Stap 3: Circuit theorie Primer
Nu, op mijn favoriete deel van de elektriciteit: circuits!
Schakelingen misbruik maken van de bovengenoemde natuurkunde begrippen manipuleren van elektriciteit te benutten. Schakelingen zijn opgebouwd uit schakelingselementen, discrete onderdelen elke die zijn ontworpen voor het uitvoeren van een specifieke functie door het manipuleren van elektriciteit volgens sommige natuurkundige wet. Een goed begrip van hoe circuit componenten aids in de analyse van complexe schakelingen werken. Het fundamentele Marx-Generator circuit zelf vereist slechts drie unieke onderdelen: weerstanden, condensatoren en spark lacunes. Met het oog op het verstrekken van een passende introductie tot elektronica, voeren ik echter verscheidene andere belangrijke componenten alsmede.
Weerstanden: Verzetten tegen de stroom. Weerstand, het elektrische analogon van wrijving, toevoegen weerstanden aan een circuit. Elektrische ladingen, zoals lampen, toevoegen weerstand, of impedantie als de reactieve componenten worden betrokken, een circuit. Draden bezitten een aangeboren, materiële specifieke kwaliteit genaamd soortelijke weerstand en de weerstand van een draad kan worden berekend als het product van de soortelijke weerstand van de draad en de lengte gedeeld door de oppervlakte van de dwarsdoorsnede. De weerstand van een weerstand, de spanning over een weerstand, en de stroom door een weerstand betreffen alle door de wet van Ohm. Potentiometers, reostaten en trimmers zijn soorten variabele weerstanden, die kunnen worden geconfigureerd om vorm verstelbaar voltage divider circuits. Weerstanden worden gebruikt voor het beperken van de huidige en/of spanning in circuits. In dit Instructable, zullen we gebruiken weerstanden te vertragen, de kosten en de kwijting van condensatoren.
Condensatoren: Het opslaan van energie in een elektrisch veld. Condensatoren bestaan vaak uit twee parallelle geleidende platen waarop gratis accumuleert wanneer een spanning wordt toegepast. Tussen de platen vormt dit een uniform elektrisch veld met omvang in verhouding tot de oppervlakte ladingsdichtheid van de platen. Als kosten worden bij elkaar opgeteld, het elektrisch veld, en dus spanning, tussen de platen in grootte toeneemt. Zodra de spanning over de condensator is gelijk aan de voedingsspanning, zal huidige ophouden te stromen. De oppervlakte van de platen afneemt zal verhogen de spanning per eenheid lading en verlagen de maximale heffing accumulatie dienovereenkomstig. Op deze manier, het product van de spanning en opladen van een condensator constant blijft en definieert een aangeboren kwaliteit van elke condensator capaciteit, Cgenoemd. De energie (in Joule) opgeslagen in het elektrische veld van een condensator op elk moment kan worden berekend als 1/2CV ^ 2. Als een condensator wordt opgeladen via een weerstand (een RC-kring), het spanningsverschil tussen de condensator en het aanbod daalt en opladen vertraagt. We kunnen gebruiken calculus, een eerste-orde differentiaalvergelijking voor de stroom door de RC-kring met een gestage voedingsspanning oplossen als een functie van de tijd. Het resultaat geeft aan dat de huidige dalingen exponentieel naar nul, met steile daling als gevolg van kleinere precisiecapaciteit en weerstand waarden. Het product van de weerstand en capaciteit in een RC-kring staat bekend als de RC tijdconstante. Van de condensator tegen langzaam veranderende stromingen (d.w.z. lage frequenties) staat bekend als de schijnweerstand, X. In wisselstroomcircuits, schijnweerstand verbindingen weerstand opleveren van complexe impedantie Z, gedefinieerd als de som van orthogonale weerstand en schijnweerstand vectoren. Kortom, bij zeer hoge frequenties (benaderen oneindig), condensatoren bieden geen impedantie en fungeren als kortsluitingen. Bij zeer lage frequenties (naderen 0; DC), condensatoren bieden oneindige impedantie en fungeren als open circuits. In dit Instructable, zullen we gebruiken condensatoren als het primaire energie opslag element.
Spoelen en trafo's: Het opslaan van energie in een magnetisch veld. Inductoren zijn de magnetische analogon van condensatoren en spiegel van hun gedrag. Inductoren zijn gewoon spoelen van draad, en als zodanig de draad zelf parasitaire Inductantie aan de niet-ideale kan vertonen (ook twee draden liegen aangrenzende kan vertonen parasitaire capaciteit). Smoorspoelen misbruik maken van de beginselen van het elektromagnetisme beschreven door Ampere van recht en wet van Faraday. Uit de Ampere wet produceert huidige loopt door een draad een magnetisch veld dat de draad omsluit. Van de wet van Faraday induceert een veranderende magnetisch veld (magnetische flux) via een circuit een stroom die het magnetisch veld tegengaat. Het combineren van de wetten, zien we dat de magnetische velden die voortvloeien uit individuele lussen in een spoel dienen te houden stroom die via de spoel. Dit karakteristieke gedrag van smoorspoelen wordt gemeten als inductie, L. De energie die is opgeslagen in het magnetisch veld van een spoel op elk moment kan worden berekend als 1/2LI ^ 2. Net als bij de condensator, kunnen we een eerste-orde differentiaalvergelijking voor de stroom door het circuit RL (weerstand-spoel circuit) oplossen als een functie van de tijd. Wij vinden dat de huidige geleidelijk een waarde gelijk aan V/R (voedingsspanning gedeeld door de weerstand) benaderingen volgens een exponentiële met een helling die toeneemt met afnemende zelfinductie en weerstand waarden, het product van die wordt aangeduid als de RL tijdconstante. Wanneer de stroom door een spoel wijzigingen, een emf (elektromotorische kracht; spanning) wordt geïnduceerd in de spoel die rechtstreeks tegen de huidige waardoor geproduceerd. De omvang van de emf geproduceerd is evenredig aan zowel het tempo van de veranderingen van de stroom door de spoel en de zelfinductie van de spoel. Op deze manier is de spoel tegen de snel veranderende stromingen (dat wil zeggen hoge frequenties), waardoor het een schijnweerstand, X, die gelijk is aan die van de condensator. Kortom, bij zeer hoge frequenties (benaderen oneindig), condensatoren bieden geen impedantie en fungeren als kortsluitingen. Bij zeer lage frequenties (naderen 0; DC), condensatoren bieden oneindige impedantie en fungeren als open circuits. De spoel het frequentiebereik is dus inverse van van de condensator. De inductieve schijnweerstand vectorpunten in de tegenovergestelde richting naar de capacitieve schijnweerstand vector. Zo bestaat er enige regelmaat waarop inductieve en capacitieve reactances annuleren. Het is op deze resonantie frequentie die spanning en stroom zal oscilleren in een inductieve-capacitieve (LC; tank) circuit als energie sloshes heen en weer [Onbeperkt] tussen het magneetveld van de spoel en de veldsterkte van de condensator.
Twee spoel opgerold kunnen worden ingedraaid op kern te vormen van een transformator. Één spoel wordt de primaire winding van de transformator en anderzijds wordt de secundaire wikkeling van de transformator. De twee windingen delen wederzijdse inductie, magnetische koppeling of koppeling. Wanneer de stroom door de primaire kronkelende veranderingen, de veranderende magnetische flux door de primaire wordt overgedragen aan de secundaire via de ferriet kern. Dit induceert een stroom in de secundaire die evenredig is met de stroom in de primaire. De verhouding tussen de bochten in de primaire winding om beurten in de secundaire wikkeling bepaalt de relatieve omvang van de spanningen en de stromingen in elke winding. Secundaire spanning is gelijk aan primaire spanning gedeeld door de verhouding. Secundair stroom is gelijk aan primaire stroom vermenigvuldigd met de verhouding. Op deze manier is de macht niet gemaakt maar eerder getransformeerd. Als de verhouding groter dan 1:1 is, secundaire spanning groter zullen zijn en de transformator wordt beschouwd als een step-up transformator. De reciproke geldt voor een step-down transformator. Houd er rekening mee dat de primaire en secundaire kronkelende benamingen willekeurig zijn; een transformator kan worden omgekeerd om te verkrijgen van de omgekeerde verhouding. In dit Instructable, zullen we gebruiken een transformator aan step-up de voedingsspanning.
Diodes: Toestaan dat huidige stromen in slechts één richting. Halfgeleider diodes zijn samengesteld uit een enkele kruising van twee gedoopt halfgeleidende materialen. De voorwaartse bias spanning (meestal variërend van 0.7-1.4V) is het potentiaalverschil vereist voor stroom doorheen een diode in de voorwaartse richting kan stromen. De omgekeerde bias spanning (meestal veel hoger dan de voorwaartse bias spanning) is het potentiaalverschil waartegen de diode zal breken en huidige toestaan te stromen in de omgekeerde richting (dit wordt meestal beschouwd als niet-ideale gedrag; echter in het geval van Zener dioden, de verdeling ten gevolge van omgekeerde bias wordt benut voor de "avalanche" effect). De terminal van de negatieve (kathode) van een diode wordt aangegeven door een band (zie afbeelding). Dioden worden vaak gebruikt om te zetten van AC naar DC met een vier-diode-configuratie een full-wave gelijkrichter of diode brug genoemd. In dit Instructable, zullen we gebruiken dioden te corrigeren AC in een Cockcroft-Walton voltage multiplier circuit.
Transistors: Schakelen en versterken van de huidige. Tijdens de tweede helft van de 20e eeuw, de proliferatie van solid-state transistoren in elektronica gemaakt van verouderde vorige schakelapparaten, zoals steunpunten en vacuümbuizen, en leidde tot de digitale elektronica-revolutie. Hoewel er verscheidene verschillende soorten transistoren zijn, de meeste houden aan een gemeenschappelijke basisstructuur die bestaat uit drie pennen: een base (of poort), verzamelaar (of afvoer), en de emitter (of bron). Junction bipolaire transistoren (BJTs) bestaan uit twee aangrenzende halfgeleidende kruispunten in een NPN of een PNP-configuratie. Voor een BJT, een klein signaal aan de voet kan het moduleren van de stroom van een grotere stroom tussen de collector en de emitter. De high-gain eigenschappen van sommige transistoren kunnen worden misbruikt om formulier logische circuits met binaire statussen. In dit Instructable, zullen we een high-power NPN-transistor gebruiken om over te schakelen van de huidige transformator.
Spark hiaten: Het gedrag van elektriciteit alleen op hoge spanningen. Spark lacunes bestaan uit twee elektroden gescheiden door lucht- of andere diëlektrische. Tot een bepaalde spanning, zal de diëlektrische fungeren als een isolator en huidige remmen. Echter, zodra de omvang van het elektrisch veld tussen de elektroden zijn de specifieke diëlektrische sterkte overschreden, zal de diëlektrische verdeling en uit te voeren. Voor de ionisatie van lucht, is de ruwe benadering van 1kV per mm voor de scheiding gebruikte. In dit Instructable, zullen we gebruiken spark lacunes om te activeren het afvuren van de Marx-Generator.
Specialiteit onderdelen - actuatoren, Transducers en sensoren: Elektrische energie omzetten in energie van een andere vorm en vice versa. De term "transducer" wordt gebruikt om te verwijzen naar iets dat deze omzetting vergemakkelijkt. Motoren en elektromagneten zijn voorbeelden van actuatoren, die elektrische energie in hoekige en lineaire beweging omzetten. Microfoons, luidsprekers en piëzo-elektrische materialen vallen ook onder de definitie van transducer. De term "sensor" kan verwijzen naar een transducer die minimale of ambient energie gebruikt voor het afleiden van de informatie, zoals de licht intensiteit of chemische concentratie, over de omgeving.
Geïntegreerde Circuits: Pakket hele circuits in kleine chips. De dichtheid van de integratie van ICs is exponentieel gegroeid sinds de uitvinding van de IC door Jack Kilby. Dit verschijnsel van de groei, bekend als de wet van Moore, heeft ICs worden kleiner, sneller en goedkoper gelijktijdig gezien. Huidige technologie maakt miljarden individuele transistoren worden verpakt in een enkele IC. In dit Instructable, zullen we gebruiken een TLC555 timer, een gemeenschappelijk hobbyist IC, voor het genereren van een blokgolf-signaal.
