مدار الکتریکی — مفاهیم و کاربردها

مدارها (circuits) اولین چیزی هستند که در مطالعه الکترونیک باید فرا گرفته شوند. در این مطلب ما به ساده‌ترین شکل ممکن، با مدارها آشنا می‌شویم و کمی هم در مورد ولتاژ (voltage) بحث می‌کنیم.

بعضی از مفاهیمی که بهتر است قبل از مطالعه این مقاله با آن‌ها آشنایی داشته باشید عبارتند از:

•  الکتریسیته
•  منبع تغذیه
•  ولتاژ، جریان، مقاومت و قانون اهم
• جریان متغیر (AC) در مقابل جریان مستقیم (DC)
•  قطبیدگی

اساس مدارها

ولتاژ و نحوه کار آن

حتما شنیده‌اید که یک باتری یا پریز برق مقدار ولتاژ مشخصی دارد. ولتاژ واحدی از اندازه‌گیری پتانسیل الکتریکی است، که باطری یا شبکه برق متصل به پریز آن را تولید کرده است. این ولت‌ها منتظر هستند تا شما آن‌ها را مصرف کنید. اما باید به روشی که برای آن‌ها ممکن باشد.

الکتریسیته برای انتقال  نیازمند بستر رسانا مانند سیم‌های مسی می‌باشد. اگر یک سیم را به یک باتری یا پریز برق وصل کنید (هشدار: ولتاژ یک پریز برق خطرناک است؛ این کار را انجام ندهید!)، شما می‌توانید برق را به درون آن هدایت کنید. اما اگر سیم به هیچ چیز دیگری متصل نباشد، الکتریسیته جاری نخواهد شد و به هیچ جا نخواهد رفت.

چه چیزی باعث حرکت الکتریسیته می‌شود؟

الکتریسیته می‌خواهد از یک ولتاژ بالاتر به ولتاژ پایین‌تر جریان یابد، این دقیقا مانند بادکنک است: هوای تحت فشار درون بادکنک می‌خواهد از داخل بادکنک (فشار بالا) به خارج از آن (فشار پایین) جریان یابد. اگر یک مسیر هدایت بین ولتاژ بالاتر و پایین‌تر ایجاد کنید، الکتریسیته در این مسیر جریان می‌یابد و اگر در این مسیر چیزی مثل LED قرار دهید،  عبور جریان الکتریسیته از LED باعث روشن شدن آن می‌شود.

 چگونه ولتاژ بالاتر و پایین‌تر را پیدا کنیم؟

لازم است بدانید که هر منبع انرژی داراری دو قطب است. این مورد در باتری قابل مشاهده است، یا پریزهای برق که دارای دو سوراخ هستند. در باطری‌ها و سایر منابع DC (جریان مستقیم)، این دوقطب؛ قطب های مثبت و منفی هستند، که هر کدام به ترتیب با علامت‌های “+” و “-” نمایش داده می‌شوند.

چرا هر منبع الکتریسیته دارای دو قطب است؟

با توجه به مفهوم  پتانسیل برای جاری شدن جریان به اختلاف پتانسیل بین مبدا و مقصد جریان احتیاج داریم. خیلی ساده است، تنها با داشتن دو سطح  متفاوت است، که شما می‌توانید اختلاف یا تفاوت را ببینید. در هر منبع تغذیه، طرف مثبت ولتاژ، بالاتر از طرف منفی است و این دقیقا همان اختلافی است که باعث جاری شدن جریان می‌شود. در زمان اندازه گیری ولتاژ ولتاژ قطب منفی را صفر و ولتاژ قطب مثبت را برابر با مقدار ولتاژی که منبع تغذیه می‌‎تواند تولید کند، در نظر می‌گیریم.

منبع‌های تغذیه الکتریکی مثل پمپ هستند. پمپ‌ها همیشه دارای دو طرف هستند. یک خروجی که محصول فرآیند را به بیرون منتقل می‌کند و یک ورودی که مسیر ورودی به پمپ است. باطری‌ها و ژنراتورها و پنل‌های خورشیدی به همین شیوه کار می‌کنند. در همه این‌ها کمیتی وجود دارد، که مقدار آن در دو سر باطری یا ژنراتور دارای اختلاف است و همین باعث جاری شدن جریان می‌شود.

زمانی که تازه الکتریسیته کشف شده بود، بنجامین فرانکلین نوشت که جریان برق از قطب مثبت یک منبع ولتاژ به قطب منفی منتقل می‌شود. اما فرانکلین هیچ راهی برای دانستن اینکه در اصل الکترون‌ها در جهت مخالف جریان می‌یابند، نداشت. در سطح اتمی الکترون‌ها از طرف منفی بیرون می‌آیند و پس از عبور از مدار به سمت مثبت باز گردانده می‌شوند. از آنجایی که پس از آن و قبل از یافتن حقیقت همه مهندسان از جهت اشتباه فرانکلین استفاده می‌کردند، هنوز هم ما از این مسیر اشتباه استفاده می‌کنیم. البته در عمل دانستن این جزییات چندان مهم نیست و تا زمانی که همه از همین قواعد استفاده می‌کنند، می‌توانیم مدارهایی را ایجاد کنیم، که درست کار می‌کنند.

تا اینجا آموختیم که:

• ولتاژ نوعی پتانسیل است (یعنی نوعی انرژی ذخیره شده در سیستم)، اما الکتریسیته برای اینکه کار مفیدی انجام دهد، باید به شیوه‌ای جاری شود.
• الکتریسیته به مسیری برای جاری شدن نیاز دارد، که باید یک ماده هادی الکتریسیته مثل سیم مسی باشد.
• الکتریسیته از ولتاژ بالاتر به سمت ولتاژ پایین‌تر جاری می‌شود.
• منابع ولتاژ DC همیشه دارای دو سر هستند، که مثبت و منفی نامیده می‌شوند. سمت مثبت، ولتاژ بالاتر و سمت منفی، ولتاژ پایین‌تر را دارد.

ساده‌ترین مدار موجود

اکنون برای فهم بهتر یک مدار ساده را مورد بررسی قرار می‌دهیم. اگر قطب مثبت یک منبع ولتاژ را به دستگاهی  مانند دیود نوری (LED)، که نیازمند منبع تغذیه است، وصل کنیم و سپس طرف دیگر دیود را به قطب منفی متصل کنیم، الکتریسیته جریان می‌یابد و دیود نوری روشن می‌شود.

این مسیر بسته که همیشه برای دریافت جریان برق و انجام کاری مفید ایجاد می‌شود، مدار (circuit) نامیده می‌شود. مدار مسیری است، که از یک طرف از منبع ولتاژ شروع می‌شود و از طرف دیگر دوباره به منبع ولتاژ بازمی‌گردد.

اتصال کوتاه (short circuit) و مدار باز (open cricuit)

مقاومت چیست؟

دلیل اینکه ما مدارهایی را ایجاد می‌کنیم، این است که می‌خواهیم مدارها برای ما کاری مفید انجام دهند. روش کار هم به این صورت است که ما تجهیزاتی را در مدار قرار می‌دهیم، که می‌توانند از این جریان برق استفاده کنند و مثلا لامپی روشن شود، صدایی تولید شود، برنامه‌ای اجرا شود و … .

همه این وسایل نوعی مقاومت هستند. زیرا در مقابل جریان برق مقاومت می‌کنند، تا از انرژی آن استفاده کنند. می‌توان انرژی زیادی از جریان برق گرفت، ولی این باعث می‌شود که شدت جریان بسیار کاهش یابد و در نتیجه ممکن است باعث خرابی قطعات مدار شما و حتی آسیب به منبع جریان شود.

شما بهتر است در مورد ولتاژ، جریان، مقاومت و قانون اهم هم بیشتر بدانید. اما در اینجا ما ترجیح می‌دهیم دو نوع خاص اتصال کوتاه و مدار باز از مدارها را به شما آموزش دهیم. دانستن در مورد این دو هنگامی که شما در جستجوی عیوب مدار هستید، بسیار به شما کمک می‌کند.

اتصال کوتاه

اگر شما ندانسته یک سیم را مستقیما از سمت مثبت منبع تغذیه به سمت منفی آن متصل کنید، یک مدار اتصال کوتاه ساخته‌اید. (انجام این کار توصیه نمی‌شود.)

این مدار به نظر ایده‌آل‌ترین مدار ممکن می‌آید، پس چرا اصلا مدار خوبی نیست؟ به یاد داشته باشید، که جریان الکتریکی می‌خواهد از ولتاژ بالاتر به ولتاژ پایین‌تر جریان یابد و اگر شما یک مقاومت در این مسیر قرار دهید، می‌توانید برای یک کار مفید مانند روشن کردن یک لامپ از آن استفاده کنید.

هنگامی که یک مقاومت را در مدار قرار می‌دهید، بر اساس مصرف آن دستگاه شما، جریانی که در مدار برقرار است، محدود می‌شود که مقدار آن هم معمولا یک مقدار کوچک است. اما هنگامی یک دستگاه مصرف‌کننده یا همان مقاومت را در مدار قرار نمی‌دهید، هیچ محدودیتی برای جریان وجود ندارد و در نتیجه مقدار آن به سمت بی‌نهایت میل خواهد کرد!

منبع تغذیه شما نمی‌تواند جریان بی‌نهایت را تولید کند، اما بیشترین مقدار ممکنی را که می‌تواند تولید می‌کند. این جریان بسیار زیاد ممکن است باعث آتش‌سوزی سیم شود یا به خود منبع تغذیه آسیب برساند یا باطری را تخیله کند و … . در بیشتر موارد درون منبع تغذیه یک مکانیسم ایمنی برای محدود کردن جریان حداکثر در صورت اتصال کوتاه وجود دارد، اما نه همیشه! به همین دلیل است که در تمام خانه‌ها و ساختمان‌ها مدارهای قطع‌کننده‌ای برای جلوگیری از آتش‌سوزی در هنگام اتصال کوتاه در جایی در سیم‌کشی وجود دارند.

یک مشکل نزدیک به اتصال کوتاه وقتی است که تصادفی مدار را طوری ببندیم که در بخشی از مدار جریان بیش از حدی برقرار شود و منجر به سوختن آن قسمت شود. البته این اتصال کوتاه نیست، اما به آن نزدیک است. این اتفاق اغلب زمانی پیش می‌آید، که با استفاده کردن از یک مقاومت نادرست، جریان بیش از حدی از یک جزء دیگر مثل یک LED عبور داده شود.

نکته: اگر متوجه شدید که همه چیز ناگهان داغ شد یا بخشی از مدار ناگهان آتش گرفت، سریع مدار را قطع کنید و به دنبال اتصال کوتاه در بخشی از آن باشید.

مدار باز

نقطه مخالف اتصال کوتاه مدار باز است. در این مدار بخشی از سیم باز است و در نتیجه مدار کامل نیست.

برخلاف اتصال کوتاه، در “مدار باز”  هیچ چیزی صدمه نمی‌بیند، البته این مدار اصلا کار نمی‌کند. اگر شما در کار کردن با مدارها تازه‌کار هستید، ممکن است برای شما سخت باشد که بفهمید در کجا مدار باز است. بخصوص اگر از تخته مدار (breadboard) استفاده می‌کنید، که در آن همه رساناها پنهان هستند.

اگر مدار شما کار نمی‌کند، احتمالا یک “مدار باز” است. این اتفاق معمولا به دلیل اتصال شکسته شده و یا متصل نبود کامل سیم روی می‌دهد. (اتصال کوتاه همه توان باطری را می‌دزدد، بنابراین مراقب آن هم باشید.)

نکته: اگر نمی‌توانید به راحتی “مدار باز” را پیدا کنید، استفاده از یک مولتی متر می‌تواند مفید باشد. اگر آن را برای اندازه‌گیری ولتاژ تنظیم کنید، می‌توانید با بررسی ولتاژ تمام قسمت‌های مدار، نقطه‌ای را که ولتاژ آن صفر است و جریان از آن عبور نمی‌کند را پیدا کنید.

نتیجه‌گیری

شما فقط نکات اساسی را آموخته‌اید که چه مداراتی وجود دارند. اگر مایل به ادامه یادگیری باشید، خواهید دید که چه مدارهای پیچیده‌ای که دارای حلقه‌های متعدد و قطعات الکترونیکی متنوع هستند، وجود دارند. اما همه مدارها، مهم نیست که چقدر پیچیده باشند، از قواعد ساده‌ای که تنها برای یک مدار یک حلقه‌ای برقرار است، پیروی می‌کنند.

سفر شما به دنیای الکترونیک تازه شروع شده است. در اینجا برخی مباحث برای ادامه مطالعه و بررسی پیشنهاد می‌شوند:

• تخته مدارها ابزارهای مفیدی هستند، که به شما امکان می‌دهند، مدارهای موقتی را با سیم‌کشی به سرعت بسازید. همچنین ممکن است، بخواهید با سیم کار کنید تا از آن در ساخت مدارهای الکترونیکی خود کمک بگیرید.
• یک مولتی‌متر به شما کمک می‌کند تا ولتاژ، جریان و مقاومت را اندازه بگیرید و هنگامی که در تشخیص و رفع خرابی مدار تلاش می‌کنید، بسیار به کار شما می‌آید.
• مدارها در شکل‌ها، اندازه‌ها و تنظیمات مختلفی ساخته می‌شوند. از جمله مباحثی که باید یاد بگیرید، مدارهای سری (series circuits) و موازی (parallel circuits) است.