عناصر پسیو در مدارهای الکتریکی

«عناصر غیرفعال» یا «پَسیو» (passive) از اجزای اصلی مدارهای الکتریکی به شمار می‌روند و بدون آنها اینگونه مدارات ناپایدار گشته و یا به درستی عمل نخواهند کرد.

اما اِلمان‌های پسیو چه هستند؟ المان‌ها یا عناصر پسیو، عناصری هستند که تنها می‌توانند انرژی را ذخیره کرده و یا آن را تلف کنند، اما نمی‌توانند انرژی تولید کنند. وجود المان‌های پسیوی مثل مقاومت، سلف، خازن و ترانسفورماتور برای ساخت مدارهای الکتریکی بسیار اهمیت دارد.

همانگونه که از نام اینگونه المان‌ها پیداست، عناصر غیرفعال برای کار کردن به هیچ توان الکتریکی راه‌اندازی احتیاج ندارند. در نقطه‌ی مقابل برای شروع به کار «عناصر فعال» یا «اَکتیو» (active) مثل ترانزیستور، آپ‌امپ و مدار‌های مجتمع باید مقداری توان به آنها داد.

هرچند که وجود عنصر پسیو در یک مدار تقویت‌کنندگی و هدایت مدار را افزایش نمی‌دهد، اما از آنجایی که همواره بهره‌ی این عناصر کمتر از واحد است، به عنوان «تضعیف‌کننده» عمل می‌کنند. لذا المان‌های پسیو توانایی تولید، نوسان و تقویت سیگنال‌های الکتریکی را ندارند.

المان‌های پسیو را می‌توان به صورت تکی و یا با ترکیب سری یا موازی آنها در مدارات الکتریکی استفاده کرد. از ترکیب المان‌های پسیو برای کنترل مدارها یا سیگنال‌های پیچیده، اعمال شیفت فازی در سیگنال‌ها و یا ایجاد فیدبک در مدار استفاده می‌شود. هرچند که این عناصر به دلیل بهره‌ی کمتر از واحد، توانایی چند برابر کردن سیگنال‌ها را ندارند.

با این توصیف‌ها، عناصر پسیو برخلاف عناصر اکتیو که نقش تأمین‌کننده‌ی توان برای مدارها را بر عهده دارند، به عنوان مصرف‌کننده‌ی توان و همانند «تضعیف‌کننده‌ها» (attenuators) عمل می‌کنند.

مقدار عناصر پسیو همواره مثبت است (بزرگتر از صفر)، هر چند که ممکن است برخی المان‌ها دارای یک ضریب منفی باشند. لذا مقدار مقاومت‌ها در واحد اُهم و ظرفیت خازن‌ها در واحد فاراد همواره مثبت است.

قطعات الکترونیکی پسیو، قطعاتی دوطرفه (bi-directional) به شمار می‌روند؛ لذا به غیر از مواردی مثل خازن‌های الکترولیتی که پلاریته آنها مشخص است، اینگونه قطعات را می‌توان از هر دو جهت در مدارهای الکتریکی قرار داد. پلاریته‌ی ولتاژ دو سر یک قطعه، بر اساس مسیر قراردادی جریان (از پایه‌ی مثبت به پایه‌ی منفی) مشخص می‌شود.

به طور کلی در تئوی و تحلیل مدارهای الکتریکی، المان‌های پسیو «عناصر الکتریکی» نامیده می‌شوند. در ادامه سه مورد از مهم‌ترین عناصر الکتریکی پسیو به نام مقاومت، خازن و سلف (القاگر) را بررسی خواهیم کرد.

مقدار مقاومت

«مقاومت» (Resistor) عنصر پسیوی است که در برابر عبور جریان از داخل خود مخالفت می‌کند. مقدار این مخالفت، «مقدار مقاومت» (resistance) نام داشته و با نماد R نشان داده می‌شود. مقدار مقاومت معیاری است که میزان سختی یا آسانی عبور الکترون‌ها از یک مسیر الکتریکی را نشان می‌دهد. واحد اندازه‌گیری مقدار مقاومت اُهم (Ohm) است.

یک اهم به مقدار مقاومت موجود میان دو نقطه از یک رسانا گفته می‌شود، وقتی که اختلاف پتانسیل ۱ ولتی بین این دو نقطه برقرار بوده و جریان ۱ آمپری از درون این رسانا بگذرد. لذا مقدار مقاومت یک مقاومت بر اساس «قانون» اهم و طبق رابطه‌ی زیر بیان می‌شود.

مقاومت

در رابطه‌ی بالا R مقدار مقاومت، V اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت و I جریان عبوری از مقاومت می‌باشد. رابطه‌ی ولتاژ و جریان در یک مقاومت (رابطه‌ی V-I) در مدارهای AC و DC خطی است.

مقدار توان مصرفی یک مقاومت به صورت زیر مشخص می‌شود:

مقاومت‌های ایده‌آل این مقدار توان را به طور کامل تلف کرده و انرژی الکتریکی را به صورت بار الکتریکی یا انرژی مغناطیسی ذخیره نمی‌کنند.

ظرفیت القایی

یکای اندازه‌گیری «اندوکتانس یا ظرفیت القایی» (Inductance) که با L نمایش داده می‌شود، هانری (H) است. «سلف یا القاگر» (Inductor) برای ذخیره‌ی انرژی به شکل میدان الکترومغناطیسی به کار می‌رود. در سلف تا زمانی که جریان متغیر با زمان (i(t از آن عبور می‌کند، درون حلقه‌های سیم‌پیچ انرژی الکترومغناطیسی ذخیره می‌شود. «خودالقایی» (Self-inductance) مهم‌ترین خاصیت یک سلف است که با هرگونه تغییر ناگهانی جریان مخالفت می‌کند. ظرفیت القایی مقدار ثابتی است و مقدار آن با استفاده از ساختمان داخلی سلف به دست می‌آید. ولتاژ دو سر سلف نسبت مستقیمی با ظرفیت القایی و نرخ تغییر جریان عبوری از آن دارد.

سلف

سلف یکی دیگر از المان‌های پسیو است که توانایی ذخیره یا تحویل انرژی را دارد، اما نمی‌تواند آن را تولید کند. سلف‌های ایده‌آل هیچ‌گونه تلفاتی ندارند، یعنی انرژی را به طور کامل ذخیره کرده و هیچ‌گونه انرژی به صورت گرما تلف نمی‌شود. سلف‌ها در مقابل جریان DC امپدانس کمی از خود نشان می‌دهند (اتصال کوتاه) اما در برابر جریان AC یک مسیر با امپدانس بالا (اتصال باز) ایجاد می‌کنند. امپدانس یک سلف که راکتانس القایی نیز نامیده می‌شود به فرکانس مدار وابسته است. در سلف ایده‌آل ولتاژ AC سینوسی به اندازه‌ی ۹۰^o از جریان جلوتر است (پس‌فاز).

به طور کلی می‌توان اندوکتانس یا L را به عنوان معیاری برای اندازه‌گیری مقاومت یک سلف در برابر تغییر جریان تعریف کرد. هرچه مقدار L بزرگتر باشد، نرخ تغییر جریان نیز کمتر خواهد بود. همانند مقدار مقاومت، اندوکتانس یا ظرفیت القایی نیز همواره مثبت است.

ظرفیت خازنی

آخرین عنصر پسیوی که بررسی می‌کنیم خازن است. برخلاف سلف‌ها که انرژی الکتریکی را به صورت مغناطیسی ذخیره می‌کنند، خازن‌ها انرژی را از نوع الکترواستاتیکی و به شکل بار در صفحاتشان ذخیره می‌کنند. خازن از دو یا چند صفحه‌ی رسانا تشکیل شده که توسط یک ماده‌ی دی‌الکتریک از هم جدا شده‌اند. ظرفیت خازنی که با نماد C نمایش داده می‌شود، ویژگی یک خازن است که با هرگونه تغییر ناگهانی ولتاژ دو سر آن مخالفت می‌کند. ظرفیت خازنی مقدار ثابتی است و مقدار آن با استفاده از ساختمان داخلی خازن به دست می‌آید. جریان عبوری از خازن نسبت مستقیمی با ظرفیت آن و نرخ تغییر ولتاژ دو سر آن دارد.

خازن

ظرفیت یک خازن با صفحات موازی، برابر است با نسبت مقدار بار ذخیره شده در صفحات آن (Q) به اختلاف پتانسیل دو صفحه (V). یکای اندازه‌گیری ظرفیت خازنی «فاراد» (Farad) بوده و با توجه به آنچه گفته شد، به صورت C=Q/V نوشته می‌شود. خازن‌ها در برابر سیگنال‌های AC امپدانس کمی ایجاد کرده اما جریان‌های DC را عبور نمی‌دهند. امپدانس یک خازن که راکتانس خازنی نیز نامیده می‌شود به فرکانس مدار وابسته است. در خازن ایده‌آل ولتاژ AC سینوسی به اندازه‌ی ۹۰^o از جریان عقب‌تر است (پیش‌فاز). همانند مقدار مقاومت، ظرفیت خازنی نیز همواره مثبت است.

به طور خلاصه، مشخصات مدارهای ساده‌ای که تنها از یک مقاومت، یک خازن و یا یک سلف تشکیل شده‌اند به صورت زیر است:

در جدول بالا، X_L نماد راکتانس سلفی و X_C نماد راکتانس خازنی مدارهای AC است.