بررسی مدارهای الکترونیکی پیچیده | قسمت دهم آموزش شماتیک

در قسمت هشتم و نهم آموزش شماتیک به بررسی شماتیک مدارهای الکترونیکی ساده پرداختیم. در این قسمت، قصد داریم درباره شماتیک مدارهای الکترونیکی پیچیده صحبت کنیم. پس تا پایان این مطلب ما را همراهی کنید.

هنگامی که شما می‌خواهید خواندن و رسم شماتیک‌ها را یاد بگیرید، ممکن است به‌خاطر پیچیدگی‌ زیاد این مبحث، ابتدا کمی گیج شوید. همچنین، شاید فکر کنید که هر کسی می‌تواند شماتیک مدارهای ساده مانند آن‌هایی که دارای یک یا دو ترانزیستور، چند خازن و مقاومت هستند، را بخواند؛ اما غیرممکن است که شماتیک‌های پیچیده‌تر را بتوان بدون داشتن تجربه کافی در این زمینه، تجزیه‌وتحلیل و تفسیر کرد. اما این طرز فکر صحیح نیست، زیرا هر کس می‌تواند با آموزش و تلاش مستمر در این زمینه پیشرفت کند.

یکی از روش‌های بررسی مدارهای الکترونیکی پیچیده این است که یک سیستم بزرگ و پیچیده را به مدارهای کوچک‌تر و ساده‌تر تقسیم کنید.

شناسایی بلوک‌ها

حتی یک مدار که شماتیک آن در نگاه اول پیچیده به نظر می‌آید، از چندین بلوک تشکیل شده است که به‌صورت منظم و منطقی با یکدیگر ارتباط دارند. هر بلوک نمایانگر یک مدار ساده است. مدار دستگاهی که شامل 6 دیود، 10 سلف، 15 ترانزیستور و ده‌ها مقاومت و خازن است، می‌تواند به 15 مدار ساده تجزیه شود که هر کدام شامل یک ترانزیستور، یک دیود، یک یا دوتا سلف و چند مقاومت و خازن، هستند.

تفسیر کل نقشه شماتیک یک سیستم پیچیده به‌صورت یکجا، مثل تلاش برای خوردن یک همبرگر بزرگ در یک گاز است! بنابراین، این روش درستی نیست و برای بررسی شماتیک‌های پیچیده و بزرگ باید آن‌ها را به مدارهای کوچک‌تر تقسیم کنید تا کار شما راحت‌تر شود.

نکته✅

اگر یک مدارچاپی مدرن را تصور کنید، ممکن است به نظر برسد که کل سیستم تنها از یک بلوک دیاگرام تشکیل شده است، نه یک شماتیک. یک شماتیک کامل، شامل مستطیل‌هایی است که چیپ‌ها را نشان می‌دهند. همچنین، خطوط زیادی نیز در هر شماتیک وجود دارد که چیپ‌ها را به یکدیگر متصل کرده است. در اکثر مدارهای واقعی، این خطوط نمایانگر مسیرهای یک PCB هستند.

شکل 1، یک گیرنده “رادیو کریستالی” را نشان می دهد که از یک آنتن، یک سیم پیچ با هسته هوایی که انشعابی هم از آن گرفته شده است، خازن متغیر(واریابل)، دیود RF و یک خازن با ظرفیت ثابت تشکیل شده است.

برای ایجاد یک آشکارساز سیگنال (یا دمدولاتور) با استفاده از یک گیت جریان یک‌طرفه، محققان یک تکه سیم نازک به نام “cat’s whisker” را در تماس با یک تکه سولفید سرب بلوری به نام گالِنا (galena) قرار دادند.

امروزه، دیودهای نیمه‌هادی همان کاری را که آن «کریستال» قدیمی انجام می‌داند، را انجام می‌دهند؛ با اینکه این دیودهای RF مدرن هیچ شباهتی به کریستال‌های قدیمی ندارند.

شماتیک مدار تیونینگ

شکل 1: شماتیک یک مدار “رادیو کریستالی” و مراحل آشکار سازی را نشان می دهد. این دستگاه، یک سیگنال صوتی بسیار ضعیف تولید می کند.

مدار شکل 1 را نمی توان یک مدار «پیچیده» نامید، اما با این وجود، این مدار ترفندهای پیچیده ای را انجام می دهد!

به جز آنتن و یک بلندگوی گوشی (earphone) یا هدفون که به ترمینال‌های خروجی متصل می‌شوند تا شما قادر به شنیدن صدای ایستگاه‌های رادیویی باشید (هرچند ضعیف)، این مدار دارای چهار جزء: سیم‌پیچ، دیود و دو خازن نیز می‌باشد.

شما می‌توانید یک آمپلی‌فایر را به خروجی رادیو کریستالی متصل کنید تا صدای صوتی را به حدی افزایش دهید که بتوان هدفون را به سطحی که گوش‌دادن به آن راحت باشد، پخش کند. (دلیل عدم وجود هدفون در خروجی شکل 1 همین است.)

برای این کار، شما به یک مدار دیگر و یک باتری یا منبع تغذیه دیگری از جریان DC نیاز دارید، تا سیگنال خروجی را تا حد کافی، افزایش دهید.

در حال حاضر، مدارهایی با پیچیدگی بالا روی تراشه‌های نیمه‌رساناها حک می‌شوند و در آی‌سی‌ها (ICs) که به آن‌ها چیپ (chip) نیز گفته می‌شود، قرار می‌گیرند. پکیج این تراشه‌ها شبیه به بلوک‌های ساختمانی است.

در بررسی مدارهای الکترونیکی جدید، ممکن است تصور کنید که کل سیستم از روی یک بلوک دیاگرام طراحی و کنار هم قرار گرفته است، نه از روی یک شماتیک! به‌طورکلی، شماتیک کامل یک مدار، شامل مستطیل‌هایی است که چیپ‌ها را نشان می‌دهند و همچنین، شامل خطوطی است که این چیپ‌ها را به هم متصل کرده است. در واقعیت، این خطوط در بیش‌تر مدارهای الکترونیکی، نشان‌دهنده وجود مسیر رسانا روی برد مدارچاپی است.

✅ نکته

خازن C2 بخش RF سیگنال را که به زمین متصل است، کوتاه می‌کند و فقط انرژی فرکانس صوتی در خروجی می‌ماند. نسبت تعداد دور های سیم پیچ (تعداد دوری که از آن انشعاب گرفته شده) به‌صورت تجربی با هدف ایجاد حداکثر خروجی، تنظیم می‌شود.

شماتیک یک پیش تقویت کننده (پری آمپلی فایر)

شکل 2: یک مدار پیش تقویت کننده صوتی که می تواند با “رادیو کریستالی” استفاده شود. با استفاده از این مدار شما می توانید سیگنالی به اندازه یک هدست (اما نه یک بلندگو) تولید کنید.

شکل 2 یک شماتیک دیگر را نشان می دهد که شامل یکتقویت کننده صدا است و از یک ترانزیستوردوقطبی NPN استفاده می کند.

به‌علاوه، این مدار دارای چهار مقاومت، سه خازن و در مجموع دارای هشت جزء می‌باشد. همچنین، این مدار به منبع تغذیه DC ایی مانند باتری نیاز دارد تا بتواند جریان 12 ولت را تأمین کند.

علاوه بر این موارد، باید اشاره کرد که این مدار می‌تواند از صدای سطح پایین (low-level) نیز استفاده کند و دلیل وجود سیگنال‌ها (به‌عنوان‌مثال: خروجی یک “رادیو کریستالی”) در ورودی ترمینال‌ها، افزایش قدرت تا جایی است که صدای بلندی از هدست خارج شود.

طراحی شماتیک توسط یک مهندس باتجربه حدود دو یا سه دقیقه زمان می‌برد؛ سپس برای ساخت و آزمایش مدار، تنظیم مقادیر اجزاء و به‌دست‌آوردن بهترین عملکرد ممکن، به چند ساعت زمان نیاز است. به دلیل اینکه مدار شکل 2 یک سیگنال بسیار ضعیف را تقویت کرده و به یک سطح مناسب می‌رساند، گاهی به آن “پیش تقویت کننده” نیز گفته می‌شود.

در مدار شکل 2، سیگنال صوتی AC از ورودی C2 عبور کرده و به پایه Q1 می رود. در اینجا، خازن C2 از تأثیر منبع تغذیه  DCبر روی مدار قبلی جلوگیری می کند.

تغییرات کوچک جریان در پایه Q1 باعث تغییرات بیش‌تر جریان در ترانزیستور می‌شود. آمپلی‌فایر سیگنال صوتی فید از طریق C3 از خروجی عبور می‌کند.

مقاومت‌ها جریان عبوری از Q1 را کنترل می‌کنند و با آزمایش انتخاب می‌شوند. خازن C1، امیتر را در سیگنال صوتی نگه می‌دارد و همچنین، اجازه می‌دهد که مقداری ولتاژ DC نیز در آن وجود داشته باشد.

شماتیک مدار تیونینگ و پیش تقویت کننده

شکل 3: ترکیب کریستال رادیویی و مدار تقویت کننده صوتی را نشان می دهد.

شکل 3 شماتیک یک مدار را نشان می دهد که به نظر می رسد در نگاه اول، پیچیده تر از مدار شکل 1 است. اگر شما یکی دو دقیقه به شکل 3 نگاه کنید، متوجه خواهید شد که این ترکیبی است از “رادیو کریستال” و تقویت کننده صوتی.

به‌طورکلی، اجزاء از چپ به راست شماره‌گذاری می‌شوند. شکل 3 اتصال بین “رادیو کریستالی” اصلی و پیش تقویت کننده مربوط به خط اتصال افقی و کوتاه است که از نقطه بالای C2 به سمت چپ C3 می رود.

اکنون که می‌توانید دو بلوک مدار شکل 3 را رسم کنید، کل دیاگرام، پیچیده تر به نظر می رسد. شما می توانید با دنبال کردن سیگنالی که از طریق رادیو کریستالی و سپس تقویت کننده صوتی عبور می کند، جریان سیگنال را در سیستم تشخیص دهید که این روند بسیار سریع اتفاق می افتد.

کل فرایند از زمانی که سیگنال به آنتن می‌رسد تا زمانی که صدا به خروجی برسد، در کمتر از یک ثانیه اتفاق می‌افتد. به‌طورکلی سرعت جریان‌ها در رسانا‌های الکتریکی تقریباً 10 درصد سرعت نور است که این معادل 30,000 کیلومتر یا 18,600 مایل در ثانیه است!

مدار شکل 3 دارای سطح قدرت خروجی صوتی پایینی است. با این حال، بسیار بلندتر از سیگنال صوت ضعیفی است که به خودی خود از “رادیو کریستالی” می آید و قدرت خود را از جریان سیگنال در آنتن می گیرد!

بااین‌وجود، حتی صدای تقویت شده در خروجی مدار شکل 3 نیز برای ارائه صدای بلندگو کافی نیست. برای اینکه سطح قدرت صدا را کمی بیش تر کنید، به یک تقویت کننده قدرت صوتی نیاز دارید.

شماتیک تقویت کننده قدرت صوتی

شکل 4: مدار تقویت کننده صوتی، مناسب برای یک یا چند بلندگو.

شکل 4 یک مدار تقویت کننده با دو ترانزیستور را نشان می دهد که یک مدار push-pull نامیده می شود. یکی از ترانزیستورها نیمه “مثبت” موج صدای AC را تقویت می‌کند و ترانزیستور دیگر نیمه “منفی” را تقویت می‌کند. در اینجا می‌توان گفت که Q1 فشار (pushing) و Q2 کشش (pulling) را انجام می‌دهد، به طوری که با ترکیب خروجی‌های آن‌ها، نسخه تقویت شده‌ای از موج کامل ورودی صدا به دست می‌آید. این مدار در کلاس AB  میکند.

مدار شکل 4 می تواند یک تقویت کننده صدای سطح پایین (low-level) را نیز دریافت و تقویت ‌کند. با این حال، خروجی “رادیو کریستالی” اصلی به اندازه ای نیست که بتواند ورودی تقویت کننده قدرت را تغذیه کند.

وقتی درباره مدار “آمپلی‌فایر” صحبت می‌کنیم، باید توجه داشته باشید که این مدار دقیقاً همان کاری را انجام می‌دهد که از نامش پیداست: تقویت سیگنال ورودی. به‌طورکلی، یک آمپلی‌فایر، سیگنال ورودی با مقدار مشخصی توان را دریافت  و سپس یک سیگنال خروجی با قدرت بیش‌تری تولید می‌کند.

اگر سیگنال ورودی اصلی دارای برق کم یا بدون برق باشد، مدار شکل 4 به اندازه کافی درایو (قدرت ورودی) برای تولید سیگنال خروجی دریافت نخواهد کرد.برای داشتن عملکرد درست، آمپلی‌فایر به سیگنالی با توان اولیه‌ی کم نیاز دارد. در غیر این صورت، سیگنال ورودی ضعیف را “جذب” کرده و هیچ خروجی‌ای جز مقدار کمی گرما در اجزا تولید نمی‌کند.

مدار شکل 3 (پیش تقویت کننده صوتی) توان خروجی کافی برای راه اندازی یک تقویت کننده صوتی push-pull را فراهم می کند که مدار شکل 1 توان کافی برای این کار ندارد.

⚡ توجه

در مدار شکل 4، سیگنال ورودی از ترانسفورماتور T1 عبور کرده و در خروجی ثانویه آن ظاهر می‌شود. جزئیات فرآیند بعدی نسبتاً پیچیده است و شامل فاز موج، مشخصات ترانزیستور و موارد تخصصی می شود که فراتر از این آموزش است.

اساساً، جریان AC سیگنال ورودی صوتی به طور متناوب از بالا به پایین از سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور T1 عبور می‌کند. در این حالت، ترانزیستور Q1 نیمه اول سیکل سیگنال و ترانزیستور Q2 نیمه دوم آن را مدیریت می‌کند. ترانسفورماتور T2 دو نیمه تقویت شده سیکل را با کمک ترانزیستورها با یک موج صوتی AC کامل ترکیب می‌کند که قوی‌تر از موجی است که از طریق T1 وارد شده است.

شماتیک مدار کامل گیرنده رادیویی

شکل 5: شماتیک یک مدار گیرنده رادیویی را نشان می دهد که برخی از مؤلفه های آن در بخش تقویت کننده نسبت به شکل 4 به روز شده اند. همچنین، در این مدار، بلندگو نیز نشان داده شده است.

شکل 5 کل رادیو گیرنده AM سه ترانزیستوری را در یک شماتیک واحد نشان می دهد. باز هم، برخی از مولفه ها نسبت به شماتیک های قبلی تغییر کرده است، به گونه ای که به طور کلی با حرکت از ورودی اولیه در آنتن به خروجی نهایی در بلندگو افزایش می یابد.

✅ نکته

فرایند اصلی ساخت تمام مدارهای الکترونیکی به این صورت است که ابتدا، اجزای منفرد (مقاومت‌ها، خازن‌ها، دیودها و غیره) با هم ترکیب می‌شوند تا مدارهای ساده را تشکیل دهند. سپس مدارهای ساده با هم ترکیب می‌شوند تا مدارهای پیچیده‌تری را تشکیل دهند. بعد از آن، مدارهای پیچیده با هم ترکیب می‌شوند تا یک قطعه کامل را بسازند. از ترکیب چندین قطعه مختلف، یک سیستم بزرگ ایجاد می‌شود. ایستگاه رادیویی آماتور مثال خوبی از چنین سیستمی است.

این سیستم شامل یک ترانسسیور (فرستنده/گیرنده در یک محفظه)، یک تیونر آنتن، یک کامپیوتر، یک رابط بین کامپیوتر و فرستنده/گیرنده و یک پردازنده گفتار (speech processor) بین میکروفون و فرستنده/گیرنده می‌باشد.

هر یک از این دستگاه‌ها، مدارهای پیچیده زیادی را در خود جای‌داده‌اند که آن‌ها نیز خود از مدارهای ساده‌ی متعددی تشکیل شده‌اند که در نهایت به اجزای منفرد مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، دیودها، ترانزیستورها و سایر قطعات تجزیه می‌شوند.