المكبـــــر التشغيلـــــي

المكبر التشغيلي و الذي يعرف في بعض الدول العربية باسم مكبر العمليات عبارة عن دارة متكاملة متعددة الأطراف
يوجد أنواع كثيرة منه و قد قدم خدمات كبيرة في تسهيل تصميم الدارات الالكترونية
و في كثير من الأحيان تعتبر هذه الدارة المتكاملة مكوناً أساسباً في دوائر متكاملة أوسع من حيث المهام .

و يعتبر المكبر 741 أحد أبسط الأنواع و أرخصها و مع ذلك يمكن الاستفادة منه في بناء تطبيقات بسيطة و عملية بكلفة قليلة ..

كما سبق لك وذكرت فإن المكبر يتغذى من خلال جهد موجب Vcc و آخر سالب Vee حيث أن الجهدان متساويان بالقيمة و متعاكسان بالقطبية .. و تبلغ قيمة جهد التغذية المطلوبة من 12 حتى 15 فولت و –12 حتى –15 فولت .

طبعاً بسبب كون المكبر قد تم تصميمة بالميزات المذكورة أعلاه فهذا يعني أنه مكبر ذو تكبير عالٍ للغاية بحيث أن إشارة الدخل مهما كانت صغيرة ستسبب إشباعاً على خرج المكبر .. و هكذا لا يمكن استخدام مكبر العمليات كمكبر للإشارة بدارة مفتوحة
و لكن مع ذلك فإن استخدام تغذية خلفية سالبة تعطي مكبراً ممتازاً و ذو استقرار عالي .. و بنفس الوقت يتميز أنه يمكن استخدامه لتكبير الإشارات ذات التردد المنخفض جداً أو المستمرة حيث أنه لا ضرورة لوجود مكثف ربط على مدخل الإشارة ..

كما أن الدراسة النظرية التصميمية التي تحكم عمل المكبر بسيطة للغاية

ملاحظة حول عمل المكبر كمحدد : بحسب الشكل أعلاه .. يمكن اعتبار هذا التطبيق بالحقيقة ( مقارناً مع الجهد المرجعي الصفر )
إن جهد الدخل Vinعندما يكون موجباً يتم تضخيمة بمقدار عامل التضخيم A بحيث يكون جهد الخرج مساوياً
Vout= A. Vin
و لما كان A كبيراً للغاية فإن جهد الخرج سيكون محدداً بجهد التغذية الموجب و ذلك مهما كان جهد الدخل صغير
و نفس الكلام ينطبق في حال جهد الدخل سالباً (مهما كان صغير بالمقدار)
و بالنتيجة يمكننا أن نعتبر هذا التطبيق المذكور أعلاه مقارناً مع الجهد المرجعي صفر
حيث أن تطبيق أي جهد موجب مهما كانت قيمته تعطي على الخرج
Vout=+Vcc
و تطبيق جهد سالب مهما كانت قيمته ستعطي بالنتيجة
Vout=-Vee
ملاحظة : إن طريقة التوصيل هذه تعطي دارة المقارن العادية و يمكن الحصول على مقارن عاكس بالمبادلة بين القطبين في الدخل حيث يوصل المدخل الغير عاكس إلى الأرض (الجهد صفر ) أما المدخل العاكس فيتم تطبيق جهد إشارة الدخل عليها
و هكذا تعمل الدارة كمقارن عاكس أي أن الجهد الموجب على الدخل يؤدي إلى خرج
Vout= -Vee
و الجهد السالب على الدخل يؤدي إلى خرج
Vout=+Vcc

الآن يمكننا تعميم فكرة المقارن المذكورة أعلاه لنقارن جهد الإشارة المطلوبة مع قيمة مرجعية ذات القيمة Vref
ببساطة يكون ذلك بوصل هذا الجهد المرجعي إلى المدخل السالب للمكبر و نصل الإشارة المراد مقارنتها مع المدخل الموجب للمكبر و بذلك تتم عملية المقارنة بنفس الطريقة المشروحة في حالة المقارن مع الصفر ..
يمكن استخدام نفس الدارة في تطبيقات كثيرة فمثلاً يمكن تحويل موجة ذات شكل جيبي إلى موجة موافقة تماماً ذات شكل مربع
حيث يطبق جهد الإشارة الجيبية كإشارة دخل و نحصل عند الخرج على إشارة مربعة لها نفس التردد و الطور ..
و يندرج الكثير من التطبيقات في هذا المجال لا مكان لذكرها هنا..

كما أن دارة المقارن هذه لها الكثير من التطبيقات منها استخدام المقارن في المنظمات الكهربائية و دارات الحماية حيث يتم أخذ عينة مقومة من جهد التغذية و مقارنتها مع جهد مرجعي معين و بالتالي عند تجاوز الجهد قيمة معينة يظهر على خرج المقارن جهد يستفاد منه لتشغيل ريليه تبديل مرحلة الجهد في المنظم الأوتوماتيك مثلاً أو إطفاء ريليه التغذية في دارات الحماية ..

المكبر العاكس :
يظهر في الشرح أعلاه مفهوم الصفر التخيلي الذي يظهر على المدخل العاكس ..
فما معنى هذا الجهد التخيلي ؟؟ من أين جاء علماً بأن ممانعة المدخل عالية جداً ؟؟؟
الجواب : يمكن دراسة أكثر تعقيداً لنفس المسألة المذكورة أعلاه و بشكل رياضي ..
و يمكننا فيزيائياً بسهولة أن نقول أن التغذية العكسية السالبة الموجودة في الدارة تؤدي إلى استقرار الدارة و عملها ضمن المنطقة الخطية لعملها و بالتالي كمكبر و ليس كمقارن
و بالتالي فإن فارق الجهد بين المدخلين العاكس و اللاعاكس أصغر من
Vcc-Vee / A
و لما كان التكبير A كبير للغاية فإن فرق الجهد يكاد أن يكون معدوماً
أي أن جهد النقطة V- مساوياً لجهد النقطة V+ و التي بدورها تساوي الصفر

التفسير الرياضي الدقيق :
فإن اعتبرنا أن :
V+ هو الجهد الذي يظهر على المدخل الموجب على مدخل مكبر العمليات و الذي أشار إليه الأخ محمد الحريري على أنه الصفر الوهمي (و هذا ما سنراه الآن )
و من يحب أن يتحقق من ذلك يمكنه دراسة المعادلات التالية التي ستقوده بسهولة لنفس النتيجة
بحسب قانون أوم في الدارات البسيطة فإن
I=( Vin-Vout ) / ( Zi+Zf )
المعادلة 1
و بحسب قانون مكبر العمليات فإن :
Vout = – A . V+
المعادلة 2
حسب قانون كيرشوف في الدارات
V+ = Vin – I . Zi
المعادلة 3
من 2 و 3 نجد :
Vout = -A . (Vin – I . Zi )
و بالتالي
Vout / A= -Vin + I . Zi
و بالتالي

I =( Vin + Vout /A ) / Zi
المعادلة 4

من 1 و 4 نجد
( Vin – Vout ) / ( Zi+Zf ) = ( Vin + Vout /A ) / Zi

المعادلة 5
و باختصار المعادلة نجد :
( Vin – Vout ) Zi = ( Vin + Vout /A ) ( Zi+Zf )
Vin (Zi – Zi- Zf) = Vout . (Zi +(Zi +Zf)/A )
– Vin . Zf = Vout (Zi+(Zi +.Zf)/A)

Vout / Vi = -(Zf) / ((Zi+(Zi +.Zf)/A)
نعتبر أن Af يمثل تكبير الدارة الكلية مع وجود تغذية خلفية سالبة و ينتج
Af = Vout / Vi

Af=-(Zf) / ((Zi+(Zi +.Zf)/A)

بما أن A كبير للغاية (أكثر من 100000) و بالتال يهمل الحد الذي يقسم عليها و تصبح المعادلة 5 بتقريب ممتاز على الشكل
Af = – Zf/ Zi
المعادلة 6

و ينتج لدينا :

الآن ندرس الجهد V+ لنتعرف على سبب تسمينته بالصفر الوهمي
من 1 و 6 نجد :
I=( Vin-Vout ) / ( Zi+Zf )
I= Vin ( 1+ Zf/ Zi)/ (Zi+Zf)
و بالاختصار نجد
I= Vin /Zi
و لما كان

V+ = Vin – I . Zi
بالتعويض ينتتج
V+ = 0
أي أن المدخل يأخذ الجهد صفر دون أن يكون بالحقيقة موصول مع هذا الجهد و على الرغم من الممانعة العالية للمدخل
كأنه أصبح صفراً و همياً الفرق بين الدائرتين المرفقتين :الدارة التي على اليمين عبارة عن دارة مكبر واحدي- عزل .. Buffer
و هنا تكبير الجهد = 1
ماهي الفائدة من الدارة ؟؟
نقل جهد الدخل إلى الخرج دون تحميل المنبع أي حمل بسبب كون ممانعة المدخل عالية للغاية و بالتالي لا يتأثر المنبع عند الدخل بقيمة الحمل
و كتطبيق على هذه الدارة تغذية دارة الكترونية من دارة مهتزة ذات استقرار رديء تجاه الحمل أي أن تردد الدارة المهتزة يختل عند تطبيق حمل عليها نضطر أن نضع بين المهتز و الحمل دارة مكبر واحدي مثلاً .
تطبيق آخر ممكن هو نقل إشارة ميكرفون ذو ممانعة عالية إلى مراحل التكبير التالية حيث أن ممانعة الميكرفون العالية جداً تجهله غير قادر على اعطاء أي تيار لمرحلة التكبير التالية ذات ممانعة الدخل المنخفضة .
تطبيق ثالث توزيع إشارة منبع على عدة أحمال دون حدوث تخميد على شدة إشارة المنبع ..
تطبيق رابع حماية المنبع من احتمالات الأعطال التي تجري بسبب الأحمال المختلفة (حالات القصر و اخطاء تغذية الخرج بدلاً من الدخل ) حيث يتم وضع مرحلة مكبر عزل بعد الدارة الالكترونية الأساسية المراد حمايتها .
المهم هناك الكثير من التطبيقات لهذه الدارة ..