آموزش درس مدار الکتریکی 1 + معرفی منابع آموزشی ویدیویی

در این پست آموزشی قصد داریم به معرفی درس مدار الکتریکی 1 بپردازیم. اگر شما علاقه‌مند به رشته برق هستید و قصد دارید در این رشته تحصیل کنید باید این نکته را در نظر بگیرید که درس مدار الکتریکی 1 مهم‌ترین درس شما خواهد بود. درسی پایه و حجیم که علاوه بر رشته مهندسی، بخشی از رشته مهندسی کامپیوتر را هم در بر می‌گیرد. با ما همراه باشید تا به درس مدار الکتریکی 1 بپردازیم.

مقدمه آموزش درس مدار الکتریکی 1

اولین چیزی که با شنیدن عنوان مدار الکتریکی در ذهن انسان نقش می‌بندد، یک صفحه است که روی آن یکسری قطعات الکتریکی قرار دارند و به هم متصل شده‌اند. درنهایت با زدن یک دکمه یا کلید، لامپی روشن می‌شود و یا چیزی به حرکت درمی‌آید. این می‌تواند ساده‌ترین توصیف از یک مدار الکتریکی باشد. در مدار الکتریکی 1 با تک‌تک این قطعات و کاربردشان، انواع مدارها و نحوه‌ی پیکربندی آن‌ها آشنا خواهیم شد.

همانطوری که قبلاً هم اشاره شد، درس مدار الکتریکی بسیار حجیم است، به همین علت آن را در دو درس مدار الکتریکی 1 و 2 ارائه می‌دهند. در مدار الکتریکی 1، قسمت‌های اول به معرفی قطعات و کاربردشان پرداخته و موارد استفاده هریک را شرح می‌دهد، قسمت‌های بعدی هم به بیان برخی قوانین مهم و کاربردی پرداخته، انواع مدارها را معرفی کرده و درنهایت مثال‌هایی از مدارهای استفاده‌شده در هر مکان را بررسی می‌کند. توجه کنید که ما در این پست، آموزش مدار الکتریکی 1 را به صورت متنی توضیح خواهیم داد اما اگر مایل هستید این مباحث را به صورت ویدیویی یاد بگیرید پیشنهاد می‌کنیم که از آموزش‌های فرادرس استفاده نمایید. این درس توسط امید زندی تدریس شده است که از لینک زیر می‌توانید آن را دریافت کنید:

• آموزش مدارهای الکتریکی ۱ — کلیک کنید

مدار الکتریکی چیست؟

در حالت کلی مدار الکتریکی را می‌توان به این صورت تعریف کرد: مجموعه‌ای از قطعات الکتریکی که با اصولی مشخص به یکدیگر متصل شده‌اند و لااقل یک مسیر بسته را به وجود آورده‌اند. مدار الکتریکی از اجزا و قطعات مختلف الکترونیکی ساخته می‌شود که در درس مدار الکتریکی 1 به طور مفصل به معرفی هر کدام خواهیم پرداخت و همچنین با قوانین و پارامترهای مهم به کار رفته شده در آن‌ها آشنا خواهیم شد.

مفاهیم اساسی مدار الکتریکی 1

در ابتدای مبحث مدار الکتریکی 1 با برخی مفاهیم اساسی به کار رفته در مدار الکتریکی آشنا می‌شویم که عبارت‌انداز:

• بار الکتریکی
• ولتاژ الکتریکی یا اختلاف پتانسیل الکتریکی
• جریان الکتریکی
• مقاومت الکتریکی
• توان الکتریکی
• انرژی الکتریکی

بار الکتریکی

به‌طور کلی الکتریسیته یا برق همان حرکت الکترون‌هاست. برخلاف نوترون و پروتون، الکترون‌ها از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شوند. با حرکت الکترون‌ها بار الکتریکی ایجاد می‌شود، که ما می‌توانیم آن را به کنترل خودمان درآورده و بسته به نیازمان در کارهایمان از آن استفاده کنیم.

ولتاژ الکتریکی

حالا که با مفهوم بار الکتریکی آشنا شدیم ولتاژ را تعریف می‌کنیم. قبل از آن، این نکته را باید در نظر بگیریم که بار الکتریکی در همه‎‌جا یکسان نیست، در برخی نقاط بیشتر و در برخی نقاط کمتر خواهد بود.پس ولتاژ برابر است با اختلاف بار الکتریکی بین دو نقطه از یک رسانا یا سیم. واحد اندازه‌گیری آن “ولت” است و با حرف “V” نشان می‌دهند.

جریان الکتریکی

میزان بار الکتریکی که در واحد زمان از یک رسانا یا سیم عبور می‌کند را جریان الکتریکی می‌گویند، در واقع همان حرکت الکترون‌ها در رسانا یا سیم است که باعث به‌‌وجود آمدن جریان الکتریکی می‌شود. آن را با واحد “آمپر” اندازه گرفته و با حرف “I” نشان می‌دهند.

مقاومت الکتریکی

مفهوم مقاومت با قطعه الکترونیکی مقاومت در مدار الکتریکی متفاوت است. متغیر مقاومت که در اینجا آن را با واحد “اهم” اندازه گرفته و با حرف “R” نشان می‌دهیم به ولتاژ و جریان بستگی دارد اما قطعه مقاومت که در مدار قرار می‌گیرد به جنس و شکل ماده آن بستگی دارد.

توان الکتریکی

میزان انرژی که در واحد زمان منتقل و یا تبدیل می‌شود را توان می‌گویند که با واحد “وات” اندازه‌گیری شده و با حرف “P” نشان می‌دهند.

انرژی الکتریکی

از همان دوران ابتدایی یاد گرفته‌ایم که انرژی، توانایی چیزی برای به حرکت درآوردن چیزهای دیگر است و انواع مختلفی دارد که بحث ما مربوط به انرژی الکتریکی است. انرژی الکتریکی به بسیاری از انواع انرژی تبدیل می‌شود مثل: نورانی، مکانیکی، مغناطیسی، گرمایی و … در یک مدار الکتریکی هم هریک از اجزا یا انرژی را تولید می‌کنند و یا مصرف‌کننده هستند.

قانون اهم چیست؟

در ادامه درس مدار الکتریکی 1 با یکی از قوانین مهم آن یعنی قانون اهم آشنا می‌شویم. قانون اهم که به احترام کاشف آن “گئورگ زیمون اهم” به نام او نام‌گذاری شده است می‌گوید: نسبت ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی دو سر یک رسانا به میزان جریان عبوری از رسانا برابر مقدار ثابتی است که به آن مقاومت الکتریکی گفته می‌شود.

به مثلثی که در شکل زیر آمده است مثلث اهم می‌گویند. چون همیشه این ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی است که جریان و مقاومت الکتریکی را به وجود می‌آورد در بالای مثلث قرار می‌گیرد.

معرفی قطعات الکتریکی

اجزای یک مدار الکتریکی به سه قسمت عمده تقسیم می‌شوند:

1. قطعات و اجزای الکتریکی اصلی که به وسیله آن‌ها مدار الکتریکی طراحی می‌شود.
2. منابع انرژی که مدار را به جریان در‌می‌آورند.
3. ابزارهای اندازه گیری و تجزیه و تحلیل که بعد از راه‌اندازی مدار کاربرد دارند.

در این قسمت از مدار الکتریکی 1 به معرفی قطعات مورد‌استفاده در مدار می‌پردازیم.

مقاومت الکتریکی (Resistor)

آن‌چنان‌که از اسم این قطعه مشخص است، در برابر جریان الکتریکی عبوری مقاومت کرده و توان و انرژی الکتریکی را محدود می‌کند. مقاومت الکتریکی یا Resistor که آن را با حرف “R” نشان داده و با واحد “اهم” اندازه می‌گیرند، مقاومت الکتریکی با دو نماد زیر نشان داده می‌شود.

خازن (Capacitor)

خازن یا انباره هم مثل مقاومت الکتریکی یکی از قطعات بسیار مهم مدار الکتریکی به شمار می‌رود. خازن انرژی الکتریکی(ولتاژ) یا به عبارت بهتر بار الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند. هر خازن برای خود ظرفیتی دارد یعنی می‌توانیم مقدار انرژی را که هر خازن می‌تواند ذخیره کند را اندازه بگیریم. ظرفیت یک خازن را با حرف “C” نشان داده و با فرمول “C=Q/V” محاسبه می‌کنند.

• مجموعه آموزش تحلیل و طراحی مدار الکتریکی — کلیک کنید

Q مقدار باری است که روی صفحات خازن انباشته می‌شود، V اختلاف‌پتانسیل دو سر باتری و واحد اندازه‌گیری ظرفیت خازن برحسب “فاراد” (F) است.

سلف یا القاگر (Inductor)

یکی دیگر از قطعات الکتریکی که در مدار الکتریکی 1 با آن آشنا می‌شویم، سلف یا القاگر است. این قطعه از یک سیم که به دور یک آهن‌ربا پیچیده شده است ساخته می‌شود. وقتی جریان الکتریکی از این قطعه عبور می‌کند یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که به‌طور موقت جریان را در خود ذخیره می‌کند. سلف همچنین در برابر تغییرهای ناگهانی جریان الکتریکی مقاومت می‌کند.

دیود (Diode)

در مدارهای الکتریکی قرار نیست جریان همیشه در دو جهت مدار جاری شود، برخی اوقات نیاز داریم تا جریان فقط در یک سو برقرار گردد(مدارباز) در این هنگام از قطعه‌ای به نام دیود استفاده می‌کنند. دیود از یک سمت جریان را عبور می‌دهد و از سمت دیگر مانع عبور جریان می‌شود یعنی از طرفی که جریان را عبور می‌دهد مقاومت کمتر و از جهتی که مانع عبور جریان می‌شود مقاومت بسیار بالایی دارد.

دیود از اتصال دو نیمه‌هادی از نوع N و P ساخته‌شده است، به پایه از جنس N آن “کاتد” و به پایه از جنس P آن “آند” گفته می‌شود.

ترانزیستور (Transistor)

ترانزیستور قطعه‌ای است که برای تقویت جریان در مدار الکتریکی یا قطع و وصل جریان به‌کاربرده می‌شود. به‌عبارت دیگر ترانزیستور می‌تواند مثل یک سوئیچ یا کنترل‌گر عمل کرده و کنترل جریان و ولتاژ را در اختیار گرفته و میزان آن را تنظیم کند. در اکثر موارد سیگنالی که دریافت می‌شود به دلایلی دچار افت شده و کارایی موردنظر ما را نخواهد داشت در این هنگام این ترانزیستور است که وارد عمل شده و این سیگنال ضعیف را تقویت می‌کند تا به کارایی مطلوب برسد.

تا اینجای مدار الکتریکی 1 با قطعات اصلی آن آشنا شدیم، از این قسمت به بعد به معرفی منابع انرژی در مدار الکتریکی 1 می‌پردازیم.

منبع تغذیه DC دی سی (DC power supply)

منبع تغذیه یک وسیله الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به بار الکتریکی مورد‌نیاز تبدیل کرده و در مدار جاری می‌کند. علاوه براین منبع تغذیه گهگاه به‌عنوان یک مبدل عمل کرده و انواع مختلف انرژی الکتریکی با ولتاژهای متفاوت را به یکدیگر تبدیل می‌کند.

ژنراتورهای سیگنال (Signal generator)

ژنراتورهای سیگنال مجموعه‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی هستند که به‌عنوان یک مولد سیگنال به‌کار می‌روند، به‌این‌ترتیب که این دستگا‌ه‌ها سیگنال‌های مختلفی را بر اساس ویژگی‌هایی چون فرکانس، طول‌موج و دامنه تولید می‌کنند که برای عیب‌یابی، آزمایش و تعمیر در آزمایشگاه‌های الکترونیک و مخابرات به‌کار برده می‌شود.

مولتی متر (multimeter)

مولتی متر که به آن آوو‌متر (AVOmeter) و ولت_اهم‌متر هم می‌گویند وسیله‌ای است برای اندازه‌گیری ولتاژ (اختلاف‌پتانسیل الکتریکی)، جریان (آمپر)، مقاومت الکتریکی (اهم) و ظرفیت خازن، که درنهایت به‌وسیله آن به سالم یا معیوب بودن دستگاه الکترونیکی پی می‌بریم. مولتی‌مترها در دو نوع آنالوگ و دیجیتال وجود دارند.

اسیلوسکوپ (Oscilloscope)

اسیلوسکوپ یا نوسان‌نما دستگاهی است که شامل یک صفحه‌نمایش است، در این صفحه یک محور مختصات وجود دارد که محور افقی نشان‌دهنده زمان و محور عمودی نشان‌دهنده ولتاژ است. وقتی جریانی را به اسیلوسکوپ وصل می‌کنیم نمودار منحنی سیگنال‌های ولتاژ آن ظاهر می‌شود. با استفاده از این منحنی سایر پارامترها ازجمله دامنه ولتاژ، فرکانس، نویزهای سیگنالی، اعوجاج و وقفه‌های زمانی را می‌توان مشخص کرد.

حال که به این قسمت از مدار الکتریکی 1 رسیدیم نوبت آن است تا یکی از مهم‌ترین قوانین مدار الکتریکی بنام قوانین کریشهف را معرفی کنیم.

قوانین کریشهف

قوانین مدار کریشهف که اصلی‌ترین و پرکاربردترین قوانین موجود برای مدارهای الکتریکی محسوب می‌شوند اولین بار توسط دانشمند و فیزیک‌دان آلمانی به نام گستاو رابرت کریشهف در سال 1845 مطرح شدند. این قوانین آن‌قدر جامع و کامل هستند که بعد از گذشت سالیان زیاد هنوز هم در تحلیل مدارها مورد‌استفاده قرار می‎‌گیرند و روشی بهتر از این برای تحلیل مدارها به وجود نیامده است.

قوانین کریشهف عبارت‌انداز:

1. قانون جریان (KCL)
2. قانون ولتاژ (KVL)

قانون جریان ها (KCL)

قانون اول کریشهف می‌گوید مجموع تمام جریان‌های ورودی به یک گره با مجموع تمام جریان‌های خروجی از آن گره برابر است یا به‌عبارت‌دیگر حاصل‌ جمع جبری جریان‌های ورودی و خروجی یک گره برابر با صفر خواهد بود. قانون اول کریشهف را قانون پایستگی یا قانون بقای انرژی نیز می‌نامند.

فرض کنیم به یک گره از طریق 4 شاخه جریان وارد شود و از طریق 3 شاخه جریان خارج گردد در این حالت مجموع جریان‌های 4 شاخه ورودی حتماً با 3 شاخه خروجی مساوی خواهد بود و غیرازاین نادرست است.

قانون ولتاژ ها (KVL)

قانون دوم کریشهف می‌گوید در هر حلقه یا مسیر بسته از یک مدار حاصل جمع جبری ولتاژها برابر صفر خواهد بود.

مدارهای مرتبه اول

مدار مرتبه اول به مداری می‌گوییم که یک قطعه ذخیره کننده انرژی مثل خازن و یا مقاومت داشته باشد، علاوه بر آن تعدادی مقاومت و منبع دیگر هم دارد. برای یافتن جواب در مدارهای مرتبه اول از معادلات دیفرانسیل درجه اول استفاده می‌کنیم.

انواع مدارهای مرتبه اول

دو نوع مدار مرتبه اول داریم که عبارت انداز:

1. مدار RC: به مدارهایی که دارای تعدادی منبع و مقاومت بوده و فقط یک خازن‌دارند مدار RC گفته می‌شود.
2. مدار RL: به مدارهایی که دارای تعدادی منبع و مقاومت بوده و به‌جای خازن یک سلف دارند مدار RL گفته می‌شود.

برای در بهتر در شکل زیر یک مثال ساده برای جریان در مدارهای مرتبه اول RL آورده‌ایم:

در پایان مباحث درس مدار الکتریکی 1 به مدار مرتبه دوم می‌رسیم.

مدارهای مرتبه دوم

مدار مرتبه دوم به مداری می‌گوییم که علاوه بر تعدادی مقاومت و منبع ذخیره کننده، هم خازن و هم سلف دارد و برای حل آن از معادلات دیفرانسیل مرتبه دوم استفاده می‌شود. معروفترین نوع از مدارهای مرتبه دوم مدار RLC هست، این نوع مدار از یک سلف، یک خازن و یک مقاومت تشکیل‌شده است که به‌صورت موازی یا سری به هم متصل شده‌اند.

در شکل زیر نمونه‌ای از یک مدار مرتبه دوم آورده شده است.

سخن پایانی در مورد مدار الکتریکی

حال که به آخر مطالب درس مدار الکتریکی 1 رسیدیم، با یک جمع‌بندی کلی از این مباحث می‌بینیم، درس مدار الکتریکی 1 درواقع مقدمه‌ و دروازه‌ای برای ورود به دنیای بزرگ طراحی مدار الکتریکی و صنعت برق است. در این پست با تمام قطعات و پارامترهای مهم به کار رفته در علم الکترونیک آشنا شدیم، قوانین مهم و کاربردی این علم را آموختیم و درنهایت به انواع مدارهایی که پایه و اساس طراحی مدار هستند اشاره کردیم. بعد از درس مدار الکتریکی 1، این درس مدار الکتریکی 2 است که به طور مفصل به تحلیل و بررسی انواع مدارها می‌پردازد و پیچیدگی‌ها و روش‌های مختلف به کار رفته در طراحی آن‌ها را تفسیر می‌کند. برای دریافت ویدیوهای آموزشی درس مدار الکتریکی 2 فرادرس می‌توانید از لینک زیر استفاده کنید:

• آموزش مدارهای الکتریکی ۲ — کلیک کنید

پس اگر شما از علاقه‌مندان به صنعت برق و طراحی مدارهای الکتریکی هستید، با مطالعه مطالب این پست می‌توانید شروع کنید و ما هم امیدواریم که مطالب این پست علاقه شما را بر این امر بیش از پیش برانگیخته باشد. موفق باشید.