الکترونیک پایه – مفاهیم ابتدایی در الکترونیک

می­ دانیم که همه­ ی مواد از تعداد زیادی اتم کنار هم و اتم خود نیز از الکترون، نوترون، پروتون و دیگر ذرات بنیادی، تشکیل شده است. علم الکترونیک از جا به جایی چندین الکترون در میان اتم های مواد به وجود آمده است. کار مهم این علم، بیان روشهایی برای کنترل این حرکات الکترون ها  است، به عبارتی دیگر، در اینجا بیشتر با الکترون سر و کار داریم.

الکترون دارای بار منفی است و در صورتی که تعداد الکترون ها و پروتون ها برابر باشد، اتم خنثی است. (در غیر این صورت بار مثبت یا منفی دارد.)

در اینجا به بررسی چگونگی قرار گرفتن الکترونها در اتم و علت جا به جایی و… نمی­پردازیم، اما کار را با مثالی ساده آغاز می­کنیم.

فرض کنید در اتاقی با یک پنجره باز و یک پنجره بسته نشسته ­اید و بادی می ­وزد؛ در این صورت، چندان وزش باد را حس نخواهید کرد. حال فرض کنید که هر دو پنجره باز است، در این صورت وزش باد (اصطلاحا کوران) را حس می­کنید. در این حالت، می­توانید هوا را الکترون، اتاق را سیم، خود را لامپ و وزش باد را کاری که باطری اجرا می­کند، در نظر بگیرید.

باطری ویا منبع تغذیه

در باطری واکنش های شیمیایی این نیرو (نیروی حرکت الکترون ها درون سیم) را تولید می­کند و در دیگر مولد ها این نیرو از نور خورشید، القای الکترومغناطیسی ویا … تامین می­ شود.

حتما تا به حال به این مسئله دقت کرده­اید که باطری ها دو قطب مثبت و منفی دارند. این دو قطب محل قرارگیری الکترون ها (قطب منفی) و نبود الکترون ها (قطب مثبت) را مشخص می­کنند. همیشه الکترون ها به طرف جایی که الکترون (آزاد) نیست و یا کمتر است، حرکت می­کنند، یعنی از قطب منفی به مثبت می­روند؛ اما ما در تحلیل های مدار، جریان را از جهت حرکت نبود الکترون (یعنی از قطب مثبت به منفی) در نظر می­گیریم.

روابط و کمیت های مورد نیاز در الکترونیک

پتانسیل الکتریکی: انرژی الکتریکی ذخیره شده در باطری یا انرژی تولید شده توسط مولد برق. نماد انرژی الکتریکی U است و واحد آن ژول (j ) می­باشد.

بار الکتریکی: باری که در یک جسم با از دست دادن و یا گرفتن الکترون ایجاد می­شود را بار الکتریکی می­گویند که نماد آن q و واحد آن کولن (c) است و مقدار آن توسط رابطه ­ی زیر به دست می­ آید:

اختلاف پتانسیل الکتریکی(ولتاژ): عامل شارش بار الکتریکی از یک جسم به جسم دیگر که واحد آن ولت (v) و نماد آن V است. ولتاژ را می­توانید با ولت سنج (به صورت موازی) اندازه گیری کنید.

نیروی محرکه مولد ( ε ): بیشترین اختلاف پتانسیلی که مولد می­تواند تولید کند و واحد آن ولت است.

شدت جریان الکتریکی: میزان بار الکتریکی عبوری از هر مقطع در هر ثانیه که واحد آن آمپر است ( A ) و نماد آن I است و با فرمول زیر محاسبه می­ شود:

در رابطه بالا t زمان بر حسب ثانیه و q بار الکتریکی بر حسب کولن می­باشد. شدت جریان را با آمپر سنج (به صورت سری) می­توان اندازه گرفت.

مقاومت الکتریکی: نسبت اختلاف پتانسیل به شدت جریان که واحد آن اهم ( Ω ) و نماد آن R است. مقاومت الکتریکی را می­توان با اهم سنج (به صورت موازی) اندازه گرفت.

رابطه زیر، رابطه بسیار مهمی در علم الکترونیک می باشد و قانون اهم نام دارد:

آمپر ساعت: یکای بار ذخیره شده در باطری می­باشد. آمپر ساعت از طریق رابطه زیر به دست می­آید:

با توجه به رابطه فوق، اگر یک باطری ٦٠ آمپر ساعت باشد، می­تواند یک لامپ ١ آمپری با ولتاژ همان باطری را ٦٠ ساعت روشن نگاه دارد.

قطعات الکترونیک

مجموعه ای از قطعات که برای کنترل روابط بالا بکار گرفته می شوند، قظعات الکترونیک نامیده می شوند.

قطعات الکترونیک انواع مختلفی دارند و از معمولا از مواد رسانا و نیمه رسانا تشکیل شده اند.

اصطلاحات و ابزار در الکترونیک

اتصال کوتاه: اتصال مثبت و منفی که در باطری باعث تخلیه ی آن می­شود . ( چون انرژی صرف تولبد گرما که توسط مقاومت درونی باطری صورت می­گیرد هدر می­رود )

آمپر سنج: وسیله اندازه گیری شدت جریان که به صورت سری در مدار بسته می­شود.

ولت سنج: وسیله اندازه گیری اختلاف پتانسیل که به صورت موازی در مدار بسته می­شود.

سیکل و فرکانس: دوران ٣٦٠ درجه ( مثلا دوران روتور ژنراتور ) که آن را با ٢π نیز نشـان می­دهند سیکل و به تعداد سیکل در یک ثانیه فرکانس می­گویند و با Hz ( هرتز ) نشان می­دهند.

مالتی متر: وسیله­ای است که به کمک سویچ های قرار داده روی آن، می­توانیم از آن به عنوان اهم سنج، ولت سنج یا آمپر سنج و … استفاده کنیم. بهتر است برای اجرای آزمایشات، این وسیله را در اختیار داشته باشید.

مدار: مسیر بسته­ای که می­تواند شامل منبع تغذیه، راه های ارتباطی از جنس مواد رسانا (مانند سیم مسی)، قطعات الکترونیکی و … باشد.

مدار متوالی ( سری ): مداری است که در آن قطعات در امتداد یکدیگر متصل می­شوند.

مدار موازی: مداری است که در آن قطعات جداگانه و هر کدام برای خود تغذیه می­شوند .

اتصال منابع تغذیه به یکدیگر

اتصال قطب های هم نام

برای اتصال قطب های هم نام به یکدیگر باید قطب های مثبت را به یکدیگر و منفی را نیز به یکدیگر متصل نماییم که حالات زیر پیش می­آید:

١- ولتاژ منابع ( باطری ها ) با هم برابر است: در این حالت شدت جریان کل برابر است با مجموع شدت جریان های باطری ها یعنی مصرف کننده را در هر دو نقطه دلخواه ( یکی در + ویکی در – ) قرار دهیم شدت جریان برابر با این مقدار است .

V_t = V₁ = V₂ = V₃

٢- ولتاژ منابع با هم برابر نیست: در این حالت ولتاژ هر منبع که کمتر باشد، در لحظات اول بر ولتاژ کل غلبه می­کند. (در لحظات اول منبعی که ولتاژ کمتر دارد، مانند مصرف کننده عمل می­کند و ممکن است آسیب ببیند.)

V_t = V₂ = 1v

اتصال قطب های نا هم نام

در این حالت باید باطری ها را به صورت سری طوری به هم ببندیم که در امتداد قطب مثبت ، منفی قرار گیرد که برای محاسبه ولتاژ کل باید مجموع اختلاف پتانسیل باطری ها را در نظر گیریم.

V_t = V₁ + V₂ = 1.5+4.5= 6v

* اگر در این حالت باطری ها موازی با یکدیگر شوند ، اتصال کوتاه پدید می­آید و باعث تخلیه ی بار باطری بیشتر می شود .

نماد علمی و تبدیل واحد ها

در خیلی از موارد ممکن است که واحد هر کمیتی بسیار بزرگ و یا بسیار کوچک باشد، به عنوان مثال 0.0000001 ولت که نوشتن آن بسیار مشکل است و ممکن است که در محاسبات یک صفر کم یا زیاد گذاشته شود و محاسبات را مختل کند. برای سهولت در نوشتن اعداد اعشاری، می توانید به تعدادی که ممیز را به سمت راست می­برید، یک ضریب ۱۰ به توان منفی آن تعداد قرار دهید. مثلا ممیز 0.0000001 را به اندازه سه رقم به سمت راست جا به جا می­کنیم و به این صورت می نویسیم:

برای اعداد بسیار بزرگ نیز باید یک ممیز در انتها قرار دهیم و آن را به تعداد ارقامی که می­خواهیم به چپ ببریم. عدد حاصل را باید در 10 به توان مثبت آن تعداد ضرب نماییم. مثلا عدد 1000000 را می­خواهیم سه رقم کمتر بنویسیم، باید به صورت زیر عمل نماییم:

این گونه نوشتن اعداد را نماد علمی می­نامند. به جای مضارب، می­توانیم از نماد های زیر استفاده نماییم:

علامت اختصاری	p	n(η)	u(μ)	m	–	K	M
نام	پیکو	نانو	میکرو	میلی	واحد	کیلو	مگا
مضرب	١٢-١٠	٩-١٠	٦-١٠	3-١٠	١	103	١٠٦

به عنوان مثال 10000 ولت را به صورت 10 کیلو ولت می­توانیم بنویسیم.

جریان  DC و AC در الکترونیک

جریان AC[1]: به جریانی می­گویند که حالت متناوب دارد؛ یعنی حرکت جریان دائم در حال کم و زیاد شدن و یا مثبت و منفی شدن (تغییر فاز) است. مانند برق شهری یا سیگنال ورودی به یک اسپیکر.

جریان DC[2]: به جریانی می­گویند که ثبات ولتاژی خود را حفظ می­کند. این  نوع جریان، کاربرد زیادی در مدارات با ولتاژ پایین دارد.

[1]               Alternative current

[2]               Direct current