Étape 3: Circuit Theory Primer
Maintenant, sur ma partie préférée de l’électricité : circuits !
Circuits exploitent les notions de physique susmentionnées afin d’exploiter et de manipuler l’électricité. Circuits sont composés d’éléments de circuits, des composants discrets chaque conçus pour exécuter une fonction spécifique en manipulant l’électricité selon une loi physique. Une compréhension du fonctionnement des composants du circuit sida dans l’analyse des circuits complexes. Le circuit de base générateur de Marx par lui-même ne nécessite que trois éléments uniques : résistances, condensateurs et éclateurs. Toutefois, dans le but de fournir une introduction adéquate à l’électronique, je vais présenter plusieurs autres composants importants aussi bien.
Résistances : S’opposer à courant. Résistances ajouter l’électrique analogique de frottement, résistance à un circuit. Charges électriques, tels que des lampes, ajouter la résistance ou impédance si les réactifs sont en cause, à un circuit. Fils possèdent une qualité spécifique innée, matière appelée résistivité et la résistance d’un fil peut être calculée comme le produit de la résistivité et la longueur divisée par sa section transversale du câble. La résistance d’une résistance, la tension aux bornes d’une résistance et le courant traversant une résistance est tous liée par la Loi d’Ohm. Potentiomètres et rhéostats chevêtres sont des types de résistances variables, qui peuvent être configurées pour circuits de diviseur de tension réglable de forme. Résistances sont utilisées pour limiter le courant et/ou de tension dans les circuits. Dans ce Instructable, nous allons utiliser résistances pour ralentir la charge et décharge des condensateurs.
Condensateurs : Stocker de l’énergie dans un champ électrique. Condensateurs sont souvent composés de deux plaques conductrices parallèles dont accusation accumule lorsqu’une tension est appliquée. Entre les plaques, il forme un champ électrique uniforme ayant grandeur proportionnelle à la densité de charge de surface des plaques. Comme frais s’accumule, le champ électrique, et ainsi augmente la tension, entre les plaques en grandeur. Une fois que la tension aux bornes du condensateur est égale à la tension de la source, courant cessera de s’écouler. Diminuer la surface des plaques va augmenter la tension par charge d’unité et diminuer l’accumulation de la charge maximale en conséquence. De cette façon, le produit de la tension et la charge d’un condensateur reste constantes et définit une qualité innée de chaque condensateur appelée capacitance, C. L’énergie (en joules) stockée dans le champ électrique d’un condensateur à l’instant peut être calculée comme 1/2CV ^ 2. Un condensateur est chargé à travers une résistance (un circuit RC), la différence de tension entre le condensateur et les baisses d’approvisionnement et ralentit le chargement. À l’aide de calcul, nous pouvons résoudre une équation différentielle de premier ordre pour le courant traversant le circuit RC avec une tension constante en fonction du temps. Le résultat indique le courant diminue exponentiellement vers zéro, avec diminution plus abrupte résultant des valeurs plus petites de capacitance et de résistance. Le produit de la résistance et de capacité dans un circuit RC est connu comme la constante de temps RC. Opposition du condensateur pour ralentir l’évolution des courants (c'est-à-dire les fréquences basses) est connue comme sa réactance, X. Dans les circuits AC, réactance composés résistance à céder l’impédance complexe Z, définie comme la somme des résistance orthogonale et des vecteurs de la réactance. En bref, à des fréquences très élevées (s’avançant vers l’infini), condensateurs n’offrent aucune impédance et agissent comme des courts-circuits. À très basses fréquences (s’approchant de 0 ; DC), condensateurs offrent une impédance infinie et agissent comme un circuit ouvert. Dans ce Instructable, nous allons utiliser condensateurs comme l’élément de stockage d’énergie primaire.
Transformateurs et inductances : Stocker de l’énergie dans un champ magnétique. Inductances sont l’analogue magnétique de condensateurs et leur comportement en miroir. Inductances sont simplement des bobines de fil, et à ce titre, fil lui-même peut montrer non-idéal inductance parasite (de même, deux fils mitoyen peut exposer un capacité parasite). Inductances exploitent les principes de l’électromagnétisme décrit par la Loi de l’ampère et la Loi de Faraday. Depuis la Loi de l’ampère, le courant circulant à travers un fil produit un champ magnétique qui entoure le fil. Depuis la Loi de Faraday, un champ magnétique changeant (flux magnétique) grâce à un circuit induit un courant qui neutralise le champ magnétique. Combinant les lois, nous voyons que les champs magnétiques résultant des lignes individuelles dans une inductance servent à maintenir le courant traversant l’inductance. Ce comportement caractéristique des inducteurs est mesuré comme l’inductance, L. L’énergie stockée dans le champ magnétique d’un inducteur à tout moment peut être calculée comme 1/2LI ^ 2. Comme pour le condensateur, nous pouvons résoudre une équation différentielle de premier ordre pour le courant traversant le circuit RL (circuit de résistance-inducteur) en fonction du temps. Nous trouvons que le courant s’approche peu à peu une valeur égale à V/R (tension divisée par la résistance) selon une exponentielle avec une pente qui augmente avec la diminution des valeurs de l’inductance et la résistance, le produit qui est appelé la constante de temps RL. Lorsque le courant à travers un changement de l’inducteur, une FEM (force électromotrice ; tension) est induite à travers l’inducteur qui oppose directement le courant qui a causé produite. L’ampleur de l’emf produite est proportionnelle à la vitesse de changement du courant par l’intermédiaire de l’inducteur et l’inductance de la bobine. De cette façon, l’inductance s’oppose aux courants rapides de l’évolution (c'est-à-dire les fréquences élevées), ce qui lui donne une réactance, X, qui reflète celle du condensateur. En bref, à des fréquences très élevées (s’avançant vers l’infini), condensateurs n’offrent aucune impédance et agissent comme des courts-circuits. À très basses fréquences (s’approchant de 0 ; DC), condensateurs offrent une impédance infinie et agissent comme un circuit ouvert. Réponse en fréquence de l’inducteur est donc inverse de du condensateur. Les points vectoriels de réactance inductive dans le sens opposé au vecteur réactance capacitive. Ainsi, il existe certaines fréquences au cours de laquelle les réactances inductives et capacitives annuler. C’est à cette fréquence de résonance que la tension et de courant oscillera dans un inductif et capacitif (LC; réservoir) circuit comme énergie sloshes en arrière [indéfiniment] entre le champ magnétique de l’inducteur et le champ électrique du condensateur.
Deux bobines d’inductance peuvent être enroulées sur la base pour former un transformateur. Une bobine devient l’enroulement primaire du transformateur et l’autre devient l’enroulement secondaire du transformateur. Les deux enroulements partagent inductance mutuelle, un couplage magnétique ou couplage. Quand le courant à travers les changements de bobinage primaires, le flux magnétique changeant par le biais de la primaire est transféré au secondaire par l’intermédiaire du noyau de ferrite. Ceci induit un courant dans le secondaire qui est proportionnel au courant du niveau primaire. Le rapport de tours dans l’enroulement primaire à tours dans l’enroulement secondaire détermine l’importance relative de la tension et de courant dans chaque enroulement. Tension secondaire est égale à la tension primaire divisée par le rapport. Courant secondaire est égal au courant principal multiplié par le rapport. De cette façon, le pouvoir est pas créé mais plutôt transformé. Si le ratio est supérieur à 1:1, tension secondaire sera plus grande et le transformateur est considéré comme un transformateur élévateur. L’inverse est vrai pour un transformateur abaisseur. Gardez à l’esprit que les désignations de bobinage primaires et secondaires sont arbitraires ; un transformateur peut être inversé pour obtenir le rapport inverse. Dans ce Instructable, nous allons utiliser un transformateur de Step-Up la tension d’alimentation.
Diodes : Permis actuel à s’écouler dans un seul sens. Diodes de semi-conducteur sont composées d’une seule jonction de deux matériaux semi-conducteurs dopés. La tension de polarisation directe (qui vont généralement de 0,7-1,4 v) est la différence de potentiel nécessaire pour le courant de circuler à travers une diode dans le sens vers l’avant. La tension de polarisation inverse (en général beaucoup plus élevée que la tension de polarisation directe) est la différence de potentiel au cours de laquelle la diode se décomposer et permettent actuellement de circuler dans le sens inverse (c’est généralement considéré comme comportement non-idéal ; Toutefois, dans le cas des diodes de Zener, la répartition résultant de polarisation inverse est exploitée pour son effet « avalanche »). La borne négative (cathode) d’une diode est indiquée par un bandeau (voir image). Diodes sont couramment utilisés pour rectifier AC à DC, utilisez une configuration à quatre diodes appelée un pont redresseur ou diode de pleine onde. Dans ce Instructable, nous allons utiliser diodes pour rectifier AC dans un circuit de multiplicateur de tension Cockcroft-Walton.
Transistors : Interrupteur et amplifier le courant. Au cours de la seconde moitié du XXe siècle, la prolifération des transistors à l’état solide dans l’électronique fait des dispositifs de commutation précédentes obsolètes, comme des relais ou des tubes à vide et a déclenché la révolution électronique numérique. Il existe plusieurs classes différentes de transistors, la plupart adhère à une structure de base commune, consistant en trois axes : une base (ou portail), collectionneur (ou drain) et émetteur (ou source). Transistors à jonction bipolaire (BJT) sont composées de deux jonctions semi-conductrices adjacentes dans configuration PNP ou NPN. Pour un BJT, un petit signal à la base peut moduler le débit d’un courant plus grand entre le collecteur et l’émetteur. Les propriétés de gain élevé de quelques transistors peuvent être exploitées pour circuits logiques forme avec les États binaires. Dans ce Instructable, nous allons utiliser un transistor NPN à haute puissance pour passer le transformateur de courant.
Éclateurs : Conduire l’électricité uniquement à haute tension. Éclateurs se composent de deux électrodes séparées par voie aérienne ou autre diélectrique. Jusqu'à une certaine tension, le diélectrique va agir comme isolant et inhibent actuel. Cependant, une fois que l’amplitude du champ électrique entre les électrodes a dépassé la rigidité diélectrique spécifique, le diélectrique sera ventilation et conduite. Pour l’ionisation de l’air, l’approximatif de 1kV par mm d’espacement est couramment utilisé. Dans ce Instructable, nous allons utiliser éclateurs pour déclencher les tirs du générateur de Marx.
Composants spécialisés - capteurs, des actionneurs et capteurs : Convertissent l’énergie électrique en énergie d’une autre forme et vice versa. Le terme « transducteur » est utilisé pour faire référence à quelque chose qui facilite cette conversion. Solénoïdes et moteurs sont des exemples d’actionneurs, qui convertissent l’énergie électrique en mouvement angulaire et linéaire. Microphones et haut-parleurs piézo-électriques s’inscrivent dans la définition de transducteur. Le terme « capteur » peut renvoyer à un transducteur qui utilise l’énergie minimale ou ambiante pour obtenir des informations, telles que l’intensité lumineuse ou la concentration chimique, sur le milieu environnant.
Circuits intégrés : Circuits de tout paquet en petits morceaux. La densité d’intégration de l’ICs a connu une croissance exponentielle depuis l’invention du ci par Jack Kilby. Ce phénomène de croissance, dite loi de Moore, a vu ICs deviennent plus petits, plus vite et moins cher en même temps. La technologie actuelle permet aux milliards de transistors individuels à être emballé dans un seul IC. Dans ce Instructable, nous allons utiliser une minuterie TLC555, un courant IC amateur, pour générer un signal carré.
