اساس مهندسی الکترونیک

نکته آموزشی اساس مهندسی الکترونیک ABAL0610

(Application Learn Electronic essentials ABAL0600)

1. مقدمه

خوبه بدونید اصلا الکترونیک چی هست؛ مهندسی الکترونیک یک رشته فنی است که با مطالعه، طراحی و کاربرد برق مرتبط است! از طریق مهندسی برق می‌توانید دستگاه‌ها و سیستم‌هایی را با استفاده از اجزای الکتریکی مانند مقاومت، خازن، ترانزیستور و غیره طراحی کنید.

همچنین مهندسان برق می‌توانند مواردی مانند میکروکنترلرها، طراحی مدارات کنترل، طراحی PCB، توربین‌های توان بالا، سیستم‌های ناوبری را پیاده سازی و کار کنند.

در این راهنمای کاربردی سعی شده مرور مختصری داشته باشیم به تمام موارد ضروری مهندسی برق و الکترونیک که نیاز است هر علاقمند به الکترونیک با آنها آشنایی داشته باشد.

آ. اساس مهندسی الکترونیک

خوبه در زیر مرور مختصری داشته باشیم به همه موارد ضروری مهندسی برق؛

2. پیشوندهای متریک و سیستم بین المللی واحد ها (Units SI):

هنگامی که وارد مهندسی برق می شوید، مهم است که واحدهای الکترونیکی و پیشوندها را بشناسید.

3. الکتریسیته چیست

الکتریسیته در زندگی روزمره و در اطراف شما وجود دارد، حتی زمانی که از تجهیزات الکترونیکی استفاده نمی کنید. سیگنال های الکتریکی از طریق سیستم عصبی شما عبور می کند تا به بدن شما آموزش دهند که چه کاری باید انجام دهد. الکتریسیته معمولا به عنوان جریان بار الکتریکی تعریف می شود، اما چیزهای بیشتری در آن وجود دارد.  هنگامی که با الکترونیک سر و کار دارید، عمدتاً با همین بارهای الکتریسیته سر و کار خواهید داشت.  با این حال، ممکن است از خود بپرسید: “بارها از کجا می آیند؟ چگونه آنها را جابجا می کنیم؟ آنها به کجا می روند؟ چگونه یک بار الکتریکی باعث حرکت مکانیکی می شود یا چگونه چیزها را روشن می کند؟”

حال برای شروع توضیح الکتریسیته، باید فراتر از ماده و مولکول‌ها پیش برویم،یعنی اتم‌هایی که همه چیزهای جذاب زندگی با آن‌ها شکل می گیرد..

4. توان الکتریکی

وسایل الکترونیکی برای کارکرد به توان الکتریکی نیاز دارند. تلفن های شما از باتری های قابل شارژ خود نیرو دریافت می کنند و رایانه ها نیز از یک پریز برق متناوب 220 (یا 120) ولتی برق دریافت می کنند که به 12 یا 18 ولت DC تبدیل می شود.  توان الکتریکی یکی از اساسی ترین مفاهیم در حوزه الکترونیک است.

به طور معمول، قدرت به معنای انرژی بیشتر است. شما می توانید توان را با استفاده از واحدهای مختلف SI که در جدول بالا آمده محاسبه کنید. انرژی بر حسب ژول اندازه گیری می شود و توان یعنی انرژی اندازه گیری شده در مدت زمان معین. بنابراین، می‌توانیم انرژی را به صورت ژول در ثانیه اندازه‌گیری کنیم که به آن «وات» نیز می‌گویند.

5. کارکردن با سیم

سیم برق به دو شکل مختلف وجود دارد: مغزی جامد و مغزی رشته ای.  مغزی جامد تنها شامل یک سیم مفتول می باشد و مغزی رشته ای دارای تعداد زیادی سیم مفتول بوده که همگی در یک دسته قرار گرفته اند.  سیم رشته ای نسبت به سیم مفتول بسیار انعطاف پذیرتر است، اما استفاده از آن در بردبورد و هنگام لحیم کاری دشوارتر است.

سیم ها نیز در گیج های مختلفی عرضه می شوند. گیج یا ضخامت یک سیم برای تعیین میزان جریانی که سیم می تواند به طور ایمن تحمل کند استفاده می شود. به طور کلی، هرچه سیم ضخیم تر باشد جریان بیشتری می تواند حمل کند.

سیم‌ها را می‌توان با جدا کردن روکش انتهای آن‌ها و لحیم کردن  به یکدیگر و سپس پوشاندن مجدد توسط نوار الکتریکی یا مواد روکش به هم متصل کرد.

6. اصول کانکتور

کانکتور ها برای اتصال بخش های مختلف مدارها به یکدیگر استفاده می شوند. انواع و جنس های مختلفی از کانکتورها وجود دارد.

به عنوان مثال، پریز برق دیواری که تلفن شما را شارژ می کند یک نوع کانکتور معمولی است. کانکتورها دارای دو نوع نری و مادگی هستند، کانکتور پریز برق از نوع مادگی است و کانکتوری که به آن متصل می شود از نوع نری است.  برخی کانکتورها دارای قطبیت هستند، بدین معنی که رعایت ترتیب پین های آنها مهم است.

ب. مقدمه ای به مدارها

هر پروژه الکترونیکی با یک مدار شروع می شود. در اینجا ما در مورد اصول یک مدار صحبت خواهیم کرد، قانون اهم را مرور خواهیم کرد، در مورد چگونگی تشخیص سری یا موازی بودن مدار، و در مورد opamps صحبت خواهیم کرد.

7. یک مدار چیست

 شما می توانید یک مدار را به عنوان جریان الکتریکی در یک مسیر دایره ای در نظر بگیرید که از یک مکان شروع و در همان مکان متوقف می شود.

هنگام استفاده از یک منبع ولتاژ، آنچه به عنوان “بار” شناخته می شود به مدار اضافه می کنیم.  این می تواند LED ، مقاومت و غیره باشد. اساساً هر چیزی که باعث افت ولتاژ در مدار شود قابل قبول است، زیرا باعث ایجاد جریان الکتریکی می گردد.

اگر باری در مدار نباشد اتصال کوتاه رخ خواهد داد. که این خطرناک است، زیرا هیچ المانی برای محدود کردن جریان  وجود ندارد و با سیم‌های سوخته، منبع ولتاژ آسیب دیده و یا باتری که به سرعت تخلیه می‌شود (یا منفجر شده!) مواجه خواهید شد.

یک مدار اتصال باز یا سوخته مدار ناقصی خواهد بود. اگرچه مانند اتصال کوتاه خطرناک نیست، اما در نهایت کار نمی کند زیرا ولتاژ نمی تواند به قطعات برسد.

8. ولتاژ، جریان، مقاومت و قانون اهم

هنگام کاوش در دنیای الکترونیک، شروع کار با درک اصول اولیه ولتاژ، جریان و مقاومت حیاتی است. اینها سه بلوک اصلی و پایه ای هستند که برای مهارت و استفاده از برق مورد نیاز می باشند.

با یک منبع ولتاژ ثابت، می توانید ببینید که جریان و مقاومت چگونه تغییر می کند. با مقاومت بالا، جریان بسیار کمی از بار عبور می کند. با مقاومت کم، عکس آن را خواهید دید.

شما می توانید از قانون اهم در رابطه با معادله توان برای تعیین هر مشخصه الکتریکی (قدرت، ولتاژ، جریان یا مقاومت) استفاده کنید.

9.  مدارهای سری و موازی

مدارهای ساده مدارهایی هستند که فقط چند جزء دارند، اما وقتی المان های بیشتری اضافه شود مدار پیچیده تر شده و اینجاست که اتصالات سری و موازی وارد عمل می شوند.

برای اینکه تفاوت بین مدارهای سری و موازی را متوجه شوید ابتدا باید بدانید گره چیست تا بتوانید سری یا موازی بودن مدار را تعیین کنید. در شکل زیر می‌بینید که R2، R3 و R4 همگی به یک گره (سیم آبی) متصل هستند. این نقطه جایی است که جریان به نمایندگی در یک مدار موازی تقسیم می شود. بین R1 و R2 یک گره وجود دارد اما جریان تقسیم نمی شود، بنابراین این یک نمونه از یک مدار سری است.

به خاطر داشته باشید: اگر دو المان تنها دارای یک گره مشترک باشند و جریان یکسانی از آنها عبور کند، سری هستند.  اگر دو المان دارای دو گره مشترک باشند، در این صورت موازی هستند.

10. خواندن شماتیک

شماتیک ها نقشه هایی برای طراحی، ساخت و عیب یابی مدارها هستند.  درک نحوه خواندن و پیروی از شماتیک ها یک مهارت مهم برای هر مهندس برق است.

هر قسمت از مدار، از ترانزیستور گرفته تا کلید، نماد شماتیک خاص خود را دارد.

ت. ابزارهای مورد استفاده

مهندسان برق علاوه بر تسلط در تمام موضوعات الکترونیک ذکر شده در بالا، باید دانش و مهارت لازم برای استفاده از ابزارهای مختلف را نیز داشته باشند.

11. مولتی متر

مسلما ضروری ترین ابزار برای مهندسان برق یک مولتی متر است. علاوه بر اندازه گیری ولتاژ و جریان یک مولتی متر می تواند به شما در تشخیص مدارها، یادگیری طرح های الکترونیکی و حتی تست باتری کمک کند. همچنین می توانید برای تست جهت اطمینان از اتصال صحیح ترکها و اجزاء بکار ببرید.

12. برد بورد

برد بوردها یکی از اساسی ترین روش های یادگیری ساخت مدار هستند. بردبوردها به طور کلی برای نمونه سازی استفاده می شود، زیرا جایگزاری اجزا، تشخیص اشکالات و آزمایش آسان خواهد شد چون نیاز به لحیم کاری نمی باشد.

13. اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ زمانی استفاده می شود که یک سیگنال نیاز به آنالیز داشته باشد (دامنه، دوره، چرخه ساعت و غیره). با پروب اسیلوسکوپ می توانید انواع مختلفی از سیگنالها را بخوانید، مانند سیگنالهای پیوسته و گسسته. بنابراین توسط این دستگاه کاربر می تواند سیگنالهای آنالوگ و دیجیتال را مشاهده کند.

اسکوپ چند کاره است که در انواع عیب یابی ها و تحقیقات مفید است، از جمله:

• تعیین فرکانس و دامنه سیگنال، که می تواند در اشکال زدایی ورودی، خروجی یا سیستم های داخلی مدار حیاتی باشد.  از این طریق می توان متوجه خرابی یک جزء در مدار خود شد.

• تشخیص میزان نویز در مدار شما.

• شناسایی شکل موج – سینوسی، مربعی، مثلثی، دندانه اره ی، پیچیده و غیره.

• تایین اختلاف فاز بین دو سیگنال مختلف.

14. لحیم کاری

لحیم کاری یکی از اساسی ترین مهارت های مورد نیاز هنگام کار با الکترونیک است.  برای شروع فقط به هویه، قلع لحیم  و نکات لحیم کاری نیاز دارید.

اصطلاحات و ابزارهای مفید دیگری وجود دارد که اگر می خواهید لحیم کاری را یاد بگیرید بدانید.  نوک هویه گرم می شود و به سیم لحیم اجازه می دهد تا در اطراف دو قطعه در حال اتصال بشیند.  اکثر هویه های لحیم کاری این ویژگی را دارند که در صورت آسیب دیدن نوک یا نیاز به نوک متفاوت برای کار، نوک آن را تغییر دهید. سیم قلع خور به شما امکان می دهد لحیم را جدا کنید تا جابجایی یک المان آسان تر شود. روغن Flux بسیار مفید است، این یک عامل شیمیایی است که جذب لحیم بدون سرب را به خوبی بهبود می بخشد.

ث. آنالوگ در مقابل سیگنال های دیجیتال

یک سیگنال از یک کمیت متغیر تشکیل شده است که به شما امکان می دهد به صورت بصری نحوه تعامل مدار با اجزای مختلف را ببینید. برای شما این کمیت متغیر به احتمال زیاد ولتاژ و یا جریان است. هنگامی که صحبت از کار با الکترونیک می شود با سیگنال های آنالوگ و دیجیتال سروکار داریم که می توانند هم به عنوان ورودی و هم به عنوان خروجی وجود داشته باشند.

پروژه هایی که ایجاد می کنید باید به نوعی با دنیای واقعی و آنالوگ تعامل داشته باشد، هر چند که اکثر ریزپردازنده ها، کامپیوترها و مدارهای منطقی با استفاده از قطعات کاملا دیجیتالی ساخته می شوند.

15. آنالوگ

سیگنال های آنالوگ یک نمودار پیوسته و صاف هستند با ولتاژ در محور y و زمان  در محور x (معمولاً بر حسب ثانیه). نمونه ای از سیگنال آنالوگ را می توان در شکل زیر مشاهده کرد. برخی از رایج ترین اجزای آنالوگ مقاومت ها، خازن ها، سلف ها، دیودها و ترانزیستورها هستند.

16. دیجیتال

سیگنال های دیجیتال مجموعه محدودی از مقادیر ممکن می باشد. بیشتر سیگنال های دیجیتال بین دو مقدار ثابت در نوسان هستند. نمونه ای از سیگنال دیجیتال را می توان در شکل زیر مشاهده کنید. بیشترین ارتباطات بین مدارهای مجتمع بصورت دیجیتال است، مانند ارتباط سریال، I2C و SPI که در ادامه به جزئیات بیشتر خواهیم پرداخت.

17. تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC)

اکثر میکروکنترلرها دارای یک ADC داخلی هستند که به شما این را امکان می دهد تا سیگنال آنالوگ را از محیط بیرون بخوانید و آن را به سیگنال دیجیتال تبدیل کنید. برای اینکه بدانید آیا بردی که با آن کار میکنید دارای پینهای ADC است یا خیر، در جلوی هر پین به علامت “A” توجه کنید. (برای مثال A0-A7).

کار با سیگنال های دیجیتال آسان تر است زیرا فقط از دو مقدار ثابت تشکیل شده است. به عنوان مثال، اگر در خروجی سیگنال دیجیتال 5 ولت داشته باشید می توانید آن را به 1 باینری نسبت دهید که یک پین فعال (high pin) را به تصویر خواهید کشید.  و اگر خروجی 0 ولت باشد می توانید آن را 0 باینری در نظر بگیرید که نشان می دهد آن پین خاموش است.

— همراه با آنالوگ

در اینجا ما رایج ترین اجزای آنالوگ را مورد بحث قرار خواهیم داد: خازن ها، دیودها، تقسیم کننده های ولتاژ و ترانزیستورها.

18. خازن ها

خازن یک قطعه الکتریکی دو پایه است. همراه با مقاومت ها و سلف ها آنها یکی از اساسی ترین اجزای غیرفعال مورد استفاده شما هستند.

هنگامی که جریان بار وارد خازن می‌شود نمی‌تواند از دی‌الکتریک عایق عبور کند و بر روی صفحات گیر می‌کند. صفحه ای که الکترون ها به آن می چسبند دارای بار منفی می شود که باعث رانده شدن بارهای مشابه در صفحه مقابل خواهد شد، و آن را دارای بار مثبت می کند. بارهای ثابت روی این صفحات یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که بر ولتاژ تأثیر می گذارد و در نتیجه خازن شارژ می شود. با معادله زیر می‌توانید شارژ یک خازن را محاسبه کنید

برای محاسبه جریان از طریق خازن از معادله زیر استفاده می کنیم:

در اینجا dv/dt مشتق ولتاژ است.  اگر ولتاژ ثابت باشد، جریانی که از خازن عبور می کند 0 است زیرا مشتق یک عدد ثابت 0 است. به همین دلیل است که جریان نمی تواند از خازن دارای ولتاژ ثابت عبور کند.

19. دیودها

وظیفه دیود کنترل جهت فلو جریان است.  جریان عبوری از دیود فقط می تواند در یک جهت حرکت کند (جلو- موافق).

جریانی که سعی کند در جهت معکوس وارد شود مسدود خواهد شد. اگر ولتاژ دو طرف دیود منفی باشد هیچ جریانی نمی تواند از آن عبور کند و مدار حاصل مانند یک مدار باز عمل می کند و این وضعیت دیود را بایاس معکوس گویند.  یک دیود دارای دو پایانه است: آند (ترمینال مثبت) و کاتد (ترمینال منفی). در زیر نمودار مربوط به ویژگی های دیود آمده است.

هنگامی که ولتاژ اعمال شده بر روی دیود بسیار زیاد و منفی باشد، جریان زیادی می تواند در جهت معکوس از کاتد به آند پدید آید که این ویژگی سوم دیود را شکست گویند.

LED ها مانند دیودهای معمولی عمل می کنند و فقط اجازه می دهند جریان در یک جهت جریان یابد. آنها همچنین دارای نرخ ولتاژ موافق هستند که ولتاژ مورد نیاز برای روشن شدن آنها است.

20. تقسیم کننده های ولتاژ

تقسیم کننده ولتاژ مداری است که یک ولتاژ بزرگ را به یک ولتاژ کوچکتر تبدیل می کند.

تنها با استفاده از دو مقاومت سری و یک ولتاژ ورودی، می توانیم ولتاژ خروجی ایجاد کنیم که کسری از ورودی است. تقسیم کننده های ولتاژ یکی از اساسی ترین مدارها در الکترونیک هستند. ممکن است آنها به روش های مختلف رسم شده باشند اما آنها در اصل یک مدار مشابه هستند.

معادله مورد استفاده برای محاسبه ولتاژ خروجی به شرح زیر است.

— همراه با دیجیتال

در اینجا ما به بحث باینری می پردازیم، یعنی نحوه خواندن داده ها توسط کامپیوتر (1 و 0) و همچنین نحوه کار داده های منطقی.

21. دودویی

اکثر مردم عادت دارند به اعداد به عنوان مقادیر اعشاری یا سیستم اعداد پایه بر مبنی 10 تمرکز کنند. با این حال، الکترونیک به اعداد در سیستم اعداد باینری یا مبنی 2 یرنامه ریزی می کند که این اعداد باینری دارای عملگرهای بیتی زیر هستند: مکمل، اند، اور، و ایکس اور (complement, and, or, & xor)

22. سطوح منطقی

سطح منطقی حالتی است که یک سیگنال می تواند داشته باشد. اغلب در مدارهای دیجیتال این حالت بصورت روشن و یا خاموش است، همان 1 یا 0 در باینری است. امروزه بسیاری از میکروکنترلرها دارای پایه های فعال-پایین (active-low) و فعال-بالا (active-high) هستند.

پین های فعال-پایین با اتصال به زمین فعال می شود، و پین های فعال-بالا با اتصال به ولتاژ تغذیه فعال می شود که معمولاً بسته به برگه اطلاعات میکروکنترلر 3.3 یا 5 ولت است.

ج. پروتکل های ارتباطی

بسیاری از قوانین (protocols) ارتباطی را می توان به دو دسته تقسیم کرد: ارتباط موازی یا سریال.  رابط های موازی چندین بیت را به طور همزمان انتقال می دهند و برای انتقال این داده ها به یک گذرگاه نیاز دارند، در حالی که رابط های سریال داده ها را بصورت یک بیت یک بیت و در یک زمان انتقال می دهد. ارتباط سریال چندین قانون دارد که باید رعایت شود:

• بیت‌های داده (Data bits): داده‌هایی که می‌خواهید ارسال کنید (مانند یک کاراکتر ASCII) به یک عدد ۸ بیتی تبدیل می‌شوند.

• بیتهای همگام سازی (Synchronization bits): بیتهای شروع و بیتهای توقف که ابتدا و انتهای یک بسته با آنها شروع و ختم میشود. همیشه فقط یک بیت شروع وجود دارد اما می تواند تا دو بیت توقف وجود داشته باشد.

• بیت های برابری (Parity bits): بررسی خطای سطح پایین می باشد که اختیاری است و به ندرت استفاده می شود زیرا انتقال داده را کند می کند.

• نرخ انتقال (Baud rate): سرعت ارسال داده از طریق یک خط سریال در واحد بیت در ثانیه (bps)

23. گیرنده/فرستنده ناهمزمان همگانی (UART)

گیرنده/فرستنده ناهمزمان همگانی (UART) بلوکی است که ارتباط سریال را با داشتن دو رابط موازی و سریال پیاده سازی می کند.

طرف موازی از خطوط داده تشکیل شده و طرف سریال دارای خطوط انتقال (TX) و دریافت (RX) است. دقت کنید که هرگز خطوط TX را به TX و RX را به RX متصل نکنید! برای ارتباط سریال دستگاه ها باید بصورت ضربدری عمل کرد، TX به RX و RX به TX متصل شود. هر چند که UART ها به عنوان آی سی های مستقل وجود دارد اما بیشتر در داخل میکروکنترلرها یافت می شود.

24. رابط جانبی سریال (SPI):

SPI یک گذرگاه رابط است که برای ارسال داده بین میکروکنترلرها و اجزای کوچک مانند سنسورها و کارتهای SD استفاده میشود.

اس پی آی به روشی کمی متفاوت از ارتباط سریال کار می کند، یعنی از یک گذرگاه داده همزمان به جای یک گذرگاه داده ناهمزمان استفاده می کند. با در نظر گرفتن این موضوع، از خطوط جداگانه برای داده ها و پالس ساعتی استفاده می کند که هر دو سمت گیرنده و ارسال کننده را در هماهنگی کامل با یکدیگر نگه می دارد. پالس ساعت یک سیگنال نوسانی با لبه صعود یا سقوط است که به گیرنده اطلاع می دهد دقیقا چه زمانی از بیت های خط داده نمونه برداری کند. هنگامی که گیرنده آن لبه را تشخیص دهد بلافاصله در خط داده بیت بعدی را می خواند.

یکی از دلایل محبوبیت رابط SPI این است که سخت افزار دریافت کننده می تواند یک شیفت رجیستر ساده باشد، ساده تر و ارزان تر از یک UART که برای ارتباط سریال ناهمزمان مورد نیاز بود.

25. مدار یکپارچه (I2C)

مدار یکپارچه پروتکل (I2C) بدین منظور در نظر گرفته شده است که چندین مدار مجتمع دیجیتال “جانبی” بتواند  با یک یا چند تراشه “کنترل کننده” ارتباط برقرار کند.

مانند SPI، فقط برای ارتباطات کوتاه در یک دستگاه واحد در نظر گرفته شده است، مانند ASI ها (RS-232 یا UART). ای پروتکل تنها به دو سیم سیگنال برای تبادل اطلاعات نیاز دارد.

ارادتمند شما: مهندس اسماعیل رضاپور

شرکت آبی برد, مجموعه فنی و مهندسی الکترونیک