هر آنچه که باید در مورد مدارهای الکتریکی بدانید

مدارهای الکتریکی در همه جا وجود دارند و تقریباً برای هر جنبه ای از زندگی ما ضروری هستند. این مدارها همچنین بسیار مهم هستند، زیرا می توان از آنها برای برق رسانی به هر چیزی که فکرش را می کنیم، از لامپ تا یخچال استفاده کرد.

حتی اگر این اصول دانش عمومی هستند، مهم است که بفهمیم چرا و چگونه این مدارها کار می کنند. این راهنما مروری بر انواع مختلف مدارهای الکتریکی و کاربرد آنها ارائه می دهد.

مدار الکتریکی را چه تعریف کنیم؟

مدار الکتریکی مسیری از بارهای الکتریکی است که از طریق یک وسیله الکتریکی منتقل می شود. از این مدارها می توان برای انتقال انرژی از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده کرد و از این انرژی می توان برای اهداف مختلف استفاده کرد.

این شامل برق رسانی به دستگاه های الکترونیکی مانند تلویزیون یا تلفن، روشن کردن موتور، روشن کردن لامپ یا شارژ باتری است. حتی در برخی موارد از مدارهای الکتریکی برای ایجاد جرقه هایی استفاده می شود که باعث احتراق شمع در موتور خودرو می شود.

انواع مدارهای الکتریکی

مدارهای الکتریکی به انواع مختلفی تقسیم می شوند و در دسته های مختلفی طبقه بندی می شوند. ما قصد داریم به بررسی هر یک از این مدارها و ویژگی های کلیدی آنها بپردازیم.

۱.مدار سری

در این نوع مدار الکتریکی، بارها و سایر اجزای الکتریکی به صورت سری به هم متصل می شوند. این به سادگی به این معنی است که بارها در یک خط متصل می شوند.

تنها یک مسیر وجود دارد که جریان الکتریکی در مدار از آن عبور می کند.

هیچ شاخه دیگری به مدار یا منبع تغذیه متصل نیست.

در مدار سری، مقاومت بارها با تعداد بارهای سری نسبت معکوس دارد.

جریان عبوری از مدار با ولتاژ اعمال شده به آن نسبت مستقیم دارد.

مدارهای سری یکی از رایج ترین انواع مدارهای الکتریکی در نظر گرفته می شوند.

به عنوان مثال، در یک مدار لامپ ساده، دو لامپ به صورت سری به هم متصل هستند. مقاومت هر لامپ به طور مستقیم با تعداد لامپ های متصل به صورت سری متناسب است. از آنجایی که ۲ لامپ وجود دارد، مقاومت آنها دو برابر یک لامپ است و مصرف فعلی آنها نیز همینطور است.

۲.مدار موازی

در این نوع مدار الکتریکی، بارها و سایر اجزای الکتریکی به صورت موازی به هم متصل می شوند.

در این حالت بیش از یک مسیر وجود دارد که جریان الکتریکی در مدار از طریق آنها جریان می یابد.

ممکن است بیش از دو انشعاب از منابع مختلف (مانند باتری‌های مختلف یا سلول‌های خورشیدی) وجود داشته باشد که چندین شاخه را برای جریان از طریق یک مدار موازی تشکیل می‌دهند. با این حال، هر شاخه فقط یک مسیر دارد که جریان الکتریکی از آن عبور می کند.

جریان عبوری از مدار با ولتاژ اعمال شده به آن نسبت مستقیم دارد.

در یک مدار موازی، بیش از یک مسیر وجود دارد که جریان الکتریکی در مدار از آن عبور می کند.

نظریه مدار از قانون ولتاژ کیرشهوف، قانون اهم و قانون آمپر در ترکیب با معادلات ماکسول برای توضیح مدارهای الکتریکی استفاده می کند:

ولتاژ دو طرف مقاومت متناسب با جریان عبوری از آن است و بنابراین برابر است با جریان ضرب در مقاومت. ولتاژ دو طرف مقاومت یکسان خواهد بود، چه آن جریان از باتری، لامپ، موتور راه اندازی یا هر منبع دیگری باشد. این را می توان با ایجاد یک سری اتصالات مقاومت و اتصال موازی آنها مشاهده کرد:

از آنجایی که دو مسیر برای جریان در این مدار وجود دارد، در هر مقاومت دو ولتاژ وجود دارد. مقدار این ولتاژها توسط منبع ولتاژ (در این مورد باتری) و مقاومت هر مقاومت تعیین می شود.

۳.سری-مدار موازی

از نام، این یکی ترکیبی از مدارهای سری و موازی است. این بدان معناست که برخی از عناصر مدار به صورت سری و برخی دیگر به صورت موازی متصل می شوند. ترکیب این دو شکل از اتصالات چیزی است که مدار را به یک مدار یکپارچه تبدیل می کند.

در این حالت، ولتاژ در سراسر مدار یکسان است زیرا هیچ مقاومتی در انتهای مدار وجود ندارد. در نتیجه هیچ افت ولتاژی در این نوع مدار وجود ندارد.

۴.مدار ستاره مثلث

در اینجا، عناصر به شیوه ای نامشخص به هم متصل می شوند – آنها به صورت سری، موازی یا سری-موازی نیستند. این به این دلیل است که عناصر در یک پیکربندی ستاره به هم متصل هستند. در این حالت، ولتاژ در سراسر مدار یکسان است زیرا هیچ مقاومتی در انتهای مدار وجود ندارد. این نوع مدار معمولا در تقویت کننده ها و رادیو استفاده می شود.

۵.مدار مقاومتی خالص

در این حالت جریانی از مقاومت عبور نمی کند. این بدان معنی است که جریان از عناصر مدار عبور نمی کند. در این حالت هیچ افت ولتاژی در هیچ عنصری در مدار رخ نمی دهد. این نوع مدار معمولا در یکسو کننده ها و برای اندازه گیری ولتاژهای فرکانس بالا مانند سیگنال های رادیویی استفاده می شود.

۶.مدار خازنی خالص

این یک نوع مدار است که حاوی یک خازن خالص با ظرفیت مشخص است. ظرفیت خازن به عنوان توانایی یک خازن برای ذخیره بار تعریف می شود و معمولاً به مساحت خازن بستگی دارد. برای جداسازی صفحات رسانا از مواد دی الکتریک استفاده می شود.

در این نوع مدار منبع ولتاژ شارژ و دشارژ خازن ها را تسهیل می کند.

۷.مقاومتی، القایی (مدار RL)

این مدار از یک مقاومت و یک سلف تشکیل شده است. هنگامی که یک ولتاژ به مدار اعمال می شود، جریان از مقاومت عبور می کند و نمی تواند از طریق سلف عبور کند.

در نتیجه جریانی از سلف عبور نمی کند. برای ساخت این مدار باید از سیم پیچی (سلف) با مقطع دایره ای یا مستطیلی استفاده کنیم که به دور یک هسته فلزی غیر مغناطیسی (مقاومت) پیچیده می شود. هدف این مدار ذخیره انرژی به منظور تولید نیروی الکتریکی است.

۸.مقاومتی، خازنی (مدار RC)

این نوع مدار شبیه مدار RL است. در این مدار به جای سلف از خازن استفاده می شود. تنها تفاوت این است که در مدار RC جریان از مقاومت عبور می کند در حالی که در مدار RL جریان از طریق سلف می گذرد.

۹.القایی، خازنی (مدار IC)

در این نوع مدار یک سلف به صورت سری با یک خازن (خازن) متصل می شود. ولتاژ دو طرف خازن باعث عبور جریان از خازن می شود. این جریان خازن را شارژ و تخلیه می کند. بنابراین این دستگاه می تواند از بارهای ذخیره شده به وسیله القایی انرژی تولید کند.

۱۰.مقاومتی، القایی، خازنی (مدار RLC)

در این مدار از سه جزء استفاده شده است. مقاومت را سلف سری و خازن را سلف شنت می نامند. هر دوی این اجزا به صورت سری به یکدیگر متصل شده و یک مدار RLC را تشکیل می دهند.

خازن از طریق مقاومت تخلیه می شود در حالی که جریانی که از سلف عبور می کند یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که باعث می شود جریان از آن عبور کند. این جریان خازن را به صورت چرخه ای شارژ و تخلیه می کند، یعنی بین حالت های شارژ و دشارژ نوسان می کند. این باعث می شود مدارهای RLC برای کاربردهایی مانند منبع تغذیه فرکانس رادیویی، نوسان ساز، مدولاتور و غیره بسیار مفید باشند.

۱۱.مدارهای خطی و غیر خطی

مدار خطی نوعی مدار الکتریکی است که با عرضه ثابت پارامترها مشخص می شود. اینها می توانند خازن، اندوکتانس، مقاومت و فرکانس مقاوم ثابت در میان سایر موارد باشند. به عبارت دیگر، این پارامترها بدون توجه به ولتاژ تغذیه تغییر نمی کنند.

مدارهای غیر خطی مدارهایی هستند که با تغییر ولتاژ تغذیه، پارامترهای خود را تغییر می دهند.

۱۲. مدارهای یک طرفه و دو طرفه

مدار یک طرفه نوعی مدار است که در آن لحظه ای که جهت جریان یا ولتاژ تغییر می کند، عملکرد کلی مدار تغییر می کند. در غیر این صورت، مدار همانطور که تعیین شده به کار خود ادامه می دهد.

به عبارت دیگر، یک مدار یک طرفه اجازه می دهد تا جریان فقط در یک جهت جریان یابد.

دو طرفه یعنی جهات مختلف. در این مدار جریان در هر جهتی جریان دارد و عملکرد مدار تحت تأثیر قرار نمی گیرد.

اصطلاحات رایج مرتبط با انواع مدارها

اصطلاحات مختلفی وجود دارد که اغلب با انواع مختلف مدارها استفاده می شود یا در ارتباط است. بیایید به برخی از آنها نگاه کنیم؛

مدارهای باز و بسته

مدار باز به سادگی به این معنی است که مدار کامل نیست، یا مسیر برگشتی برای جریان وجود ندارد. یک مدار معمولاً زمانی باز است که هادی یا سیم آسیب دیده باشد، بنابراین نمی تواند حلقه را برای جریان کامل کند.

مدار بسته مداری است که کامل است، یا تمام مسیرهای جریان آزمایش شده و عملکردی دارند.

مدار کوتاه

اتصال کوتاه مداری است که دارای یک کانال برگشتی برای عبور جریان است. در این مدار، ولتاژ به بی نهایت میل می کند در حالی که جریان به صفر می رسد. اتصال کوتاه زمانی اتفاق می‌افتد که دو خط رسانا به طور تصادفی به هم متصل می‌شوند که منجر به حداکثر جریان می‌شود. این دلیل اصلی این است که اتصال کوتاه همیشه خطرناک تلقی می شود.

مدار فعال و غیرفعال

چه زمانی می گوییم مدار فعال است و چه زمانی می گوییم غیرفعال است؟

مدار فعال مداری است که حاوی نیروهای محرکه الکتریکی (EMF) است. از سوی دیگر، مدار غیرفعال مداری است که نیروی محرکه الکتریکی (EMF) ندارد.

قطعات و اجزای یک مدار الکتریکی

صرف نظر از انواع مدار، اجازه دهید به قطعات و اجزای تشکیل دهنده یک مدار الکتریکی معمولی نگاه کنیم.

_ گره: گره یک نقطه رسانای الکتریکی در مدار است.

_ بار: بار وسیله ای است که به عنوان بخشی از مدار استفاده می شود.

_ منبع: منبع جریان الکتریکی باتری است. اگر باتری وجود نداشته باشد، دیگر اجزای مدار منبع جریان هستند.

_ ولتاژ: ولتاژ فشار الکتریکی است که الکترون ها را در مدار الکتریکی هل می دهد. ولتاژ در مدار الکتریکی را می توان بر حسب ولت (V) یا میلی ولت (mV) اندازه گیری کرد.

_ جریان: جریان یا جریان الکترون ها را می توان بر حسب آمپر (A) یا میلی آمپر (mA) اندازه گیری کرد. واحد اندازه گیری جریان آمپر ساعت (Ah) است که به اختصار “amp-hr” خوانده می شود. واحد اندازه گیری جریان انرژی الکتریکی وات ساعت (Wh) است که به اختصار “watt-hr” خوانده می شود. به عنوان مثال، یک آمپر در ساعت برابر با یک وات ساعت و ده آمپر در ساعت برابر با یک وات است.

_ گره: گره یک نقطه رسانای الکتریکی در مدار است که در آن دو عنصر به هم متصل یا به هم می رسند. به عنوان مثال، می تواند نقطه ای باشد که در آن مقاومت و سلف به هم می پیوندند.

_ شاخه: بخش یا قسمتی از مدار الکتریکی است که در آن مدار a بین دو اتصال رخ می دهد. یک شاخه می تواند یک یا چند نقطه پایانی داشته باشد.

_ حلقه: حلقه بخشی از مدار است که شامل چندین مش است. معمولا مدار دارای یک حلقه است، اما می تواند چندین حلقه نیز داشته باشد.

_ مش: مش یک مدار الکتریکی کوچکترین واحد اطلاعات الکترونیکی است که الکترونها در آن جریان دارند. یک مش می تواند یک نقطه، یک حلقه یا یک شاخه کامل باشد.

_ جهت: جهت جریان از مدار الکتریکی از منفی به مثبت یا بالعکس است. جریان الکتریکی فقط در یک جهت جریان دارد و نمی تواند همزمان در هر دو جهت جریان یابد.

از چه نوع مدار الکتریکی استفاده کنم؟

اکنون که انواع مختلف مدارهای الکتریکی را می شناسید، در مرحله بعد چیست؟ می توانید ادامه دهید و هر نوع مداری که فکر می کنید در برنامه شما مناسب است را پیاده سازی کنید.

ابتدا الزامات برنامه خود را تجزیه و تحلیل کنید. مرحله بعدی شناسایی نوع جریان در برنامه شما است.

اکنون که نوع جریان را در برنامه خود شناسایی کرده اید، می توانید مداری را طراحی کنید که الزامات را برآورده کند. برای انجام این کار، تجزیه و تحلیل و طراحی مدار خود را انجام دهید.

گام بعدی این است که یک نمودار مدار را از تحلیل و طراحی خود بسازید. این باید از همان قالب نمودار شماتیک الکتریکی سنتی پیروی کند، اما برخی عناصر منحصر به فرد به ترکیب اضافه شده است (مانند میکروکنترلرها).

مرحله نهایی ساخت یک نمونه اولیه فیزیکی بر اساس نمودار شماتیک ایجاد شده توسط خود یا شخص دیگری است.

نمونه اولیه باید قبل از استفاده در حالت تولید آزمایش شود. برای این کار، می‌توانید ابتدا آن را روی کاغذ آزمایش کنید، سپس آن را روی اجزای واقعی بسازید و دوباره آن را آزمایش کنید.