عناصر پسیو در مدار های AC

عناصر  پسیو (منفعل)، آن‌دسته از اجزای مدار می‌باشند؛ که تنها قادر به کاهش توان  الکتریکی اعمال شده بوده و امکان افزایش آن را ندارند.

مدارهای  الکتریکی و الکترونیکی، از اتصال اجزای مختلف به یکدیگر، برای ایجاد یک  مدار کامل و بسته تشکیل شده‌است. سه جز اصلی پسیو مورد استفاده در هرمدار  عبارتند از: مقاومت، خازن و سلف. هرکدام از سه جز پسیو، یک چیز مشترک دارند؛ آن‌ها جریان الکتریکی را از طریق مدار، به روش‌های بسیار متفاوتی محدود می‌کنند.

جریان  الکتریکی، از دو طریق می‌تواند در مدار جاری شود. اگر در یک جهت ثابت جاری  باشد؛ فقط به عنوان جریان مستقیم طبقه‌بندی می‌شود (DC). اگر جریان  الکتریکی، در هر دو جهت به جلو و عقب تناوب یابد؛ به عنوان جریان متناوب  طبقه‌بندی می‌شود (AC). اگرچه هر دو دارای امپدانس می‌باشند؛ اما اجزای  پسیو در مدارهای AC رفتار بسیار متفاوتی با مدارهای DC دارند.

اجزای  پسیو، انرژی الکتریکی مصرف می‌کنند و بنابراین نمی‌توانند سیگنال‌های  الکتریکی اعمال‌شده روی خود را افزایش داده یا تقویت کنند؛ فقط به این دلیل  که پسیو (منفعل) بوده و از این رو، همیشه بهره کمتر از یک خواهند داشت.  اجزای پسیو مورد استفاده در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، می‌توانند به  تعداد بی‌نهایت روش، به یکدیگر متصل شوند. عملکرد این مدارها، بستگی به  تعامل خصوصیات مختلف الکتریکی آن‌ها دارد.

اجزای پسیو در مدارهای AC

مثالی از یک مدار با عنصر پسیو (R مقاومت، C طرفیت خازنی و L اندوکتانس است.)

مقاومت‌هایی که در مدارهای DC یا AC استفاده می‌شوند؛ فارغ از  فرکانس تغذیه، همیشه دارای مقاومت یکسانی می‌باشند. دلیل این امر این است؛  که مقاومت‌ها برای خالص بودن و داشتن خواص پارازیتی مانند C=∞ و L=0  کلاس‌بندی می‌شوند. هم‌چنین برای یک مدار مقاومتی، ولتاژ و جریان همیشه  هم‌فاز می‌باشند؛ بنابراین می‌توان با ضرب ولتاژ در جریان هر لحظه، توان  مصرفی هر لحظه را پیدا کرد.

از طرف دیگر، خازن و سلف‌ها، نوع متفاوتی از مقاومت متناوب AC، را دارند که به عنوان راکتانس (XC و XL)  شناخته می‌شود. راکتانس نیز مانع جاری شدن جریان می‌شود؛ اما مقدار  راکتانس، یک مقدار ثابت برای سلف یا خازن ،به همان روشی که مقاومت، دارای  رزیستانس ثابت است؛ نیست. مقدار راکتانس یک سلف یا یک خازن، به فرکانس  جریان منبع تغذیه، به همان اندازه که به مقدار DC خود عنصر بستگی دارد؛  وابسته است.

در زیر، لیستی از عناصر پسیوی که معمولا در مدارهای AC،  استفاده می‌شود؛ به‌همراه معادلات متناظر آن که می‌تواند برای یافتن مقدار  آن‌ها یا جریان مدار، مورداستفاده قرار گیرد، آورده شده‌است. توجه داشته  ‌باشید؛ که یک سلف یا خازن کامل (خالص) از لحاظ نظری دارای هیچ مقاومتی  نیست. اما در دنیای واقعی، همیشه مقداری مقاومت در آن‌ها وجود دارد.

مدار مقاومتی خالص

مقاومت: مقاومت‌ها،  سبب گردش یافتن یا تنظیم کردن جریان جاری، از طریق یک مسیر خاص در مدار  شده یا در نتیجه همین جاری شدن باعث کاهش ولتاژ می‌شوند؛ که نتیجه‌ی جاری  شدن جریان است. مقاومت‌ها، نوعی امپدانس دارند؛ که به اصطلاح رزیستانس (R)  نامیده شده و برحسب اهم (Ω) اندازه‌گیری می‌گردد. مقاومت‌ها می‌توانند  دارای مقدار ثابت یا یک مقدار متغیر (پتانسیومتر) باشند.

مدار مقاومت خالص

مدار خازنی خالص

خازن:  خازن عنصری است که توانایی یا “ظرفیت” ذخیره انرژی به شکل یک بار الکتریکی،  مانند یک باتری کوچک را دارد. مقدار ظرفیت یک خازن برحسب فاراد (F)  اندازه‌گیری می‌شود. در حالت DC، خازن دارای امپدانس (XC) بی‌نهایت (مدارباز) بوده؛ در حالی که، در فرکانس‌های بسیار بالا، خازن دارای امپدانس صفر (اتصال کوتاه) است.

مدار خازنی خالص

مدار القایی خالص

سلف: سلف،  سیم‌پیچی از سیم است؛ که در نتیجه عبور مستقیم جریان از سیمپیچ، یک میدان  مغناطیسی درون آن یا درون هسته مرکزی القا می‌شود. مقدار اندوکتانس یک سلف  برحسب هنری (H) اندازه‌گیری می‌شود. در حالت DC، سلف دارای امپدانس صفر  (اتصال کوتاه) بوده؛ در حالی که، در فرکانس‌های بسیار بالا، سلف دارای  امپدانس (XL) بی‌نهایت (مدارباز) است.

مدار القایی خالص

مدار های سری AC

عناصر پسیو موجود در مدارهای AC، را می‌توان به‌صورت سری به‌‌یکدیگر متصل کرده و مدارهای RC، RL و LC را به صورت زیر نشان داد:

مدار سری RC

مدار سری RC

مدار سری RL

مدار سری RL

مدار سری LC

مدار سری LC

مدار های موازی AC

عناصر پسیو موجود در مدارهای AC، را می‌توان به‌صورت موازی به‌‌یکدیگر متصل کرده و مدارهای RC، RL و LC را به صورت زیر نشان داد:

مدار موازی RC

مدار موازی RC

مدار موازی RL

مدار موازی RL

مدار موازی LC

مدار موازی LC

مدارهای پسیو RLC

تمام عناصر پسیو موجود در مدارهای AC، را می‌توان به‌‌یکدیگر  متصل کرده و  ترکیب‌های سری RLC و ترکیب‌های موازی RLC را به صورت زیر نشان  داد:

مدار سری RLC

مدار سری RLC

مدار موازی RLC

مدار موازی RLC

در بالا، مشاهده کردیم، که عناصر پسیو در مدارهای AC،  به‌دلیل تاثیر فرکانس (f) رفتار متفاوتی نسبت به مدار DC دارند. در یک  مدار کاملا مقاومتی، جریان با ولتاژ هم‌فاز است. در یک مدار کاملا خازنی،  جریان در خازن 90° از ولتاژ جلوتر است؛ در حالیکه، در یک مدار کاملا  القایی، جریان 90° از ولتاژ عقب تر است

معکوس جریان جاری در یک عنصر پسیو در یک مدار AC به صورت: رزیستانس (R) برای یک مقاومت، راکتانس خازنی (XC) برای یک خازن و راکتانس القایی (XL) برای یک سلف خوانده می‌شود. ترکیب رزیستانس و راکتانس، امپدانس نامیده می‌شود.

در یک مدار سری، جمع فازوری ولتاژهای عناصر مدار برابر با ولتاژ تغذیه (VS) است. در یک مدار موازی، جمع فازوری جریان‌های جاری در هر شاخه و نیز در هر یک از عناصر مدار، برابر با جریان تغذیه (IS) است.

برای هردو اتصال سری و موازی در مدارهای RLC، در زمانیکه جریان منبع تغذیه “همفاز” با ولتاژ منبع بوده، تشدید رخ داده که به‌معنای XL=XC است. یک مدار تشدید سری به‌عنوان مدار پذیرنده و یک مدار تشدید موازی به‌عنوان یک مدار رد کننده شناخته می‌شود.