أشكال الموجات للتيار المتناوب

1٬695 2 دقائق

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الموجات الجيبية

تمتلك موجةُ التيار المتناوب التقليدية موجةً جيبية أو شكلاً جيبياً (Sinusoidal Shape)، ويعطي الشكل 2-1 مثالاً جيداً عنها.

تتمتّع موجةُ التيار المتناوب التي تُركز كلَّ طاقتها عند تردّد وحيد بشكل موجة جيبية مثالي، كما يعتبَر العكسُ صحيحاً: فموجة تيار متناوب جيبية مثالية تتضمّن فقط مكون تردّد وحيد – هو التردّد الأساسي.

من الناحية العملية، يمكن أن تمتلكَ إشارةٌ شكلَ موجةٍ قريباً جداً من الموجة الجيبية -التي تشبه دالة الجيب في الأوسلوسكوب (Oscilloscope)– مع أنه في الواقع بعيدٌ عن المثالي.

ويُظهر الأوسلوسكوب الزمنَ على المحور الأفقي والسعة (الفولطية عادة) على المحور العمودي، وتُمثَّل هكذا السعةُ بدلالة الزمن وفق طريقة الشكل 2-1. وقد يقول مهندس أو فني أن راسم الإشارة يتسم بإظهار مجال الزمن (Time-Domain).

يتمتع التيارُ المتناوبُ للاستعمال العام في الولايات المتحدة بشكلِ موجةٍ جيبيةٍ مثاليةٍ تقريباً –عندما تَنظر إلى الأوسلوسكوب – لكنّه ليس مثالياً. وتعتبر العيوبُ مسؤولةً عن الضجيج الكهرطيسي (Electromagnetic) (EM) الذي يمكن أن يتداخل مع الاتصالات الراديوية والمستقبِلات اللاسلكية.

وإذا ما قرأت كتابي "تجارب الكهرباء التي يمكنك تحقيقها في المنزل" (McGraw-Hill, 2010)، ستكتشف كيف يمكن لحاسوب شخصي إظهار التوافقيات والضجيج الكهرو مغنطيسي في خطوط مرافق الطاقة العامة بصرياً.

الموجات المربّعة

على الأوسلوسكوب، تظهر موجةٌ مربّعة (Square Wve) مثالية مثلَ زوجِ خطوط متوازيةٍ ومُنقَّطَةٍ، يمتلك الأول قطبية موجبة والآخر قطبية سالبة كما في الشكل 2-2أ.

يمكن أن تمتلك موجة تيار متناوب مربعة قمماً سالبة وموجبة متساوية، وفي هذه الحالة، تبقى السعةُ المطلقة (Absolute Amplitude) للموجة ثابتةً عند مستوى فولطية أو تيار أو قدرة معيّن.

ومن أجل نصف الزمن، تساوي السعةُ عدداً موجباً معيناً من الفولطات أو الأمبيرات، ومن أجل نصف الزمن الآخر، تساوي السعةُ عدداً سالباً معيناً من الفولطات أو الأمبيرات. وهكذا، يكون لدينا موجة مربعة متناظرة (Symmertical Square Wave).

في موجة مربّعة غير متناظرة، تختلف السعات الموجبة والسالبة. وكمثال، يمكن أن تساوي قمة الفولطية الموجبة +5V وقمة الفولطية السالبة -5V.

ومن الممكن أيضاً أن يكون طولُ الزمن الذي تكوّن فيه السعةُ موجبةً مختلفاً عن طولِ الزمن الذي تكون فيه السعةُ سالبة. وفي مثل هذا السيناريو، يكون لدينا ما يسمى موجة مستطيلة (Rectangular Wave).

موجات سنّ المنشار

إلى جانب الموجات الجيبية والمربعة والمستطيلة، سنصادف موجة سن المنشار (Sawtooth Waves) التي تأخذ اسمها من مظهرها عند رسمها.

يبين الشكل 2-3 نموذجاً لموجة سن المنشار. وتحدث الانتقالاتُ الموجبةُ المسمّاة أيضاً الارتفاع أو الهجومَ أو الحافةَ الأمامية (Leading edge) آنياً، أمّا الانتقال المتّجه سالباً والمسمى أيضاً الاسترخاءَ أو الحافةَ الخلفية (Trailing Edge) أو الانخفاضَ، فهي تحدث تدريجياً. وتساوي المدّة الزمنَ بين نقاط عند مواقع متماثلة على الدورات المتتالية.

يُظهر شكل آخر لموجة سن المنشار ارتفاعاً تدريجياً وانخفاضاً آنياً، ويسمي المهندسون والفنيون هذا النموذج من الموجة المبين في الشكل 2-4 بـالموجة التصاعديّة(Ramp Wave) أو التصاعد(Ramp) ، وتولِّد هذه الموجاتُ تياراتِ الحزمةِ الماسحة في مجموعات التلفزيون أو الأوسلوسكوبات ذاتِ مصابيح الأشعة المهبطية القديمة (CRT).

يمكن أن تمتلك موجاتُ سن المنشار عدداً لامتناهياً من تراكيبَ مختلفةٍ لميول الارتفاعات وميول الانخفاضات.

ويُظهر الشكل 2-5 حالة تكون فيها مُدّتا الارتفاع والانخفاض متساويتَين وغير معدومتَين، وهذا ما نسميه الموجة المثلثية(Triangular Wave) .

الموجات المُعقَّدة

يبين الشكل 2-6 مثالاً لموجة مُعقَّدة (Complex Wave) تسمى أيضاً موجةً غير منتظمة (Irregular Wave)، ويمكننا ملاحظة أنها تمتلك مدة محددة وبالتالي تردّداً محدّداً وقابلاً للقياس.