نظریه مدار DC

رابطه اساسی بین ولتاژ، جریان و مقاومت در یک مدار الکتریکی و الکترونیکی قانون اهم نامیده می‌شود. تمام مواد از اتم ها ساخته شده اند، و تمام اتم ها متشکل از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها هستند. پروتون ها دارای بار الکترکی مثبت هستند. نوترون ها بار الکتریکی ندارند( برای همین خنثی هستند.)، در حالی که الکترون ها دارای یک بار الکتریکی منفی هستند. اتم ها با یکدیگر توسط نیروی قدرتمند جذب موجود بین اتم های هسته و الکترون ها در آخرین لایه کوالانسی خود، پیوند می‌خورند.

زمانی که این پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها در داخل اتم باهم هستند، آنها خوشحال و پایدار هستند. اما اگر آنها را از یکدیگر جدا کنیم، آنها می خواهند که تغییر کنند و شروع به  اعمال  یک پتانسیل جذب به نام اختلاف پتانسیل کنند.

حال اگر یک مدار بسته ایجاد کنیم، این الکترونهای سست شروع به حرکت و رانش به عقب به سمت پروتون  به دلیل جذب آنها خواهند شد و جریانی از الکترون ها ایجاد می‌کنند. این شارش الکترون ها جریان الکتریکی خوانده می‌شود. الکترون ها در داخل مدار آزادانه حرکت نمی‌کنند زیرا موادی که آنها درون آن جاری می‌ شوند یک محدودیتی برای شارش الکترون ها ایجاد می‌کنند. این محدودیت مقاومت نامیده می‌شود.

تمام مدارهای الکترونیکی و الکتریکی پایه از ۳ مقدار الکتریکی جدا ولی بسیار وابسته به هم: ولتاژ (V)، جریان (I)و مقاومت (Ω) تشکیل شده اند.

ولتاژ الکتریکی

ولتاژ  (V) انرژی پتانسیل یک منبع الکتریکی است که به صورت یک بار الکتریکی ذخیره می شود. ولتاژ را می توان به عنوان نیرویی که الکترونها را درون یک هادی فشار می دهد، تصور کرد و هرچه ولتاژ بزرگتر باشد، توانایی آن برای “فشار” الکترون ها درون یک مدار معین  بیشتر می‌شود. از آنجا که انرژی توانایی انجام کار را دارد، این انرژی پتانسیل را می توان به عنوان کار مورد نیاز در ژول برای حرکت الکترون ها به صورت جریان الکتریکی در اطراف یک مدار از یک نقطه یا گره به نقطه دیگر توصیف کرد.

سپس اختلاف ولتاژ بین هر دو نقطه، اتصالات یا پیوندها ( که گره ها نامیده می شود) در یک مدار به عنوان اختلاف پتانسیل شناخته می‌شود که معمولاً افت ولتاژ نامیده می شود.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در ولت با نماد مداری V در ولت (Volts) یا حروف کوچک “v” اندازه گیری می شود، اگرچه انرژی  E ، حروف کوچک “e” گاهی اوقات برای نشان دادن emf تولید شده (نیروی الکتروموتور) استفاده می شود. سپس هر چه ولتاژ بیشتر باشد، فشار (یا نیروی فشار دادن) بیشتر است و ظرفیت انجام کار نیز بیشتر است.

منبع ولتاژ ثابت ولتاژ DC نامیده می شود در حالی که ولتاژی که  به طور دوره ای با زمان تغییر می‌کند ولتاژ AC نامیده می شود. ولتاژ در ولت اندازه گیری می شود و یک ولت به عنوان فشار الکتریکی لازم برای مجبور کردن جریان الکتریکی یک آمپر برای جاری شدن درون مقاومت یک اهم تعریف می شود. ولتاژ ها به طور کلی در ولت با پیشوندهایی که برای مشخص کردن زیر گروه های  ولتاژ مانند میکروولت ها (μV = 10-۶ ولت)، میلی ولت ها (mV = 10-۳  ولت) یا کیلوولت ها (kV = 10۳ ولت) استفاده می شود، بیان شده اند. ولتاژ می تواند هم مثبت  و یا منفی باشد.

باتری ها یا منابع تغذیه بیشتر برای تولید منبع ولتاژ D.C (جریان مستقیم) از قبیل ۵ ولت، ۱۲ ولت، ۲۴ ولت و غیره در مدارات و سیستمهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. در حالی که منبع ولتاژ A.C (جریان متناوب) برای خانه های داخلی و توان صنعتی همانند  توان و روشنایی و همچنین انتقال نیرو موجود هستند. منبع تغذیه ولتاژ اصلی در انگلستان در حال حاضر ۲۳۰ ولت a.c است و در ایالات متحده امریکا ۱۱۰ ولت a.c است.

مدارهای الکترونیکی عمومی روی منابع باتری ولتاژ DC کم بین ۱.۵V تا  ۲۴V DC کار می کنند. نماد مدار برای منبع ولتاژ ثابت معمولاً به عنوان نماد باتری با علامت مثبت  + و علامت منفی – داده می شود که نشانگر جهت قطبیت است. نماد مدار برای یک منبع ولتاژ متناوب، دایره ای با موج سینوسی در داخل آن است.

نمادهای ولتاژ

یک رابطه ساده بین یک مخزن آب و منبع ولتاژ می‌تواند ایجاد شود. هرچه مخزن آب بالاتر از محل خروجی بیشتر باشد فشار آب بیشتر می شود زیرا انرژی بیشتری آزاد می شود، هرچه ولتاژ بالاتر باشد، انرژی پتانسیل بیشتر می‌شود و الکترون های بیشتری آزاد می‌شوند.

ولتاژ همیشه به عنوان اختلاف بین هر دو نقطه در یک مدار اندازه گیری می شود و ولتاژ بین این دو نقطه به طور کلی به عنوان “افت ولتاژ” گفته می شود. توجه داشته باشید که ولتاژ می تواند در یک مدار بدون جریان وجود داشته باشد، اما جریان نمی تواند بدون ولتاژ وجود داشته باشد، به همین ترتیب هر منبع ولتاژ چه DC یا AC یک شرایط مدار باز یا نیمه باز را دوست دارد، اما از هر شرایط اتصال کوتاه متنفر است زیرا این می تواند آن را از بین ببرد.

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی  (I) حرکت یا جریان بار الکتریکی است و با آمپر  نماد i (برای شدت) اندازه گیری می شود. این جریان پیوسته و یکنواخت (به عنوان رانش) الکترون ها (ذرات منفی یک اتم) در اطراف یک مدار است که توسط منبع ولتاژ “تحت فشار” قرار می گیرد. در واقعیت، الکترونها از ترمینال منفی (\( -V_{e} \)) به ترمینال مثبت (\( +V_{e} \)) منبع جاری می‌شوند و برای سهولت درک شارش جریان قراردادی جریان فرض می‌شود که که جریان از ترمینال مثبت به ترمینال منفی جریان می یابد.

به طور کلی در نمودارهای مدار، شارش جریان درون مدار معمولاً دارای یک فلش همراه با نماد  I یا حرف کوچک i برای نشان دادن جهت واقعی شارش جریان است. با این حال، این فلش معمولاً جهت شارش جریان قراردادی را نشان می دهد و لزوما جهت جریان واقعی را نشان نمی‌دهد.

شارش جریان قراردادی

بصورت قراردادی این جریان بار مثبت در اطراف یک مدار است که از منفی به مثبت است. نمودار در سمت راست حرکت بار مثبت (حفره ها) در اطراف یک مدار بسته را که از ترمینال مثبت باتری درون مدار جریان دارد، را  نشان می دهد و به ترمینال منفی باتری باز می گردد. این شارش جریان از مثبت به منفی به طور کلی به عنوان شارش جریان قراردادی شناخته می شود.

این قراردادی بود که هنگام کشف الکتریسیته انتخاب شد و در آن تصور شد جهت جریان الکتریکی در یک مدار جریان می یابد. برای ادامه این خط فکری، در تمام نمودارها و شماتیک های مدار، فلش های نشان داده شده بر روی نمادها برای اجزایی از قبیل دیودها و ترانزیستورها جهت شارش جریان قراردادی را نشان می دهند.

سپس شارش جریان قراردادی، شارش جریان الکتریکی از مثبت به منفی را می دهد و در جهت عکس جریان واقعی الکترون ها است.

شارش الکترون ها

جریان الکترونها در اطراف مدار خلاف جهت جریان قراردادی از منفی به مثبت است. جریان واقعی که در یک مدار الکتریکی جریان می یابد از الکترونهایی تشکیل شده است که از قطب منفی باتری (کاتد) جریان می یابند و  به قطب مثبت (آند) باتری برمی گردند.

این امر به این دلیل است که بار الکتریکی روی یک الکترون با تعریف منفی است و به ترمینال مثبت جذب می شود. این جریان از الکترون ها، جریان فعلی الکترون گفته می شود. بنابراین، الکترون ها در واقع در اطراف یک مدار از ترمینال منفی به مثبت شارش می‌یابند.

هر دو شارش جریان قراردادی و شارش الکترون توسط کتابهای زیادی استفاده شده است در حقیقت، فرقی بین آنها نیست بطوریکه جریان در اطراف مدار جریان می‌یابد تا زمانی که جهت بطور مداوم استفاده شود. جهت شارش جریان تاثیری در عملکرد جریان درون مدار ندارد. به طور کلی درک شارش جریان قراردادی  مثبت به منفی بسیار ساده تر است.

در مدارهای الکترونیکی، یک منبع جریان یک عنصر مدار است که مقدار مشخصی از جریان را برای مثال ۱A ، A 5 و ۱۰ آمپر و غیره را فراهم می کند، نماد مدار برای یک منبع جریان ثابت، یک دایره با یک فلش در داخل آن است که نشان دهنده جهت آن است.

جریان در آمپر اندازه گیری می شود و یک آمپر به عنوان تعداد الکترون یا باری (Q در Coulombs) که از یک نقطه مشخص در مدار در یک ثانیه عبور می کنند(t در ثانیه)، تعریف می شود.

جریان الکتریسیته به طور کلی در Amps (آمپر)  با پیشوندهایی که برای مشخص کردن  میکرو آمپر (μA = 10-۶ A) یا میلی آمپر (mA = 10-۳ A) استفاده می شود،  بیان شده است. توجه داشته باشید که جریان الکتریکی بسته به جهت جریان آن در مدار می تواند از نظر مقداری مثبت یا منفی باشد.

جریانی که در یک جهت واحد جریان می یابد جریان مستقیم یا D.C نامیده می شود و جریان که به طور متناوب درون مدار متناوب به جلو و عقب می رود به عنوان جریان متناوب یا A.C شناخته می شود. جریان AC یا DC تنها درون یک مدار هنگامی که یک منبع ولتاژ به آن وصل شده است با “جریان” آن که محدود به مقاومت مدار و منبع ولتاژ آن که آن را فشار می‌دهد، است.

همچنین، به عنوان جریان های متناوب (و ولتاژها) تناوبی هستند و با مقدار زمان  “مؤثر” یا ۱“RMS”، که به عنوان \( I_{rms} \) داده می شوند، همان افت توان متوسط معادل یک جریان DC، \( I_{average} \) تولید می کنند. منابع جریان مخالف منابع ولتاژ هستند زیرا آنها شرایط اتصال کوتاه یا مدارا بسته را دوست دارند اما از شرایط مدار باز متنفر هستند زیرا هیچ جریانی جریان نخواهد داشت.

با استفاده از مخزن رابطه آب، جریان معادل جریان آب درون لوله است که جریان در تمام طول لوله یکسان است. هرچه جریان آب سریعتر باشد، جریان بیشتر می شود. توجه داشته باشید که جریان نمی تواند بدون ولتاژ وجود داشته باشد، بنابراین هر منبع جریان اعم از DC یا AC یک مدار کوتاه یا نیمه کوتاه را دوست دارد اما از هرگونه شرایط مدار باز متنفر است زیرا این مانع از جریان آن می شود.

مقاومت

مقاومت (R) ظرفیت یک ماده برای مقاومت در برابر یا جلوگیری ازشارش جریان یا به طور ویژه جریان بار الکتریکی درون یک مدار است. اجزای مداری که این کار را بطور کامل انجام می دهد “مقاومت” نامیده می شود.

مقاومت یک عنصر مدار است که در (Ohms اهم ) اندازه گیری می‌شود و نماد یونانی (Ω ، امگا) با پیشوندهایی برای نشان دادن کیلو اهم (kΩ = ۱۰۳ Ω) و مگا اهم (MΩ = ۱۰۶ Ω) اندازه گیری می شود. توجه داشته باشید که مقاومت  نمی‌تواند از نظر مقداری منفی باشد فقط مثبت است.

نمادهای مقاومت

مقدار مقاومتی که یک مقاومت دارد توسط رابطه جریان آن به  ولتاژ دو سر آن است که تعیین می‌کند که آیا عنصر مدار “رسانای خوبی” است  مقاومت کمی دارد، یا “رسانای بدی” است مقاومت بالایی دارد. مقاومت کم. به عنوان مثال ۱ Ωیا کمتر دلالت بر این دارد که مدار هادی خوبی است که از موادی مانند مس، آلومینیوم یا کربن ساخته شده در حالی که مقاومت بالا  MΩ۱ یا بیشتر حاکی از آن است که مدار رسانای بدی است که از مواد عایق مانند شیشه، چینی یا پلاستیک ساخته شده است.

در سمت دیگر یک “نیمه رسانا” مانند سیلیکون یا ژرمانیوم ماده ای است که مقاومت آن نصف نیمه هادی خوب و عایق خوب است. از این رو نام آن “نیمه هادی” است. از نیمه هادی ها برای ساخت دیودها و ترانزیستورها و غیره استفاده می شود.

مقاومت می تواند از نظر ماهیتی خطی یا غیر خطی باشد، اما هرگز منفی نیست. مقاومت خطی از قانون اهم پیروی می کند زیرا ولتاژ دو سر مقاومت به طور خطی متناسب با جریان عبوری از آن است. مقاومت غیر خطی، از قانون اهم پیروی نمی کند اما افت ولتاژ در دو سر آن دارد که متناسب با برخی از توان جریان است.

مقاومت خالص است و توسط فرکانس با امپدانس AC مقاومت معادل با مقاومت DC  اش تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد و در نتیجه نمی تواند منفی باشد. به یاد داشته باشید که مقاومت همیشه مثبت است و هرگز منفی نیست.

مقاومت به عنوان یک عنصر مدار غیرفعال طبقه بندی می شود و به همین دلیل نمی تواند انرژی را تحویل یا انرژی را ذخیره کند. در عوض مقاومتها توان هایی را که به صورت گرما و نور ظاهر می شوند را جذب می‌کنند. توان در مقاومت بدون در نظر گرفتن قطبیت ولتاژ و جهت جریان همیشه مثبت است.

برای مقادیر بسیار کم مقاومت، به عنوان مثال، میلی اهم (mΩ) استفاده از عکس مقاومت (\( (\frac{1}{R}) \) ) بسیار ساده تر از استفاده از خود مقاومت (R) است. عکس مقاومت، رسانایی با  نماد (G) نامیده می شود و نشان دهنده توانایی یک هادی یا وسیله ای برای هدایت الکتریسیته است.

به عبارت دیگر سهولت با  شارش جریان است. مقادیر بالای رسانایی به معنای رسانای خوب مانند مس است در حالی که مقادیر کم رسانایی حاکی از یک هادی بد مانند چوب است. واحد استاندارد اندازه گیری که برای رسانایی داده می شود Siemen   با نماد (S) است.

واحد مورد استفاده برای رسانایی mho (اهم که بصورت برگشت به عقب هجی شده است) است، که با یک علامت معکوس اهم ℧ نشان داده شده است. توان را نیز می توان با استفاده از رسانایی بیان کرد: p = i۲ / G = v۲ G.

رابطه بین ولتاژ  (v) و جریان  (i) در یک مدار با مقدار مقاومت ثابت (R) با یک شیب برابر با مقدار مقاومت همانطور که نشان داده می شود، یک رابطه i-v خط مستقیم ایجاد می کند.

خلاصه ولتاژ، جریان و مقاومت

امیدوارم تاکنون ایده هایی درباره چونگی رابطه بین ولتاژ الکتریکی، جریان و مقاومت از نزدیک با یکدیگر داشته باشید. رابطه ولتاژ، جریان و مقاومت اساس قانون اهم را تشکیل می دهد. در یک مدار خطی با مقاومت ثابت، اگر ولتاژ را افزایش دهیم، جریان بالا می رود و به همین ترتیب، اگر ولتاژ را کاهش دهیم، جریان کم می شود. این بدان معنی است که اگر ولتاژ زیاد باشد جریان زیاد است و اگر ولتاژ کم باشد جریان کم است.

به همین ترتیب، اگر مقاومت را افزایش دهیم، جریان برای یک ولتاژ معین کاهش می یابد و اگر مقاومت را کاهش دهیم، جریان بالا می رود. به این معنی که اگر مقاومت زیاد باشد جریان کم است و اگر مقاومت کم باشد جریان زیاد است.

سپس می توانیم ببینیم که شارش جریان در اطراف یک مدار به طور مستقیم متناسب با ولتاژ است  (V ↑ باعث I ↑ می شود) اما به طور عکس متناسب) با مقاومت است بطوریکه (R ↑ باعث ↓ I).

خلاصه پایه این سه واحد در زیر آورده شده است.

• ولتاژ یا اختلاف پتانسیل اندازه گیری انرژی پتانسیل بین دو نقطه در یک مدار است و معمولاً به آن “افت ولتاژ” گفته می شود.
• هنگامی که یک منبع ولتاژ به مدار حلقه بسته وصل می شود، ولتاژ جریان که در اطراف مدار جریان دارد، ایجاد می کند.
• در منابع ولتاژ DC از نمادهای Ve+ (مثبت) و Ve– (منفی) برای نشان دادن قطبیت ولتاژ استفاده می شود.
• ولتاژ در ولت اندازه گیری می شود و دارای نماد V برای ولتاژ یا E برای انرژی الکتریکی است.
• شارش جریان ترکیبی از جریان الکترون و جریان حفره درون یک مدار است.
• جریان شار بار پیوسته و یکنواخت درون مدار است و در آمپر اندازه گیری می شود و دارای نماد I است.
• جریان مستقیماً با ولتاژ متناسب است (I ∝ V).
• مقدار مؤثر (rms) یک جریان متناوب دارای همان اتلاف توان متوسط معادل شارش جریان مستقیم است که درون یک عنصر مقاومت جریان می یابد.
• مقاومت، مخالفت شارش جریان در مدار است.
• مقادیر کم مقاومت به معنای یک هادی است و مقادیر بالای مقاومت به معنای عایق است.
• جریان بصورت معکوس با مقاومت متناسب است (I / ∝ R1).
• مقاومت در اهم اندازه گیری می شود و دارای علامت یونانی Ω یا حرف R است.

در آموزش بعدی درباره مدارهای DC ، ما به قانون اهم خواهیم پرداخت که یک معادله ریاضی است و به بیان رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت در مدارهای الکتریکی می پردازد و پایه و اساس مهندسی الکترونیک و الکتریک است. قانون اهم به صورت V = I × R تعریف می‌شود.

گردآوری توسط: تحقیقستان