد شد.

    به دنبال مدار یکسوساز تمام‌موج در تصویر 2، یک فیلتر فعال برای صاف‌کردن منحنی مشخصه آمده است. از ولتاژ منحنی مشخصه در مدار آشکارساز ناهمواری مشتق گرفته می‌شود که در نتیجه‌ی آن، در صورتی که زمان میرایی سیگنالی کمتر از 20 میلی‌ثانیه طول بکشد، تغییرات ولتاژی منفی ناشی از یکسوسازی و تقویت به ایمپالس‌هایی تغییر شکل می‌یابند. با پتانسیومتر 3 می‌توان حساسیت بخش آشکارساز ناهمواری را در بازه‌ی مشخصی حفظ کرد. بدین وسیله امکان جداسازی بهینه حاصل می‌شود و یا حتی امکان تنظیم به صورت مقطعی برای بهتر شنیده‌شدن کلام و گفتاری که روی موسیقی آرامی بیان می‌شود را به دست می‌دهد. این نوع تنظیم‌ها با وجود نمایشگر دیود نوری که ایمپالس‌های ناهمواری را نشان می‌دهد، آسان می‌شود.

    فرآوری این ایمپاس‌ها با انتگرال‌گیری از آن‌ها ادامه پیدا می‌کند که اثر آن با یک «شمارش حافظه» قابل قیاس است، طوری که طبقه‌ی مسدودکننده باز هم تنها وقتی فرمان می‌گیرد که ناهمواری با فراوانی کافی بروز کند.

    .

    مدار با روش ناهمواری

    در تصویر زیر (تصویر 4) مدار شماتیکی آن بلوک‌های مداری که در تصویر 2 ترسیم شده بودند، در درون خط‌چین‌هایی مشخص شده‌اند. عمل محدودسازی لگاریتمی را یک تقویت‌کننده‌ی عملیاتی بر عهده دارد که در مسیر بازخور آن دو دیود 1 و 2 به صورت «ضدموازی» (آنتی‌پارالل)  قرار دارند. به علت ظرفیت پایین خازن‌های کوپلاژ و دکوپلاژ (خازن‌های 1، 3 و 6) فرکانس‌های بم تا آن‌جا تضعیف می‌شوند که نتوانند به اشتباه به عنوان ناهمواری ارزیابی شوند.

    .

    در این مدار مسدود کردن کلام بر اساس روش ناهمواری صورت می گیرد

    تصویر 4: در این مدار روش ناهمواری برای تشخیص کلام به کار رفته است

    .

    میزان تقویت‌کنندگی و بازه‌ی فرا-رانش توسط مقادیر مقاومت‌های مقسّم ولتاژ 7 و 8 در مدار تقویت‌کننده‌ی پوش-پول شامل ترانزیستورهای 2 و 3 تعیین می‌شود. به دنبال مدار یکسوساز منحنی مشخصه (دیودهای 3 و 4) یک مدار «فیلتر فعال» قرار دارد که در ساختمان آن، به‌کارگیری تنها یک مدار تعقیب‌کننده‌ی امیتر یا «امیتر پِیرو» (Emitter Follower) کفایت کرد. افزاره‌هایی که تولرانسی معادل یا بهتر از 10± درصد داشته باشند در این مدار نتیجه‌ی مطلوب را به دست خواهند داد.

    آشکارساز ناهمواری (ترانزیستور 6) توسط پتانسیومتر 3 و مقاومت 25 در حالت «آستانه‌ی تحریک» قرار می‌گیرد، طوری که در حالت بیکاری در محدوده‌ی اشباع قرار داشته باشد. هنگامی که از طریق خازن 12 یک تغییر مثبت در منحنی مشخصه‌ی به آشکارساز می‌رسد، ترانزیستور 6 فقط مقداری بیش‌تر اشباع می‌شود؛ پس ولتاژ کلکتور آن عملاً برابر صفر باقی می‌ماند. اما با ورود یک تغییر منفی در منحنی مشخصه (روند خاتمه‌ی صوت، پایین رفتن دامنه‌ی صدا)، بر خلاف حالت قبل، ترانزیستور 6 برای مدت کوتاهی به حالت قطع می‌رود و مسدود می‌شود. در این میان، پالس مثبتی که روی کلکتور پیدا می‌شود، خازن 16 را شارژ می‌کند و سپس، همان طور که در تصویر 1 نشان داده شده است، برای فرمان و کنترل به ترانزیستور 1 فرستاده می‌شود. این پالس، همزمان، دیود نوری را نیز از طریق ترانزیستور 5 به راه می‌اندازد. پس از مدار امیترپِیرو ترانزیستور 7 یک مسیر کم‌اهم برای عبور سیگنال صوتی در اختیار قرار دارد.

    در این‌جا تنظیم و کالیبراسیون دستگاه دشوارتر از مدار با روش وقفه است، زیرا پتانسیومترهای 1 و 3 و تریمر 14 همگی باید به درستی تنظیم شوند. به‌کار‌گیری یک اسیلوسکوپ و یک مولّد سیگنال، در بهترین حالت با خروجی موج مثلثی، در این‌جا ضروری است. برای ساده‌کردن روند تنظیم، ابتدا خازن 8 را در مدار لحیم نمی‌کنیم. پس از قرار‌دادن سیگنال مثلثی یا سینوسی (در حدود 2 کیلوهرتز و دامنه‌ی 1 ولت موثر) به ورودی مدار، می‌توانیم با چرخاندن کامل پتانسیومتر 1 در خروجی تقویت‌کننده‌ی عملیاتی محدودشدن لگاریتمی سیگنال را مشاهده کنیم. با مقایسه‌ی این سیگنال با سیگنال روی کلکتور ترانزیستور 2، می‌توان پتانسیومتر 1 را طوری تنظیم کرد که مدار متقارن‌کننده در آستانه‌ی ورود به حالت فرا-رانش قرار گیرد.

    حالت تنظیم‌شده‌ی تریمر 14 در اسیلوگرام تصویر 5 ملاحظه می‌شود.

    .

    سیگنال مثلثی در ورودی ابتدا مانند تصویر وسط محدود و یکسوسازی تمام موج می شود اما بر اثر تنظیم غلط به صورت شکل موج پایینی درمی آید

    تصویر 5: سیگنال مثلثی که به ورودی مدار داده شده، ابتدا محدود و سپس به یک یکسوساز تمام‌موج فرستاده می‌شود (وسط). این مدار، در صورت تنظیم ناقص، به صورت متقارن کار نمی‌کند و در نتیجه چرخه‌های موج به صورتی در‌می‌آید که در گراف زیرین دیده می‌شود

    .

    سیگنال مثلثی ورودی به مدار در اسیلوگرام بالایی نشان داده شده است. در زیر آن شکل ولتاژی که با تنظیم درست تریمر 14 در خروجی یکسوساز تمام‌موج (کاتود دیودهای 3 و 4، بدون خازن 8) به دست آمده است، مشاهده می‌شود. معمولاً پس از یکسوسازی یک سیگنال مثلثی، یک سیگنال مثلثی دیگر با فرکانس دو برابر به دست می‌آید، تصویر 5 دو برابرشدگی فرکانس را نشان می‌هد، اما فُرم مثلثیِ سیگنال به علت محدودشدگی لگاریتمی به شدت دچار تغییر شده است. در بخش پایین این تصویر حالتی نمایش داده شده که تنظیم تریمر 14 ناکافی بوده است. قله‌ی ولتاژ روی کلکتور ترانزیستورهای 2 و 3 دارای ارتفاعات متفاوت و مقداری اختلاف دامنه هستند. اساساً تنظیم این «آفست» توسط تریمر 14 با حضور خازن 8 هم امکان‌پذیر هست، اما بارگزاری ناشی از وجود این خازن، کالیبره‌کردن مدار تقارن را دشوار می‌کند.

    تنظیم پتانسیومترهای 1 و 3 را بهتر است به زمانِ کاربرد عملی دستگاه موکول کرد. برای این کار ابتدا با کلام خالص آغاز می‌شود و پتانسیومترها در این وضعیت تنظیم می‌شوند، طوری که دیود نوری تا حد امکان در وقفه‌ها و مکث‌ها به فراوانی روشن شود و در بقیه‌ی اوقات خاموش باقی بماند. پس از آن، با ناهموارترین موزیکی که صدای یکنواخت بلندی داشته باشد (آواز با میکروفن نزدیک به دهان همراه با موسیقی بسیار پرتحرک) ادامه داده می‌شود. با به آرامی چرخاندن پتانسیومتر 1 دیده خواهد شد که ابتدا دیود نوری بیش‌تر اوقات، و بعد اما کم‌تر و کم‌تر (محدود‌شدن در مدار تقارن) روشن می‌شود. به چرخاندن پتانسیومتر 1 تا آن‌جا ادامه داده می‌شود که پخش صدا دیگر قطع نشود. در صورتی که این وضعیت قابل دستیابی نباشد، پتانسیومتر 2 وارد کارزار تنظیم می‌شود. با نظارت بر نتیجه‌ی کار و صدای دریافتی، می‌توان دقت تنظیم پتانسیومترها را بیش‌تر و بیش‌تر کرد. در برابر تغییر سطح سیگنال ورودی (در برخی گیرنده‌های رادیو اف.ام.، سیگنال دمدوله‌شده‌ی ایستگاه‌های مختلف فرستنده ولتاژهای متفاوتی دارند) فقط پتانسیومتر 1 متناسباً تنظیم می‌شود.

    .

    بقیه در بخش دوم

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    به نجوای مرموز آب گوش فرا دهیم!

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-04-24 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • فرمان از دور از راه شبکه برق شهری

    فرمان از دور از راه شبکه برق شهری

    آشنایی با انواعی از مدارهای «مخابرات خط نیرو» و چگونگی عملکرد آن‌ها

    		 کنترل از دور با استفاده از فن آوری مخابرات خط نیرو

    .

    .

    مداری که در اینجا معرفی می‌شود، به سازنده‌ی آن اجازه می‌دهد که از راه دور یک وسیله‌ی برقی متصل به برق شهری در هر جای خانه یا محل کار را کنترل کرده و به آن فرمان دهد. این نوع سامانه‌ها را «مخابرات خط نیرو» (Power Line Communication = PLC) می‌خوانند.

    در فن‌آوری مخابرات خط نیرو یک مدار الکترونیکی که مانند یک فرستنده عمل می‌کند، به پریز برق شهر (خط نیرو) زده می‌شود و یک سیگنال حاوی اطلاعات را که روی یک فرکانس زیاد مدوله و سوار شده است، به خط نیرو تزریق می‌کند. مدار دیگری که مانند یک رادیوی گیرنده کار می‌کند، و به همان خط نیرو، اما در مکانی دیگر، وصل است، علایم مذکور را دریافت کرده، آن را آشکارسازی یا «دمدوله» می‌کند و داده‌های فرستاده شده از فرستنده را برای مقصود مورد نظر به کار می‌گیرد و هدف نهایی از ارسال علایم تحقق پیدا می‌کند.

    دستگاهی را تصور کنید که به پریز اتاق نشیمن زده شود و با فشار دادن دکمه‌ی روی آن به دستگاه دیگری در اتاق خواب یا در باغچه یا در آشپزخانه فرمان دهد. به نظر جالب می‌رسد، و واقعاً هم این یک ایده‌ی قدیمی اما کارآمد است که به کاربر امکان مخابره‌ی سیگنال در فاصله‌ی اتاق‌های منزل را با استفاده از یک فرستنده و گیرنده می‌دهد که به برق منزل متصل است و علایم خود را روی سیم‌کشی برق شهری منتشر می‌کند.

    در این نوشتار در مورد چند مدار ساده‌ی مخابرات خط نیرو  صحبت می‌کنیم که می‌توانند برای کنترل و فرمان وسایل برقی در محدوده‌ی خانه یا محل کار توسط یک جفت گیرنده و فرستنده‌ی متصل به شبکه‌ی برق به کار گرفته شوند.

    .

    فرستنده‌ی مخابرات خط نیرو

    در ساخت مدار اول که در زیر ملاحظه می‌شود، از افزاره‌های معمول مانند ترانزیستور، مقاومت، خازن و دیود استفاده شده است. بیایید ابتدا در مورد مدار فرستنده و جزییات طرز کار آن چیزهایی بیاموزیم. مدار یک فرستنده‌ی ساده در تصویر زیر دیده می‌شود.

    .

    مدار فرستنده برای کاربرد در مخابرات خط نیرو در فرکانس 100 کیلوهرتز

    .

    مدار فرستنده‌ی مخابرات خط نیرو دربردارنده‌ی یک طبقه‌ی نوسان‌گر با استفاده از ترانزیستورهای 2 و3 است که روی فرکانس کار 150 کیلوهرتز تنظیم شده است. فرکانس این نوسان‌گر توسط یک مولتی‌ویبراتور مونواستابل، که در پیرامون ترانزیستور 1 از نوع BC557 طرح‌ریزی شده، تولید می‌گردد.

    این مونواستابل از کلید S1 فرمان روشن و خاموش خود را می‌گیرد. دیودی که در مسیر این کلید قرار داده شده، فقط به نیم‌سیکل‌های منفی برق شهر اجازه‌ی عبور می‌دهد. در طول حضور این نیم‌سیکل‌ها ترانزیستور تیپ مثبت 1 به حالت هدایت می‌رود و مدولاسیونی روی فرکانس تولیدی توسط ترانزیستورهای 2 و 3 ایجاد می‌کند. سپس این فرکانس 150 کیلوهرتزی مدوله شده از طریق ترانسفورماتور 2 که به آن «ترانس کوپلاژ» می‌گوییم به سیم‌کشی ساختمان وصل می‌شود. این ترانس در گوشه‌ی پایین سمت راست مدار دیده می‌شود.

    با ورود علایم مدوله‌ی 150 کیلوهرتزی به شبکه‌ی برق، این علایم یا سیگنال‌ها در طول سیم‌کشی‌های مرتبط انتشار پیدا می‌کنند و به گیرنده‌ای که در فاصله‌ای دور به همین سیم‌کشی‌ها وصل است می‌رسند.

    .

    گیرنده‌ی مخابرات خط نیرو

    در تصویر زیر مدار شماتیک گیرنده‌ی مخابراتی خط نیرو دیده می‌شود.

    .

    مدار گیرنده ساده برای کاربرد در مخابرات خط نیرو در فرکانس 100 کیلوهرتز

    .

    مدار گیرنده با یک طبقه تقویت‌کننده شامل ترانزیستورهای 1 و 2، یک مدار یکسوساز شامل دو دیود 1N4148 و مدار صافی با ثابت‌زمانی طولانی ساخته شده است.

    تاخیری که بر اثر این ثابت‌زمانی طویل رخ می‌دهد، اثر اختلالی پالس‌های لحظه‌ای مزاحم را حذف می‌کند تا دستگاه هر اختلالی را که معمولاً روی خط نیرو بسیار فراوان است، با سیگنال فرستنده اشتباه نگیرد و عمل نکند. فرکانس 150 کیلوهرتز از طریق ترانسفورماتور 2 که در این‌جا هم به آن «ترانس کوپلاژ» می‌گوییم به مدار وارد می‌شود. دامنه‌ی این سیگنال توسط دو دیود موازی 1N4148 که معکوس هم بسته شده‌اند، در حد 0/7 ولت محدود می‌گردد تا به پایه بیس ترانزیستور ورودی آسیبی وارد نشود. سیگنال ورودی پس از این که به خوبی فیلتر شد، وارد طبقات تقویت‌کننده و آشکارساز می‌شود. طبقه‌ی یک‌سوساز که از دو دیود 1N4148 دیگر و یک خازن الکترولیت 10 میکروفاراد تشکیل یافته، فرکانس 150 کیلوهرتز ورودی را به یک ولتاژ ثابت مستقیم تبدیل می‌کند. از این ولتاژ برای راه‌اندازی ترانزیستور فرمان رله (ترانزیستور 3) استفاده می‌شود.

    رله را مدار فرمان رله به حالت گیرش یا رهایش می‌برد و وسیله‌ای که به کنتاکت‌های رله وصل باشند، با این فرمان روشن و خاموش می‌شوند. در واقع، از لحظه‌ای که کلید 1 در فرستنده زده می‌شود و در این حالت باقی می‌ماند، رله در گیرنده هم جذب می‌کند. با رها کردن کلید 1 در فرستنده، رله در گیرنده هم رها می‌کند و کنتاکت‌های آن تغییر حالت می‌دهند.

    در صورتی که همسایه‌ی شما هم چنین مدار فرمان از دوری در اختیار داشته باشد، برای جلوگیری از دریافت فرمان اشتباهی، ممکن است لازم باشد حساسیت مدار گیرنده‌ی خودی را کاهش داد. این کار با تنظیم دقیق پتانسیومتر 1 کیلواهمی انجام می‌گیرد.

    .

    ساخت

    هشدار ایمنی: در قسمت‌هایی از این مدارها ولتاژ برق شبکه 220 ولت وجود دارد. بنابراین به شما اکیداً توصیه می‌شود این دستگاه‌ها را نسازید. اما اگر به مسوولیت خودتان آن‌ها را ساختید، در تمام مراحل از راهنمایی و نظارت یک فرد متخصص و باتجربه در زمینه‌ی برق استفاده کنید. در غیر این صورت، این دستگاه‌ها را نسازید!

    این مدارها را می‌توان روی «ویروبورد» (فیبر هزارسوراخ) مونتاژ کرد. به علت وجود برق 220 ولت در مدارها، آن‌ها را حتماً باید در جعبه‌های تمام پلاستیکی نصب نمود. به استثنای دو مورد، همه‌ی قطعات استاندارد و فراوان هستند: اولی خازن‌های 1/5 میکروفاراد هستند که بجای آنها می‌توانید دو خازن 3/3 میکروفاراد 50 ولتی را سری ببندید یا به سادگی از خازن 2/2 میکروفارادی استفاده کنید. تولرانس خازن‌های الکترولیت معمولاً خیلی زیاد است و این تفاوت‌های اندک را پوشش می‌دهد. دومین افزاره‌ی غیراستاندارد ترانسفورماتورهای کوپلاژ فرکانس بالا هستند. این ترانسفورماتور در گیرنده و فرستنده مشابه است و وظیفه‌ی آن تزریق و برداشت سیگنال 150 کیلوهرتزی به و از شبکه‌ی برق است. این ترانس روی یک فریت قابلمه‌ای به قطر 20 میلی‌متر ساخته می‌شود. برای سمت 220 ولت آن 20 دور سیم لاکی 0/20  تا 0/30 میلی‌متر، و برای پیچش سمت الکترونیک 40 دور از همان سیم، همگی روی هم‌دیگر، پیچیده می‌شود.

    .

    مدارهای حرفه‌ای

    در طراحی‌های بالا از مدارهای ساده‌ای استفاده شده است که ممکن است بر اثر سیگنال‌های غریبه‌ای با فرکانس‌های نزدیک به فرکانس کار آن‌ها، یعنی فرکانس‌هایی در بازه‌ی 140 تا 155 کیلوهرتز دچار اختلال و خطای کارکرد شوند و تجهیز کنترل شونده توسط آن‌ها بی‌جهت و ناخواسته قطع و وصل شود. بنابراین قابلیت اعتماد به این مدارها در کارهای مهم و جدی و یا خطرناک مطلوب نیست.

    برای رسیدن به دقت بالا در تعیین فرکانس سیگنال و پاسخگویی فقط به سیگنال فرستنده‌ی خودی، مدار یک گیرنده را که بر اساس یک آی.سی. PLL طراحی شده است در ادامه معرفی می‌کنیم.

    .

    مدار گیرنده‌ای با آی.سی. LM567

    طرز استفاده از این مدار مجتمع در «داده‌برگ» آن به عنوان یکی از کاربردهای این آی.سی. در کنار کاربردهای دیگر آمده است.

    آی.سی. LM567 در واقع برای تشخیص و «آشکارسازی تُن» (Ton Decoder) با استفاده از فن‌آوری «حلقه‌ی قفل شده‌ی فاز» (PLL) عرضه شده است و دستگاه را قادر می‌سازد که فقط و فقط یک فرکانس مشخص را که توسط مقدارهای ظرفیتی و اهمی یک شبکه‌ی خازن و مقاومت تعیین و انتخاب شده است، پیدا کرده و به آن پاسخ دهد و تمام فرکانس‌های دیگر، از جمله فرکانس‌های نزدیک به مقدار مطلوب را ندیده بگیرد و رد کند.

    .

    مدار گیرنده با حلقه قفل شده فاز یا پی ال ال

    .

    جزییات چگونگی کارکرد این مدار را در ادامه توضیح می‌دهیم.

    مقاومت 1 و خازن 1 شبکه‌ی مقاومتی-خارنی را تشکیل می‌دهند که فرکانس کار آی.سی. 567 را تعیین می‌کند. پایه‌ی 3 این آی.سی. پایه‌ی ورودی و تشخیص دهنده‌ی فرکانس است، به این معنا که این پایه فقط فرکانسی را که توسط شبکه‌ی مقاومت 1 و خازن 1 روی آن تنظیم شده، کشف کرده و تشخیص می‌دهد. به عنوان مثال، با مقادیر داده شده روی شماتیک بالا، این فرکانس 100 کیلوهرتز است و پایه‌ی 3 آی.سی. فقط و فقط این فرکانس را برای فعال کردن خروجی برمی‌گزیند و همه‌ی سیگنال‌های دیگری را که در حدود و نزدیکی این فرکانس باشند، نادیده می‌گیرد و ردّ می‌کند.

    این ویژگی آی.سی. ما را قادر می‌سازد که فرکانس مطلوب را از فرکانس 50 هرتز برق شهر که بر آن سوار شده نیز جدا کند و خروجی مدار را در فرکانس از پیش تعیین شده به کار اندازد.

    در مدار شماتیک یک ترانس کوپلاژ با نسبت دور اولیه و ثانویه مساوری (1:1) پیش‌بینی شده است تا مدار را از ولتاژ کُشنده‌ی 220 ولت جدا کند.

    فرکانس کم برق شهر همانند «موج حامل» عمل می‌کند که فرکانس بالای فرستنده را در طول خطوط برق (خط انتقال) به سوی مقصد حمل می‌کند.

    در مدار گیرنده‌ی بالا، آی.سی. روی 100 کیلوهرتز تنظیم شده است و فرض شده که این فرکانس از جایی در نزدیکی آن در اتاق بغلی یا از طبقه‌ی بالا به شبکه‌ی برق تزریق می‌شود.

    این فرکانس 100 کیلوهرتزی می‌تواند از طریق هر مدار نوسان‌گری، مثلاً از یک آی.سی. 555 یا یک آی.سی. 4047 یا حتی از یک 567 دیگر که به صورت مولد سیگنال بسته شده باشد، به خط برق تزریق شود.

    در لحظه‌ای که سیگنال تزریق شده به شبکه برق در محدوده‌ی نزدیک به گیرنده برسد، مدار بالا فرکانس آن را کشف کرده و کشف خود را با قرار دادن پایه‌ی 8 خود در تراز منطقی صفر اعلام می‌کند.

    آی.سی.  4017 که به صورت فلیپ-فلاپ بسته شده، سیگنال پایه‌ی 8 آی.سی. 567 را دریافت می‌کند و حالت رله را تغییر می‌دهد و بار متصل به کنتاکت‌های رله را، بسته به حالت قبلی آن، روشن یا خاموش می‌کند.

    .

    فرستنده

    بهترین نوع فرستنده‌ای که برای تزریق 100 کیلوهرتز یا هر فرکانس مطلوب دیگری به شبکه‌ی برق می‌تواند در نظر گرفته شود، یک مدار نوسان‌گر پل نیم موج (Half Bridge Driver Oscillator Circuit) است. چنین مداری در شماتیک زیر دیده می‌شود.

    .

    مدار یک فرستنده ی ایده آل برای کاربرد در مخابرات خط نیرو

    .

    در این مدار باید روی خط مثبت 12 ولت یک کلید فشاری تعبیه شود تا به وسیله‌ی آن فرستنده در مواقع ضروری برای زمان کوتاهی روشن شود.

    مدار تنظیم فرکانس خازنی-مقاومتی به پایه‌های 2 و 3 آی.سی. نوسان‌گر وصل می‌شود. مقادیر داده شده روی شماتیک برای تولید فرکانس 100 کیلوهرتز نیستند. برای تعیین فرکانس نوسان مورد نظر باید از فرمول زیر استفاده کرد:

    .

    فرمول محاسبه ی فرکانس مدار تشدید خازنی مقاومتی در مدار فرستنده ی بالا

    .

    در این فرمول مقدار خازن بر حسب فاراد و مقاومت بر حسب اهم و فرکانس به هرتز است.

    نکته‌ی آخر این که این مدار توسط نگارنده ساخته نشده و بر اساس داده‌برگ آی.سی. LM567 طراحی شده است. این آی.سی. را می توان در فرکانس‌هایی تا 500 کیلوهرتز مورد استفاده قرار داد. در بسیاری از کشورهای اروپایی فرکانس مجاز برای چنین مصارفی در بازه‌ی 140 کیلوهرتز تا 148/5 کیلوهرتز  و با دامنه‌ی 116 دسی‌بل بر اساس میکروولت (116dbµV) قرار دارد. رعایت این مقررات ضرورت دارد تا به طور ناخواسته بخاری برقی همسایه را روشن نکنیم و خانه‌ی او را به آتش نکشیم.

    .

    .

    مطالب مرتبط:

     PLC–IoT چیست؟

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-03-26 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • لو اوتنس مخترع نوار کاست درگذشت

    لو اوتنس مخترع نوار کاست درگذشت

    کم‌تر از سه هفته پیش «لو اوتنس»، مخترع نوار کاست در سن ۹۴ سالگی درگذشت. این محصول تنها اختراعی نیست که این مخترع و مهندس هلندی از خود به جای گذاشته است. اوتنس در اختراع و عرضه سی‌دی صوتی نیز سهیم بود

    		 درگذشت لو اوتنس مخترع نوار کاست

    .

    .

    لو اوتنس، مخترع و مهندس هلندی روز ۶ مارس (۱۶ اسفند) درگذشت. خبر درگذشت این مخترع اما چند روز بعد رسانه‌ای شد. او به هنگام مرگ ۹۴ سال داشت.

    .

    درگذشت لو اوتنس مخترع نوار کاست

    .

    اوتنس در سال ۱۹۲۶ در هلند به دنیا آمد و با توجه به علاقه‌اش به فناوری‌های ارتباطاتی در دوران جنگ جهانی دوم رادیویی ساخته بود تا بتواند برنامه‌های متفقین را گوش کند. نوار کاست که چندین دهه یکی از “ابزارهای اصلی” برای ضبط و پخش صوت بود، از اختراعات مهم اوست.

    .

    یک ضبط صوت پرتابل با نوار ریل در سال 1959 چند سال پیش از اختراع نوار کاست یک ضبط صوت ریل استریو چمدانی در سال 1959 چند سال پیش از اختراع نوار کاست
    یک ضبط صوت ریل استریو چمدانی در سال 1959 چند سال پیش از اختراع نوار کاست

    .

    تا پیش از اختراع  نوار کاست، نوارهای مغناتیسی به صورت حلقه (ریل) بودند و حجم زیادی را اشغال می کردند. علاوه بر این، دستگاه های ضبط و پخش صدای نوارهای ریل بسیار بزرگ و سنگین، در حد یک چمدان متوسط و یا یک ساک دستی و بسیار گران‌قیمت بودند و همگان از عهده‌ی خرید چنین دستگاه‌هایی برنمی آمدند.

    کاست صوتی نوعی نوار مغناتیسی است که برای ضبط کردن آنالوگ موسیقی و صدا و پخش کردن آن به کار می‌رود. نوار کاست استاندار در سال ۱۹۶۲ میلادی توسط شرکت هلندی فیلپیس اختراع و “کاست فشرده” (Compact Cassette) نامیده شد.

    اوتنس پس از انجام پروژه‌ای که حدود ۳ سال طول کشید توانست نوارکاست را به بازار عرضه کند. نوارکاست در آن زمان به خاطر ابعاد کوچکش به سرعت به محبوبیت دست یافت.

    از آغاز دهه هفتاد میلادی که کیفیت صدای نوارکاست بهتر شد، این محصول جای خود را در سراسر جهان باز کرد و به ویژه به “رسانه” محبوب نوجوانان و جوانان بدل شد. شرکت‌ فیلیپس به همراه شرکت سونی توانست به نوارکاست شکلی استاندار ببخشد.

    اختراع واکمن که شرکت سونی آن را اختراع کرد، به بازار نوارکاست رونقی تازه بخشید و این امکان را فراهم آورد که در همه جا بتوان به موسیقی مورد علاقه خود گوش کرد، چیزی که امروز کاملا بدیهی به نظر می‌رسد. گفته می‌شود که از بدو اختراع این محصول تا کنون بیش از ۱۰۰ میلیارد کاست در سراسر جهان فروخته شده است.

    . نوار کاست و مداد-دوستان قدیمی

    .

    البته نوار کاست معضلات خاص خود را نیز داشت و گاه در دستگاه پخش گیر می‌کرد. اکثر نسل قدیمی‌ها “تعمیر و بازسازی” نوارکاست را تجربه کرده‌اند.

    نوارکاست در ایران هم در سال‌های پیش و پس از انقلاب اسلامی “رسانه‌” اصلی برای ضبط، پخش و عرضه موسیقی و دیگر محصولات صوتی بود و در تهییجات و تبلیغات مربوط به انقلاب اسلامی سال ۱۳۵۷ نقشی عمده داشت.

    البته لو اوتنس تنها نام خود را به عنوان مخترع نوارکاست به ثبت نرساند، بلکه در پروژه ساخت و عرضه سی‌دی صوتی (کمپکت دیسک) نیز سهیم بود. ناگفته نماند که در عرصه اختراع سی دی نیز دو شرکت فیلیپس و سونی با یکدیگر همکاری داشتند.

    .

    .

    مطالب مرتبط:

     

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-03-25 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • دستگاهی ساده برای اندازه گیری کیفیت خازن های الکترولیت – بخش 2

    دستگاهی ساده برای اندازه گیری کیفیت خازن های الکترولیت – بخش 2

    در بخش پیشین با «مقاومت معادل سری» خازن‌های الکترولیت آشنا شدیم و طرز ساختن دستگاه ساده‌ای را برای تعیین مقدار این مقاومت نامطلوب یاد گرفتیم، دستگاهی به نام ESR-سنج که در این بخش به ادامه‌ی شرح جزییات ساختمانی آن پرداخته‌ایم

    		 آشنایی با مدارهای نوسان گر کولپیتس تک ترانزیستوری

    .

    .

    کمی از تئوری

    بخش دوم و آخر این نوشتار را با یادآوری چند نکته در مورد اصول کاری مدارمان که در بخش اول تقدیم خوانندگان شد، به پایان می‌بریم. البته دانستن این مطالب برای کارکردن با آن دستگاه ضرورتی ندارد و خوانندگانی که با تئوری میانه‌ی خوبی ندارند، می‌توانند همین الان خداحافظی کنند!

     

    مدارهای تک‌ترانزیستوریِ نوسان‌گر (نوسان‌ساز یا اُسیلاتور) تنوع زیادی دارند و بسیار گوناگون هستند. بسیاری از نوسان‌گرها و مولدهای موج سینوسی از مدارهای تشدیدِ LC شامل خازن و القاگر استفاده می‌کنند. فقط چند نوع نوسانگر RC  (دارای مدار هماهنگی مقاومت-خازن) مانند ژنراتور تغییر فاز RC ، ژنراتور Wien–Robinson و برخی از اسیلاتورهای کریستالی (دارای کریستال کواتز) می‌توانند بدون القاگرهای اضافی کار کنند و سیگنال سینوسی تولید کنند.

    در مدارهای نوسان‌گر معمولاً یک طبقه‌ی تقویت‌کننده وجود دارد که مقداری بهره تولید می‌کند. بخشی از ولتاژ سیگنال در مدار تشدید، در فاز صحیح، به ورودی تقویت‌کننده برگردانده می‌شود (بازخور یا فیدبک). به همین جهت، گاهی لازم می‌آید که در سیگنال تولید شده در خروجی، به اندازه صفر یا 180 درجه «تغییر فاز» ایجاد گردد. از سوی دیگر، چون مدار تشدید و مدار بازخور دارای تلفات هستند، بهره‌ی تقویت‌کننده باید قادر به جبران این تلفات باشد تا نوسانگر بتواند به کار خود ادامه دهد.

    شکل زیر شرایط سیگنال را در مدار تشدید با یک «مدار تشدید سه نقطه‌ای خازنی» نشان می‌دهد. یک اسیلاتور با مدار خازنی سه نقطه‌ای به نام مخترع آن آقای ادوین هنری کولپیتس Edwin Henry Colpitts ، نوسانگر Colpitts نامیده می‌شود و می‌تواند با یک تقویت‌کننده‌ی ترانزیستوری در آرایش‌های «کلکتور مشترک»، «بیس مشترک» و یا «امیتر مشترک» کار کند.

    چنانکه دیده می‌شود، خازن مدار تشدید به دو خازن تقسیم شده، و به اصطلاح «مدار تشدید سه نقطه‌ای خازنی» بدست آمده است. چون نقطه‌ی تقسیم به زمین متصل است، دو جزء ولتاژی روی خازن‌ها در فاز مخالف یکدیگر قرار می‌گیرند.

    .

    تقسیم خازن مدار تشدید به دو خازن و ایجاد مدار تشدید سه نقطه ای

    .

    مدار نوسان‌گر کولپیتس در هر آرایشی که مورد استفاده قرار گیرد (در تصویر زیر شامل: «بیس مشترک» در سمت چپ، «امیتر مشترک» در وسط یا «کلکتور مشترک» در سمت راست تصویر)، همواره یک «مدار تشدید القاگر-خازن» را به خدمت می‌گیرند و به عبارت دیگر در همه‌ی آرایش‌ها یک «نوسان‌گر LC» است. این مدار از یک سیم‌پیچ موازی با دو خازن 1 و 2 که به صورت سری بسته شده‌اند، تشکیل یافته است. فرکانس تشدید در این مدار از فرمول زیر حساب می‌شود:

    .

    با دانستن مقدار خازن و سیم پیچ می توانیم با فرمول زیر فرکانس تشدید مدار نوسانگر را حساب کنیم

    .

    آنچه به نام CS در فرمول بالا نشان داده شده، ظرفیت کل دو خازن 1 و 2 است که به صورت سری با هم بسته شده اند.  ظرفیت کل خازنی به این صورت محاسبه می‌شود:

    .

    مقدار خازن موثر را با فرمول زیر حساب کنیم

    .

    خازن 3 عمل کوپلاژ فرکانس و دکوپلاژ (جداسازی) جریان مستقیم را انجام می‌دهد و نقشی در تعیین فرکانس کار مدار نوسان‌گر ندارد. به بیان دیگر، این خازن سد عبور جریان مستقیم است در حالی که همزمان در مقابل جریان دارای فرکانس مانند یک تکه سیم (اتصال کوتاه) کار می‌کند.

    .

    آشنایی با انواع مدارهای نوسان گر کولپیتس تک ترانزیستوری

    .

    پیش‌شرط‌های کارکرد صحیح این مدارهای نوسان‌گر عبارتند از:

    1- وجود یک تشدیدگر (رزوناتور) LC که فرکانس کار را تعیین می‌کند و روی آن فرکانس امواج سینوسی تولید می‌کند،

    2- یک بازخور مثبت (فیدبک هم‌فاز) که نوسان‌ها را برقرار نگه می‌دارد و مداومت می‌بخشد.

    .

    حال که با ترکیب‌های مختلف ساختمانی نوسان‌گر کولپیتس آشنا شدیم، نگاه دقیق‌تری به آن‌ها می‌اندازیم تا ببینیم این مدارها چطور عمل نوسان‌سازی را انجام می‌دهند.

    .

    پیکربندی بیس مشترک: در مدار تقویت‌کننده‌ی بیس مشترک هیچ اختلاف فازی میان سیگنال روی امیتر (ورودی) و کلکتور (خروجی) مدار ایجاد نمی‌شود. مدار هماهنگی یا تشدید مستقیم به خط تغذیه متصل است و سیگنال تولیدی نسبت به زمین مدار اندازه‌گیری می‌شود. جریان متناوب (نوسان‌ها) از پایه‌ی بیس ترانزیستور جداسازی (دکوپله) شده و به زمین داده می‌شوند. این کار با خازنی که میان بیس و خط صفر ولت تغذیه قرار گرفته، انجام می‌شود. خروجی این مدار که نوسان‌ها از آن برداشته می‌شوند، کلکتور ترانزیستور است. بخش کوچکی از این نوسان‌ها به شکل یک ولتاژ متناوب از نقطه‌ی تماس دو خازن 1 و 2 برداشته شده و به پایه‌ی امیتر ترانزیستور داده می‌شود. به این ترتیب یک جریان بازخورد هم‌فاز (فیدبک مثبت) در این مسیر تقویت پیدا خواهد کرد که تداوم نوسان‌سازی این مدار را ممکن می‌سازد.

    .

    پیکربندی امیتر مشترک: یکی از مشخصات شناسنامه‌ای هر تقویت‌کننده‌ی امیتر مشترک، وجود اختلاف فاز 180 درجه‌ای میان سیگنال ورودی و سیگنال خروجی آن است. بنابراین هر سیگنالی که به بیس ترانزیستور در آرایش امیتر مشترک وارد شود، با 180 درجه اختلاف فاز از کلکتور آن تحویل گرفته خواهد شد.

    بخش کوچکی از سیگنال خروجی بر روی کلکتور ترانزیستور از طریق مدار هماهنگی یا مدار تشدید LC شامل القاگر و خازن‌های 1 و2 به بیس ترانزیستور فرستاده می‌شود. چون نقطه‌ی تماس دو خازن به زمین مدار وصل شده، ولتاژ سینوسی تولید شده در دو سر دیگر این خازن‌ها در فاز مخالف همدیگر قرار خواهند داشت. به این معنا که ولتاژ خازن 1 روی بیس ترانزیستور و ولتاژ خازن 2 بر روی کلکتور ترانزیستور با هم 180 درجه اختلاف فاز خواهند داشت. اختلاف فازِ گفته‌شده در این پیکربندی، حکم بازخورد مثبت را دارد و سبب تداوم تولید نوسان‌ها خواهد شد. کوپله کردن ولتاژ بازخور به بیس از طریق خازن کوپلاژ 3 انجام می‌گیرد که عمل جداسازی گالوانیکی بین بیس و کلکتور ترانزیستور را هم بر عهده دارد.

    مقاومت‌های روی بیس ترانزیستور نقطه کار آن را تعیین می‌کنند. مقاومت روی امیتر عملکرد آن‌ها را تثبیت کرده و دامنه‌ی سیگنال خروجی را تعیین می‌کند.

    در مدار امیتر مشترک، امیتر ترانزیستور برای جریان‌های متناوب حکم زمین را دارد و هر سیگنالی روی آن پیدا شود، فوری از طریق «خازن کنارگذر» (By-Pass Capacitor) در امیتر ترانزیستور به زمین مدار اتصال کوتاه می‌شود.

    در این مدار نیز سیگنال خروجی از روی کلکتور ترانزیستور گرفته می‌شود. اما می‌توان یک پیچش دیگر روی القاگر مدار تشدید پیچید و خروجی را با امپدانس مطلوب از طریق آن دریافت کرد.

    در عمل به جای مقاومت روی کلکتور این مدار، یک القاگر با خودالقایی کافی قرار می‌دهند تا سیگنال‌های روی کلکتور ترانزیستور به خط مثبت منبع تغذیه تخلیه نشود و هدر نرود. البته استفاده از مقاومت هم امکان پذیر هست، اما، در این صورت باید مقاومت اهمی بزرگی به کار  برده شود. هر چه مقدار این مقاومت بزرگ‌تر باشد، «نقطه کار» و تعادل کاری طبقه‌ی تقویت کننده را بیش‌تر بر هم می‌زند. اما اندوکتانس یک القاگر در مقابل جریان مستقیم تقریباً هیچ مقاومتی ندارد، اما به علتِ داشتنِ مقاومت جریان متناوب زیاد، راه عبور سیگنال را سد می‌کند. علاوه بر این، چون مقدار این القاگر معمولاً خیلی خیلی بزرگ‌تر از القاگر مدار تشدید است، و با هم در مدار به صورت موازی قرار دارند، اثر فوق العاده ناچیزی بر فرکانس کار مدار دارد. زیرا، همان طور که می‌دانیم، در دو القاگر موازی، القاگر کوچک‌تر فرکانس تشدید را تعیین می‌کند.

     

    پیکربندی کلکتور مشترک: در مدار کلکتور مشترک، کلکتور ترانزیستور از نظر سیگنال‌های AC زمین شده است (باید بدانیم که از نگاه سیگنال متناوب، خط مثبت و منفی منبع تغذیه به هم وصل هستند). سیگنال خروجی از روی امیتر ترانزیستور برداشت می‌شود. بخش کوچکی از این سیگنال در فاز موافق به بیس ترانزیستور برگردانده می‌شود. این بازخور که از امیتر و از طریق مدار هماهنگی LC به بیس ترانزیستور فرستاده می‌شود، در این‌جا هم یک بازخور مثبت ایجاد می‌کند و مدار را قادر به تولید پایدار و مداوم نوسان‌های سینوسی می‌کند.

    .

    . مدار کامل سنجشگری ساده برای اندازه گیری مقدار مقاومت معادل داخلی سری خازن های الکترولیت ESR خازن ها

    .

    به طور کلی، اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم، در مدار ما از مدار نوسان‌گر کولپیتس با پیکربندی کلکتور مشترک استفاده به عمل آمده است. ضریب تقویت ولتاژ تقویت‌کننده‌ی ترانزیستوری در آرایش کلکتور مشترک تقریباً یک است و در آن چرخش فازی وجود ندارد. اما با وجود این، علی‌رغم وجود تلفات در مدار تشدید، شرط نوسان‌سازی یعنی k . Vo = 1 همچنان برقرار است، زیرا طراح ظرفیت خازنی مدار تشدید را به نحوی تقسیم کرده است که در دو خازن به نوعی «تقسیم ولتاژ مطلوب» دست پیدا کند. سپس کل ولتاژ متناوب سیگنال از طریق یک خازن کوپلاژ بزرگ به بیس برگردانده می‌شود. بخش کوچکی از این سیگنال، به عنوان سیگنال خروجی، روی مقاومت امیتر قرار می‌گیرد. این ولتاژ در ترانزیستور 2 تقویت شده و عقربه‌ی میلی‌آمپرسنج را کنترل می‌کند.

    پایان

    (بازگشت به بخش اول)

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    دستگاهی ساده برای اندازه‌گیری کیفیت خازن‌های الکترولیت – بخش 1

    خازن الکترولیت: 1- روش اندازه‌گیری ظرفیت خازن‌های الکترولیت

    خازن الکترولیت: 2- روش اندازه‌گیری ESR یا مقاومت معادل داخلی خازن‌ها

    ساخت یک آزمایش‌گر ساده برای خازن‌های ولتاژ بالا

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-03-24 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • دستگاهی ساده برای اندازه‌گیری کیفیت خازن‌های الکترولیت – بخش 1

    دستگاهی ساده برای اندازه‌گیری کیفیت خازن‌های الکترولیت – بخش 1

    خازن‌های الکترولیت دارای یک «مقاومت داخلی» هستند، مقاومت نامطلوبی که باعث ایجاد تلفات در خازن می‌شود. مقدار این مقاومت به مواد مصرفی و ساختمان و رسانش الکتریکی ماده‌ی الکترولیت خازن بستگی دارد. کیفیت خازن‌ها را در ارتباط با «مقاومت داخلی معادل» آن‌ها، به کمک دستگاهی به نام ESR-سنج اندازه‌گیری می‌کنند ساختن دستگاهی برای سنجش کیفیت خازن های الکترولیت

    .

    .

    پیش‌درآمدی بر مقاومت داخلی خازن‌ها

    مقاومت داخلی هر خازن را با عبارت ESR که کوتاه‌شده‌ی Equivalent Series Resistance است، می‌نامند. این عبارت توصیف‌کننده‌ی مقدار  مقاومت داخلی یک خازن است. این مقاومت نامطلوب همراه با خودالقایی سری شده با آن، که به خاطر ساختمان خازن‌ها به طور ناخواسته پیدا می‌شود، امپدانس خازن را تشکیل می‌دهند. خودالقاییِ داخلی خازن را با عبارت (ESL)  که معادل Equivalent Series Inductance است، نشان می‌دهند. مقاومت داخلی خازن موجب بروز تلفات در خازن شده و توانایی آن را در فرونشاندن اختلالات پایین می‌آورد. مقاومت داخلی همراه با ظرفیت خازنی و اندوکسیون داخلی خازن به صورت سری با هم قرار دارند.

    .

    در دنیای واقعی هر خازن الکترولیت علاوه بر ظرفیت خازنی آثار مقاومتی و القایی نیز از خود نشان می دهد که در مدار معادل نمایش داده می شود

    .

    توجه به ESR اساساً تنها هنگام انتخاب خازن‌های الکترولیتی اهمیت دارد. مقدار این پارامتر به نوع مواد مصرفی در ساخت خازن و ساختمان داخلی آن و مقدار رسانش مایع یا خمیر الکترولیت (کاتود) مورد استفاده در آن بستگی دارد. این پارامتر به فرکانس و تغییرات دمایی و زمان انبارش حساس است. در خازن‌های تانتال، خازن‌های الکترولیت و خازن‌های سرامیک تغییراتی که بر اثر عوامل پیش‌گفته در مقدار ESR خازن ظاهر می‌شود، در مدارها محسوس و تاثیرگذار می‌گردند، زیرا در خازن‌های دارای ظرفیت خازنی بالا، جریان شارژ زیادی در خازن برقرار خواهد شد. بد شدن مقدار ESR سبب پایین رفتن بازده و راندمان خازن شده و مصرف مدار را بی‌جهت بالا می‌برد. خازن‌های الکترولیت در بخش‌های اولیه‌ی هر مدار نقش صاف‌کننده‌ی تموّج (ریپل) ولتاژ تغذیه یا کاهنده‌ی اغتشاشات روی مبدّل‌های AC/DC را بازی می‌کنند. این خازن‌ها در قسمت‌های خروجی مدارهای تغذیه به عنوان فیلتر و کاهنده‌ی جریان در افزاره‌های القایی به کار برده می‌شوند. تلفات مرتبط با ESR در هر خازن مانع از شارژ و دشارژ سریع خازن می‌شوند. علاوه بر این‌ها، مقدار تموّج بر روی سیگنال‌ها بالا رفته و پایداری کاری مدارها پایین می‌آیند.

    .

    یکی از چیزهایی که کم‌ا‌ش خوب است!

    عبور جریان از مقاومت داخلی خازن، مانند عبور جریان از هر مقاومت دیگری، سبب تلف انرژی و تولید گرما در داخل خازن می‌شود. این توان هدر رونده با فرمول P = I2 x ESR محاسبه می‌شود. از این فرمول می‌توان نتیجه گرفت که هر قدر مقدار ESR بزرگ‌تر باشد، تلفات در خازن بیش‌تر، و گرمای حاصل زیادتر خواهد بود. می‌دانیم که عمر خازن‌های الکترولیت به شدت به دمای کار آن‌ها بستگی دارد و هر چه دما بالاتر باشد، عمر خازن کوتاه‌تر خواهد شد.

    در مقابل، اما، هر چه ESR یک خازن الکترولیت کم‌تر باشد، توانایی دریافت جریان در خازن بالاتر می‌رود. به همین خاطر خازن‌های دارای «ESRپایین» و «ESRبسیار پایین» با ذکر عبارت‌های Low ESR و Ultra-Low ESR طبقه‌بندی و نشانه‌گذاری می‌شوند. این نوع خازن‌ها به علت ESR پایین‌شان از راندمان بهتری برخوردار هستند. مقدار اهمی مقاومت معادل سری، تحت فرکانس 100 کیلوهرتز و دمای محیط 25 درجه‌ی سانتی‌گراد، در خازن‌های ESRپایین کمتر از یک اهم است و همین پارامتر در خازن‌های ESRبسیار پایین در بازه‌ی زیر یک‌دهم اهم قرار دارد. مقدار ESR در خازن‌های الکترولیت می‌تواند بنا به روش ساخت و ماده‌ی الکترولیت میان 20 میلی‌اهم تا 100 میلی‌اهم قرار داشته باشد. در خازن‌های ممتاز Super Capacitors مقدار ESR به چند میلی‌اهم تا زیر 10 میلی‌اهم محدود است.

    برخی از تولیدکنندگان مشخصه‌ی ESR محصولات خود را زیر فرکانس‌های دیگری تست می‌کنند و سپس برای آن‌ها یک «ضریب تلفاتی» ارایه می‌دهند که با داشتن این ضریب، می‌توان تلفات محصول را در فرکانس‌های متفاوت و مطلوب محاسبه نمود.

    .

    کاربردهای خازن الکترولیت

    خازن‌های الکترولیت در درجه‌ی اول در مدارهای منبع تغذیه استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، به عنوان خازن‌های فیلتر. در منابع تغذیه هنگامی که مصرف‌کننده برای مدت کوتاهی جریان زیادی می‌کشد، تا زمان تنظیم مجدد انرژی توسط تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ با این شرایط، آن‌ها اغلب به عنوان خازن پشتیبان عمل می‌کنند. بنابراین، همه به خازن‌های الکترولیتی با کمترین مقاومت تلفاتی ESR علاقه‌مند هستند. این امر به ویژه در مورد منابع تغذیه‌ی کلیدگری (سوئیچینگ) و سایر اشکال مبدل‌های کاهنده یا افزاینده نیز معتبر است.

    در گذشته مدارهای منبع تغذیه با فرکانس‌های 50 یا 60 هرتز سر و کار داشتند، اما امروزه تامین جریان توسط منبع تغذیه‌هایی انجام می‌گیرد که روی چند صد کیلوهرتز کار می‌کنند. این فرکانس‌ها مجموعه‌ای از ایرادات بوجود می‌آوردند. به عنوان مثال یکی از این ایرادات اتصال کوتاه و مرگ زودهنگام خازن‌های الکترولیت بر اثر اندوکسیون‌های پراکنده و پارازیتی در حضور این فرکانس‌های بالا و اتلاف انرژی به شکل حرارت در آن‌ها است. حرارت بالا سبب خشک‌شدن خمیر الکترولیت خازن و خارج شدن گاز از خازن می‌شود. اما گاهی فشار گاز در داخل محفظه‌ی خازن چنان بالا می‌رود که باعث شکافته شدن یا حتی ترکیدن بدنه‌ی خازن می‌شود. برای جلوگیری از بروز چنین وضعیتی، سازندگان خط کوتاهی را روی بدنه‌ی خازن با پرس‌کاری نازک‌تر می‌کنند که در اثر افزایش حرارت داخل خازن از حد معینی، بدنه در طول این خط می‌شکافد و به این ترتیب از انفجار بدنه جلوگیری می‌شود.

    .

    تصویر نزدیک از یک خازن الکترولیت که بدنه آن بر اثر حرارت و فشار گازهای داخلش در امتداد خط پرس کاری شکاف برداشته است

    .

    خازن‌های الکترولیتی که رطوبت الکترولیت خود را از دست داده‌اند، دچار تغییر شدید در مشخصات خواهند شد و باید عوض شوند.

    به دلیل مقاومت داخلی کم، خازن‌های الکترولیتی از نوع ESRپایین به افزایش کارایی مبدل‌های ولتاژ کمک می‌کنند. غالباً، به جای یک خازن الکترولیتی ESRپایین با ظرفیت زیاد، چندین خازن الکترولیتی با ظرفیت کمتر به صورت موازی متصل می‌شوند. به این ترتیب می‌توان ESR و همچنین خودالقاییِ ESL را کاهش داد، اما هزینه‌ی این تدبیر سطح فیبر مدار چاپی از دست رفته می‌باشد.

    .

    نشانه‌های پیری در خازن الکترولیت

    مقدار ESR می‌تواند به مرور زمان و در طول عمر کاری خازن دچار تغییر شود. پیش از همه، خازن‌های دارای الکترولیت مایع دچار چنین تغییراتی می‌شوند، زیرا شاره‌ی الکترولیت اندک‌اندک تبخیر می‌شود. خازن‌های سرامیکی و خازن‌های الکترولیتی که الکترولیت سفت و جامدی دارند با چنین فرآیند پیری روبرو نمی‌شوند. در خازن‌های اخیر، عوامل اصلی بروز تغییر، دمای محیط کار و فرکانس کار هستند. اما، همچنین، به طور معمول پس از 10 سال انبارش هم دیگر نباید از یک خازن الکترولیت استفاده شود. به عبارت دیگر، خوانندگان و علاقه‌مندان آماتور الکترونیک باید هر از گاهی به افزاره‌های خیلی کهنه‌ی خود، حتی اگر استفاده نشده باشند، الوداع و بدرود بگویند و کشوی میز کار خود را سبک کنند. خازن الکترولیت‌های معیوب که ESRشان خیلی بالا رفته باشد، می‌توانند دستگاه‌های برقی را از کار بیاندازند. به ویژه منبع تغذیه‌های کلیدگری موضوع این خرابی‌ها هستند، زیرا کاربرد خازن‌های الکترولیت تحت فرکانس بالا در این مدارها موجب افزایش شدید دمای خازن‌ها شده و تنش مکانیکی بزرگی در درون آن‌ها ایجاد می‌کند. عمر متوسط خازن‌های الکترولیت در منبع تغذیه‌های کلیدگری در بازه‌ی هزار تا سه هزار ساعت کار قرار دارد. بسیاری از سازندگان، خازن‌های الکترولیت ESR پایینی عرضه می‌کنند که در کنار مقاومت داخلی اندک، اختصاصاً برای کار در دماهای بالاتر طراحی شده‌اند. بر روی بدنه‌ی چنین خازن‌های الکترولیتی اغلب عبارت C° 105 درج شده است (دمای کاری خازن الکترولیت استاندارد معمولی تا 85 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد).

    .

    سنجش‌گر

    این سنجش‌گر ESR نتیجه‌ی اندازه‌گیری مقدار مقاومت معادل سری یا ESR خازن‌ها را نشان می‌دهد. مدار دستگاه بسیار ساده است و در ساختمان آن از دو ترانزیستور معمولی تیپ منفی استفاده شده است. دستگاه قادر به انجام اندازه‌گیری‌هایی در بازه‌ی میان یک‌دهم اهم تا 23 اهم است.

    با وجود سادگی، نتیجه‌ی کار این دستگاه رضایت‌بخش است. دستگاه با یک باتری نیم‌قلم 1/5 ولتی کار می‌کند. البته در آزمایش‌ها مشاهده شد که ولتاژ تغذیه می‌تواند بدون هیچ تاثیر منفی بر کارکرد دستگاه تا 0/9 ولت هم پایین بیاید.

    .

    مدار کامل سنجشگری ساده برای اندازه گیری مقدار مقاومت معادل داخلی سری خازن های الکترولیت ESR خازن ها.

    قلب تپنده‌ی مدار، ترانزیستور 1 است که با آرایش «کلکتور-مشترک» به صورت یک «نوسان‌گر کولپیتس» مداربندی شده است. فرکانس این نوسان‌ساز توسط خازن‌های 1 و 2 و القاگر 1 تعیین می‌شود و با مقدارهای داده شده روی نقشه‌ی شماتیک بالا در حدود 15 کیلوهرتز است. خازن مجهول (CX) که زیر آزمایش است و مورد سنجش قرار می‌گیرد، با خازن 1 موازی می‌شود. اما چون مقدار ظرفیت خازن مجهول بسیار بسیار بزرگ‌تر از خازن 1 است و در گام میکروفاراد قرار دارد، ظرفیت آن بر کارکرد مدار نوسان‌گر اثری نخواهد داشت و در تعیین فرکانس آن نقشی بازی نخواهد کرد.

    تولید نوسان‌ها تنها هنگامی آغاز می‌شود که مقدار مقاومت معادل داخلی خازن مجهول پایین و در بازه‌ی کاری مدار قرار داشته باشد. هر چه مقدار اهمی این مقاومت معادل سری بالاتر باشد، دامنه‌ی نوسان‌ها پایین می‌آید. با بالاتر رفتن مقدار این مقاومت به نقطه‌ای می‌رسیم که نوسان‌سازی مدار متوقف می‌شود. به عبارت دیگر، مقدار مقاومت معادل سری خازن نسبت معکوس با دامنه‌ی نوسانات مدار دارد.

    دیودهای 1 تا 4 نقش محافظتی دارند و برای تخلیه‌ی خازن مجهول در مدار پیش‌بینی شده‌اند تا در صورتی که خازن زیر تست دارای شارژ الکتریکی بود، تخلیه‌ی ناگهانی این شارژ در مدار سبب آسیب دیدن افزاره‌های آن نشود، اما در کارکرد اصلی مدار هیچ نقشی بازی نمی‌کنند زیرا عملاً ولتاژ شکست آن‌ها بالاتر از دامنه‌ی نوسان‌ها قرار دارند.

    ترانزیستور 2 به عنوان یک‌سوساز و تقویت‌کننده‌ی جریان کار می‌کند. خازن 4 تموّج (ریپل) روی کلکتور ترانزیستور 2 را حذف می‌کند. عقربه‌ی میلی‌ولت‌متر PA1 مقدار مقاومت اندازه‌گیری شده را نمایش می‌دهد. به جای این عقربه می‌توان هر میلی‌آمپرمتر مناسبی برای نمایش محدوده‌ی جریان نیم میلی‌آمپر تا 15 میلی‌آمپر را قرار داد. به عنوان نمونه می‌توان از یک مولتی‌متر دیجیتال نام برد.

    من در دستگاه خودم از عقربه‌ی یک ضبط‌صوت کاست قدیمی (عقربه‌ی نمایش حجم صدا یا VU Meter) استفاده کردم و دستگاه را طوری تنظیم کردم که هر گاه هنگام سنجش یک خازن عقربه روی قسمت قرمز رنگ صفحه‌ی آن قرار گرفت به معنای سلامت بودن و قابل قبول بودن خازن باشد.

    این وسیله هنگام تعمیرات کمک‌کار بزرگی است و از زمان عیب‌یابی و تعمیر می‌کاهد، چرا که در خیلی از موارد اصولاً نیازی به باز کردن خازن از روی مدار نیست و می‌توان افزاره را در جا تست کرد.

    .

    نمونه سنجشگری که نگارنده ساخته است

    .

    تنظیم مدار

    پیش از آغاز به بهره‌برداری از دستگاه، لازم است که آن را تنظیم و به اصطلاح «کالیبره» کرد. این کار به سادگی انجام خواهد شد: محل اتصال خازن مجهول را اتصال کوتاه می‌کنیم. دستگاه را روشن کرده و پتانسیومتر مدار را می‌چرخانیم تا عقربه‌ی نمایشگر در منتهاالیه درجه‌بندی خود قرار گیرد. کالیبراسون پایان یافت! ضروریست این تنظیم در حالی صورت گیرد که یک باتری نو  سنجش‌گر را تغذیه کند و هنگام کار با دستگاه نیز مطمئن باشیم که باتری ولتاژ کافی داشته باشد. در غیر این صورت، هر بار که قصد استفاده از دستگاه را داریم، باید یک بار آن را کالیبره کنیم.

    با وصل کردن یک خازن در محل اتصال خازن مجهول، وضعیت ESR آن توسط عقربه نمایش داده خواهد شد. هر قدر عقربه حرکت بیش‌تری داشته و قرار گیریِ آن به انتهای راست صفحه‌ی مدرّج عقربه نزدیک‌تر باشد، کیفیت خازن بالاتر است. هر گاه عقربه در نقطه‌ای در دو سوم ابتدایی چرخش خود متوقف شود، نشانه‌ی آن است که خازن زیر آزمایش کیفیت خود را از دست داده و در وضعیت خوبی نیست و باید عوض شود.

    .

    تغذیه‌ی مدار

    مصرف جریان این مدار در حدود 1/2 میلی‌آمپر است. اما همین مقدار مصرف ناچیز هم باعث خالی شدن باتری می‌شود. برای این که دستگاه همیشه آماده به خدمت باشد، من یک کلید فشاری «عادی-باز» را در مسیر خط تغذیه‌ی مثبت مدار قرار دادم که باتری را در زمان بیکاری از مدار جدا می‌کرد. روشن است که هنگام استفاده از دستگاه این کلید شستی باید فشرده شود.

    بقیه در قسمت دوم

    (قسمت دوم)

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    دستگاهی برای اندازه‌گیری کیفیت خازن‌های الکترولیت – بخش 2

    خازن الکترولیت: 1- روش اندازه‌گیری ظرفیت خازن‌های الکترولیت

    خازن الکترولیت: 2- روش اندازه‌گیری ESR یا مقاومت معادل داخلی خازن‌ها

    ساخت یک آزمایش‌گر ساده برای خازن‌های ولتاژ بالا

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-03-09 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

     

    .

  • ما برای (قطع و) وصل کردن آمدیم!

    ما برای (قطع و) وصل کردن آمدیم!

    چرا رله‌ها در بسیاری از مدارها هنگام «گرفتن» و رها کردن دچار لرزش و نوسان ویبراسیونی می‌شوند و چگونه می‌توان از بروز آن جلوگیری کرد؟ فرمان ترانزیستوری بهینه شده رله

    .

    .

    یکی از چالش‌های مهم و جدّی در مدارهایی که در آن‌ها به رله فرمان داده می‌شود، نوسان لرزشی آن در هنگام قطع یا وصل کنتاکت‌ها می‌باشد. به این پدیده به فرنگی Chattering و گاهی Clicking رله می‌گویند. این مشکل در مدارهای حسگر و تنظیم کننده‌ی پارامترهای محیطی مانند حسگرهای نور و ترموستات‌های دما همیشه خودنمایی می‌کند. این پدیده وقتی پیدا می‌شود که سطح دما یا نور درست در نزدیکی و یا در حال عبور از مقدار از پیش تعیین شده در مدار باشد. در این لحظه رله شروع به قطع و وصل‌های مکرّر کرده و باعث قطع و وصل سریع و مداوم مصرف کننده شود که نتیجه‌ی مستقیم آن خال‌زدن کنتاکت‌های رله و پایین‌آمدن عمر عملیاتی آن است. گذشته از این، مصرف‌کننده نیز که توسط کنتاکت‌های رله تغذیه می‌شود، در خطر آسیب دیدن قرار خواهد گرفت. چه راه حلی برای پیش‌گیری از این وضعیت وجود دارد؟ این پرسشی است که در این نوشتار به آن پرداخته خواهد شد.

    .

    مدار فرمان ترانزیستوری بهینه برای راه اندازی رله

    .

    تضمین عملکرد بی‌نقص کلیدگری

    مداری که در بالا دیده می‌شود، یک مدار راه‌انداز (درایور Driver) است که عنصر کلیدی آن یک ترانزیستور BC548 می‌باشد. در این مدار، بوبین رله میان خط مثبت تغذیه و کلکتور ترانزیستور قرار داده شده است. هنگامی که جریان راه‌اندازی (سیگنال ورودی) از مقاومت یک کیلواهمی گذر کرده و به پایه‌ی بیس ترانزیستور می‌رسد، ترانزیستور به حالت هدایت می‌رود و جریان در رله برقرار می‌گردد، و رله می‌گیرد. با افزودن یک خازن الکترولیت پرظرفیت 470 میکروفارادی روی پایه‌ی بیس ترانزیستور راه‌انداز رله، تاخیری کوتاه ایجاد می‌شود تا سیگنال ورودی ابتدا به اندازه‌ی کافی فرصت برای پایداری پیدا کند که بتواند با اقتدار به ترانزیستور فرمان دهد و فقط پس از آن است که ترانزیستور به حالت هدایت کامل خواهد رفت. در مرحله‌ی بعد، هنگامی که سیگنال ورودی قطع می‌شود، ترانزیستور وارد یک روند ناپایدار قطع شدن نمی‌شود، بلکه ترانزیستور اندک زمانی بیش‌تر هادی باقی می‌ماند تا بار ذخیره شده در این خازن الکترولیت کامل تخلیه شود. این امر باعث می‌شود که از لرزش رله جلوگیری شود و یک عملکرد کلیدگری تمیز و بی‌نقص حاصل می‌گردد.

    موازی با بوبین رله یک خازن الکترولیت 470 میکروفارادی دیگر قرار داده شده که حتی در صورت ضعف لحظه‌ای منبع تغذیه از تامین جریان کافی و افت در میزان تامین جریان برای مدار، یکنواختی و پایداری جریان گذرنده از بوبین رله را ابقا می‌کند.

    سیگنال ورودی یا همان سیگنال فرمان معمولاً دارای ولتاژی در بازه‌ی 3 تا 12 ولت و یا کم و بیش در همین حدود است. تنها نکته که باید به خاطر سپرد این است که جریان بیس ترانزیستور باید در حدود 5 تا 10% جریان کلکتور آن باشد. نتیجه این که مقدار اهمی مقاومت یک کیلو در این مدار به مقاومت اهمی بوبین رله و جریان دیود نوری (اگر استفاده شود) ارتباط دارد. با فرض این که مقاومت اهمی بوبین رله 220 اهم و ولتاژ تغذیه 12 ولت و ولتاژ کلکتور-امیتر ترانزیستور در حالت هدایت یک ولت باشد، 11 ولت روی بوبین رله افت خواهد کرد که متناظر با عبور جریانی برابر 50 میلی‌آمپر  (جریان کلکتور) است. بنابراین، برای جریان بیس باید چیزی در حدود 5/2 تا 5 میلی‌آمپر در نظر گرفت. اگر ولتاژ سیگنال فرمان را متوسط 7 ولت و افت ولتاژ در مسیر بیس-امیتر ترانزیستور را 650 میلی‌ولت در نظر بگیریم، مقدار اهمی مقاومت بیس عددی در فاصله‌ی 635 تا 1270 اهم خواهد بود که قرار دادن یک مقاومت یک کیلواهمی برای آن، انتخاب خوبی خواهد بود.

    مدار سری شامل دیود نوری و مقاومت یک کیلواهمی هیچ وظیفه‌ای جز نمایش بصری وضعیت رله ندارد و به کاربر نشان می‌دهد که آیا رله در حال کار است یا بیکاری. استفاده از این مدار کاملاً دلخواه است.

    .

    حفاظت از افزاره‌های مدار

    بوبین رله یک «بار القایی» است که قطع سریع جریان گذرنده از آن، پالس‌های ولتاژی بسیار بزرگی در جهت معکوس ایجاد می‌کند که می‌توانند به راحتی ساختار بلوری ترانزیستور را تخریب کرده و آن را غیر قابل استفاده کنند. به عبارت ساده‌تر: این پالس‌ها که تا چند صد ولت بزرگ هستند باعث سوختن ترانزیستور می‌شوند. بنابراین لازم است یک مسیر اضافی برای عبور این پالس‌ها در نظر گرفت. این مسیر با موازی بستن یک دیود یکسوساز با بوبین رله ایجاد می‌شود. به این دیود نام «دیود هرزگرد» که مترادف واژه‌ی فرنگی Flywheel است، نهاده‌اند. این دیود گاهی «دیود اسنابر» (Snubber) یا دیود Flyback  هم خوانده می‌شود. این دیود می‌تواند از نوع دیودهای رکتیفایر یا یکسوساز معمولی مانند 1N4007 و یا دیودهای سیگنال مانند 1N4148 انتخاب شود. گاهی از یک دیود زینر با ولتاژ شکست تقریباً 3 برابر ولتاژ منبع تغذیه نیز در این محل استفاده می‌شود (در این مدار مثلاً یک زینر 30 ولت).

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    چند کلمه در مورد رله‌ها و روش‌های افزون کردن عمر آن

    نمایش وضعیت کارکرد رله

    مدارهایی برای تبدیل کردن رله‌ی معمولی به رله‌ی بی‌استابل

    طراحی اسنابر برای حفاظت از مدارهای الکترونیک قدرت – بخش 1

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-02-19 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • مقایسه کننده های ولتاژ – بخش 2

    مقایسه کننده های ولتاژ – بخش 2

    در طراحی مدار، انتخاب تراشه‌ی بهینه‌ در هر یک از کاربردهای مدارهای مقایسه‌کننده‌ی ولتاژ یا Voltage Comparators اهمیت درجه اول دارد. در این قسمت از نوشتار «مقایسه‌کننده‌های ولتاژ»، در کنار معرفی کاربردهای مختلف مدارهای مقایسه‌کننده، به معرفی تراشه‌های مناسب پرداخته شده است تراشه های روزآمد با حجم کم و مصرف انرژی اندک

    .

    .

    عوامل کلیدی در انتخاب مقایسه‌کننده

    با دانستن این که وظیفه‌ی یک مقایسه کننده، مقایسه‌ی دو ولتاژ یا دو جریان با هم است، هنگام انتخاب یک مقایسه کننده مناسب باید چندین پارامتر در نظر گرفته شود:

    .

    1- سرعت و توان: با وجود این که به طور کلی مقایسه‌کننده‌ها افزاره‌هایی «سریع» هستند، اما مدارهای آنها از تعاملات کلاسیک سرعت-قدرت بری نیستند. در نتیجه، برای رسیدن به سرعت مطلوب، مقایسه‌کننده‌های سرعت بالا از ترانزیستورهایی با نسبت سرعت-قدرت بزرگ‌تر استفاده می‌کنند و از این رو انرژی بیشتری نیز مصرف می‌کنند. بسته به نوع کاربرد، یا مقایسه‌کننده‌ای با سرعت بالا انتخاب می‌شود و یا یکی که در مصرف انرژی صرفه‌جویانه عمل می‌کند. به عنوان مثال، مقایسه‌کننده‌هایی که در مقیاس نانو انرژی مصرف می‌کنند، به صورت  تراشه‌هایی کم‌حجم با بدنه‌های UCSP[1] ، DFN[2] یا SC70[3] مانند تیپ‌های  MAX9027، LTC1540، LPV7215، MAX9060  و MCP6541 برای کاربردهای کم‌مصرف و قابل حمل ایده‌آل هستند. به همین ترتیب اگر برای طراحی یک مدار نوسان‌ساز غیرخطی واهُلِشی (رِلاکساسیون) برای ایجاد سیگنال ساعت (کلاک) با سرعت بالا به یک مقایسه‌کننده نیاز باشد، مقایسه‌گرهایی که فقط چند نانوثانیه تاخیر انتشار دارند مناسب تر هستند. تراشه‌های  ADCMP572 (با خروجی CML[4])، LMH7220 (با خروجی LVDS[5])،MAX999  و LT1719 (با خروجی CMOS/TTL) ،MAX9010 (با خروجی TTL) و MAX9601 (با خروجی PECL[6]) نمونه‌هایی از برخی مقایسه‌کننده‌های خوب با سرعت بالا هستند.

    .

    مدار مقایسه کننده ی سی ماس کم مصرف با کنترل توسط پالس ساعت

    طرح اصولی مدار مقایسه‌کننده‌ی سی.ماس کم‌مصرف با کنترل توسط پالس ساعت

    .

    2- پس‌ماند یا هیسترزیس: به طور معمول وقتی ولتاژ بین ورودی‌های مقایسه‌کننده از صفر ولت عبور می‌کند، حالت خروجی خود را تغییر می‌دهد. همچنین، هنگامی که اختلاف ولتاژ ورودی‌ها نزدیک به صفر ولت باشد، تغییرات ولتاژ کوچک به دلیل نویز، در ورودی‌ها، همیشه می‌توانند باعث تغییرات سریع نامطلوب بین دو حالت خروجی شوند‌. برای جلوگیری از این نوسان خروجی، همان طور که در بخش پیشین هم اشاره شد، یک پس‌ماند کوچک در حدود چند میلی‌ولت در بسیاری از تراشه‌های مقایسه‌کننده‌ی روزآمد ادغام شده است. به عنوان مثال، تراشه‌های LTC6702 و MAX9021 و MAX9031 دارای هیسترزیس داخلی هستند که باعث حساسیت‌زدایی آنها از نویز ورودی می‌شود. به این ترتیب، به جای فقط «یک نقطه‌ی کلیدگری» (سوئیچینگ)، دو نقطه را معرفی می‌کنند: یکی برای افزایش ولتاژ، و دیگری برای افت ولتاژ. تفاوت بین «مقدار نقل‌مکان» به سطح بالاتر (VTRIP+) و مقدار نقل‌مکان به سطح پایین‌تر (VTRIP-) برابر با ولتاژ پس‌ماند (VHYST) است. اگر مقایسه‌کننده دارای هیسترزیس داخلی نباشد یا اگر نویز ورودی بیشتر از پس‌ماند داخلی باشد، می‌توان با استفاده از یک بازخورد مثبت، از خروجی به ورودی ناوارونگر، یک شبکه هیسترزیس خارجی ایجاد کرد. مدار «اشمیت تریگر»ی که به این صورت شکل می‌گیرد، ایمنی بیش‌تری در برابر نویز ایجاد کرده و سیگنال خروجی تمیزتر می‌شود.

    برخی از تراشه‌های مقایسه‌کننده مانند LMP7300، LTC1540، MAX931 ،MAX971  و ADCMP341 کنترل هیسترزیس را از طریق یک «پایه‌ی هیسترزیس جداگانه» فراهم می‌کنند. این مقایسه‌کننده‌ها امکان اضافه کردن یک پس‌ماند قابل برنامه‌ریزی را بدون بازخورد یا نیاز به شبکه‌های پیچیده، حتی اگر امپدانس منبع زیاد باشد و ورودی‌ها از شبکه‌ی هیسترزیس ایزوله باشند، فراهم می‌کنند. از آنجا که ورودی‌ها به واسطه‌ی پایه‌ی جداگانه‌ی هیسترزیس از شبکه پس‌ماند جدا شده‌اند، مقایسه‌کننده نمی‌تواند سیگنال‌های موجود در باند پسماند را در خود مصرف یا زایل کند.

    .

    3- انواع خروجی‌ها: از آنجا که مقایسه‌کننده‌ها فقط دو حالت خروجی دارند، خروجی آن‌ها یا نزدیک به صفر یا نزدیک به ولتاژ تغذیه است. مقایسه‌کننده‌های دو قطبی موسوم به «ریل به ریل» (Rail-to-Rail) دارای یک خروجی امیتر-مشترک هستند که بین ولتاژ و هر ریل افت ولتاژ کمی ایجاد می‌کند. این افت برابر با ولتاژ کلکتور به امیتر در یک ترانزیستور در حالت اشباع است. اگر جریان‌های خروجی اندک باشند، ولتاژهای خروجی مقایسه‌کننده‌های ریل به ریل  از نوع سی.ماس، که متناظر با یک ماسفت اشباع شده هستند، نسبت به ترانزیستورهای دو قطبی به ریل‌ها نزدیک‌تر هستند.

    بر حسب نوع طراحی خروجی‌ها، می‌توان مقایسه‌کننده‌ها را همچنین به عنوان با خروجی «منفذ-باز» (Open-Drain) یا خروجی «پوش-پول» طبقه‌بندی نمود. مقایسه‌کننده‌هایی که دارای یک طبقه‌ی خروجی «منبع-باز» (Open-Source) هستند، از یک مقاومت بالانگه‌دار خارجی به خط مثبت تغذیه استفاده می‌کنند که تراز منطقی یک را تعریف می‌کند. مقایسه‌کننده‌های منفذ-باز برای طراحی در سامانه‌هایی که سطح ولتاژهای مختلط دارند، مناسب‌تر است. از آنجا که خروجی برای تراز منطقی “یک” از امپدانس بالایی برخوردار است، از مقایسه‌کننده‌های منفذ-باز می‌توان همچنین برای اتصال چندین مقایسه‌کننده به یک گذرگاه (Bus) استفاده کرد. خروجی  پوش-پول به مقاومت بالانگه‌دار احتیاج ندارد و در نتیجه می‌تواند، بر خلاف خروجی منفذ-باز، برای تأمین در نظر گرفته شود.

    .

    4- مرجع داخلی: متداول‌ترین کاربرد برای مقایسه‌کننده‌ها، مقایسه بین یک ولتاژ ورودی و یک ولتاژ مرجع پایدار است. اکثر تولیدکنندگان نیز مقایسه‌کننده‌هایی را ارایه می دهند که در آن‌ها مولّد ولتاژ مرجع درون تراشه ادغام شده است. ترکیب دو مدار منبع ولتاژ مرجع و مقایسه‌کننده در یک تراشه علاوه بر صرفه‌جویی در فضا، جریان کمتری از منبع مقایسه با مرجع خارجی نیز می‌کشد. آی.سی.های مختلفی با طیف گسترده‌ای از ولتاژهای مرجع مختلف مانند MAX9062 (مرجع 200 میلی‌ولت)، LT6700 (مرجع 400 میلی‌ولت)، ADCMP350  (مرجع 600 میلی‌ولت)، MAX9025  (مرجع 1/236 ولت)، MAX9040 (مرجع 2/048 ولت) ،TLV3012  (مرجع 1/24 ولت) و TSM109 (مرجع 2/5 ولت) در دسترس هستند.

    .

    5- دایمی یا به ضربآهنگ ساعت: تراز خروجی یک مقایسه‌کننده‌ی مداوم، هر وقت سیگنال کم یا زیاد به ورودی آن اعمال می‌شود، یا “1” یا “0” می‌شود و با تغییر ورودی‌ها به سرعت تغییر وضعیت می‌دهد. اما، بسیاری از کاربردها فقط در لحظات خاص به خروجی مقایسه‌کننده نیاز دارند، مانند مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و حافظه‌ها. با کارانداختن یک مقایسه‌کننده فقط در فواصل زمانی مورد نظر، می‌توان با یک ساختار مقایسه‌کننده‌ی ساعت‌دار (یا پویا)‌ با دقت بالاتر و همزمان با صرف توان کمتر دست یافت که به آن مقایسه‌کننده‌ی قفل‌شده (Latched) نیز گفته می‌شود. در مقایسه‌کننده‌های قفل‌شده، اغلب مقدار زیادی فیدبک مثبت برای «دوره‌ی بازسازی» (رژنراسیون) در زمان “یک بودن” ورودی ساعت به کار گرفته می‌شود و موقع “صفر بودن” ساعت «دوره‌ی بازنشانی» یا ریسِت را دارند. این درست نقطه‌ی مقابل یک مقایسه‌کننده‌ی مداوم است که فقط می‌تواند بازخورد مثبت ضعیف را به کار بَرَد، زیرا در آن دوره‌ی بازنشانی وجود ندارد.

    .

    کاربردهای مقایسه‌کننده‌ها

    الف) آشکارساز صفر

    «آشکارسازی صفر» به عملکردی گفته می‌شود که طی آن کمیتی که به عنوان «صفر» مشخص شده، تشخیص داده شود. مقایسه‌کننده‌ها می‌توانند نوعی تقویت‌کننده برای اندازه‌گیری‌های مقایسه‌ایِ صفر باشند. چنین مداری مشابه یک  تقویت‌کننده با بهره‌ی بسیار زیاد، با ورودی‌های به خوبی متعادل‌شده و خروجی با محدوده‌ی تغییرات کنترل شده است. این مدار دو ولتاژ ورودی را با یکدیگر مقایسه می‌کند و ورودی بزرگ‌تر را تعیین می‌کند. ورودی‌ها یک ولتاژ نامعیّن و یک ولتاژ مرجع هستند که معمولاً Vu و Vr نامیده می‌شوند. ولتاژ مرجع معمولاً روی ورودی ناوارونگر (+) قرار دارد، در حالی که Vu معمولاً روی ورودی وارونگر است (-). (در نقشه‌های شماتیکِ این مدارها، ورودی‌ها را با توجه به علامت آنها و در ارتباط با خروجی، در شرایطی که یکی از ورودی‌ها از دیگری بیش‌تر باشد، نمایش می‌دهند.) خروجی همواره یا مثبت است یا منفی، به عنوان مثال 12± ولت. در این حالت، مقصود این است که کشف کنیم در چه زمانی تفاوتی بین ولتاژهای ورودی وجود ندارد. برابر بودن ولتاژ مرجع معیّن با ولتاژ ورودی نامعیّن نمایشگر وقوع چنین وضعیتی خواهد بود.

    هنگام استفاده از یک مقایسه‌کننده به عنوان یک آشکارساز صفر، محدودیت‌هایی در دقت اندازه‌گیری مقدار صفر وجود دارد. خروجی صفر زمانی داده می‌شود که مقدار اختلاف ولتاژها ضرب در ضریب بهره‌ی تقویت‌کننده کمتر از ولتاژهای حدّی باشد. به عنوان مثال، اگر بهره‌ی تقویت‌کننده 106 بوده، و محدوده‌ی ولتاژها 6 ± ولت باشد، اگر اختلاف ولتاژ کمتر از 6 میکروولت باشد، هیچ خروجی‌ای بیرون داده نخواهد شد. از این وضعیت، اما، می‌توان به عنوان نوعی عدم‌قطعیت در اندازه‌گیری نیز یاد کرد.

    .

    ب) آشکارساز گذر از صفر

    وظیفه‌ی این آشکارسازها تعیین زمانی است که قطبیّت یک پالس جریان متناوب (AC) تغییر می‌کند. در این حال خروجی مقایسه‌کننده، هر بار که قطبیت پالس تغییر می‌یابد، وضعیت خود را عوض می‌کند، به این ترتیب که در حضور یک پالس مثبت، خروجی مقایسه‌کننده در تراز بالا قرار می‌گیرد، و با ظاهر شدن پالسی منفی، خروجی مقایسه‌کننده به تراز پایین می‌رود. به عبارت دیگر، مقایسه‌کننده سیگنال ورودی را تقویت کرده و به آن شکل مربعی می‌دهد.

    .

    مدار آشکارساز گذر از صفر با یک تراشه 9027 ساخت شرکت ماکسیم

    مدار آشکارساز گذر از صفر با یک تراشه 9027 ساخت شرکت ماکسیم

    .

    پ) نوسانگر واهِلِشی (رلاکساسیون)

    مقایسه‌کننده را می‌توان در ساخت نوسانگر واهلشی به کار برد. در این مدارها از هر دو بازخوردهای مثبت و منفی استفاده به عمل می‌آید.

    .

    مدار اصولی نوسانگر واهلشی با استفاده از مقایسه کننده و بازخوردهای مثبت و منفی

    .

    بازخورد مثبت یک ساختار تشخیص دامنه از نوع «اشمیت تریگر» می‌سازد و خود آن به تنهایی یک «مولتی‌ویبراتور بی‌استابل» (با دو حالت پایدار) است. در این حال، دادن یک بازخورد منفی تاخیری با یک مقاومت و خازن، در مدار نوسانگری خودکار را ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر، افزودن یک شبکه‌ی خازن-مقاومت به مولتی‌ویبراتور بی‌استابل، آن را به «مولتی‌ویبراتور آستابل» (دو حالت ناپایدار و تغییریابنده) تبدیل می‌کند.

    .

    ت) تغییردهنده‌ی دامنه یا سطح ولتاژ

    تغییردهنده‌ی سطح (Level Shifter) که به آن تبدیل‌کننده‌ی سطح و در الکترونیک دیجیتال به آن مبدّل سطح لاجیک هم می‌گویند، مداری است که سیگنال‌ها را از یک حوزه‌ی تراز ولتاژی به حوزه‌ی دیگری تبدیل می‌کند و به این وسیله انطباق میان تراشه‌های مختلف را با یکدیگر ممکن می‌سازد. مثلاً الزامات ولتاژی سطوح دیجیتالی تی.تی.ال. و سی.ماس با هم تطبیق می‌دهد و آن‌ها را به هم می‌خوراند. در الکترونیک نوین امروز این مدارها همچون پل‌هایی فاصله‌ی میان میکروکنترلرها، پروسسورها، سنسورها، تراشه های لاجیک و مدارهای آنالوگ را پُر می‌کنند. در سالیان اخیر سطوح ولتاژی 1/8 ولت، 3/3 ولت و 5 ولت فراگیر شده‌اند، مضاف بر این که سطوح ولتاژی بالاتر و پایین‌تر از این‌ها نیز همزمان در یک مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

    .

    مدار مبدل سطح لاجیک با یک تراشه 9028 ساخت شرکت ماکسیم

    مدار مبدّل سطح 3 به 5 ولت و برعکس با یک تراشه از تیپ 9028 ساخت ماکسیم

    .

    مدارهای تبدیل سطح فقط به یک مقایسه‌کننده با خروجی «منفذ-باز» مانند LM393، TLV3011 یا  MAX9028 نیاز دارند. این مدارها قابلیت انعطاف بسیار زیادی در انتخاب ولتاژی که باید تبدیل شود، دارند. استفاده از تراشه‌هایی مانند MAX972 حتی تبدیل ولتاژ متقارن دوقطبی 5± ولت را به ولتاژ لاجیک تک‌قطبی 3 ولت امکان‌پذیر می‌کند.

    .

    ث) مبدّل‌های آنالوگ به دیجیتال

    اگر مقایسه‌کننده‌ای وظیفه‌ی تشخیص این را بر عهده بگیرد که آیا یک ولتاژ ورودی بالاتر یا پایین‌تر از یک مقدار آستانه‌ایِ از پیش تعیین شده است یا خیر، اساساً یک عمل «کمّی‌سازی» (کوانتیزاسیون) یک بیتی به انجام رسیده است. این عملکرد در تقریباً تمام مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال به کار برده می‌شود و در ترکیب با افزاره‌های دیگر به کمی‌سازی چندبیتی خواهد رسید.

    .

    مدار اصولی یک نوع مبدل آنالوگ به دیجیتال 2 بیتی با استفاده از مقایسه‌کننده

    مدار اصولی یک نوع مبدل آنالوگ به دیجیتال 2 بیتی با استفاده از مقایسه‌کننده

    .

    پایان

    (بخش پیشین)

    .

    .

    پانویس‌ها:

    [1] UCSP = µicro ChipScale Package

    [2] DFN = Dual Flat No-lead Package

    [3] SC70 = SOT323, plastic, surface-mounted package

    [4] CML = Current Mode Logic, or Source-Coupled Logic (SCL)

    [5] LVDS = Low-Voltage Differential Signaling

    [6] PECL = Positive Emitter Coupled Logic

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    مقایسه‌کننده‌های ولتاژ – بخش 1

    مدار یک ترموستات ساده برای کنترل دما در بازه‌ی دلخواه

    مدار یک منبع تغذیه آزمایشگاهی با ولتاژ و جریان قابل تنظیم

    وقتی که دست‌ها یکدیگر را می‌شویند

    نگهبانی برای حفاظت از باتری خودرو

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-02-18 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .

  • مقایسه کننده های ولتاژ – بخش 1

    مقایسه کننده های ولتاژ – بخش 1

    مدارهای مقایسه‌کننده‌ی ولتاژ یا Voltage Comparators مدارهایی هستند که به فراوانی در الکترونیک برای سنجش پارامترهای آنالوگ محیطی و فیزیکی مانند شدت نور، حرارت، رطوبت، فشار مکانیکی و غیره به منظور خودکارکردنِ تنظیم و کنترل آن‌ها به کار برده می‌شوند مقایسه کننده های ولتاژ

    .

    .

    «مقایسه‌کننده‌ی ولتاژ» شکل ویژه‌ای از مدار تقویت‌کننده‌ی عملیاتی است. این مدار در تصویر زیر دیده می‌شود.

    .

    مدار اصولی مقایسه کننده ولتاژ بدون پس ماند یا هیسترزیس

    یک مدار مقایسه‌کننده که وقتی ولتاژ روی ورودی وارونگر آن مثبت‌تر از مقدار ولتاژ

    در نقطه‌ی تنظیم بر روی ورودی ناوارونگر باشد، ولتاژ خروجی آن پایین است.

    .

    این مدار دارای دو ورودی به عنوان دریافت‌کننده‌ی سیگنال‌های آنالوگ و یک خروجی است و بسته به این که ولتاژ روی ورودی ناوارونگر (+) یا وارونگر (-) بیش‌تر باشد، می‌تواند به ترتیب یکی از دو حالت «درست» (True) یا «نادرست» (False) را به خود بگیرد. بنابراین، این مدار ولتاژهای روی ورودی‌های خود را با هم «مقایسه» می‌کند. نتیجه‌ی مقایسه‌ی «درست» به صورت یک ولتاژ مثبت بر روی خروجی نمایندگی می‌شود، و «نادرست» با پیدا شدن یک ولتاژ منفی و یا صفر ولت بر روی آن. در مدار بالا برای تولید یک ولتاژ مبنای مقایسه بر روی «نقطه‌ی تنظیم» (set Point=SP)، از دو مقاومت‌های منفرد استفاده شده که بین خطوط مثبت و زمین تغذیه وصل شده‌اند. سیگنال ورودی با ولتاژی که ترکیب این مقاومت‌ها بر روی این نقطه ایجاد کرده (VSP)، مقایسه می‌شود. پس به طور خلاصه می‌توان گفت: یک مدار مقایسه‌کننده دو ولتاژ قابل تغییر را با هم مقایسه می‌کند.

    هر مدار استاندارد تقویت‌کننده‌ی عملیاتی را بدون کاربرد مقاومت‌های ورودی و فیدبک می‌توان به صورت یک مقایسه‌کننده به کارگرفت. اگر ولتاژ روی ورودی ناوارونگر بالاتر از ولتاژ روی ورودی وارونگر باشد، ولتاژ خروجی به مقدار مرزی مثبت (Clamping Limit) بالا می‌رود. اگر ورودی وارونگر روی پتانسیل بالاتری قرار گیرد، ولتاژ خروجی به مقدار مرزی منفی پایین می‌رود. اگر مقایسه‌کننده یک ولتاژ نامعیّن را با یک ولتاژ معیّن مقایسه کند، ولتاژ معیّن «نقطه‌ی تنظیم» خوانده می‌شود و خروجی مقایسه‌کننده نمایان‌گر آن است که آیا ولتاژ نامعین بالاتر یا پایین‌تر از نقطه‌ی تنظیم قرار دارد.

    .

    تفاوت‌های تقویت‌کننده عملیاتی و مقایسه‌کننده 

    آن تقویت‌کننده‌های عملیاتی که برای استفاده به عنوان مقایسه‌کننده در نظر گرفته شده‌اند، مانند LM311، برای «پاسخ‌گوییِ سریع به تغییرات در سیگنال‌های ورودی» بهینه‌سازی شده‌اند، زیرا تقویت‌کننده‌های عملیاتی برای استفاده در «حالت خطی» با بازخورد منفی طراحی شده‌اند. آپ‌امپ‌ها دارای یک تأخیر زمانی در برگشت از حالت اشباع هستند و تقریباً تمام آن‌ها دارای خازن‌های جبران‌سازاند که باعث به وجود آمدن زمان تأخیر و محدود شدن عملکرد آپ‌امپ در فرکانس‌های بالا می‌شود. در نتیجه آپ‌امپ یک مقایسه‌کننده‌ی نامطلوب است که دارای «تاخیر انتشار» در حد چند ده میکروثانیه است.

    به دلیل این که تقویت‌کننده‌ی عملیاتی دارای هیچ‌گونه مکانیزم داخلی برای ایجاد پس‌ماند (هیسترزیس) نیست، همیشه به یک مدار خارجی برای تولید پس‌ماند نیاز دارد تا حرکت سیگنال‌های ورودی کندتر شوند.

    همچنین، محدوده‌ی تغییرات خروجی مقایسه‌کننده‌های آنالوگ برای اتصال راحت و آسان به مدارهای دیجیتال طراحی می‌شوند. که وقتی از تقویت‌کننده‌ی عملیاتی به عنوان مقایسه‌کننده استفاده می‌شود، نیاز است این تطبیق ولتاژ انجام شود.

    علاوه بر این‌ها، مدار خروجی مقایسه‌کننده‌ها از نوع «کلکتور باز» هستند و روی خروجی آن‌ها یک مقاومت بیرونی به عنوان مقاومت خروجی یا «مقاومت بالانگهدار» (Pull-Up) با نام ROUT قرار داده می‌شود که خروجی مدار مجتمع از طریق آن به خط مثبت تغذیه وصل می‌شود. هنگامی که خروجی مقایسه‌کننده «راست» باشد، ترانزیستور خروجی به حالت قطع می‌رود و مقاومت بالانگهدار خروجی آی.سی. را به خط مثبت منبع تغذیه به بالا می‌راند. هنگامی که خروجی مقایسه‌کننده «ناراست» باشد، این ترانزیستور به حالت اشباع می‌رود و ولتاژ خروجی مقایسه‌کننده برابر خواهد بود با ولتاژ کلکتور-امیتر اشباع، یعنی VCE(sat) مربوط به این ترانزیستور.

    .

    پس‌ماند یا هیسترزیس

    مدارهای مقایسه‌کننده، می‌توانند همچنین از «پس‌ماند» یا «هیسترزیس» بهره ببرند تا از نوسان لرزشی (Chatter) در ولتاژ خروجی و تولید پالس‌های سوزنی در امان بمانند. نوسان لرزشی وضعیتی را بیان می‌کند که در طول آن خروجی مقایسه‌کننده با سرعت زیاد پایین و بالا می‌رود و این زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ ورودی مدار در نزدیکی یا درست برابر ولتاژ نقطه‌ی تنظیم باشد. این وضعیت همچنین ممکن است در زمانی که ورودی مقایسه‌کننده نویز دریافت کند نیز پدیدار شود، زیرا دامنه‌ی نویز ممکن است به سرعت در محدوده‌ی ولتاژ نقطه‌ی تنظیم تغییر کنند. چند و چون این پدیده بر روی خروجی مقایسه‌کننده‌ها در گراف چپ تصویر زیر دیده می‌شود.

    .

    تفاوت میان خروجی مقایسه کننده با و بدون پس ماند یا هیسترزیس

    .

    همان طور که ملاحظه می‌شود، وجود نویز باعث شده که در لحظات متعددی ولتاژ ورودی از مقدار آستانه‌ای ولتاژ تنظیم شده فراتر رود. نتیجه‌ی آن، تغییرحالت‌های سریعی هست که در خروجی این مدار مشاهده می‌شود.

    پس‌ماند یا هیسترزیس نوعی از «بازخورد مثبت» یا «فیدبک مثبت» است که ولتاژ آستانه‌ایِ نقطه‌ی تنظیم را در حد چند میلی‌ولت در جهت مخالف با جهتی که  سیگنال ورودی از نقطه‌ی تنظیم عبور می‌کند، جابجا می‌کند.

    همان طور که در گراف سمت راست تصویر بالا مشاهده می‌شود، یک انحراف کوچک در ولتاژ نقطه‌ی تنظیم، خروجی مدار مقایسه‌کننده را در جای جدید خود نگه می‌دارد و از بازگشت وضعیت خروجی به حالت قبلی جلوگیری می‌کند.

    .

    مدار اصولی مقایسه کننده ولتاژ با پس ماند یا هیسترزیس

    مقاومت 3 که بازخوردی از خروجی مدار به ورودی ناوارونگر آن می‌رساند (فیدبک مثبت)

    مقداری پس‌ماند (هیسترزیس) در پاسخ مدار ایجاد می‌کند.

    .

    تصویر بالا نشان می‌دهدکه چگونه خروجی مدار مقایسه‌کننده از طریق مقاومت 3 به ورودی مثبت آن برگردانده می‌شود و در نقطه‌ی تنظیم مقدار اندکی جریان به مدار تقسیم ولتاژ (مقاومت‌های 1 و 2) اضافه یا از آن کم کرده و به این ترتیب و مقدار ولتاژ نقطه‌ی تنظیم را جابجا می‌کند.

    برخی کاربردهای مدارهای مقایسه‌کننده‌ی ولتاژ عبارتند از:

    • مدارهای ترموستات،
    • مدارهای چشم الکترونیک،
    • ترازوهای الکترونیک،
    • آشکارسازهای نقطه‌ی عبور از صفر،
    • مربعی‌کننده‌های سیگنال (که شکل‌موج‌های چرخه‌ای دیگر را به موج مربعی تبدیل می‌کنند)، و
    • آشکارسازهای قلّه‌ی موج.

    پایان بخش اول

    (ادامه در بخش دوم)

    .

    .

    مطالب مرتبط:

    مقایسه کننده های ولتاژ – بخش 2

    مدار یک ترموستات ساده برای کنترل دما در بازه‌ی دلخواه

    مدار یک منبع تغذیه آزمایشگاهی با ولتاژ و جریان قابل تنظیم

    وقتی که دست‌ها یکدیگر را می‌شویند

    نگهبانی برای حفاظت از باتری خودرو

    .

    .

    www.etesalkootah.ir ||   2021-02-18 © 

    2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

    تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح “اتصال کوتاه دات آی آر” بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل “کلیک” به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح “www.etesalkootah.ir” بعنوان منبع مجاز است.

    .