24 (357)

L.

Mikroprocesory są dziś powszechnie stosowane w najróżniejszych urządzeniach, nie tylko fabrycznych. Niska cena, łatwość programowania i dostępność wszelkich niezbędnych narzędzi powodują, że coraz młodsi realizują interesujące układy na

bazie mikroprocesorów. Zdarza się jednak, iż twórcy takich konstrukcji, zafascynowani łatwością programowania, popełniają błędy układowe, wynikające z nieznajomości podstaw elektroniki. Okazują się dobrymi informatykami, ale słabymi

elektronikami. Niniejszy cykl, przedstawiający niezbędne zasady, kluczowe elementy elektroniczne i rozwiązania układowe, opracowany został wprawdzie głównie dla miłośników mikroprocesorów, ale pożytek zeń odniosą wszyscy Czytelnicy.

Rys. 29

b)

Obwód LC - drgania swobodne

Omawianie obwodów LC zacznijmy od analogii hydraulicznej z rysunku 28. Mamy tu połączenie cewki-turbiny oraz kondensatora--rury, a system połączony jest z dużym zbiornikiem wodnym, na przykład z dużym jeziorem. Kondensator-rura ma nieco inną postać, niż na wcześniejszych rysunkach, ponieważ będziemy mieć do czynienia z przebiegiem zmiennym, co jednak ani trochę nic zmienia zasady działania. Sytuacja z rysunku 28 to stan spoczynkowy, gdy w układzie nic się nic dzieje. Załóżmy jednak, że nalejemy wody do rury (naładujemy kondensator) i w pewnej chwili sytuacja wygląda jak na rysunku 29a: poziom wody w rurze-kondensatorze jest znacznie wyższy niż poziom wody w jeziorze (h„,ax), a turbina jest nieruchoma. Słup wody o wysokości Ah wytwarza pewne ciśnienie, więc turbina zacznie się obracać i nabierać prędkości. Gdy poziom wody w rurze-kondensatorze spadnie do poziomu jeziora (ho), wtedy ciśnienie wywierane przez słup wody spadnie do zera, ale woda będzie przepływać nadal, a to z uwagi na to, że turbina-cewka zdążyła nabrać obrotów i jej bezwładność powoduje, że będzie obracać się nadal. Można powiedzieć, że energia potencjalna wody zamieniła się w energię kinetyczną turbiny. Dlatego od chwili, gdy poziom wody w rurze spadnie do zera,

Rys. 28

turbina zacznie działać jako pompa i będzie wypompowywać wodę z rury. Wprawdzie turbina będzie się obracać coraz wolniej, jednak zdąży wypompowywać sporo wody z rury. Jeśliby w takim systemie nie było żadnych strat, to poziom wody opadłby do poziomu h_min, o dokładnie taką samą odległość Ah poniżej poziomu zerowego, jak w przypadku poziomu maksymalnego - rysunek 29b. Oczywiście potem turbina zaczęłaby się coraz szybciej obracać w przeciwną stronę i poziom wody w rurze zacząłby się podnosić. Najpierw wzrósłby do poziomu h₀, i wtedy turbina osiągnęłaby maksymalną prędkość, a potem rozpędzona turbina wpompowałaby wodę do rury. Jeśli nie byłoby w tym systemie żadnych strat, poziom wody znów wzrósłby do wysokości h_max, a potem cykl powtarzałby się w nieskończoność. Poziom wody w rurze oraz prędkość turbiny zmieniałyby się w rytm przebiegu sinusoidalnego. Po jednorazowym „zasileniu” otrzymalibyśmy oscylator, generator przebiegu sinusoidalnego.

A teraz podobny układ elektryczny: najpierw w sytuacji z rysunku 30a gromadzimy energię (ładujemy kondensator z baterii Bat). Następnie po przełączeniu przełącznika w położenie B tworzymy obwód LC - rysunek 30b. W pierwszej chwili po przełączeniu kondensator jest naładowany, czyli zawiera jakąś porcję energii (E = C'U²/2) i występuje na nim napięcie stałe (dodatnie) o wartości dokładnie takiej, jak napięcie baterii. Na rysunku 30b jest to chwila to. W lej pierwszej chwili

po przełączeniu prąd _

nie płynie, ale od chwili przełączenia kondensator ma możliwość rozładowania się i przez cewkę zaczyna płynąć prąd.

Prąd ten przenosi do cewki energię zgromadzoną w kondensatorze. Zgodnie z zasadą działania cewki, płynący prąd zaczyna rosnąć. Prąd nie może jednak rosnąć nieogranicze-nie, ponieważ przepływ prądu jednocześnie oznacza stopniowe rozładowywanie kondensatora. Napięcie na kondensatorze zmniejsza się i prąd rośnie coraz wolniej. W chwili, gdy napięcie na kondensatorze spadnie do zera, prąd przestaje rosnąć. W tym właśnie momencie, na rysunku 3 Ge oznaczonym ti, napięcie na kondensatorze jest równe zeru, więc zgodnie ze wzorem E = CU²/2, jego energia jest równa zeru. Cała energia zgromadzona na początku w kondensatorze jest w tym momencie zawarta w cewce, przez którą płynie prąd (E = LI²/2). Zgodnie ze swoją zasadą działania, cewka „nie lubi zmian prądu”, dlatego prąd będzie płynął nadal w tym samym kierunku. A to oznacza, że cewka jako źródło energii zaczyna ładować kondensator.

Cewka przekazuje swoją energię do kondensatora.

Trzeba jednak zauważyć, że dalszy przepływ prądu w tym samym

c)

Styczeń2010 Elektronika dla Wszystkich