جزوء آزمایشگاه الکترونیک عمومی

الکترونیک:

دانش مطالعه عبور جریان الکتریکی از مواد مختلف مانند نیمه رساناها،مقاومت ها و خازن ها،القاء گیرها و آثار آن است.همچنین الکترونیک که شاخه ای از فیزیک نظری شناخته می شود طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی برای حل علمی قسمتی از مباحث موجود در مهندسی الکترونیک را تشکیل می دهد.

ادوات و مدارهای الکترونیک:

این مدارها برای ایفا کردن نقش های مختلف استفاده می شود.

کاربرد مدارهای الکترونیکی:

1)کنترل و پردازش داده ها

2)تبدیل و توزیع توان الکتریکی

3)اجرای عملیات خاص

این کاربردها با ایجاد و آشکارسازی میدان الکترومغناطیسی و جریان الکتریکی سر و کار دارند . گرچه از انرژی الکتریکی در سال های انتهای قرن19 برای انتقال پیام بوسیله ی تلگراف و تلفن استفاده می شد اما بیشتر پیشرفت های مربوط به علم الکترونیک پس از ساخت رادیو شکل گرفت.

یک سیستم الکترونیکی را می توان به سه بخش تقسیم کرد

1)ورودی:

حس گرهای الکترونیکی و مکانیکی(مبدل های انرژی)این تجهیزات سیگنال ها یا اطلاعات را از محیط خارج دریافت کرده سپس آنها را جریان ولتاژ یا سیگنال های دیجیتال تبدیل می کند.

2)پردازش سیگنال:

این مدارها در واقع وظیفه اداره،تقسیم کردن و تبدیل سیگنال های ورودی برای استفاده آنها در کاربرد مناسب دارد.معمولا در این بخش پردازش سیگنال مرکب برعهده پردازشگر سیگنال است.

3)خروجی:

فعال کننده یا دیگر تجهیزات(مبدل های انرژی)که سیگنال های ولتاژ یا جریان را به صورت خروجی مناسب در خواهند آورد.برای مثال یک تلویزیون دارای هر سه بخش بالا است. ورودی تلویزیون سیگنال های پراکنده شده را دریافت کرده(بوسیله کابل یا آنتن)و آن را به ولتاژمناسب برای کار دیگر تبدیل می کند.پردازشگر سیگنال پس ازدریافت دادها از روی اطلاعات مورد نیاز مانند میزان روشنایی،رنگ و صدا را ازآن استخراج می نماید و در نهایت قسمت خروجی این اطلاعات را دوباره به صورت فیزیکی در خواهد آورد این کار بوسیله یک لامپ اشعه کاتدیک انجام می شود.

نیمه رساناها:

در زندگی و بهتر بگوییم در قدم گذاردن بشر بحث دیجیتال و فیزیکی نقش تاریخی را ایفا کرده اند.نیمه رساناها را می توان در درون دستگاه های گوناگونی یافت.اساس کار پردازشگرو ریزپردازنده ها و تمام دستگاه ها به نحویی است که اطلاعات و عملیات را پردازش می کنند.در کامپیوترپخش کننده MP و دستگاه های عکسبرداری پزشکی مانند MRA وجود دارند.نیمه رساناها در ساده ترین شکل خود یک دیود یا یکسوکننده می باشد،برای ساخت نیمه هادیها بهتر است از مطالعه روی دیود شروع کنیم.

شبکه های سیلیکونی

ناخالصی هایی که به ساختار شبکه سیلیکون وارد می شود را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

نوعN:با اضافه کردن ناخالصی هایی از قبیل فسفر یا آرنیک در مقادیر بسیار کم.

نوعP:این دو عنصر دو الکترون درلایه ظرفیت خود دارند.(شبکه های یونی سیلیکون)

نوع P و N به تنهایی کاربرد زیادی انجام نمی دهند ولی هنگامیکه به هم متصل می شوند رفتار الکتریسته از خودشان نشان می دهند با قرار دادن این دو به هم یک دیود ایجاد می شود دیود جریان را تنها در یک جهت از خود عبور می دهد به همین دلیل آن را یکسوکننده نیز می نامند.قسمت مثبت یعنیP یا حفره به طرف منفی و N یا الکترون به طرف مثبت وصل می شود.که هیچ جریانی از محل اتصال عبور نمی دهد زیرا الکترون ها در P و N  در خلاف یکدیگر حرکت می کنند از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و ــ به کاتد)آن را آماده کنید.مقدار ولتاژی که باعث می شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه نامیده می شود که چیزی حدود6/0 تا 7/0 می باشد.

تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس بیش از آن شود دیود می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد به این ولتاژ آستانه شکست گفته می شود.

ترانزیستور:

مجموعه ای از دیودهای متصل به هم است.این اتصال معمولا به صورتNPN و PNP انجام می شود که به صورت یک سوئیچ عمل می کند شاید فکر می کنید که با این کار دیکر هیچ مقدار جریان از ترانزیستور عبور نمی کند،دقیقا همینطور است ولی اگر جریان به محل میانی ترانزیستور داده شود می تواند جریان بسیار کمی را به جریان زیادی در یک جهت تبدیل کند.همین واقعیت است که خاصیت سوئیچ بودن را به ترانزیستور می دهد و می تواند با جریان بسیار کمی روشن یا خاموش شود.

انواع مدارها

مدارهای آنالوگ:

بیشتر دستگاه های الکترونیکی آنالوگ مانند رادیو از تعدادی مدار اساسی تشکیل شده اند.مدارهای آنالوگ برخلاف مدارهای دیجیتال از یک دامنه مداوم ولتاژ استفاده می کنند تعداد مدارهای مختلف آنالوگ بسیار زیاد است به همین دلیل یک مدارآنالوگ می تواند از یک مدار تشکیل شده از یک قطعه  یا مدار کوچک از هزاران قطعه یا مدار کوچک از هزاران قطعه مختلف باشد مدارهای آنالوگ را نیز مدارهای خطی نیز می نامند امروزه برخی از مدارهای آنالوگ از إلمان های دیجیتال یا حتی ریزپردازنده ها برای بهبود مدار استفاده می شود.این مدارها معمولا مدارهای سیگنال مرکب نیز می نامند.برخی مواد ممکن است تشخیص مدارهای آنالوگ از دیجیتال سخت باشد چرا که در برخی از مدارها از هر دو نوع عناصر خطی و غیرخطی استفاده شده است.

مدارهای دیجیتال:

مدارهایی هستند که برپایه چند سطح ولتاژ مجزا طراحی شده اند این مدارها رایج ترین مثال برای معرفی سیستم های جبربور هستند و اصول پایه ی همه رایانه های دیجیتال را تشکیل می دهند.دربیشتر موارد تعداد حالت های ولتاژ در یک مدار دیجیتال دو تا هستند: بالا و پایین که با Hig و Iow نمایش داده می شوند که در این حالت ولتاژ پایین ولتاژی نزدیک به صفر و ولتاژ بالا ولتاژی غیر صفر می باشد که با توجه به نوع تغذیه متفاوت است.رایانه ها،ساعت های الکترونیکی و کنترل کننده های منطقی و برنامه پذیر بر پایه مدارهای دیجیتال ساخته می شوند.

مدارهای دیوده در الکترونیک:

1)یکسوکننده ها                                  2)جابه جاکننده ها

3)برش دهند ها                                  4)چند برابرکننده ها ولتاژ

مدارات یکسوساز دیودی(کنترل شونده):

مداراتی هستند که ولتاژ متناوب را به ولتاژ یکسویه(مستقیم)تبدیل می نمایند.عنصر اصلی در این مدارات دیود است این مدارات به حالات زیر تقسیم می شوند:

از نظر تعداد فاز:یک فازه و چند فازه(سه فازه،شش فازه)

از نظرنوع یکسوسازی:

نیم موج و تمام موج که تمام موج شامل ترانس سرمیانی و پل دیودی است.

برش دهنده ها:

مداراتی هستند که دامنه سیگنال ها را از قسمت مثبت یا منفی یا هردوجهت به اندازه دلخواه محدود می کنند مدار نیم موج یک برش گر است که به سه قسمت تقسیم می شود:

1)برشگرمثبت                  2)برشگرمنفی               3)برشگر دو طرفه

برشگر مثبت:

این برشگر قادر است بخشی از نیم سیکل مثبت را برش دهد.

برشگر منفی:

این برشگر قادر است بخشی از نیم سیکل منفی را برش دهد.

برشگر دو طرفه:

مداراتی هستند که در دو نیم سیکل های منفی و مثبت برش ایجاد می کنند به عبارتی ترکیبی ازدو برشگرقبلی هستند.

جابه جاکننده:

مداراتی هستند که سیگنال را به اندازه سطح DC دلخواه جابه جا می کنند بدون اینکه تغییری در شکل سیگنال ایجاد کنند.

مدار ات جا به جا کننده دارای سه عنصرخازن،دیود و مقاومت هستند برای جا به جایی بیشتر دارای منبع تغذیه DC نیز می باشند.

در این مدارات ثابت زمانی مدار RC زیاد بوده و خازن فرصت کافی جهت تغذیه یا دشارژ در فرمان خاموشی دیود را ندارد.

کوپلاژ:

عمل اتصال بین طبقات تقویت چند طبقه را گویند.

انواع کوپلاژ بین طبقات تقویت کننده:

1)کوپلاژ خازنی RC

                                                        3)کوپلاژ ترانسفورماتوری

2)کوپلاژ مستقیم

کوپلاژ خازنی(RC):

در این حالات اتصال بین طبقات توسط خازن صورت می گیرد چون خازن همراه مقاومت به کار گرفته می شود.

کوپلاژ مستقیم:

ارتباط بین طبقات توسط هادی صورت می گیرد.

کوپلاژ ترانسفورماتوری:

ارتباط بین طبقات توسط ترانس های دو سیم پیچ مجزا صورت می گیرد.

عیوب کوپلاژهای خازنی:

1)در فرکانس های کار کم راکتانس خازنی زیاد بوده و افت شدیدی در سیگنال ایجاد می شود.

2)به علت استفاده زیاد از مقاومت ها تلفات در مدار زیاد است این نوع کوپلاژ در تقویت کننده های قدرت کم استفاده می شود.

3)عیوب دیگر این نوع کوپلاژ حجم زیاد مدار و بزرگ شدن کیت الکترونیکی،افزایش قیمت مدار بخاطر ترانس و پاسخ بد مدار در فرکانس های پایین.

×جهت برطرف کردن عیب های کوپلاژRC از ترانسفورماتور استفاده می شود.

یکسوکننده

وسیله ای که جریان متناوب را یکسو کرده و به جریان دائمی تبدیل می کند.

یکسوکننده جیوه ای:

این نوع یکسوکننده تشکیل شده است از یک محفظه شیشه ای که هوای آن را خاکی کرده و مقداری جیوه را در آن ریخته اند که چهار رشته سیم به داخل محفظه رفته به الکترودهای   زغالی یا آهنی ان وصل شده است.ساختمان لامپ یکسوکننده جیوه ای براین اصل متکی است که جریان فقط می تواند که از الکترودهای٢و٣بار برمیگردد t به L الکترود وصل می شود.

یکسوکننده بلوری:

دیود نیمه رسانایی که به عنوان یکسوساز معمولآ به نوعی شبیه لامپ دیود(دوقطبی)به کار می رود که دیود نیمه رسانا نیز نامیده می شود.

یکسوساز الکترونی:

برای یکسوکنندگی جریان متناوب به کار می رود.

یکسوکننده با برگشت قوی:

دیودی که مشخصه معکوس آن دارای حداکثر ولت است.وپس از آن یک شئ منفی وجود دارد.

یکسوکننده با پیل الکتریکی:نوع پیل الکتریکی که الکترودهای آن صفحه های آلومینیومی یا آهنی یا سری هستند که در الکترولیتی،از فسفات نیم آمونیوم فرو رفته اند جریان تنها می تواند از صفحه های آهنی یا سری به سوی صفحه های آلومینیومی حرکت کند.

یکسوکنده پلوار:نوع یکسوکننده تمام موجی که چهار بازوی مدار پلوار آن چهار سازه ی یکسوکننده است،که دو سازه ی متقابل در هر نیم موج حامل جریان هستند.

موارد کاربرد یکسوکننده ها:

از دیودهای یکسوکننده گازیA برای یکسوکردن جریان های شدید 0تا50 استفاده می شود.این نوع یکسوکننده ها نیز لامپ های دو الکترونی با کاتد گرم و آند فلزی یا کربنی هستند ولی برخلاف کنرترونها،یکسوکننده ها  نیز دوالکترودی با کاتد گرم و آند فلزی یا کربنی هستند.

ساختمان یکسوکننده ها:

مبنتی است بر استفاده از لامپ های یکسوکننده یعنی وسایلی که عبور جریان را در یک جهت اجازه می دهند و در جهت مخالف راه آن را سد می کند.اگر چنین لامپی را در موارد جریان متناوب بوسیله همان دیود با کاتد گرما یونی به طور متوالی به باری وصل کنیم که برای آن جریانی مستقیم مورد نیاز است جریان به عنوان کاتد و صفحه سرد به عنوان آند مدار فقط در نیم دور می گذرد یعنی وقتی که رشته عمل می کند،در نیم موج بعدی وقتی صفحه سرد کاتد و رشته آند می شود جریان نمی تواند عبور کند،زیرا الکترون هایی که از رشته خارج می شوند توسط میدان جذب صفحه از لامپ نمی شود.بلکه برعکس به طرف رشته پس زده می شود جریانی که از بار می گذرد مستقیم است یعنی جهتش را عوض نمی کند این روش یکسو کردن جریان متناوب را یکسوسازی نیم موج می نامند.

ریزکنترل گرتایمر:

ریزکنترل گر یا میکروکنترل نوعی ریزپردازنده است که دارای حافظه دسترسی تصادفیRam و حافظه فقط خواندنیRom،تایمر،پرت های ورودی و خروجی(o/l) و درگاه ترکیبی اعمال کند.به عبارت دیگریک میکروکنترلر مدار مجتمع کوچکی است که از یکSpu کوچک و اجزای دیگری نیز نوسان سازکریستالی،تایمر،درگاههای ورودی و خروجی آنالوگ ،دیجیتال و حافظه تشکیل شده است.در واقع یک ریز پردازنده در درون ریزکنترل گر قرار داده شده است که ریز کنترل گر با استفاده ازآن می تواند محاسبات منطقی و حسابی را انجام دهد.

وجودRam و Rom و پرت های ورودی و خروجی (o/l) در میکروکنترل ها آن ها را یک انتخاب ایده آل برای کاربردهایی می کند که قیمت و فضا در آن مهم نیست در بسیاری از کاربردها مثل کنترل از راه دور تلویزیون نیازی به محاسبات سنگین در حد یک486 یا 8086 وجو ندارد در این گونه ار موارد و بسیاری دیگر از کاربر دهای فضایی مورد استفاده توان مصرفی و قیمت هر واحد مهمتر از قدرت محاسبات است در این گونه موارد اغلب لازم است تعدادی(o/l)خوانده شده وبیدهای مختلفی را روشن و خاموش می کند.بدین سبب اینگونه پردازنده ها را               Porcssorنیز می نامند.میکروکنترل ها عموما برای کاربردهای کوچک طراحی می شوند.برخلاف ریزپردازنده ها در این جا مهم ترین مسائل ساه گی و مصرف کم توان است برخی از وسایل که از میکرو وسایل استفاده می کنند مانند تلفن،موبایل،سیستم،دربازکن گاراژ،دستگاه فکس،سرعت سنج.

ریزپردازنده:

تراش های کوچکی هستند که می توانند عملیات حسابی و منطقی انجام دهنداین تراش ها ازتعداد بسیار زیادی ترانزیستور ساخته شده اند به علت پیچیدگی فرآیند طراحی و ساخت ریزپردازنده ها همچنین پیشرفت سریع آن هااز نسلی به نسل دیگر  در حال حاضر فناوری ساخت ریزپردازنده در دست ایالات متحده آمریکا است.ریزپردازنده قلب هر رایانه دستی یا رومیزی است که به عنوان واحد پردازشگر مرکزی شناخته شده است این یک دستگاه محاسباتی کامل است که روی یک تراشی واحد ساخته می شود و مجموع دستورات دستگاه را اجرا می کند و سه کار مهم را انجام می دهد:یکی اینکه از واحد هم بستگی منطقی و .....استفاده میکنند.یعنی کارهای وابسته به ریاضی چون جمع،تفریق،ضرب و تقسیم را انجام می دهد و می تواند اطلاعات را از یک حافظه به حافظه دیگر انجام دهد و سوم می تواند تصمیم بگیرد به یکسری از دستورات جدید که براساس آن تصمیمات است جهش کند یکی از وسایل مهم در طراحی ریزپردازنده ها کنترل دمای Spu است.به دلایل افزایش روزافزون آن ها دمای داخلی هم زیاد می شود و باید برای جلوگیری از سوختن آن ها فکری کرد،یکی از راهکارهای ایجاد مکانیزمی است که بتواند حرارت داخل را به بیرون هدایت کند از جمله نصب گرماگیر روی سطح خارجی Spu همچنین قرار دادن لوله های نازک دارای آب در داخل آن از این قبیل هستند.

مدارات الکترونیکی

در کل مدارات الکترونیکی از سه إلمان پایه تشکیل شده اند که تمامی قطعات درون مدارات را می توان توسط این سه إلمان مدل سازی نمود.این سه إلمان عبارتند از:سلف،خارن و مقاومت.

مقاومت در حقیقت مصرف کننده انرژی الکتریکی در مدار می باشد و خازن و سلف عناصر ذخیره سازانرژی،بدین صورت در مواقعی انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می سازند(شارژ)ودرمواقعی این انرژی را تخلیه می نمایند(دشارژ)هم چنین سلف إلمان ذخیره ساز جریان و خازن إلمان ذخیره ساز ولتاژ می باشد.به مدار این إلمان های شارژ شده و خازن ها به مدار باز و سلف ها Dc در ابتدای جریانDc در مدارات ولتاژ ورودی بهAc به اتصال کوتاه تبدیل می شوند.و مدارات کاملآ به صورت مقاومتی خواهد شد،ولی در مدارات شکل موج ولتاژ و جریان مدارات(Hz)صورت سینوسی با فرکانس مشخص معمولآ Hz50 در برق شهری ما می باشد.

خواص سلف و خازن به گونه ای است که دوگان یکدیگر نیز نامیده می شوند.یعنی با روابط خاص بین آنها در مدار تشدید رخ می دهد،این دو اثر یکدیگر خود را خنثی می سازند و مدار به یک مدار مقاومتی خاص تبدیل می شود.

آشنایی با توان های مختلف مدارات الکترونیکی:

در مدارات الکتریکی انواع مختلفی از توان الکتریکی تعریف می شود که در ذیل به آن اشاره می شود.

توان لحظه ای:

توانی است که ازضریب ولتاژ و جریان دریک لحطه خاص به دست می آید و توانی است که صرفا توسط یک بار مقاومتی مصرف می گردد و واحد اندازه گیری آن وات است.

توان فعال(اکتیو):

تماما به مصرف کار مفید می رسد و جهت تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت یا گرما است.

توان ظاهری(توان کل):

توان مجموعی است که از شبکه دریافت می شود این توان جمع بردارهای توان اکتیو و رکتیو می باشد و برحسب ولت آمپر اندازه گیری می شود.

توان رکتیو(توان غیرفعال):

توانی است که به مصرف کار غیر مفید می رسد.

ضریب توان:

ضریب توان در حقیقت نسبت توان اکتیو به توان ظاهری است و هم چنین طبق روابط cos زاویه اختلاف فاز ولتاژ و جریان(در حالتی که هر دو شکل موج ولتاژ و جریان سینوسی خالص باشند)می باشد.

چون اکثر آن ها به دلیل وجود إلمان های سوئچینگ در برخی مدارات شکل موج جریان اکثر آن ها به دلیل وجود هارمونیک های جریان،سینوسی نمی باشند بنابراین در این حالت برای ضریب توان دو عامل مطرح می گردد،عامل جابه جایی که همان زاویه اختلاف فاز بین شکل موج ولتاژ و جریان می باشد.