مدارات DC قسمت اول: نظریه مدارهای DC

وقتی این پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها درون اتم با هم باشند، سازگار و پایدار هستند. اما اگر آنها را از یکدیگر جدا کنیم، آنها می‌خواهند اصلاح شوند و شروع به ایجاد یک پتانسیل کششی بنام اختلاف‌پتانسیل می‌کنند.حال اگر یک مدار بسته ایجاد کنیم، این الکترون‌های سست شروع به حرکت می‌کنند و به سمت پروتون‌ها حرکت می‌کنند و باعث ایجاد جریانی از الکترون می‌شوند. به این جریان الکترون‌ها جریان الکتریکی گفته می‌شود. الکترون‌ها از طریق مدار آزادانه جریان نمی‌یابند زیرا ماده‌ای که از آن عبور می‌کند محدودیتی در جریان الکترون ایجاد می‌کند. این محدودیت را مقاومت می‌نامند. در نظریه مدارهای DC می‌خواهیم از سه کمیت الکتریکی DC که به صورت جداگانه اما بسیار مرتبط تشکیل شده اند صحبت کنیم: ولتاژ (v)، جریان (i) و مقاومت (Ω).

ولتاژ برق

ولتاژ، (V) انرژی پتانسیل یک منبع الکتریکی ذخیره شده به صورت یک بار الکتریکی است. ولتاژ را می‌توان نیرویی دانست که الکترون‌ها را از طریق یک هادی هل می‌دهد و هرچه ولتاژ بیشتر باشد، توانایی فشار بر روی الکترون‌ها از طریق یک مدار معین بیشتر است. از آنجا که انرژی توانایی انجام کار را دارد، این انرژی پتانسیل را می‌توان به عنوان کار مورد نیاز برای انتقال الکترون‌ها به شکل جریان الکتریکی در اطراف مدار از یک نقطه یا گره به نقطه دیگر توصیف کرد.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه با ولت با نماد مدار V یا “v” اندازه گیری می‌شود، اگرچه بعضی اوقات انرژی (E یا “e”) برای نشان دادن یک EMF تولید شده (نیروی الکتروموتور) استفاده می‌شود. هرچه ولتاژ بیشتر باشد، فشار بیشتر و ظرفیت انجام کار بیشتر است.

منبع ولتاژ ثابت ولتاژ DC نامیده می‌شود و ولتاژی که به طور دوره‌ای با زمان تغییر می‌کند ولتاژ AC نامیده می‌شود.

ولتاژ به ولت اندازه گیری می‌شود و یک ولت به عنوان فشار الکتریکی مورد نیاز برای تحریک جریان الکتریکی یک آمپر از طریق مقاومت یک اهم تعریف می‌شود. ولتاژها به طور کلی در واحد ولت با پیشوندهایی استفاده می‌شوند که برای نشان دادن مضرب‌های کوچک ولتاژ مانند میکرو ولت (μV=10^-6V)، میلی ولت

(mV=10^-3V) یا کیلو ولت (kV = 10³V) استفاده می‌شوند. ولتاژ می‌تواند مثبت یا منفی باشد.

باتری‌ها یا منابع تغذیه بیشتر برای تولید منبع ولتاژ DC (جریان مستقیم) ثابت مانند 5 ولت، 12ولت، 24 ولت و غیره در مدارها و سیستم های الکترونیکی استفاده می‌شوند. در‌حالی‌که منابع ولتاژ A.C. (جریان متناوب) برای برق و روشنایی خانگی و صنعتی و همچنین انتقال نیرو موجود است. منبع ولتاژ اصلی در انگلستان در حال حاضر 230 ولت a.c. و 110 ولت a.c. در ایالات‌متحده آمریکا است.

مدارهای الکترونیکی عمومی با باتری‌های DC ولتاژ پایین از 1.5 ولت تا 24 ولت DC کار می‌کنند. نماد مداری برای یک منبع ولتاژ ثابت معمولاً با یک نماد باتری با علامت مثبت + و منفی – که نشان دهنده جهت پلاریته هستند نشان داده می‌شود. نماد مدار برای منبع ولتاژ متناوب، دایره‌ای است که درون آن موج سینوسی است.

نمادهای ولتاژ

می‌توان یک رابطه ساده بین یک مخزن آب و یک منبع تغذیه ولتاژ ایجاد کرد. هرچه آب بالای دهانه خروجی مخزن بیشتر باشد، فشار آب همراه با آزاد شدن انرژی بیشتر است، ولتاژ بالاتر نیز باعث افزایش انرژی پتانسیل بیشتر با آزاد شدن تعداد بیشتری الکترون می‌شود.

ولتاژ همیشه به‌عنوان تفاوت بین هر دو نقطه در یک مدار اندازه‌گیری می‌شود و ولتاژ بین این دو نقطه به‌طورکلی “افت ولتاژ” نامیده می‌شود. توجه داشته باشید که ولتاژ می‌تواند در مدار بدون جریان وجود داشته باشد، اما جریان نمی‌تواند بدون ولتاژ وجود داشته باشد و به همین ترتیب منبع ولتاژ اعم از DC یا AC از وضعیت مدارباز استقبال اما با هرگونه اتصال کوتاه دوری می‌جوید زیرا این امر می‌تواند آن را از بین ببرد.

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی، (I) حرکت یا جریان بار الکتریکی است و برای اندازه گیری شدت آن از آمپر، (i) استفاده می‌شود. این جریان پیوسته و یکنواخت الکترون است در اطراف مدار است که توسط منبع ولتاژ “تحت فشار” قرار می‌گیرد. در حقیقت، الکترون‌ها از ترمینال منفی (–ve) به ترمینال مثبت (+ve) منبع تغذیه جریان می‌یابند و برای سهولت در درک مدار، جریانی خلاف جریان واقعی فرض می‌شود که جریان از ترمینال مثبت به منفی جریان دارد.

به‌طورکلی در نمودارهای مدار، جریان مدار معمولاً دارای یک پیکان است که با نماد، I یا حروف کوچک i نشان داده می‌شود تا جهت واقعی جریان را نشان دهد. بااین‌حال، این پیکان معمولاً جهت جریان متعارف جریان را نشان می‌دهد و لزوماً جهت جریان واقعی را نشان نمی‌دهد.

شارش جریان متعارف

به‌طورمعمول این جریان بار مثبت در اطراف مدار از مثبت به منفی است. نمودار بالا حرکت بار مثبت (حفره‌ها) به دور مداربسته را که از ترمینال مثبت باتری جریان دارد، و به ترمینال منفی باتری برمی‌گردد، نشان می‌دهد. این شارش جریان از مثبت به منفی به‌طورکلی به‌عنوان شارش جریان متعارف شناخته می‌شود.

این کنوانسیونی بود که در هنگام کشف الکتریسیته انتخاب شد. برای ادامه این خط فکری در تمام نمودارهای مداری، فلش‌های نشان داده‌شده روی نمادها برای اجزایی مانند دیودها و ترانزیستورها در جهت جریان متداول جریان هستند.

سپس شارش جریان متعارف، شارش جریان الکتریکی را از مثبت به منفی می‌دهد و این در جهت مخالف جریان واقعی الکترون است.

شارش الکترون

شارش الکترون‌ها در اطراف مدار، مخالف جهت شارش جریان متعارف از منفی به جریان مثبت است. جریان واقعی شارش یافته در یک مدار الکتریکی از الکترون‌هایی تشکیل‌شده است که از قطب منفی باتری (کاتد) شارش می‌یابند و به قطب مثبت (آند) باتری برمی‌گردند.

دلیل این امر آن است که بار موجود در الکترون بنا به تعریف منفی است و به همین دلیل به سمت پایانه مثبت جذب می‌شود. به این شارش الکترون‌ها شارش جریان الکترون گفته می‌شود. بنابراین، الکترون‌ها درواقع از ترمینال منفی به سمت ترمینال مثبت مدار می‌چرخند.

در نظریه مدارهای DC، منبع جریان عنصری از مدار است که مقدار مشخصی از جریان را فراهم می‌کند، به عنوان مثال 1A ،5A و غیره. نماد مدار برای یک منبع جریان ثابت یک دایره با یک پیکان در داخل نشان داده شده است که جهت آن را نشان می‌دهد.

جریان با واحد آمپر اندازه گیری می‌شود و یک آمپر به عنوان تعداد الکترون یا باری که در یک ثانیه از یک نقطه مشخص مدار عبور می‌کند تعریف می‌شود.

جریان الکتریکی به‌طورکلی با واحد آمپر با پیشوندهایی که برای نشان دادن میکرو آمپر (μA = 10^-6A) یا میلی‌آمپر (mA = 10^-3A) استفاده می‌شود، بیان می‌شود. توجه داشته باشید که جریان الکتریکی بسته به جهت جریان آن در اطراف مدار می‌تواند دارای ارزش مثبت یا منفی باشد.

جریانی که در یک جهت واحد شارش داشته باشد جریان مستقیم یا DC و جریان متناوبی که در مدار تغییر جهت می‌دهد به‌عنوان جریان متناوب یا AC شناخته می‌شود.

همچنین، چون جریان‌های متناوب (و ولتاژها) پریودیک هستند و بازمان تغییر می‌کنند مقدار مؤثر یا RMS (Root Mean Squared) داده‌شده به‌عنوان I_rms همان میانگین افت انرژی معادل جریان DC I_average را تولید می‌کند. منابع جریان مخالف منابع ولتاژ هستند زیرا آنها از شرایط اتصال کوتاه استقبال اما از شرایط مدارباز دوری می‌جویند زیرا هیچ جریانی شارش نخواهد یافت.

با استفاده از رابطه مخزن آب، جریان معادل شارش آب از طریق لوله است که شارش در سراسر لوله یکسان است. هرچه شارش آب سریع‌تر باشد جریان بیشتر می‌شود. توجه داشته باشید که جریان نمی‌تواند بدون ولتاژ وجود داشته باشد بنابراین هر منبع جریان چه DC و چه AC جریان از اتصال کوتاه استقبال اما از هرگونه مدارباز دوری می‌جوید زیرا از جریان آن جلوگیری می‌کند.

مقاومت

مقاومت، (R) ظرفیت یک ماده برای مقاومت یا جلوگیری از شارش جریان یا به‌طور خاص‌تر، شارش بار الکتریکی در داخل مدار است. عنصر مداری که این کار را کاملاً انجام می‌دهد “مقاومت” نامیده می‌شود.

مقاومت یک عنصر مداری است که با اهم، نماد یونانی (Ω، امگا) اندازه‌گیری می‌شود و از پیشوندهایی برای نشان دادن مانند کیلو اهم (kΩ = 10³Ω) و مگا اهم (MΩ = 10⁶Ω) استفاده می‌شود. توجه داشته باشید که مقاومت نمی‌تواند منفی باشد و تنها مثبت است.

نمادهای مقاومت

مقدار مخالفت یک مقاومت توسط رابطه بین جریان و ولتاژ آن تعیین می‌شود که تعیین می‌کند آیا عنصر مدار “هادی خوب” – مقاومت کم یا “هادی بد” – مقاومت بالا است. مقاومت کم، به‌عنوان‌مثال 1Ω یا کمتر به این معنی است که مدار رسانای خوبی است که از موادی مانند مس، آلومینیوم یا کربن ساخته‌شده است درحالی‌که یک مقاومت بالا، 1MΩ یا بیشتر نشان می‌دهد مدار یک هادی بد است که از مواد عایق مانند شیشه، پرسلن یا پلاستیک ساخته‌شده است.

از طرف دیگر “نیمه‌رسانا” مانند سیلیکون یا ژرمانیم، ماده‌ای است که مقاومت آن در حد نصف مقاومت یک رسانای خوب و یک عایق خوب است. از این‌رو نامش “نیمه‌هادی” است. از نیمه‌هادی‌ها برای ساخت دیودها و ترانزیستورها و غیره استفاده می‌شود.

مقاومت می‌تواند ماهیتی خطی یا غیرخطی داشته باشد، اما هرگز منفی نیست. مقاومت خطی مطابق قانون اهم است زیرا ولتاژ مقاومت ازنظر خطی با جریان آن متناسب است. مقاومت غیرخطی، از قانون Ohm پیروی نمی‌کند اما افت ولتاژ آن متناسب با مقداری از جریان است.

یک مقاومت به‌عنوان یک عنصر مدار غیرفعال طبقه‌بندی می‌شود و به همین ترتیب نمی‌تواند انرژی را تحویل داده یا انرژی را ذخیره کند. در عوض مقاومت‌ها توانی را جذب می‌کنند که به‌صورت گرما و نور ظاهر می‌شود. توان در یک مقاومت بدون توجه به قطب ولتاژ و جهت جریان همیشه مثبت است.

برای مقادیر بسیار پایین مقاومت، به‌عنوان‌مثال میلی اهم، (mΩ) گاهی اوقات استفاده از عکس مقاومت (1/R) به‌جای خود مقاومت (R) بسیار آسان‌تر است. عکس مقاومت، رسانایی (G) نامیده می‌شود و نشان‌دهنده توانایی یک هادی یا دستگاه در هدایت الکتریسیته است.

به‌عبارت‌دیگر سهولت شارش جریان مقادیر بالای رسانایی حاکی از رسانای خوب مانند مس است درحالی‌که مقادیر کم رسانایی حاکی از رسانای بد مانند چوب است. واحد استاندارد اندازه‌گیری داده‌شده برای رسانایی، نماد Siemen) S) است.

واحدی که برای رسانایی استفاده می‌شود mho (اهم برعکس هجی می‌شود) است که با علامت اهم معکوس ℧ نشان داده می‌شود. همچنین توان را می‌توان با استفاده از رسانایی به‌صورت زیر بیان کرد:

p = i²/G = v²G.

رابطه بین ولتاژ (v) و جریان (i) در یک مدار با مقاومت ثابت (R) یک رابطه مستقیم i-v است که شیبی برابر با مقدار مقاومت تولید می‌کند، همان‌طور که نشان داده‌شده است.

ولتاژ، جریان و مقاومت

رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت اساس قانون اهم را تشکیل می‌دهد. در یک مدار خطی با مقاومت ثابت، اگر ولتاژ را افزایش دهیم، جریان بالا می‌رود و به همین ترتیب، اگر ولتاژ را کاهش دهیم، جریان پایین می‌آید. 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 ولتاژ معین پایین می‌رود و اگر مقاومت را کاهش دهیم، جریان بالا می‌رود. که به این معنی است که اگر مقاومت زیاد باشد جریان کم است و اگر مقاومت کم باشد جریان زیاد است.

سپس می‌توانیم ببینیم که شارش جریان در اطراف مدار مستقیماً متناسب (∝) با ولتاژ است، (V ↑ باعث I ↑ می‌شود) اما نسبت معکوس (1 / ∝) با مقاومت دارد. (R↑ باعث I↓ می‌شود.)

خلاصه ای از سه واحد در زیر آورده شده است.

قانون اهم به این صورت تعریف می‌شود: V = I * R

در آموزش بعدی در مورد مدارهای DC، ما به قانون اهم نگاه خواهیم کرد که یک معادله ریاضی است که رابطه ولتاژ، جریان و مقاومت در مدارهای الکتریکی را توضیح می‌دهد و پایه و اساس الکترونیک و مهندسی برق است.

منبع