وسایل الکترونیکی و الکترونیکی در طیف وسیعی از محصولات تولیدی استفاده می شوند. از اقلام محبوب روزمره مانند دوربین ها و دماسنج ها گرفته تا دستگاه های جوشکاری روباتیک مورد استفاده در صنعت، استفاده از وسایل الکترونیکی به طور مداوم در حال رشد است. گیت‌های منطقی و فلیپ فلاپ‌ها هم در عمل و هم با استفاده از اصول الکترونیکی ساده، مانند افزایش ولتاژ یا جداول صدق بررسی می‌شوند.
برای ساخت هر مدار الکترونیکی، به ترکیبی از سه جزء اساسی نیاز دارید: مقاومت، خازن و سلف. نگاه کردن به یک شماتیک الکترونیکی و مونتاژ کردن مدار با آن قطعات آسان است، اما اگر می‌خواهید مدارهای خود را طراحی کنید یا مشکلات موجود در مدارهای موجود را رفع اشکال کنید، باید درک کنید که هر یک از آن اجزا واقعاً چه کاری می‌توانند انجام دهند. در برق صنعتی مدارهای الکترونیکی پایه نحوه عملکرد هر جزء را از نقطه نظر عملی شرح داده میشود تا بفهمیم چگونه بر خواص الکتریکی مانند ولتاژ و جریان تأثیر می گذارد. اصول مدارهای الکترونیکی پایه به بررسی تفاوت های جریان متناوب و جریان مستقیم می پردازد. خواهید دید که چگونه همه سیگنال های الکتریکی، مانند سیگنالی که در حال حاضر صدای من را به بلندگوهای شما می فرستد، همه آنها فقط ترکیبی از اجزای ساده ای به نام سینوسی هستند. با استفاده از این اصول درک میکنید که چگونه جانشین فیلتر بسازید، بنابراین می توانید سیگنال های الکتریکی را با حذف انتخابی بخش های خاصی که سیگنال را تشکیل می دهند، تغییر دهید.
شماتیک های الکتریکی
شماتیک الکترونیکی نمایش گرافیکی یک مدار است. این به عنوان راهنمای شما برای ساخت و رفع اشکال آن مدار عمل می کند، بنابراین بسیار مهم است که بدانید چگونه شماتیک ها را بخوانید و تفسیر کنید. شماتیک ها می توانند نمودارهای مدار کوچک و ساده ای مانند این یا طرح های بزرگ و پیچیده ای باشند که می توانند چندین صفحه را دربر گیرند. صرف نظر از اندازه آنها، نحوه خواندن آنها یکسان است. شماتیک های الکترونیکی از نمادها برای نمایش اجزای یک مدار استفاده می کنند. و این اجزا با خطوطی که نشان دهنده اتصالات الکتریکی هستند به یکدیگر متصل می شوند. درک این نکته مهم است که مکان نسبی اجزا در یک شماتیک الکترونیکی لزوماً نشان دهنده مکان فیزیکی آنها در یک مدار نیست. و طول خطوط در یک شماتیک با طول سیم های استفاده شده برای اتصال آن اجزا مطابقت ندارد.
ساخت مدار بر روی بریدبرد
استفاده از برد ساده ترین راه برای ساخت و آزمایش مدارهای جدید است. آنها اجزای مدار را در جای خود نگه می دارند و شما را قادر می سازند آنها را بدون لحیم کاری وصل کنید، که فرآیندی برای اتصال دائمی قطعات الکتریکی به یکدیگر است. از آنجایی که برید برد از لحیم کاری استفاده نمی‌کنند، این بدان معناست که مدارها موقتی هستند، که باعث میشود برید برد برای ساخت نمونه‌های اولیه سریع عالی باشند، زیرا اگر مشکلی پیش آمد به راحتی می‌توانید مدار را تغییر دهید. تخته های برد در اشکال و اندازه های مختلفی وجود دارند، اما همه آنها به یک شکل کار می کنند. شما قطعات را به سادگی با قرار دادن سیم های فلزی آنها در سوراخ ها به تخته برد وصل می کنید. گیره های فلزی کوچکی در داخل هر سوراخ وجود دارد که قطعه را در جای خود نگه می دارد و آن را به طور الکتریکی به سوراخ های دیگر متصل می کند. اکثر تخته های برد دارای خطوط سوراخ هایی هستند که در امتداد طول تخته برد قرار دارند که با علامت های قرمز و سیاه به علاوه و منهای برچسب گذاری شده اند. این سوراخ ها به صورت داخلی از طول روی برد به یکدیگر متصل می شوند و برای توزیع برق به اجزای مدار استفاده می شوند و اغلب به عنوان گذرگاه برق نامیده می شوند. خط قرمز معمولاً به ولتاژ مثبت منبع تغذیه مدار و خطوط سیاه به زمین یا ولتاژ منبع تغذیه منفی متصل می شود. توصیه می شود از یک منبع تغذیه تخته برد مانند این استفاده کنید که به یک آداپتور دیواری متصل می شود و سپس 3.3 ولت یا پنج ولت به گذرگاه برق در دو طرف برد برد می دهد. سوراخ های قسمت میانی تخته برد برای نگه داشتن و اتصال به اجزای مدار استفاده می شود. این سوراخ ها در همان ردیف که از روی تخته عبور می کنند، در داخل تخته برد به یکدیگر متصل می شوند، اما هر ردیف جداگانه جدا است و به هیچ یک از ردیف های دیگر متصل نیست. سوراخ‌های سمت چپ و راست تخته برد نیز توسط یک شیار که از وسط تخته برد می‌گذرد از هم جدا شده‌اند و از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل نیستند. برای ساختن یک مدار برد برد بر اساس یک شماتیک، شما به سادگی از طریق شماتیک کار می کنید تا اجزای مناسب را اضافه و متصل کنید. برای مثال یک مدار ساده را در نظر بگیرید که از سه مقاومت متصل به یکدیگر و یک منبع تغذیه پنج ولت تشکیل شده است. اولین کاری که باید انجام دهم این است که منبع تغذیه خود را به خطوط برق وصل کرده و مطمئن شوید که برای ولتاژ صحیح، در این مورد، پنج ولت، پیکربندی شده است. اگرچه منبع تغذیه وصل است، اما در حال حاضر خاموش است. همیشه باید مدارهایی با برق خاموش بسازید. دو دلیل برای آن وجود دارد و هر دو به ایمنی مربوط می شوند. استفاده از برق در مدارهای نیمه ساخته می‌تواند باعث عبور جریان از طریق قطعات به روش‌های غیرمنتظره و آسیب به مدار شود و مهمتر از آن، خاموش کردن برق از شما در برابر شوک الکتریکی در صورت اتصال تصادفی یا لمس قطعات اشتباه محافظت می‌کند. حالا اولین مقاومت را به مدار اضافه می کنیم. با نگاه کردن به شماتیک، می بینم که یک طرف این مقاومت به منبع مثبت پنج ولت متصل است، بنابراین آن را در گذرگاه برق مثبت قرار می دهم. طرف دیگر مقاومت به اجزای دیگر متصل است، بنابراین من یک سوراخ در یک ردیف نزدیک در مقابل آن انتخاب می کنم و آن را در آنجا وصل می کنم. حالا برای مقاومت دوم. یک طرف آن به مقاومت اول متصل است، بنابراین من یکی از سرنخ های آن را در همان ردیف سوراخ های مقاومت اول قرار می دهم، بنابراین اکنون آنها به یکدیگر متصل شده اند. طرف دیگر این مقاومت به زمین متصل است. می‌توانستم آن را مستقیماً به خط زمین اتوبوس برق وصل کنم، اما اکنون این دو مقاومت با هم فشرده شده‌اند. و قرار دادن مقاومت سوم در این آرایش سخت خواهد بود. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها هنگام نصب مدارها، تعیین محل قرار دادن قطعات است. شما باید سعی کنید اجزاء را به گونه ای سازماندهی یا با استفاده از دوره revit mep طراحی کنید که هنگام مشاهده شماتیک به راحتی قابل پیگیری باشد. وقتی بعداً نیاز به اشکال زدایی یا تعویض بخش هایی از مدار داشته باشید، این کار را آسان تر می کند. برای اتصال قطعات از قسمت های مختلف مدار می توانید از تکه های سیم کوچکی به نام جامپر استفاده کنید. استفاده از سیم‌های جامپر از پیش ساخته شده مانند این برای ساخت و مونتاژ مدارهای کوچک راحت است، زیرا دارای سیم‌های فلزی هستند که از قبل به هر انتهای آن متصل شده‌اند که به راحتی در سوراخ‌های تخته برد قرار می‌گیرند.
یکی از نکات منفی استفاده از سیم های جامپر از پیش ساخته شده این است که طول های استانداردی دارند که قابل تغییر نیستند. همانطور که مدارهای شما از نظر اندازه و پیچیدگی رشد می کنند، می توانید به سرعت با سیم های اضافی زیادی روبرو شوید. برای مدارهای خودم، ترجیح می‌دهم از سیم یدکی و یک جفت سیم برکن برای ایجاد جامپرهای خودم استفاده کنم که فقط تا زمانی که نیاز دارم طول بکشد. هنگام ایجاد سیم های جامپر برای استفاده در تخته برد، همیشه باید از سیم هسته جامد استفاده کنید که یک رشته فلز در داخل آن وجود دارد.
انواع مقاومت
مقاومت ها قطعات الکترونیکی هستند که دارای مقدار خاصی از مقاومت الکتریکی هستند و ما می توانیم با محدود کردن مقدار جریانی که به قسمت های خاصی از مدار می رود، جریان الکترون ها را در مدارها کنترل و هدایت کنیم. متداول‌ترین نوع مقاومت‌ها، مقاومت‌های استاتیک نامیده می‌شوند، زیرا مقدار مقاومت ثابتی دارند. ممکن است همیشه نتوان یک مقاومت استاتیک با مقدار مقاومت دقیقی که برای یک مدار می‌خواهید پیدا کرد، زیرا آنها فقط در مقادیر استاندارد مشخصی تولید می‌شوند. بنابراین شما باید از بین مقاومت هایی که در دسترس دارید انتخاب کنید تا یک جایگزین نزدیک داشته باشید. مقاومت ها اجزای غیرفعال هستند، به این معنی که نمی توانند به تنهایی نیروی الکتریکی تولید کنند. آنها فقط با تبدیل انرژی الکتریکی به گرما انرژی مصرف می کنند. این بدان معناست که آنها باید از نظر فیزیکی به اندازه کافی بزرگ باشند تا تمام آن گرما را دفع کنند. اندازه یک بسته مقاومتی به قدرت آن بستگی دارد، با مقاومت های بزرگتر می توانند توان بیشتری را مدیریت کرده و اتلاف کنند. مقاومت‌های استاتیک معمولاً در یکی از دو بسته فیزیکی عرضه می‌شوند: PTH که مخفف عبارت Plated through-hole یا SMD است که مخفف دستگاه نصب سطحی است. اجزای سوراخ دار معمولاً در بسته بندی لوله ای کوچکی قرار می گیرند که دارای سرنخ های فلزی بلندی است که می توان به راحتی خم شد و در تخته برد قرار داد.
اسیلوسکوپ
مولتی متر یک ابزار عالی آموزشگاه فنی برای بررسی و اشکال زدایی مدارها است، اما محدودیت های خود را دارد. فقط یک عدد برای ولتاژی که در آن لحظه اندازه می‌گیرم به من می‌دهد. برای مدارهایی که فقط ولتاژ ثابت دارند، معمولا خوب است. اما با شروع ساخت مدارهای پیچیده تر و جالب تر، آن مدارها دارای ولتاژهایی خواهند بود که در طول زمان تغییر می کنند. این ولتاژهای متغیر زمانی سیگنال نامیده می شوند که از آنها برای انتقال نوعی از اطلاعات استفاده می شود، مانند سیگنال صوتی که موسیقی روی بلندگو پخش می کند. اسیلوسکوپ وسیله ای است که به شما امکان می دهد نحوه تغییر ولتاژ در طول زمان را مشاهده کنید. سیگنال اندازه گیری شده را روی یک نمودار با ولتاژ در محور عمودی و زمان در دسترسی افقی نمایش می دهد. این به شما یک دید انتقادی از رفتار مدارهای خود می دهد تا مشخص کنید که آیا به درستی کار می کند یا خیر. و به شما کمک می کند تا مشکلات را در مدارهای خود پیدا کنید، مانند منابع سیگنال های ناخواسته به نام نویز. تلاش برای رفع اشکال مدار بدون اسیلوسکوپ مانند رانندگی با یک ماشین با کرکره است. شما نمی توانید به طور کامل آنچه را که در اطراف شما می گذرد ببینید. متأسفانه، اسیلوسکوپ‌ها کمی گران‌تر از یک مولتی متر ساده هستند، اما اگر می‌خواهید با الکترونیک کار کنید، واقعاً به یک اسیلوسکوپ نیاز دارید.
خازن
اجسام با کمبود یا مازاد الکترون دارای بار مثبت یا منفی می شوند. و همه اجسام دارای محدودیت یا ظرفیتی در میزان الکترون های اضافی هستند که می توانند تحت شرایط خاص نگه دارند. ظرفیت یک جسم توانایی آن را برای ذخیره بار الکتریکی در یک ولتاژ معین توصیف می کند. همه اجسامی که می توانند الکتریسیته را هدایت کنند مقداری ظرفیت دارند و برخی از اجسام بر اساس ساختار مواد در ذخیره بار الکتریکی بهتر از بقیه هستند. خازن ها قطعات الکترونیکی هستند که برای ذخیره موقت انرژی در مدارها استفاده می شوند و این کار را با ذخیره بار الکتریکی در دو صفحه رسانا انجام می دهند. هنگامی که هر صفحه دارای مقدار متفاوتی از بار ذخیره شده است، اختلاف پتانسیل بین آنها یک میدان الکتریکی ایجاد می کند. ظرفیت صفحه تعیین می کند که خازن چقدر شارژ یا انرژی می تواند ذخیره کند. خازن یک جزء دو ترمینالی است که از دو صفحه رسانای الکتریکی تشکیل شده است که توسط ماده ای عایق به نام دی الکتریک از هم جدا شده اند. دو صفحه رسانا مانند هوا در داخل و خارج بالون هستند و ماده دی الکتریک بالون لاستیکی است که آنها را از هم جدا می کند. وقتی هر دو صفحه به طور مساوی شارژ می شوند، ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین آنها وجود ندارد. اگر خازن به یک منبع ولتاژ متصل شود، جریان به خازن جریان می یابد و باعث ایجاد اختلاف شارژ بین دو طرف می شود. اکنون خازن شارژ شده و انرژی را ذخیره می کند. هنگامی که خازن از منبع ولتاژ جدا می شود، آن الکترون های اضافی در سمت منفی دی الکتریک باقی می مانند. بنابراین هنوز یک اختلاف پتانسیل بین دو طرف وجود دارد، اما آن الکترون های ذخیره شده نمی توانند به جایی بروند زیرا مسیری بین دو طرف وجود ندارد. اگر دو طرف خازن شارژ شده را با یک مسیر رسانا مانند سیم و لامپ به هم وصل کنم، جریان را به جریان می‌اندازد. الکترون‌ها به اطراف حرکت می‌کنند تا زمانی که هر دو طرف به یک اندازه باردار شوند، بنابراین اختلاف پتانسیل بین آنها به صفر می‌رسد.
از آنجایی که خازن ها برای ذخیره و رساندن انرژی به مدار استفاده می شوند، در نگاه اول بسیار شبیه باتری های قابل شارژ به نظر می رسند، اما چند تفاوت قابل توجه بین خازن ها و باتری ها وجود دارد. خازن ها انرژی را در میدان الکتریکی بین دو صفحه باردار ذخیره می کنند، در حالی که باتری ها از واکنش های شیمیایی برای ذخیره و آزادسازی انرژی استفاده می کنند. این به باتری ها ظرفیت بسیار بزرگتر و چگالی انرژی بالاتری می دهد، به این معنی که آنها می توانند انرژی بیشتری نسبت به یک خازن با همان اندازه فیزیکی ذخیره کنند. مزیت خازن‌ها این است که می‌توانند بسیار سریع‌تر از باتری‌ها شارژ و دشارژ شوند، که باعث میشود خازن‌ها در مواقعی که نیاز به انرژی سریع دارید، مفید باشند. نماد شماتیک برای یک خازن اصلی شبیه به ساختار فیزیکی آن است. این شامل دو خط موازی است که نمایانگر آن صفحات باردار است، با یک شکاف بین آنها. و یک ترمینال در دو طرف به صفحات متصل است. ظرفیت خازن در واحدی به نام فاراد اندازه گیری می شود که به اختصار با حرف بزرگ F اندازه گیری می شود. یک فاراد به عنوان مقدار ظرفیتی تعریف می شود که یک کولن شارژ را در اختلاف پتانسیل یک ولت ذخیره می کند. درک مقیاس از این تعریف دشوار است، اما یک فاراد ظرفیت زیادی دارد. در عمل، به ندرت می توان با خازن هایی با ظرفیت خازنی فاراد کامل یا بیشتر مواجه شد. آنها وجود دارند و ابرخازن نامیده می شوند، اما بزرگ، گران هستند و برای استفاده در برنامه های خاص طراحی شده اند. بیشتر خازن هایی که استفاده می کنید ظرفیت خازنی از چند پیکوفاراد در انتهای کوچک تا چندین میکروفاراد در انتهای بالا دارند. بنابراین شما باید c خود را طراحی کنید
جریان متناوب در مقابل جریان مستقیم
دو نوع الکتریسیته وجود دارد که معمولاً برای تغذیه وسایل الکترونیکی استفاده می شود جریان مستقیم و جریان متناوب. جریان مستقیم که به اختصار DC نامیده می شود، جریانی است که همیشه در یک جهت از مدار عبور می کند. باتری ها منبع رایج جریان مستقیم هستند زیرا ولتاژ ثابتی تولید می کنند که الکترون ها را در اطراف مدار در یک جهت هل می دهد. به عنوان مثال، در این مدار متشکل از یک باتری و یک لامپ، جریان همیشه از قطب مثبت باتری به قطب منفی می‌رود. و همانطور که آن الکترون های جاری از لامپ عبور می کنند، انرژی الکتریکی آنها به گرما و نور تبدیل می شود. و مدارهایی که از جریان متناوب استفاده می کنند که به اختصار AC نامیده می شود، جریان دائماً در یک بازه زمانی منظم در حال تغییر جهت است.
دامنه بسامد
از یک موج سینوسی ساده یا موج مربعی گرفته تا سیگنال پیچیده ای که در حال حاضر صدای من را نشان می دهد، هر سیگنال می تواند به مجموعه ای از سینوسی ها با فرکانس ها، دامنه ها و فازهای مختلف تقسیم شود. وقتی سیگنال الکتریکی را روی یک اسیلوسکوپ مشاهده می کنیم، معمولاً آن را به عنوان یک ولتاژ تغییر در طول زمان می بینیم. این حوزه زمان نامیده می شود زیرا نشان می دهد که چگونه دامنه آن سیگنال در طول زمان تغییر می کند. این نمای دامنه زمانی، دامنه در محور عمودی نشان داده می شود و زمان از چپ به راست در امتداد محور افقی پیش می رود. آن سیگنال را می توان از حوزه زمان به نمایش دیگری به نام حوزه فرکانس با استفاده از یک عملگر ریاضی به نام تبدیل فوریه که به نام یک ریاضیدان فرانسوی نامگذاری شده است، تبدیل کرد. تبدیل فوریه یک سیگنال مبتنی بر زمان را به فرکانس‌های فردی که آن را تشکیل می‌دهند تجزیه می‌کند. وقتی سیگنالی را در حوزه فرکانس مشاهده می کنیم، محور عمودی نشان دهنده بزرگی سینوسی های منفرد است که یک سیگنال را در فرکانس های مختلف در امتداد محور افقی می سازند. در مورد این موج سینوسی ساده 60 هرتز، نمایش دامنه فرکانس یک نقطه واحد در 60 هرتز است که بزرگی آن نشان دهنده دامنه آن موج سینوسی است. موج سینوسی دیگری با فرکانس بالاتر و دامنه کوچکتر به عنوان نقطه متفاوتی در حوزه فرکانس ظاهر می شود که نشان دهنده فرکانس و دامنه آن است. علاوه بر دامنه و فرکانس، هر یک از این سینوسی ها همچنین فازی مرتبط با خود دارند که نحوه جابجایی آن در زمان نسبت به سایر سینوسی های سازنده سیگنال را توضیح می دهد.
امپدانس
اجزای الکترونیکی که با تغییر ولتاژ یا جریان مخالف هستند، اجزای راکتیو نامیده می شوند. به عنوان مثال، خازن ها اجزای واکنشی هستند که با جذب یا آزاد کردن بار ذخیره شده برای خنثی کردن آن تغییر، با تغییر ولتاژ مخالفت می کنند. این مخالفت با تغییر را واکنش دهنده ها می نامند که به اختصار با حرف بزرگ X نوشته می شود و مانند مقاومت الکتریکی در واحد اهم اندازه گیری می شود. و از بسیاری جهات، واکنش دهنده ها مشابه مقاومت هستند، زیرا هر دو توضیح می دهند که چگونه یک جزء الکترونیکی جریان جریان را محدود می کند. با این حال، یک تمایز مهم بین این دو مفهوم وجود دارد. مقاومت توصیف می کند که چگونه یک قطعه الکترونیکی با جریان جریان مخالفت می کند، صرف نظر از اینکه ولتاژ دو طرف آن AC یا DC باشد. طبق قانون اهم، جریان به یک جزء مقاومتی تنها به ولتاژ در آن لحظه از زمان بستگی دارد.
اندوکتانس
نیروی فیزیکی که باعث برهمکنش ذرات باردار الکتریکی با یکدیگر می شود، نیروی الکترومغناطیسی نامیده می شود. و همانطور که از نام آن پیداست، نیروی الکترومغناطیسی هم شامل الکتریسیته و هم مغناطیس می شود. بله، این الکتریسیته است، چیزی که در طول این دوره در مورد آن صحبت کرده ایم، چیزهایی مانند ولتاژ و جریان، و همچنین مغناطیس، آن نیروی اسرارآمیز که باعث می شود آهن رباها به یخچال بچسبند. و رابطه مهمی بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد، زیرا آنها در واقع فقط دو نمونه متفاوت از یک پدیده الکترومغناطیسی هستند. هنگامی که جریان الکتریکی از سیم عبور می کند، میدان مغناطیسی در اطراف سیم ایجاد می کند. اکنون ما نمی‌توانیم آن میدان مغناطیسی را ببینیم یا احساس کنیم، اما سیم را به شکل دایره‌ای احاطه کرده است و می‌تواند با دیگر اجسام مجاور تعامل کند.
منابع:
