مدار الکتریکی چیست؟ | تعریف مدار به زبان ساده

در این مقاله از سایت سیسوگ قصد داریم شما را با مفهوم مهم مدار الکترونیکی آشنا کنیم و اجزای اصلی یک مدار الکتریکی ساده را برای شما همراهان عزیز سیسوگ بیان کنیم؛ بنابراین تا پایان این مقاله همراه ما باشید.

مدار الکتریکی چیست؟

به‌صورت کلی تعریف مدار بر اساس داکیومنت های IEEE می‌توان گفت یک مدار الکتریکی، از منبع تغذیه (باتری)، سیم‌های رابط (برای حرکت جریان) و المان‌های دیگر مثل مقاومت، بار، دیود، خازن و… ساخته شده است.

برای جریان‌یافتن الکترون‌ها در مدار، نیاز به یک مدار بسته است. به زبان ساده، مدار الکتریکی شامل یک مسیر بسته‌ جهت حرکت جریان الکتریکی است. به‌طورکلی یک مدار ساده فقط از دو قسمت باتری و لامپ ایجاد شده است. این مسیر که مدار نام دارد اجازه می‌دهد که جریان از سمت باتری حرکت کرده و به لامپ برسد؛ در این راستا، مقاومت مدار، خود را به‌ شکل نور نشان می‌دهد و سپس به باتری بازمی‌گردد. این چرخه کامل، همان مدار است.

درصورتی‌که مدار به‌صورت بسته باشد و در آن یک جریان حلقه‌ای ایجاد شود که الکترون‌ها بتوانند در آن جریان داشته باشند، به آن مدار الکتریکی بسته گفته می‌شود. همچنین، در هر بخشی از مدار که حلقه‌ای تشکیل نشود و الکترون‌ها در آن جریان نداشته باشند، مدار باز است.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش الکترونیک از 0 تا 100 به صورت کاملا رایگان

نمونه مدارهای الکترونیکی ساده

اجزای مدار الکتریکی

یکی از انواع مدارهای الکتریکی و یا به اصلاح ساده‌ترین نوع آن‌ها، مدار الکتریکی ساده است. اجزای اصلی یک مدار الکتریکی ساده شامل باتری و لامپ می‌باشد. وظیفه یک مدار ساده مثل سایر مدارها، انتقال جریان است.

به‌طورکلی اجزای اصلی تشکیل‌دهنده مدارها عبارت‌اند از: منبع تأمین‌کننده انرژی، یک دستگاه و یک حلقه رسانا برای انتقال انرژی. البته مدارهای الکتریکی انواع گوناگونی دارند که این اجزا بسته به‌سادگی و پیچیدگی آن‌ها متفاوت است. مقاومت نیز یکی دیگر از اجزای مدار است که همواره در مقابل جریان الکترون‌ها، مقاومت نشان می‌دهد. این مقاومت و برخورد الکترون‌ها به شکل حرارت، نور یا انرژی مکانیکی بروز پیدا می‌کنند.

همچنین، باید به این نکته اشاره کرد که در مدارهای پیچیده از قطعات قوی‌تری مثل خازن یا ترانس استفاده می‌گردد.

تعریف المان‌های اصلی مدار الکتریکی

برخی از مهم‌ترین المان‌های مدارهای الکتریکی عبارت‌اند از:

• نیروی محرکه الکتریکی: به انگلیسی Electromotive force، به ولتاژی گفته می‌شود که به‌وسیله یک باتری یا نیروی مغناطیسی (طبق قانون فارادی که بیان می‌کند یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان، جریان الکتریکی القا می‌کند) تولید می‌شود.
• جریان الکتریکی: به انگلیسی Electric Current، به مقدار بار الکتریکی عبوری از واحد سطح در واحد زمان گفته می‌شود. در حقیقت، جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترون‌ها در یک جسم رسانا می‌باشد.
• توان الکتریکی: آهنگ انتقال انرژی الکتریکی به‌وسیله یک مدار الکتریکی در واحد زمان است. یکای SI توان، وات یا یک ژول بر ثانیه می‌باشد.
• بار الکتریکی:‌ به انگلیسی Electric charge، شامل خاصیت فیزیکی ماده است و هنگامی که در میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، به آن نیرو وارد می‌شود. به‌طورکلی بار الکتریکی دارای دو نوع اصلی است: بار مثبت و بار منفی. بار مثبت شامل پروتون‌ها و بار منفی شامل الکترون‌ها می‌باشد. بارهای هم‌نام همدیگر را دفع و بارهای ناهمنام همدیگر را جذب می‌کنند.

جهت حرکت برق در مدارات الکتریکی به چه صورت است؟

یکی از سؤالات متداول مبحث مدار الکتریکی این است که جهت حرکت برق در مدارات الکتریکی به چه صورت است. دراین‌خصوص باید بگوییم جریان الکتریسیته از ترمینال مثبت (+) یک باتری به سمت ترمینال منفی (-) حرکت می‌کند. این جهت قراردادی حرکت برق در مدارات الکتریکی است. این جهت در تحلیل مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد و شما باید این جهت را به یاد داشته باشید.

اما جهت حرکت واقعی جریان در مدار همان جهت حرکت الکترون‌ها در مدار می‌باشد. این جهت مدت‌ها پس از کشف الکتریسیته پیدا شده است. بااین‌حال، به یاد داشته باشید که از جهت قراردادی در تحلیل مدارهای الکترونیک استفاده می‌شود.

مدارهای الکتریکی انواع مختلفی دارند که در ادامه این مطلب به آن‌ها اشاره خواهیم کرد.

انواع مدار الکتریکی

انواع مدارهای الکتریکی در طبقه‌بندی‌های مختلف عبارت‌اند از:

1. مدارهای باز و بسته

به‌طورکلی انواع مدار الکتریکی به دو نوع باز و بسته تقسیم می‌شود. در برخی از مدارها یک حلقه وجود دارد که این حلقه موجب می‌شود جریان به طور کامل و بدون نقص منتقل شود؛ به چنین مداری اصطلاحاً مدار الکتریکی بسته می‌گویند.

همچنین، در برخی موارد عوامل گوناگونی موجب بروز مشکل و مانع از انتقال درست جریان می‌شوند که اگر چنین اتفاقی در یک مدار بیفتد، اصطلاحاً این مدار، مدار الکتریکی باز نامیده می‌شود.

2. مدارهای سری و موازی

در طبقه‌بندی دیگر، می‌توان انواع مدارهای الکتریکی را  به دو نوع سری و موازی تقسیم‌ کرد. در ادامه هر یک از این دو نوع مدار را بررسی خواهیم کرد:

• مدار الکتریکی سری

مدارهای الکتریکی سری از چند قطعه ساخته شده‌اند که در آن‌ها چندین حلقه در یک حلقه بزرگ قرار گرفته‌اند. در این مدارها ولتاژهای مختلفی در قطعات وجود دارند؛ ولی جریان مشابهی در هر مدار در جریان است. همچنین، درصورتی‌که یکی از قطعات مدار الکتریکی سری خراب شود، کل مدار از کار می‌افتد.

فرض کنید سه لامپ ال‌ای‌دی در یک مدار الکتریکی به شکل سری قرار گرفته‌اند. درصورتی‌که یک لامپ باز یا خراب شود، کل مدار از بین می‌رود، زیرا فقط یک مسیر در این مدارها برای جریان‌یافتن الکترون‌ها وجود دارد.

• مدار الکتریکی موازی

در مدارهای الکتریکی موازی، قطعات طوری قرار گرفته‌اند که در صورت خراب‌شدن یک قطعه، کل مدار از کار نمی‌افتد. در حقیقت، در این مدارها یک منبع انرژی وجود دارد و جریان از مسیرهای گوناگونی در مدار عبور می‌کند. ولتاژ در مدارهای موازی یکسان است، ولی جریان‌های مختلفی در این نوع مدار وجود دارد؛ بنابراین اگر قطعه‌ای در مدارهای موازی خراب شود، قطعات دیگر باز هم می‌توانند به کار خود ادامه ‌دهند.

تصور کنید در یک مدار، دو لامپ ال‌ای‌دی به‌صورت موازی قرار گرفته‌اند. اگر یکی از لامپ‌ها خراب شود، چون شاخه‌های گوناگونی جهت عبور جریان در مدار وجود دارد، لامپ دیگر می‌تواند از یک مسیر دیگر، جریان لازم خود را دریافت کند.

بنابراین، به‌صورت کلی در مدارهای الکتریکی سری، ولتاژ مختلف و جریان یکسان است و در مدارهای الکتریکی موازی ولتاژ یکسان و جریان متفاوت است. همین دلیل موجب می‌شود که در صورت خرابی قطعه‌ای در مدارهای الکتریکی موازی، سایر قطعات بتوانند به کار خود ادامه دهند.

3. مدارهای مرتبه اول و دوم 

مدارهای مرتبه اول و مرتبه دوم به مدارهایی گفته می‌شود که رفتار دینامیکی آن‌ها (پاسخ زمانی و فرکانسی) توسط معادلات دیفرانسیل مرتبه اول یا دوم توصیف می‌شود. مرتبهٔ مدار به تعداد عناصر ذخیره‌کنندهٔ انرژی مستقل مانند خازن (C) و سلف (L) بستگی دارد، نه صرفاً تعداد قطعات مدار.

• مدار مرتبه اول

مدار مرتبه اول مداری است که تنها یک عنصر ذخیره‌کنندهٔ انرژی دارد (یک خازن یا یک سلف). متداول‌ترین نمونه‌ها شامل مدارهای RC و RL هستند. پاسخ این مدارها به ورودی‌ها معمولاً نمایی است و با یک پارامتر مهم به نام ثابت زمانی (Time Constant) مشخص می‌شود که سرعت تغییر پاسخ مدار را تعیین می‌کند. به‌عنوان‌مثال، در مدار RC ثابت زمانی برابر τ = RC است و نشان می‌دهد ولتاژ خازن با چه سرعتی شارژ یا دشارژ می‌شود. مدارهای مرتبه اول معمولاً رفتار ساده‌تری دارند و در کاربردهایی مانند فیلترهای ساده، شارژ و دشارژ، و مدل‌سازی پدیده‌های گذرا استفاده می‌شوند.

• مدار مرتبه دوم

مدار مرتبه دوم شامل دو عنصر ذخیره‌کنندهٔ انرژی مستقل است، معمولاً یک خازن و یک سلف (مدار RLC). این مدارها با یک معادله دیفرانسیل مرتبه دوم توصیف می‌شوند و رفتار پیچیده‌تری نسبت به مدارهای مرتبه اول دارند. پاسخ زمانی آن‌ها می‌تواند به سه حالت کلی کم‌میرای، بحرانی و بیش‌میرای تقسیم شود که این حالات به مقدار مقاومت مدار و نسبت میرایی بستگی دارد. در حالت کم‌میرا، مدار نوسان می‌کند که این ویژگی در بسیاری از سیستم‌های رزنانسی اهمیت دارد.

به‌طورکلی، تفاوت اصلی مدارهای مرتبه اول و دوم در پیچیدگی پاسخ زمانی، تعداد پارامترهای کنترلی و نوع کاربرد آن‌ها است. مدارهای مرتبه اول برای تحلیل‌های ساده و کنترل ابتدایی مناسب‌اند، درحالی‌که مدارهای مرتبه دوم نقش کلیدی در طراحی فیلترهای پیشرفته، سیستم‌های نوسان‌ساز، مخابرات و مدارات کنترلی دارند. شناخت این دو نوع مدار پایه‌ای مهم برای درک رفتار مدارهای الکتریکی و سیستم‌های دینامیکی محسوب می‌شود.

روش‌های آنالیز مدار

آنالیز مدار به مجموعه روش‌هایی گفته می‌شود که برای محاسبه ولتاژها، جریان‌ها و توان در اجزای مختلف یک مدار الکتریکی به کار می‌روند. انتخاب روش مناسب به نوع مدار، تعداد المان‌ها، خطی یا غیرخطی‌بودن مدار و حالت زمانی تحلیل (DC ،AC یا گذرا) بستگی دارد. هدف اصلی آنالیز مدار، درک رفتار مدار و پیش‌بینی پاسخ آن در شرایط مختلف کاری است.

یکی از پایه‌ای‌ترین روش‌ها، استفاده از قوانین کیرشهف است. قانون کیرشهف جریان (KCL) بیان می‌کند که مجموع جریان‌های واردشونده و خارج‌شونده از یک گره صفر است، و قانون کیرشهف ولتاژ (KVL) می‌گوید مجموع ولتاژها در یک حلقه بسته برابر صفر است. این قوانین مبنای بسیاری از روش‌های تحلیلی پیشرفته‌تر هستند و برای مدارهای ساده و متوسط بسیار کاربردی‌اند.

روش تحلیل گره (Node Voltage Method) بر پایه قانون KCL بنا شده و در آن ولتاژ گره‌ها نسبت به یک گره مرجع محاسبه می‌شود. این روش معمولاً زمانی برتری دارد که تعداد گره‌ها کمتر از تعداد حلقه‌ها باشد. در مقابل، تحلیل مش (Mesh Current Method) بر اساس KVL است و جریان‌های حلقه‌ای را محاسبه می‌کند. این روش بیشتر برای مدارهای صفحه‌ای (Planar) و زمانی که تعداد مش‌ها محدود است، مناسب می‌باشد.

برای ساده‌سازی مدارهای پیچیده از قضایای شبکه مانند تونن، نورتن و سوپراسپوزیشن استفاده می‌شود. قضیه تونن و نورتن اجازه می‌دهند یک مدار بزرگ از دید یک بار به یک منبع معادل ساده تبدیل شود. قضیه سوپراسپوزیشن نیز در مدارهای خطی به کار می‌رود و بیان می‌کند که اثر هر منبع مستقل را می‌توان جداگانه بررسی و سپس نتایج را جمع کرد.

در تحلیل مدارهای AC و دینامیکی، از امپدانس مختلط، فازورها و تبدیل لاپلاس استفاده می‌شود. در حالت ماندگار AC، عناصر R ،L و C با امپدانس مختلط مدل می‌شوند، درحالی‌که برای تحلیل گذرا و مدارهای مرتبه اول و دوم، تبدیل لاپلاس ابزار قدرتمندی برای حل معادلات دیفرانسیل مدار است. این روش‌ها به‌ویژه در تحلیل فیلترها، تقویت‌کننده‌ها و سیستم‌های کنترلی اهمیت زیادی دارند.

در مجموع، روش‌های مختلف آنالیز مدار مکمل یکدیگر هستند و مهندس برق باید باتوجه‌به ساختار مدار و نوع مسئله، مناسب‌ترین روش را انتخاب کند تا تحلیل ساده‌تر و دقیق‌تری به دست آید.

کاربردهای مدار الکتریکی

در پاسخ به اینکه کاربردهای مدار الکتریکی چیست، باید گفت مدارات الکتریکی را می‌توان در هر وسیله الکتریکی که در زندگی روزمره با آن سروکار داریم، مشاهده کرد. علاوه بر این، انواع میکروپروسسورها که به‌عنوان CPU نیز شناخته می‌شوند و یک موتور محاسباتی کامل بر روی یک تراشه هستند را نیز می‌توان در بیش‌تر وسایل الکتریکی خانه مشاهده کرد. به همین علت است که در دوران تحصیل، با مدار الکتریکی آشنا می‌شوید. بعد از آشنایی با قطعات و نحوه کار با مدار، شما می‌توانید خودتان یک مدار الکتریکی بسازید.

سؤالات متداول

1. مدار الکتریکی دقیقاً چیست؟

مدار الکتریکی یعنی یک مسیر بسته که اجازه می‌دهد جریان الکتریکی (الکترون‌ها) در آن جریان پیدا کند.

2. اجزای اصلی یک مدار ساده کدام‌اند؟

در یک مدار ساده معمولاً منبع تغذیه (مثل باتری)، سیم‌های رابط (رسانا) و یک دستگاه مصرف‌کننده (مثل لامپ) وجود دارد.

3. جهت جریان در مدار چگونه تعریف می‌شود؟

طبق قرارداد، جریان از ترمینال مثبت (+) منبع به سمت ترمینال منفی (–) حرکت می‌کند؛ اگرچه در واقع الکترون‌ها در جهت معکوس حرکت می‌کنند.

4. چه تفاوتی بین «مدار سری» و «مدار موازی» وجود دارد؟

• در مدار سری: قطعات پشت‌سرهم‌اند، جریان در همه قطعات یکسان است؛ اگر یکی قطع شود، کل مدار قطع می‌شود.
• در مدار موازی: قطعات شاخه-شاخه هستند، ولتاژ در همه شاخه‌ها یکی است و اگر یک شاخه قطع شود بقیه می‌توانند کار کنند.