دوره الکترونیک، مفاهیم و قوانین

ربات ها دارای بخش های الکترونیکی،برنامه نویسی و مکانیکی می باشد که برای ساخت عمده ربات ها هر سه زمینه وجود دارد اما ممکن است رباتی به طور مثال برنامه نویسی نداشته باشد. ابتدا با مدار الکترونیکی آشنا میشویم و با بخش های مختلف آن توضیح داده می شود. در هر مدار الکترونیکی مصرف کننده جایگاه مهمی دارد. هدف از راه اندازی هر مدار بکار گیری این قطعه می‌باشد که با قرار دادن آن در مدار انرژی به انواع مختلفی تبدیل می‌شود این تبدیل می توان به صورت نور، حرکت، صدا و گرما باشد که در ادامه با ساخت این مدارات و بکار گیری این قطعات در مدار آشنا می‌شویم.

در ادامه با چند مرحله به معرفی مفاهیم اصلی مدارات می پردازیم:

مرحله 1: مفهوم اختلاف پتانسیل یا ولتاژ

آیا تا به حال به مدار حرکت زمین به دور خورشید فکر کرده‌اید؟ در این مدار، زمین در یک حلقه بسته دور خورشید حرکت میکند.

در یک مدار الکتریکی هم الکترون‌ها در یک مسیر بسته حرکت میکنند. در واقع الکترون‌ها مانند زمین روی مدار حرکت می‌کنند که ممکن است در سر راهشان با قطعاتی  برخورد کنند، مثل:  منبع انرژی، کنترل کننده، استفاده کننده ولتاژ اضافی و مصرف کننده. این قطعات به وسیله ارتباط دهنده های هادی (مثل سیم‌های مسی، برد بورد، برد مدار چاپی) ، به صورت سری (پشت سر هم) به هم وصل شدند.

یک مدار ساده :

اما به صورت کلی تر مدار دارای بخش ها بیشتری می تواند باشد . این بخش ها بر روی مدار قرار میگیرند و هر کدام کار خاصی را انجام می دهند.

هر کدام از بخش های مدار می توانند یکی از این نقش ها را بر عهده داشته باشند این بخش ها به صورت کامل در دوره توضیح داده شده است. 

مفهوم ولتاژ و جریان:

ولتاژ و جریان و مقاومت، یک تشابه نزدیک با یک منبع آب دارند که باعث فهم راحت‌تر آنها می‌شود. در این تشابه، آب به صورت بار الکتریکی، ولتاژ به صورت فشار آب و جریان الکتریکی به صورت حرکت آب، تشبیه می‌شود. یک مخزن آب که در یک ارتفاع مشخصی از سطح زمین قرار گرفته است را درنظر بگیرید. در پایین این مخزن هم یک شلنگ آب وجود دارد.

فشار در نقطه انتهایی شلنگ را میتوان به صورت ولتاژ در نظر گرفت. آب موجود در مخزن را به عنوان بارالکتریکی میتوانیم فرض کنیم. آب بیشتر به معنای وجود بار الکتریکی بیشتر است و بار الکتریکی بیشتر، یعنی ولتاژ بیشتر و این یعنی فشار بیشتر. توجه کنید که فشار را در نقطه انتهایی شلنگ اندازه گیری می‌کنیم. مثلا يك باتری چراغ قوه را در نظر بگيريد كه تا زماني كه باتری پر از بار الكتريكی است نور چراغ قوه به شدت می‌تابد و با گذشت زمان كه بار الكتريكی درون باتری كم مي‌شود شدت نور هم كم مي‌شود. جریان الکتریکی را میتوان به صورت، میزان آبی که از شلنگ خارج می شود، در نظر گرفت. فشار بیشتر آب به این معناست که آب بیشتری هم از شلنگ خارج می‌شود و برعکس. ما میتوانیم میزان آب خارج شده از شلنگ در یک مدت زمان مشخص را اندازه گیری کنیم. به همین ترتیب میتوان، میزان بار الکتریکی جا به جا شده در یک مدت زمان مشخص، در یک مدار الکتریکی را اندازه گیری کرد. واحد اندازه گیری جریان الکتریکی، آمپر است و آن را با A نشان می دهند.

حال دو مخزن آب را در نظر بگیرید که از دو انتهای این مخزن، دو شلنگ آب خارج شده است. هر دو مخزن، آب یکسانی دارند، اما قطر شلنگ آب در یکی از مخازن از دیگری کمتر است. 

ما میزان فشار آب یکسانی رو در دو انتهای لوله ها احساس می‌کنیم. اما وقتی آب جاری می‌شود، میزان آب خروجی در شلنگ پهن تر، بیشتر از نرخ آب خروجی در شلنگ باریک تر است. به زبان ما، جریان جاری شده از لوله باریک تر، کمتر از جریان جاری شده از لوله پهن تر است. اگر ما میخوایم که میزان آب جاری شده در دو لوله یکسان بشه، باید مقدار آب موجود در مخزن دارای شلنگ باریک تر، بیشتر شود.

پس همانطور که گفتیم برای این که جریان آب خروجی از دو شلنگ یکسان شود، باید مخزن با شلنگ باریکتر آب بیشتری داشته باشد. این مفهوم به ما میگوید که برای افزایش جریان باید ولتاژ را افزایش دهیم. نکته دیگر عرض شینگ می باشد که در واقع میزان مقاومت است هر چه عرض بیشتر باید مقاومت کمتر است و شدت جریان بشتر می شود و همان طور که گفته شد شدت جریان با افزایش جریان نیز افزایش می یابد. اختلاف پتانسیل سطح یعنی تفاوت سطح آب دو ظرف همان اختلاف پتانسیل الکتریی می باشد.

 انواع استانداد ولتاژ الکتریکی

دو نوع سیگنال الکتریکی وجود دارد، که شامل جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) می‌شوند.

در جریان متناوب، جهت جریان برق در مدار به طور مداوم معکوس می‌شود. می‌توان گفت که جهت جریان متناوب است. نرخ معکوس شدن در واحد هرتز اندازه‌گیری می‌شود، که تعداد معکوس شدن‌ها در هر ثانیه را نشان می‌دهد. بنابراین، وقتی گفته می‌شود که منبع تغذیه برق در ایالات متحده 60 هرتز است، به این معناست که جهت جریان 120 بار در ثانیه معکوس می‌شود (دو بار در هر سیکل).

در جریان مستقیم، برق در یک جهت بین منبع تغذیه و زمین جریان پیدا می‌کند. در این نوع مدار همیشه یک منبع ولتاژ مثبت و یک منبع ولتاژ زمین (0 ولت) وجود دارد. می‌توانید این را با خواندن ولتاژ یک باتری با مولتی‌متر تست کنید. 

در مورد ولتاژ، برق معمولاً با داشتن یک ولتاژ و یک جریان تعریف می‌شود. ولتاژ به وضوح در واحد ولت اندازه‌گیری می‌شود و جریان در واحد آمپر اندازه‌گیری می‌شود. به عنوان مثال، یک باتری جدید 9 ولتی دارای ولتاژی برابر با 9 ولت و جریانی حدود 500 میلی‌آمپر (500 میلی‌آمپر) خواهد بود.

برق همچنین می‌تواند از نظر مقاومت و وات تعریف شود. ما در مرحله بعدی کمی در مورد مقاومت صحبت خواهیم کرد، اما من به صورت عمیق به موضوع وات نخواهم پرداخت. هنگامی که بیشتر در دنیای الکترونیک غوطه‌ور می‌شوید، با قطعاتی با درجه‌بندی وات مواجه خواهید شد. مهم است که هرگز از درجه‌بندی وات یک قطعه فراتر نروید، اما خوشبختانه وات منبع تغذیه DC شما به راحتی با ضرب ولتاژ و جریان منبع تغذیه قابل محاسبه است.

بیشتر مدارهای الکترونیکی پایه از برق DC استفاده می‌کنند. بنابراین، تمامی مباحث بعدی در مورد برق مربوط به برق DC خواهد بود.

مرحله 2: مدارها

یک مدار، مسیر کامل و بسته‌ای است که از طریق آن جریان الکتریکی می‌تواند جریان یابد. به عبارت دیگر، یک مدار بسته اجازه می‌دهد تا برق بین منبع تغذیه و زمین جریان یابد. یک مدار باز جریان برق بین منبع تغذیه و زمین را قطع می‌کند.

هر چیزی که بخشی از این سیستم بسته باشد و اجازه دهد برق بین منبع تغذیه و زمین جریان یابد، به عنوان بخشی از مدار در نظر گرفته می‌شود.

مرحله 3: مقاومت

مورد مهم بعدی که باید در نظر داشته باشید این است که برق در یک مدار باید استفاده شود.

به عنوان مثال، در مدار پایین، موتوری که برق از آن عبور می‌کند، مقاومت به جریان برق اضافه می‌کند. بنابراین، تمامی برقی که از مدار عبور می‌کند، به کار گرفته می‌شود.

به عبارت دیگر، باید چیزی بین مثبت و زمین متصل باشد که به جریان برق مقاومت اضافه کند و آن را مصرف کند. اگر ولتاژ مثبت مستقیماً به زمین وصل شود و ابتدا از چیزی که مقاومت اضافه می‌کند، مانند یک موتور، عبور نکند، این امر منجر به ایجاد یک مدار کوتاه می‌شود. این به معنای این است که ولتاژ مثبت مستقیماً به زمین وصل می‌شود.

همچنین، اگر برق از طریق یک قطعه (یا گروهی از قطعات) عبور کند که به اندازه کافی مقاومت به مدار اضافه نکند، به همین ترتیب یک مدار کوتاه ایجاد خواهد شد.

مدارهای کوتاه خطرناک هستند زیرا می‌توانند منجر به گرم شدن بیش از حد، خرابی، آتش‌سوزی و حتی انفجار باتری یا مدار شما شوند.

بسیار مهم است که از ایجاد مدارهای کوتاه جلوگیری کنید و مطمئن شوید که ولتاژ مثبت هرگز مستقیماً به زمین متصل نمی‌شود.

این نکته را نیز در نظر داشته باشید که برق همیشه مسیری با کمترین مقاومت به سمت زمین را دنبال می‌کند. این به این معناست که اگر به ولتاژ مثبت انتخابی بدهید که از یک موتور به سمت زمین عبور کند، یا از طریق یک سیم مستقیماً به زمین برود، برق سیم را انتخاب خواهد کرد زیرا سیم کمترین مقاومت را فراهم می‌کند. این همچنین به این معناست که با استفاده از سیم برای دور زدن منبع مقاومت به سمت زمین، یک مدار کوتاه ایجاد کرده‌اید. همیشه مطمئن شوید که به طور تصادفی ولتاژ مثبت را به زمین وصل نکنید در حالی که چیزهایی را به صورت موازی سیم‌کشی می‌کنید.

همچنین توجه داشته باشید که یک کلید به مدار هیچ مقاومتی اضافه نمی‌کند و به سادگی افزودن یک کلید بین منبع تغذیه و زمین باعث ایجاد یک مدار کوتاه می‌شود.

مرحله 4: سری در مقابل موازی

دو روش تعیین می‌کنند که چگونه جریان برق درون مدار حرکت می‌کند، همانند یک شبکه آب (برای مشاهده دو حل در شکل ۴ مراجعه کنید). بیایید سعی کنیم درک کنیم که این دو روش چگونه کار می‌کنند. محاسبات اجزای مختلف در یکی از قسمت‌های بعدی بررسی خواهد شد.

شکل ۴: دو LED به صورت موازی و سری به هم متصل شده‌اند.

هر دو مدار هدف دارند که دو LED را روشن کنند، اما حالت کاری آن‌ها متفاوت است. بیایید ببینیم. در مدار سمت چپ (موازی)، جریان الکترون‌ها که از باتری خارج می‌شود، به دو مسیر مختلف و بدون قاعده خاصی تقسیم می‌شود:

1. یک جریان از مسیر اول عبور می‌کند، که مقاومت R1 و LED D1 را تأمین می‌کند.
2. جریان دیگر از مسیر دوم عبور می‌کند، که مقاومت R2 و LED D2 را تأمین می‌کند.

پس از عبور از دیودها، این دو جریان به صورت یک مسیر مشترک به زمین بازمی‌گردند و به باتری بازمی‌گردند و این فرآیند را تکرار می‌کنند. در مدار سمت راست (سری)، جریان الکترون‌ها از باتری از طریق مقاومت R3 عبور کرده، سپس به ترتیب از LED D3 و سپس LED D4 عبور می‌کند.

در هر دو مثال، دیودها به طور نرمال روشن می‌شوند، اما نوع مدار متفاوت است. در حال حاضر، خواننده توجه کند که در مثال اول، مقاومت‌های R1 و R2 ارزش ۱۸۰ اهم دارند، در حالی که در مثال دوم، مقاومت R3 فقط ۴۷ اهم است. اکنون کافی است که بفهمیم که هرچه ارزش مقاومت کمتر باشد، جریان الکترون‌ها از طریق مدار بیشتر خواهد بود.

حالا اهمیت جریان الکترون‌ها در مدار را باید درک کنیم:

• اگر تمامی اجزای مدار به درستی وصل شوند، مدار به درستی کار می‌کند و یک “مدار بسته” وجود دارد.
• اگر حداقل یکی از اجزای مدار قطع یا خراب باشد، مدار به درستی کار نمی‌کند و یک “مدار باز” وجود دارد.

الکترون‌ها به تنهایی در یک جهت حرکت می‌کنند، طبق معمول از قطب مثبت به قطب منفی. هر قطعی این جریان را قطع می‌کند، در واقعیت، بسیار سریع است. در واقع، آن‌ها حدوداً ۳۰۰،۰۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کنند. نماد جرم (یا زمین) نشان می‌دهد که در این شاخه الکتریکی، ولتاژ ۰ ولت وجود دارد. در مدار موازی، دو شاخه به طور کامل مستقل از یکدیگر هستند. اگر یک مقاومت (برای مثال R1) یا یک دیود (برای مثال D1) را قطع کنیم یا حتی قطبیت آن را برعکس کنیم (آن را به صورت معکوس نصب کنیم)، شاخه دیگر بدون مشکل کار خود را ادامه خواهد داد. با این حال، در مدار سری اینطور نیست. دو LED به جریان الکترونیک یکسانی وابسته هستند، بنابراین کافی است مقاومت R3 یا یکی از دو LED (D3 یا D4) را برداریم تا عملکرد مدار قطع شود. به طور معمول، چراغ‌هایی که درخت کریسمس را روشن می‌کنند، به صورت سری متصل هستند. کافی است یک لامپ سوزانده شود تا کل مدار بی‌اثر شود.

تمرین، تمرین، تمرین
با کمک یک بزرگسال، سعی کنید که نمونه‌ای از یک چراغ راهنمایی را ایجاد کنید که در شکل ۵ نشان داده شده است. این یک مدار است که شامل سه LED به صورت موازی با مقاومت‌های ۱۸۰ اهم متناظر برای هر شاخه است. برخلاف نمودارهای سیم کشی قبلی، این نمودار نشان می‌دهد که سه سوئیچ وجود دارد که امکان روشن و خاموش کردن هر LED را به طور مستقل فراهم می‌کند. رنگ‌های سه LED به طور واضح باید قرمز، زرد و سبز باشد. مونتاژ بسیار ساده است و جنبه‌های جذاب‌تر آن این است که اسباب‌بازی‌ها می‌توانند به راحتی در خانه ساخته شوند و برای سرگرمی تضمین شده است. و اگر ظاهر نهایی آن به خوبی تمام شود و از کیفیت عالی برخوردار باشد، نتیجه بهتر خواهد بود.

شکل ۵: نمودار و اتصالات چراغ راهنمایی

در اینجا نمودار سیم‌کشی برای مدار چراغ راهنمایی نشان داده شده است.

این توضیحات به شما کمک می‌کند تا تفاوت‌های اساسی بین مدارهای موازی و سری با استفاده از LEDها را درک کنید و نکات عملی در ساخت و استفاده از این مدارها را فهمیده و به کار ببرید.

مرحله 5: قطعات پایه

برای ساخت مدارها، نیاز دارید که با چند قطعه پایه آشنا شوید. این قطعات ممکن است ساده به نظر برسند، اما اساس بیشتر پروژه‌های الکترونیکی را تشکیل می‌دهند. بنابراین، با یادگیری این چند قطعه پایه، می‌توانید به میزان زیادی پیشرفت کنید.

لطفاً با من همراه باشید تا در مراحل بعدی توضیح دهم که هر یک از این قطعات چیستند.

مرحله 6: مقاومت‌ها

همانطور که از نامشان پیداست، مقاومت‌ها به مدار مقاومت اضافه می‌کنند و جریان الکتریکی را کاهش می‌دهند. در یک نمودار مدار، به صورت یک خط پیچ و خم دار با یک مقدار در کنار آن نمایش داده می‌شوند.

علامت‌های مختلف روی مقاومت‌ها نشان‌دهنده مقادیر مختلف مقاومت هستند. این مقادیر در واحد اهم اندازه‌گیری می‌شوند.

مقاومت‌ها همچنین با درجه‌بندی‌های وات مختلف عرضه می‌شوند. برای بیشتر مدارهای DC با ولتاژ پایین، مقاومت‌های 1/4 وات مناسب هستند.

مقدار مقاومت را از چپ به راست به سمت باند طلایی (معمولاً) می‌خوانید. دو رنگ اول نمایانگر مقدار مقاومت، رنگ سوم نمایانگر ضریب و رنگ چهارم (باند طلایی) نمایانگر تلرانس یا دقت قطعه است. می‌توانید مقدار هر رنگ را با نگاه به یک جدول مقدار رنگ مقاومت‌ها بفهمید.

به هر حال… یک مقاومت با علامت‌های قهوه‌ای، سیاه، نارنجی، طلایی به این صورت ترجمه می‌شود:

1 (قهوه‌ای) 0 (سیاه) x 1,000 = 10,000 با تلرانس +/- 5%

هر مقاومتی بیش از 1000 اهم معمولاً با حرف K کوتاه می‌شود. به عنوان مثال، 1,000 می‌شود 1K؛ 3,900 می‌شود 3.9K؛ و 470,000 اهم می‌شود 470K.

مقادیر اهم بیش از یک میلیون با حرف M نمایش داده می‌شوند. در این مورد، 1,000,000 اهم می‌شود 1M.

مرحله 7: خازن‌ها

خازن یک قطعه است که برق را ذخیره می‌کند و سپس آن را در مدار تخلیه می‌کند هنگامی که برق کاهش می‌یابد. می‌توانید آن را مانند یک مخزن ذخیره آب تصور کنید که آب را وارد می‌کند زمانی که خشکسالی است تا جریان ثابتی تضمین شود.

خازن‌ها با واحد فراد اندازه‌گیری می‌شوند. ارزش‌هایی که به طور معمول با آنها برخورد می‌کنید، در فاراد پیکو (pF)، نانوفاراد (nF) و میکروفاراد (uF) اندازه‌گیری می‌شوند. این ارزش‌ها به طور معمول به صورت معادل مورد استفاده قرار می‌گیرند و داشتن یک جدول تبدیل می‌تواند مفید باشد.

نوع‌های خازن‌هایی که به طور معمول برخورد می‌کنید، شامل خازن‌های دیسک سرامیکی هستند که شبیه به M&M کوچک با دو سیم بیرونی به نظر می‌رسند و خازن‌های الکترولیتیک که بیشتر شبیه لوله‌های استوانه‌ای کوچک با دو سیمی هستند که از پایین (یا گاهی هر دو طرف) بیرون می‌آیند.

خازن‌های دیسک سرامیکی غیر قطبی هستند، به این معنا که برق می‌تواند به هر حالتی از آن‌ها عبور کند. آنها به طور معمول با یک کد عددی نشان داده می‌شوند که باید تفسیر شود. این نوع خازن به طور معمول در یک نمودار مدار به صورت دو خط موازی نمایش داده می‌شود.

خازن‌های الکترولیتیک به طور معمول قطبی هستند. این به این معناست که یک پایه باید به سمتی از مدار وصل شود که به زمین منجر می‌شود و پایه دیگر باید به منبع تغذیه وصل شود. اگر به صورت برعکس وصل شود، به درستی کار نخواهد کرد. خازن‌های الکترولیتیک ارزش خود را بر روی آن نوشته‌اند که به طور معمول در واحد میکروفاراد (uF) نمایش داده می‌شود. همچنین پایه‌ای که به زمین متصل می‌شود با نماد منفی (-) علامت‌گذاری می‌شود. این خازن در یک نمودار مدار به صورت یک خط مستقیم و خمیده کنار هم نمایش داده می‌شود، که خط مستقیم نشان دهنده سرانجامی است که به منبع تغذیه متصل می‌شود و خم مربوط به زمین.

مرحله 8: دیودها

دیودها قطعاتی هستند که قطبی هستند، به این معنا که فقط به جریان الکتریکی اجازه می‌دهند که به سمت یک جهت از آنها عبور کند. این خاصیت بسیار مفید است زیرا می‌توان آنها را در یک مدار قرار داد تا جلوگیری کنند از جریان الکتریکی در جهت اشتباه.

یک نکته دیگر که باید به آن توجه داشته باشید این است که برای عبور از یک دیود انرژی لازم است و این باعث کاهش ولتاژ می‌شود. به طور معمول، این کاهش حدود 0.7 ولت است. این نکته بسیار مهم است که برای بعدا زمانی که در مورد دیودهای خاصی به نام LED صحبت می‌کنیم، به ذهن بسپارید.

حلقه‌ای که در یکی از انتهای دیود وجود دارد، نشان دهنده سمت دیود است که به زمین متصل می‌شود. این قسمت به عنوان کاتد شناخته می‌شود. در ادامه، طرف دیگر به منبع تغذیه وصل می‌شود و به عنوان آند شناخته می‌شود.

شماره قطعه دیود معمولاً بر روی آن نوشته شده است و شما می‌توانید با جستجو در دیتاشیت آن، ویژگی‌های الکتریکی مختلف آن را بیابید.

دیودها در نمودار مدار به صورت یک خط با یک مثلث به سمت آن نمایش داده می‌شوند. خط نشان دهنده سمتی است که به زمین متصل می‌شود و پایین مثلث به منبع تغذیه متصل می‌شود.

مرحله 9: ترانزیستورها

ترانزیستور یک قطعه است که جریان الکتریکی کوچکی را در سرپین پایه‌ی اصلی (base) می‌پذیرد و آن را به گونه‌ای تقویت می‌کند که جریان بسیار بزرگتری می‌تواند از میان پین‌های کالکتور (collector) و امیتر (emitter) عبور کند. مقدار جریانی که از این دو پین عبور می‌کند، به ولتاژی که در پایه‌ی اصلی (base) اعمال می‌شود، نسبتی است.

ترانزیستورها دو نوع اصلی دارند که NPN و PNP نام دارند. این ترانزیستورها دارای قطبیت مخالف بین کالکتور و امیتر هستند.

ترانزیستورهای NPN به جریان الکتریکی اجازه می‌دهند که از پین کالکتور به پین امیتر عبور کند. آنها در نمودار مدار با یک خط برای پایه، یک خط مورب برای اتصال به پایه و یک پیکان مورب که به دور پایه اشاره می‌کند، نمایش داده می‌شوند.

ترانزیستورهای PNP به جریان الکتریکی اجازه می‌دهند که از پین امیتر به پین کالکتور عبور کند. آنها در نمودار مدار با یک خط برای پایه، یک خط مورب برای اتصال به پایه و یک پیکان مورب که به سمت پایه اشاره می‌کند، نمایش داده می‌شوند.

ترانزیستورها دارای شماره قطعه‌ای هستند که بر روی آن نوشته شده است و می‌توانید با جستجو در دیتاشیت آنها، در مورد طرح پین‌ها و ویژگی‌های خاص آنها مطالعه کنید. حتماً به ولتاژ و جریان مصرفی ترانزیستور هم توجه کنید.

مرحله ۱۰: مدارهای یکپارچه

مدارهای یکپارچه یا IC ها، مدارهای تخصصی کاملی هستند که به صورت مینیاتوریزه بر روی یک تراشه کوچک قرار داده شده‌اند و هر پایه از این تراشه به یک نقطه درون مدار وصل می‌شود. این مدارهای کوچک معمولاً از قطعاتی نظیر ترانزیستورها، مقاومت‌ها و دیودها تشکیل شده‌اند.

به عنوان مثال، نمودار داخلی برای یک تراشه تایمر ۵۵۵ بیش از ۴۰ قطعه داخلی دارد.

مانند ترانزیستورها، شما می‌توانید با جستجوی دیتاشیت‌های آنها، درباره مدارهای یکپارچه اطلاعات بیشتری به دست آورید. در دیتاشیت، عملکرد هر پین، ولتاژ و جریان مصرفی هر چیپ و هر پین فردا آمده است.

مدارهای یکپارچه در اشکال و اندازه‌های مختلفی عرضه می‌شوند. به عنوان یک مبتدی، شما عمدتا با چیپ‌های DIP کار خواهید کرد که پین‌های مناسبی برای نصب از طریق تسمه دارند. هنگامی که پیشرفت کردید، ممکن است به نظر چیپ‌های SMT بپردازید که به سطح یک طرف برد مداری متصل می‌شوند.

خط نشان دهنده ناچ بر روی یکی از لبه‌های تراشه IC به بالای تراشه اشاره دارد. پین بالا و چپ تراشه به عنوان پین ۱ محسوب می‌شود. از پین ۱، شما به ترتیب پایین لبه افقی خواندید (مثلاً پین ۱، پین ۲، پین ۳…) و پس از رسیدن به پایین، به سمت طرف مقابل تراشه حرکت کنید و شماره‌ها را بالا می‌خوانید تا به بالای تراشه برسید.

لطفا توجه داشته باشید که برخی از چیپ‌های کوچک نقطه‌ای کوچک کنار پین ۱ دارند به جای ناچ بالای تراشه.

مرحله ۱۱: پتانسیومترها

پتانسیومترها مقاومت‌های متغیر هستند. به زبان ساده، آنها دارای یک نوبه یا لغزنده‌ای هستند که شما می‌چرخانید یا فشار می‌دهید تا مقاومت در یک مدار تغییر کند. اگر تا به حال از دستگاه تنظیم صدا در یک استریو یا کنترلر روشنایی لغزنده استفاده کرده‌اید، آنگاه از یک پتانسیومتر استفاده کرده‌اید.

پتانسیومترها مانند مقاومت‌ها به واحد اهم اندازه گیری می‌شوند، اما به جای نوارهای رنگی، ارزش آنها مستقیماً بر روی آنها نوشته می‌شود (مانند “1M”). آنها همچنین با “A” یا “B” نشان داده می‌شوند که نوع منحنی پاسخ آنها را نشان می‌دهد.

پتانسیومترهای نشان داده شده با “B” منحنی پاسخ خطی دارند. این به این معناست که هنگامی که شما دسته را بچرخانید، مقاومت به طور یکنواخت افزایش می‌یابد (10، 20، 30، 40، 50، و غیره). پتانسیومترهای نشان داده شده با “A” منحنی پاسخ لگاریتمی دارند. این به این معناست که هنگامی که شما دسته را بچرخانید، اعداد به طور لگاریتمی افزایش می‌یابند (1، 10، 100، 10،000 و غیره).

پتانسیومترها سه پین دارند تا یک تقسیم‌کننده ولتاژ ایجاد کنند که به طور معمول دو مقاومت متصل به هم می‌باشد. هنگامی که دو مقاومت به هم متصل شوند، نقطه مابین آنها ولتاژی است که مقداری بین منبع تغذیه و زمین است.

به عنوان مثال، اگر شما دو مقاومت 10K را به صورت سری بین منبع تغذیه (5V) و زمین (0V) اتصال دهید، نقطه‌ای که این دو مقاومت ملاقات می‌کنند، نیمی از منبع تغذیه خواهد بود (2.5V)، زیرا هر دو مقاومت ارزش‌های مشابهی دارند. با فرض اینکه این نقطه میانی در واقع پین مرکزی یک پتانسیومتر باشد، هنگامی که دسته را بچرخانید، ولتاژ در پین میانی به سمت 5V یا به سمت 0V کاهش می‌یابد (بسته به جهتی که شما آن را بچرخانید). این برای تنظیم شدت یک سیگنال الکتریکی در یک مدار بسیار مفید است (بنابراین استفاده از آن به عنوان یک دسته صدا).

این به عنوان یک مقاومت در یک مدار نشان داده می‌شود که به وسیله‌ی یک پیکان به سمت میان آن اشاره می‌کند.

اگر فقط یکی از پین‌های خارجی را به مدار و پین مرکزی وصل کنید، تنها مقاومت در داخل مدار را تغییر می‌دهید و ولتاژ در پین میانی را نه. این نیز یک ابزار مفید برای ساخت مدار است، زیرا اغلب فقط می‌خواهید مقاومت در یک نقطه خاص را تغییر دهید و نه ایجاد یک تقسیم‌کننده ولتاژ قابل تنظیم.

این تنظیمات معمولاً به عنوان یک مقاومت با یک پیکان از یک طرف خارج شده و به سمت میان به بازگشت نشان داده می‌شوند.

مرحله 12: چراغ‌های ال‌ای‌دی

لغت LED مخفف عبارت Light Emitting Diode است. این در واقع یک نوع ویژه از دیود است که هنگام عبور الکتریسیته از آن روشن می‌شود. مانند تمام دیودها، LED نیز قطب‌دار است و الکتریسیته فقط به یک جهت از آن عبور می‌کند.

معمولاً دو نشانگر برای نشان دادن جهت عبور الکتریسیته از یک LED وجود دارد. نشانگر اول این است که LED دارای سر پیشین بلند (آند) و سر زمین کوتاه (کاتد) است. نشانگر دیگر یک نوتچ مسطح در کنار LED است که به آند مثبت اشاره می‌کند. به یاد داشته باشید که همه LEDها این نشانگر ندارند (یا گاهی اوقات اشتباه استفاده می‌شود).

مانند تمام دیودها، LEDها در مدار یک کاهش ولتاژ ایجاد می‌کنند، اما به طور معمول مقاومت زیادی اضافه نمی‌کنند. برای جلوگیری از کوتاه شدن مدار، باید یک مقاومت به صورت سری اضافه کنید. عملکرد خوب است که از یک مقاومت استفاده کنید که ارزش آن به اندازه‌ای بزرگتر از اندازه‌گیری شده توسط ماشین حساب است.

ممکن است شما وادار به باس دو لامپ‌های LED شوید، اما به یاد داشته باشید که هر LED متوالی باعث کاهش ولتاژ می‌شود تا زمانی که نهایتاً انرژی کافی برای نگه داشتن آن‌ها باقی نمی‌ماند. بنابراین، ایده‌آل است که چندین LED را با اتصال آنها به صورت موازی روشن کنید. با این حال، باید اطمینان حاصل کنید که همه LEDها دارای رتبه توان مشابهی قبل از اینکه این کار را انجام دهید (معمولاً رنگ‌های مختلف به طور متفاوت امتیاز دهی می‌شوند).

LEDها در نمای شماتیک به عنوان نماد دیود با پرتاب برق نمایان می‌شوند تا نشان دهند که این دیود دارای نور است.

مرحله 13: سوئیچ‌ها

سوئیچ اساساً یک دستگاه مکانیکی است که در مدار قطعی ایجاد می‌کند. وقتی سوئیچ را فعال می‌کنید، مدار را باز یا بسته می‌کند. این وابسته به نوع سوئیچ است.

سوئیچ‌های Normally Open (N.O.) وقتی فعال می‌شوند، مدار را بسته می‌کنند.

سوئیچ‌های Normally Closed (N.C.) وقتی فعال می‌شوند، مدار را باز می‌کنند.

هر چه سوئیچ‌ها پیچیده‌تر شوند، می‌توانند همزمان یک اتصال را باز کنند و یک اتصال دیگر را ببندند. این نوع سوئیچ به عنوان Single-Pole Double-Throw (SPDT) شناخته می‌شود.

اگر دو سوئیچ SPDT را به یک سوئیچ واحد ترکیب کنید، آن را Double-Pole Double-Throw (DPDT) نامیده می‌شود. این دو مدار جداگانه را قطع کرده و دو مدار دیگر را هر بار که سوئیچ فعال می‌شود، باز می‌کند.

مرحله 14: باتری‌ها

باتری یک مخزن است که انرژی شیمیایی را به برق تبدیل می‌کند. به سادگی می‌توان گفت که انرژی را “ذخیره” می‌کند.

با قرار دادن باتری‌ها به صورت سری، ولتاژ هر باتری پشت سر هم افزوده می‌شود، اما جریان ثابت می‌ماند. به عنوان مثال، باتری AA ولتاژ 1.5 ولت دارد. اگر 3 عدد از آن‌ها را به صورت سری قرار دهید، ولتاژ آن‌ها به مجموع 4.5 ولت می‌رسد. اگر یک چهارمین باتری را به صورت سری اضافه کنید، ولتاژ به 6 ولت تبدیل می‌شود.

با قرار دادن باتری‌ها به صورت موازی، ولتاژ ثابت می‌ماند، اما مقدار جریان در دسترس دو برابر می‌شود. این کار به طور کمتری نسبت به قرار دادن باتری‌ها به صورت سری انجام می‌شود و معمولاً فقط زمانی لازم است که مدار نیاز به جریان بیشتری دارد که یک سری باتری نمی‌تواند آن را فراهم کند.

توصیه می‌شود که یک مجموعه از نگهدارنده‌های باتری AA در دسترس داشته باشید. به عنوان مثال، پیشنهاد می‌شود که نگهدارنده‌هایی را که برای 1، 2، 3، 4 و 8 باتری AA مناسب هستند، تهیه کنید.

در یک مدار، باتری‌ها با خطوط متناوب به طول‌های مختلف نمایش داده می‌شوند. همچنین علائم اضافی برای قدرت، زمین و رتبه ولتاژ وجود دارد.

مرحله 15: برد برد ها

 این بردها با یک شبکه از سوراخ‌ها پوشیده شده‌اند که به ردیف‌های الکتریکی پیوسته تقسیم می‌شوند.

در قسمت مرکزی دو ستون از ردیف‌های کنار هم قرار دارند. این طراحی شده است تا به شما اجازه دهد بتوانید یک مدار یکپارچه را در مرکز قرار دهید. بعد از اینکه درج شود، هر پین از مدار یکپارچه به یک ردیف از سوراخ‌های الکتریکی پیوسته متصل می‌شود.

به این ترتیب، می‌توانید به سرعت یک مدار را بسازید بدون نیاز به هیچ جوشکاری یا تاب زدن سیم‌ها. فقط اجزایی که به هم متصل شده‌اند را به یکی از ردیف‌های الکتریکی پیوسته وصل کنید.

در هر لبه‌ی برد برد، معمولاً دو خط بیس‌کهربایی پیوسته وجود دارد. یکی از آن‌ها به عنوان خط بیس قدرت و دیگری به عنوان خط بیس زمین طراحی شده است. با وارد کردن برق و زمین به ترتیب به هر یک از این‌ها، می‌توانید به راحتی از هر نقطه‌ای در برد نان به آنها دسترسی پیدا کنید.

کار بار برد برُد:

برد برد یک وسیله برای ساخت مدار است.  قطعات درون سوراخ ها قرار میگیرند. سوراخ ها با هم در ارتباط می باشند  یعنی مانند سیم به هم متصل می باشند.در شکل زیر نحوی این ارتباط ها مشخص شده است. باید دقت کرد در برد برد های بزرگ ارتباط بین مسیر های عرض بلند تا وسط برد برد است یعنی مسیر قرمز و آبی شکل زیر برای اتصال کامل نیاز به اتصال سیم بیین دو نقطه نیز دارند. در ساخت مدار باید دقت کرد به هیچ وجه سیم باطری مثبت و منفی به هم اتصال مستقیم نداشته باشند.

مثال روشن کردن یک مدار LED(چراغ کوچیک) در شکل زیر آمده است که روشن کردن LED بر روی برد برد با فشردن کلید است.

در مثال بعدی یک نقشه شماتیک از مدار وجود دارد که به نحوی ساخت آن بر روی برد برد می پردازیم:

مدار دارای یک LED، یک مقاومت 330 اهم، یک کلید فشردنی دو پایه و یک باطری 5 ولت می باشد.این نمایش از مدار شماتیک نام دارد.در واقع شماتیک ها یک زبان بین‌المللی برای طراحی مدارها هستند که افراد با زبان ها و ملت‌های مختلف را قادر می‌سازند که همگی بتوانند در مورد یک مدار مشخص همکاری کنند و یا از طراحی های یکدیگر استفاده کنند. شکل ظاهری پیاده سازی یک مدار بسته به هر شخص و خلاقیت او می‌تواند متفاوت با دیگری باشد، اما چگونگی و کم و کیف اتصالات که در شماتیک مشخص می‌شود، قطعا برای همه باید یکسان باشد. در غیر این صورت ممکن است مدار کار نکند و یا مداری با کارکرد کاملا متفاوت حاصل شود.

ابتدا سر سیم مثبت مدار به مثبت LED قرمز متصل شده است بعد طبق مدار از یک مقاومت که دو سر آن با هم تفاوتی ندارند استفاده شده است. در ادامه از یک کلید استفاده شده و سر دیگر کلید به سر سیم منفی باطری سیم کشی شده است. به این شکل مدار به صورت کامل در می آید که دو نمایش متفاوت از آن اجرا شده است.

مرحله ۱۶: سیم

برای اتصال اشیاء با استفاده از بردبورد، شما باید یک قطعه یا یک سیم استفاده کنید.

سیم‌ها بسیار مناسب هستند زیرا به شما اجازه می‌دهند بدون افزودن مقاومت به مدار، اشیاء را با هم اتصال دهید. این امکان را به شما می‌دهد که انعطاف‌پذیر باشید و بتوانید اجزای مختلف را به یکدیگر متصل کنید. همچنین به شما اجازه می‌دهد که یک قسمت را به چند قسمت دیگر متصل کنید.

توصیه می‌شود که برای بردبوردها از سیم هادی ۲۲AWG با عایق استفاده کنید. این سیم‌ها را معمولاً در فروشگاه‌های مخصوص قطعات الکترونیکی می‌توان یافت. سیم قرمز معمولاً برای اتصالات نیرو استفاده می‌شود و سیم سیاه نشان دهنده اتصال به زمین می‌باشد.

برای استفاده از سیم در مدار خود، به سادگی یک قطعه از آن را به اندازه مورد نیاز ببرید، یک چهارم از عایق آن را از هر دو سر بردارید و آن را برای اتصال نقاط با هم بر روی بردبورد استفاده کنید.

مرحله ۱۷: اولین مدار شما

لیست قطعات:
– مقاومت ۱K اهم، ۱/۴ وات
– LED قرمز ۵ میلیمتری
– کلید تاگل SPST
– اتصال دهنده باتری ۹ ولت

اگر به نقشه مدار نگاه کنید، خواهید دید که مقاومت ۱K، LED و کلید همگی به صورت سری با اتصال باتری ۹ ولت متصل شده‌اند. وقتی مدار را ساخته‌اید، با استفاده از کلید می‌توانید LED را روشن و خاموش کنید.

می‌توانید کد رنگی مقاومت ۱K را با استفاده از ماشین حساب مقاومت گرافیکی جستجو کنید. همچنین به خاطر داشته باشید که LED باید به درستی وصل شود (راهنما – پایه بلند به سوی مثبت مدار می‌رود).

من باید یک سیم هادی را به هر دو پای کلید جوش دادم. اگر این کار برای شما خیلی سخت است، می‌توانید به سادگی کلید را از مدار حذف کنید.

اگر تصمیم به استفاده از کلید گرفتید، آن را باز و بسته کنید تا ببینید چه اتفاقی می‌افتد وقتی مدار را قطع و وصل می‌کنید.

مرحله ۱۸: دومین مدار شما

لیست قطعات:
– ترانزیستور PNP 2N3904
– ترانزیستور NPN 2N3906
– مقاومت ۴۷ اهم، ۱/۴ وات
– مقاومت ۱K اهم، ۱/۴ وات
– مقاومت ۴۷۰K اهم، ۱/۴ وات
– کاندنساتور الکترولیتیک ۱۰uF
– کاندنساتور دیسک سرامیکی ۰.۰۱uF
– LED قرمز ۵ میلیمتری
– نگهدارنده باتری ۳V AA

اختیاری:
– مقاومت ۱۰K اهم، ۱/۴ وات
– پتانسیومتر ۱M

نقشه مدار بعدی ممکن است نگاه اول چندان ساده به نظر نیاید، اما در واقع بسیار مستقیم است. این مدار از همه قطعاتی که به تازگی گذرانده‌ایم استفاده می‌کند تا LED به طور خودکار چشمک بزند.

هر گونه ترانزیستور NPN یا PNP عمومی برای این مدار مناسب است، اما اگر می‌خواهید در خانه ادامه دهید، من از ترانزیستورهای 2N3904 (NPN) و 2N3906 (PNP) استفاده می‌کنم. آن‌ها را با مشاهده دیتاشیت‌هایشان یاد گرفتم. یک منبع خوب برای یافتن سریع دیتاشیت‌ها، Octopart.com است. به راحتی می‌توانید با جستجوی شماره قطعه، تصویر و لینک دیتاشیت را پیدا کنید.

به عنوان مثال، از دیتاشیت ترانزیستور 2N3904، من به سرعت متوجه شدم که پین ۱ امیتر، پین ۲ بیس و پین ۳ کلکتور است.

علاوه بر ترانزیستورها، تمام مقاومت‌ها، کاندنساتورها و LED باید به طور ساده به هم متصل شوند. با این حال، یک نکته مهم در نقشه مدار وجود دارد. توجه کنید به نیم‌دایره‌ای که نزدیک ترانزیستور وجود دارد. این نیم دایره نشان می‌دهد که کاندنساتور از روی اثر از باتری پرش می‌کند و به پایه ترانزیستور PNP وصل می‌شود.

همچنین، هنگام ساختن مدار، فراموش نکنید که کاندنساتورهای الکترولیتیک و LED قطبی هستند و فقط در یک جهت کار می‌کنند.

پس از اتمام ساخت مدار و وصل کردن برق، LED باید چشمک بزند. اگر چشمک نزند، به دقت تمام اتصالات و جهت‌گیری قطعات را بررسی کنید.

یک ترفند برای اشکال‌زدایی سریع مدار، شمردن قطعات در نقشه مدار نسبت به قطعات بر روی بردبورد است. اگر مطابقت نداشته باشند، چیزی را از دست داده‌اید. همچنین می‌توانید همین ترفند شمارش را برای تعداد اتصالات به یک نقطه خاص در مدار استفاده کنید.

وقتی که مدار کار می‌کند، امتحان کنید مقدار مقاومت ۴۷۰K را تغییر دهید. توجه کنید که با افزایش ارزش این مقاومت، LED کم‌تر چشمک می‌زند و با کاهش آن، LED سریع‌تر چشمک می‌زند.

دلیل این امر این است که مقاومت کنترل می‌کننده نرخ شارژ و تخلیه کاندنساتور ۱۰uF است. این به طور مستقیم با چشمک زدن LED مرتبط است.

می‌توانید این مقاومت را با یک پتانسیومتر ۱M که به صورت سری با یک مقاومت ۱۰K قرار دارد جایگزین کنید. سیم‌کشی را به گونه‌ای انجام دهید که یک سوی مقاومت به یک پین خارجی پتانسیومتر و دیگر سو به پایه بیس ترانزیستور PNP وصل شود. پین مرکزی پتانسیومتر به زمین وصل شود. حالا با چرخاندن دسته پتانسیومتر، نرخ چشمک‌زدن تغییر می‌کند.

مرحله ۱۹: سومین مدار شما

لیست قطعات:
– تراشه تایمر 555
– مقاومت ۱K اهم، ۱/۴ وات
– مقاومت ۱۰K اهم، ۱/۴ وات
– مقاومت ۱M اهم، ۱/۴ وات
– کاندنساتور الکترولیتیک ۱۰uF
– کاندنساتور دیسک سرامیکی ۰.۰۱uF
– اسپیکر کوچک
– اتصال دهنده باتری ۹ ولت

این مدار آخر از یک تایمر 555 استفاده می‌کند تا با استفاده از اسپیکر صدا تولید کند.

آنچه که در اینجا اتفاق می‌افتد این است که تنظیمات قطعات و اتصالات روی تراشه 555 باعث می‌شود که پین ۳ به سرعت بین ولتاژ بالا و پایین نوسان کند. اگر شما این نوسانات را نمودار کنید، شبیه موج مربع خواهد بود (یک موج که بین دو سطح تغذیه مختلف سوئیچ می‌شود). این موج سپس اسپیکر را به سرعت ضربه می‌زند که باعث انتقال هوا به آن سرعت بالا می‌شود و ما این را به عنوان یک صدای ثابت از آن فرکانس می‌شنویم.

اطمینان حاصل کنید که تراشه 555 وسط بردبورد قرار دارد، به طوری که هیچ یک از پین‌ها به طور اتفاقی به هم متصل نشود. علاوه بر این، به سادگی اتصالات را طبق نمودار مدار انجام دهید.

همچنین نماد “NC” را در نقشه مدار توجه کنید. این برای “No Connect” استفاده می‌شود، که به طور واضح به این معناست که هیچ چیز به آن پین در این مدار وصل نمی‌شود.

در مورد اسپیکر، از یک اسپیکر کوچک مانند آنچه که ممکن است در داخل یک کارت پیام موسیقیایی پیدا کنید، استفاده کنید. این تنظیمات نمی‌توانند اسپیکر بزرگ را راه‌اندازی کنند، هر چه اسپیکر کوچک‌تری پیدا کنید، بهتر خواهید بود. بیشتر اسپیکرها قطبی هستند، بنابراین اطمینان حاصل کنید که طرف منفی اسپیکر به زمین متصل شود (اگر احتیاج داشته باشد).

اگر می‌خواهید یک گام دیگر بردارید، می‌توانید یک دسته صدا با استفاده از یک پتانسیومتر ۱۰۰K ایجاد کنید. برای این کار، یک سوی مقاومت را به پین ۳، پین مرکزی را به اسپیکر و سوی خارجی باقیمانده را به زمین متصل کنید.

مرحله 20: شما در یک سفر تنها هستید

خوب… شما دقیقاً تنها نیستید. اینترنت پر از افرادی است که می‌دانند چگونه این کارها را انجام دهند و کارهای خود را به گونه‌ای مستند کرده‌اند که شما نیز می‌توانید یاد بگیرید. پس بروید و آنچه را که می‌خواهید انجام دهید، جستجو کنید. اگر مداری که می‌خواهید هنوز وجود ندارد، احتمالاً مستنداتی از چیز مشابه آنلاین وجود دارد.

یکی از بهترین منابع برای شروع پیدا کردن نمودارهای مداری، سایت Discover Circuits است. آن‌ها فهرست جامعی از مدارهای جذاب برای آزمایش دارند.

اگر شما نکات اضافی در مورد الکترونیک پایه برای مبتدیان دارید، لطفاً آن را در نظرات زیر به اشتراک بگذارید.

امیدواریم با تهیه این دوره آموزشی مفاهیم اولیه الکترونیک را به صورت ساده یاد بگیرید تا در آینده نزدیک بتوانید مدار های الکترونیکی را خودتان طراحی و استفاده نمایید.