Mechatronics فصل سوم mech@jamilnia.ir www.jamilnia.ir/mech آشنایی با اجزای الکتریکی و الکترونیکی

مقدمه ـ همه سامانه‎های مکاترونیکی، شامل اجزا و مدارات الکتریکی و الکترونیکی هستند. ـ تفاوت میان یک سامانه الکتریکی و یک سامانه الکترونیکی، در بحث تصمیم‎سازی است. ـ در سامانه الکتریکی، تصمیم‎سازی در خارج از سامانه صورت می‎پذیرد. برای مثال، ما کلید چراغ یک اتاق را می‎فشاریم و چراغ روشن می‎شود. ما به عنوان یک عامل خارج از سامانه، تصمیم به روشن کردن چراغ می‎گیریم. ـ در سامانه الکترونیکی، تصمیم‎سازی در داخل سامانه صورت می‎پذیرد. برای مثال، یک حسگر حرکتی با ورود ما به اتاق، باعث روشن‎شدن چراغ می‎شود. حسگر حرکتی به عنوان یک عامل داخل سامانه، تصمیم به روشن کردن چراغ می‎گیرد. ـ بنابراین، سامانه الکترونیکی برخلاف سامانه الکتریکی، قابلیت تصمیم‎سازی دارد.

مقدمه ـ وقتی الکترون‎ها حرکت می‎کنند، یک جریان الکتریکی ایجاد می‎کنند که به موجب آن، کارهای مفیدی با الکترون‎های جاری انجام می‎شود. ـ دلیل حرکت الکترون‎ها این است که میدانی الکتریکی روی آنها کار انجام داده و انرژی آزاد می‎کند. مقیاسی از پتانسیل میدان الکتریکی، ولتاژ (اختلاف پتانسیل) نامیده می‎شود که شبیه انرژی پتانسیل در میدان گرانشی است. ـ ولتاژ به عنوان متغیری بین دو نقطه در میدان درنظر گرفته می‎شود. یعنی به پتانسیل این دو نقطه بستگی دارد و به مسیر بین آنها بستگی ندارد. ـ برآیند حرکت الکترون‎ها جریان است و به عنوان متغیری که درطول میدان تغییر می‎کند، درنظر گرفته می‎شود. یعنی به مسیر بستگی دارد.

مقدمه ـ جریان به صورت نرخ زمانی شارش بار تعریف می‎شود: ـ بار توسط الکترون‎های با بار منفی ایجاد می‎گردد. ـ وقتی‎که ولتاژ و جریان در یک مدار ثابت و مستقل از زمان باشند، جریان مدار، مستقیم (DC) است. وقتی‎که ولتاژ و جریان متغیر با زمان باشند، جریان مدار، متناوب (AC) است. ـ منبع ولتاژ که انرژی مدار را ایجاد می‎کند، می‎تواند یک منبع تغذیه، باتری یا یک ژنراتور باشد. طرف مثبت منبع، جایی که الکترون‎ها جذب می‎گردند، آند نامیده می‎شود و طرف منفی منبع، جایی که الکترون‎ها آزاد می‎گردند، کاتد نامیده می‎شود. ـ مدار الکتریکی، حلقه بسته‎ای شامل چندین رسانا است که اجزای الکتریکی را به هم متصل می‎کند.

اجزای فعال و غیرفعال ـ به طور کلی، اجزای الکتریکی و الکترونیکی به دو دسته تقسیم می‎شوند: الف) اجزای غیرفعال: اجزایی هستند که وابسته به منابع انرژی نبوده و نمی‎توانند توانی به مدار تزریق کنند. نظیر مقاومت (resistor)، خازن (capacitor) و القاگر (inductor) ب) اجزای فعال: اجزایی هستند که وابسته به منابع انرژی بوده و می‎توانند توانی به مدار تزریق کنند. نظیر دیود (diode)، ترانزیستور (transistor) و مدارات مجتمع (IC) ـ در مدارات الکتریکی، دو نوع منبع انرژی وجود دارد: الف) منبع ولتاژ (V) ب) منبع جریان (I) نمایش شماتیک اجزای غیرفعال و منابع انرژی

مقاومت ـ مقاومت یک عنصر تلف‎کننده توان است‎که انرژی الکتریکی را به حرارت تبدیل می‎کند. ـ رابطه میان ولتاژ و جریان یک مقاومت توسط قانون اهم بیان می‎شود: ـ مقاومت، یکی از خواص ماده می‎باشدکه مقدار آن برابر با شیب منحنی ولتاژ جریان است: ـ برای یک مقاومت ایده‎آل، رابطه میان ولتاژ و جریان، خطی بوده و مقاومت، ثابت است. ـ برای یک مقاومت واقعی، این رابطه به دلیل اثرات دمایی، غیرخطی می‎باشد و با افزایش دما، مقاومت افزایش می‎یابد. مقاومت واقعی دارای اتلاف توان محدودی می‎باشد.

مقاومت ـ اگر جنس مقاومت از مواد همگن و سطح مقطع آن در طول، ثابت باشد، آنگاه مقدار مقاومت از رابطه زیر بدست می‎آید: ـ در رابطه فوق، ρ ضریب مقاومت یا مقاومت ویژه جنس سیم است. مقاومت ویژه برای رساناهای معمولی در جدول زیر ارائه شده است:

مقاومت ـ مقاومت‎های واقعی که در بستن مدارها به کار می‎روند، بسته‎بندی‎های مختلفی دارند: تک ردیفه ـ دو ردیفه ـ نصب سطحی ـ دو سر سیمی ـ مقدار یک مقاومت دوسر سیمی و درصد خطای آن معمولاً با چهار نوار رنگی کدگذاری می‎شود که برای هر رنگ، عددی تعریف شده است:

مقاومت

مقاومت ـ مقاومت‎های کربنی و لایه فلزی با توان 1/4 وات و خطای 5% متداول‎ترین مقاومت‎های دو سر سیمی هستند که در مدارات الکتریکی معمولی استفاده می‎شوند: ـ مقاومت‎هایی نیز تحت عنوان مقاومت‎های متغیر وجود دارند که محدوده مقاومت آنها توسط پیچ، لغزنده خطی یا کلید چرخان کنترل می‎شود:

خازن ـ خازن عنصری است که انرژی را به شکل میدان الکتریکی در خود ذخیره می‎کند. این میدان در نتیجه تفکیک بار الکتریکی ایجاد می‎شود. ـ ساده‎ترین شکل خازن شامل یک جفت صفحه رسانای فلزی است که توسط یک ماده دی‎الکتریک از هم جدا شده‎اند. ـ رابطه میان ولتاژ و جریان یک خازن به صورت زیر بیان می‎شود: ـ ماده دی‎الکتریک عایقی است که در نتیجه دوقطبی‎های دائم یا القایی در جسم، ظرفیت خازن را افزایش می‎دهد. ـ در خازن، بارها از طریق مدار رسانا از یک طرف به طرف دیگر جابجا می‎شوند و میدان الکتریکی را ایجاد می‎کنند.

خازن ـ ظرفیت خازن (C) به جنس دی‎الکتریک و فاصله و هندسه صفحات بستگی دارد. ـ ظرفیت خازن‎هایی که به صورت متداول در مدارات الکتریکی معمولی استفاده می‎شوند، از 1 pF تا 1000 μF متغیر است. ـ انواع خازن‎ها عبارتند از: الکترولیتی ـ تانتالیوم ـ سرامیکی ـ پلی‎استر ـ خازن‎های الکترولیتی دوقطبی شده‎اند. بدین معنی که قطب‎های مثبت و منفی دارند. ـ ظرفیت خازن‎ها اغلب بر روی آنها درج می‎شود و معمولاً برحسب μF و pF است.

القاگر (سلف) ـ القاگر عنصری است که انرژی را به شکل میدان مغناطیسی در خود ذخیره می‎کند. ـ ساده‎ترین شکل القاگر، سیم‎پیچی است‎که تمایل به حفظ میدان مغناطیسی ایجادشده دارد. ـ رابطه میان ولتاژ و جریان یک القاگر به صورت زیر بیان می‎شود: ـ مقاومت القایی (L) یک سیم‎پیچ، ثابت بوده و به مشخصات هندسی سیم‎پیچ بستگی دارد. ـ افزایش یا کاهش جریان عبوری از یک القاگر زمان‎گیر است. به همین خاطر، اجزایی نظیر موتورهای الکتریکی و رله‎ها را که مقاومت القایی بالایی دارند نمی‎توان به سرعت روشن و خاموش کرد. ـ مقاومت القایی القاگرها اغلب بر روی آنها درج می‎شود و معمولاً برحسب mH و μH است. البته برخی تولیدکنندگان، روال کدگذاری خاص خود را دارند.

القاگر (سلف) ـ انواع القاگر‎ها عبارتند از: هسته هوایی ـ هسته آهنی ـ هسته فریتی ـ طردل تشابه سامانه‎های الکتریکی و مکانیکی: مقاومت میراگر اتلاف انرژی خازن فنر ذخیره انرژی القاگر جرم لَختی (اینرسی)

مواد نیمه رسانا ـ فلزات تعداد زیادی الکترون‎های مرزی ضعیف در نوار رسانش خود دارند. هنگامی که میدان الکتریکی به فلزی اعمال می‎شود، الکترون‎ها آزادانه شروع به جابجایی کرده و جریانی درون فلز تولید می‎کنند. ـ به دلیل سهولت شارش جریان‎های بزرگ در درون فلزات، آنها را رسانا می‎نامند. ـ در مقابل، اتم‎های دیگر مواد، دارای الکترون‎های ظرفیتی هستند که به شدت مقید بوده و در مواجهه با میدان الکتریکی، به آسانی حرکت نمی‎کنند. این مواد، عایق نامیده می‎شوند. ـ علاوه بر مواد رسانا و نارسانا، دسته دیگری از مواد وجود دارند که نه رسانای کامل و نه نارسانای کامل هستند. این مواد از عناصر گروه IV جدول تناوبی تشکیل شده و نیمه رسانا نامیده می‎شوند. ژرمانیوم (Ge) و سیلیکون (Si) پرکاربردترین مواد نیمه رسانا هستند.

مواد نیمه رسانا Germanium Silicon (Silicium) ـ جریان عبوری از نیمه رساناها به دمای آنها و مقدار نور تابیده شده به آنها بستگی دارد. ـ زمانی که ولتاژی به دو سر یک نیمه رسانا اعمال می‎شود، بعضی از الکترون‎های ظرفیتی به آسانی به نوار رسانش می‎جهند و سپس درون میدان الکتریکی، شروع به حرکت و تولید جریان می‎کنند. البته این جریان، کمتر از جریان تولیدی در یک رسانا است.

مواد نیمه رسانا

مواد نیمه رسانا ـ در یک بلور نیمه رسانا، یک الکترون ظرفیت می‎تواند به نوار رسانش جهش کند که به عدم وجود آن در نوار ظرفیت، حفره می‎گویند. یک الکترون ظرفیت از اتمی مجاور می‎تواند با جاگذاشتن حفره‎ای در مکان فعلی خود، به حفره موجود در این مکان منتقل شود. با تکرار این زنجیره، جابجایی الکترون‎ها و حفره‎ها صورت می‎پذیرد. ـ ویژگی بلورهای نیمه‎رسانای خالص را می‎توان با واردکردن مقادیر کوچکی از عناصر گروه‎های III و V جدول تناوبی به داخل شبکه بلوری به میزان زیادی تغییر داد. این عناصر را که ناخالصی می‎گویند، می‎توان درون نیمه رساناها پخش کرد و به ویژگی‎های جالبی از نیمه رساناها دست یافت. گروه III: بور (B) ـ گالیوم (Ga) گروه V: آرسنیک (As) ـ فسفر (P)

مواد نیمه رسانا ـ اگر عناصر گروه پنجم به شبکه بلور سیلیکون اضافه شوند، یکی از پنج الکترون ظرفیت هر اتم ناخالصی، آزاد باقی می‎ماند تا به اطراف حرکت کند. در این حالت، ناخالصی را یک عنصر دهنده می‎گویند، زیرا رسانایی نیمه رسانا را افزایش می‎دهد. ـ به سبب این که حاملان بار در شبکه بلور، الکترون‎های آزاد هستند، نیمه رسانای حاصل را نوع n می‎نامند. ـ اگر عناصر گروه سوم به شبکه بلور سیلیکون اضافه شوند، به دلیل وجود تنها سه الکترون ظرفیت در ناخالصی، حفره‎ها شکل می‎گیرند. یک حفره می‎تواند از یک اتم به اتم دیگر جهش کرده و به طور مؤثر جریانی مثبت ایجاد کند. ـ به سبب وجود حفره‎ها که حاملان بار مثبت هستند، نیمه رسانای حاصل را نوع p می‎نامند.

دیود پیوندی ـ اگر منطقه نوع p در مجاورت منطقه نوع n ایجاد شود، یک پیوندگاه pn به وجود می‎آید. ـ در پیوندگاه pn، الکترون‎ها می‎توانند با ایجاد ناحیه‎ای به نام ناحیه تهی، از سیلیکون نوع n به سیلیکون نوع p رفته تا حفره‎ها را تصرف کنند. ـ در دو سر این ناحیه تهی، به سبب پراکنده‎شدن الکترون‎ها، میدان الکتریکی کوچکی شکل می‎گیرد و اختلاف ولتاژی نتیجه می‎شود که به آن پتانسیل اتصال می‎گویند.

دیود پیوندی ـ اگر منبع ولتاژی به پیوندگاه pn متصل گردد، در حالی که آند به نوع p و کاتد به نوع n وصل باشد، می‎گویند که دیود به طور مستقیم تغذیه شده است. ولتاژ اعمالی به پتانسیل اتصال غلبه می‎کند و ناحیه تهی را عقب رانده و از بین می‎برد. تحث تأثیر این ولتاژ، آند منبع حفره‎ها و کاتد منبع الکترون‎ها می‎شود و حفره‎ها و الکترون‎ها پیوسته جابجا می‎گردند.

دیود پیوندی ـ اگر منبع ولتاژی به پیوندگاه pn متصل گردد، در حالی که آند به نوع n و کاتد به نوع p وصل باشد، می‎گویند که دیود به طور معکوس تغذیه شده است. در این حالت، ناحیه تهی بزرگ‎تر می‎شود و از جابجایی الکترون‎ها و در نتیجه، ایجاد جریان جلوگیری می‎کند. ـ البته در این حالت نیز جریانی (در حدود 15-10 تا 9-10 آمپر) عبور می‎کند که ناچیز است.

دیود پیوندی ـ پیوندگاه pn جریان را تنها در یک جهت از خود عبور می‎دهد. یعنی از یک جهت، مقاومت در حد صفر و از جهت دیگر، مقاومت در حد بینهایت است. به این پیوندگاه، دیود می‎گویند. برخی مواقع نیز با عنوان یکسوکننده شناخته می‎شود. ـ دیود همانند شیر یک طرفه سیال است‎که به سیال اجازه حرکت در یک جهت را می‎دهد: ـ کدگذاری این نوع دیودها با 1N شروع شده و با چهار رقم به دنبال آن ذکر می‎گردد. گاهی به جای چهار رقم، از چهار نوار رنگی همانند مقاومت‎ها استفاده می‎شود.

دیود نورافشان ـ دیود نورافشان (Light-Emitting Diode)، دیودی است‎که هنگام تغذیه مستقیم، فوتون منتشر می‎کند. شدت نور به مقدار جریان عبوری بستگی دارد. ـ دیودهای نورافشان معمولاً با روکشی از یک ماده پلاستیکی رنگی پوشیده می‎شوند. این کار، طول موج تولیدی دیودها را افزایش می‎دهد. این دیودها در رنگ‎های گوناگونی نظیر قرمز، سبز و آبی ساخته می‎شوند. ـ برای روشن‎شدن این دیودها، مقدار کمی جریان میلی آمپری کافی است.

ترانزیستور پیوندی دوقطبی ـ دیود از کنارهم قرارگرفتن دو منطقه نوع p و نوع n تشکیل شده است. ـ اگر سه منطقه نوع p و نوع n را در کنارهم قرار دهیم، ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) تشکیل می‎شود: npn و pnp ـ ترانزیستور npn نوع متداول‎تری است که شامل لایه نازکی از سیلیکون نوع p می‎باشد که بین دو لایه سیلیکون نوع n فشرده شده است. سه هادی رابط به این سه لایه وصل شده‎اند که پایه‎های خروجی ترانزیستور را تشکیل می‎دهند. این سه پایه عبارتند از: collector (C) base (B) emitter (E)

ترانزیستور پیوندی دوقطبی ـ اگر به پایه base یک ترانزیستور، جریان اندکی وارد شود، اتصال میان collector و emitter برقرار می‎شود. جریان عبوری از collector به emitter می‎تواند تا 100 برابر جریان ورودی به base باشد. ـ در نتیجه، ترانزیستور عملاً در نقش یک کلید روشن/خاموش الکترونیکی عمل می‎نماید که در صورت دریافت جریانی اندک، مدار را وصل می‎کند و در صورت عدم دریافت جریان، مدار را قطع می‎کند. این ویژگی ترانزیستور، اساس کار رایانه‎های دیجیتال است، زیرا به آسانی اجازه اجرای یک نمایش دوحالته (binary) را می‎دهد.

ترانزیستور نوری ـ در ترانزیستور نوری، پایه base با تابش نور تحریک شده و اتصال میان collector و emitter برقرار می‎شود. از این نوع ترانزیستور، می‎توان به عنوان حسگر نور یا اشیاء استفاده نمود. ـ ترانزیستورهای نوری و دیودهای نورافشان عموماً به صورت جفت با هم به کار می‎روند که به آنها قطع‎کننده نوری می‎گویند.