درسنامه آموزشی ساخت پروژه (برد الکترونیکی دستگاه) کلاس یازدهم الکترونیک با پاسخ پودمان 3: پروژۀ کاربردی آنالوگ
واحد یادگیری 4: مونتاژ پروژه کاربردی آنالوگ
آیا تا به حال فکر کردهاید:
- یک آمپلی فایر صوتی از چند طبقه تشکیل میشود؟
- اتصال طبقات تقویتکننده به یکدیگر با چند روش قابل اجرا است؟
- هنگام اتصال طبقات مختلف تقویتکننده به یکدیگر، چه نکاتی را باید رعایت کرد؟
- چند نمونه آیسی آمپلی فایر صوتی ساخته شده و عملاً مورد استفاده قرار میگیرد؟
ساخت مدارهای یکپارچه (Modular) آماده چه ضرورتی دارد؟
سیگنال الکتریکی حاصل از امواج صوتی مکانیکی انسان دارای دامنۀ ولتاژ و جریان ضعیف است. این سیگنالها باید به اندازهای تقویت شود تا بتواند با توان مناسب بلندگو را راه اندازی کند. برای اجرای این فرایند به چند طبقه تقویتکننده صوتی نیاز داریم. اتصال طبقات مختلف تقویتکننده به یکدیگر را کوپلاژ مینامند. امروزه به جای استفاده از چند طبقه تقویتکننده با قطعات مجزا، از مدارهای مجتمع (آیسی) استفاده میکنند. در این واحد یادگیری ضمن آشنایی با شیوههای اتصال طبقات تقویتکننده به یکدیگر، اصول کار تقویتکنندهها و آیسیهای آمپلی فایر را تشرح میکنیم. در ادامه یک مدار آمپلی فایر با آیسی را مونتاژ میکنید. در پایان چند ماژول آماده معرفی میشود. در تمام مراحل کار باید نکات ایمنی و بهداشتی و بهکارگیری شایستگیهای غیر فنی مانند کار گروهی، دقت و تمرکز در اجرای کار، یادگیری مادام العمر، مدیریت منابع و کاربرد فناوری مورد توجه قرار گیرد و عملاً رعایت شود.
استاندارد عملکرد
مونتاژ پروژه کاربردی آنالوگ با رعایت استانداردهای تعریف شده
مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز
ابزار عمومی برق یا الکترونیک- لوازمالتحریر- منبع تغذیه- مولتیمتر- رایانه- نرم افزار پیشرفته طراحی مدار چاپی- ماژولهای مورد نیاز و به روز موجود در بازار- اسید مدار چاپی- وان اسید- مواد پاککننده- دریل- مته مناسب- قطعات مورد نیاز آزمایش آمپلی فایر
تقویتکنندههای چندطبقه
در درسهای قبل با تقویتکننده آشنا شدهاید. از آنجا که تقویتکنندههای یک طبقه محدودیتهایی دارند نمیتوانیم در سیستمهای الکترونیکی تنها از یک طبقه تقویتکننده استفاده کنیم. در این شرایط برای به دست آوردن بهره موردنیاز، باید چند طبقه تقویتکننده را پشت سرهم ببندیم. به این ترتیب تقویتکنندههای چندطبقه شکل میگیرد. در شکل 1-4 بلوک دیاگرام آمپلی فایر صوتی در 5 طبقه نشان داده شده است.
شرح خلاصه عملکرد هر طبقه
طبقه اول:
طبقه اول مولد سیگنال صوتی ضعیف مانند میکروفون است. مدار معادل الکتریکی میکروفون شامل یک منبع ولتاژ و یک مقاومت سری با آن ({R_G}) است که امپدانس خروجی این طبقه را تشکیل میدهد، شکل 2-4.
طبقه دوم:
برای آنکه حداکثر توان از طبقه اول به طبقه دوم انتقال داده شود، باید امپدانس خروجی طبقه اول ({R_G}) با امپدانس ورودی طبقه دوم برابر باشد. لذا در طبقه دوم از تقویتکنندههایی استفاده میشود که بتواند تطبیق امپدانس بین طبقه اول و دوم را به درستی برقرار کند. مثلاً میکروفونهای کریستالی یا خازنی، امپدانس داخلی زیادی دارند. بنابراین برای تطبیق امپدانس، باید امپدانس ورودی طبقه دوم زیاد باشد.
طبقه سوم:
در طبقه سوم ولتاژ و جریان سیگنال صوتی درحدی تقویت میشود که بتواند طبقه تقویتکننده قدرت را راهاندازی کند. به این طبقه، مدار راهانداز یا درایور (Driver) میگویند. در طبقه راهانداز معمولاً یک یا چند طبقه تقویتکننده امیتر مشترک قرار میگیرد.
طبقه چهارم:
این طبقه، تقویتکننده قدرت نام دارد. در این طبقه معمولاً یک تقویتکننده جریان قرار میگیرد تا بتواند جریان کافی را برای تحریک و راهاندازی بلندگو فراهم کند.
طبقه پنجم:
در طبقه انتهایی تقویتکننده معمولاً بلندگو قرار میگیرد. بلندگو سیگنال الکتریکی صوت را به ارتعاشات مکانیکی صوت تبدیل میکند و امواج صوتی قابل شنیدن را با شدت و توان کافی مهیا میسازد.
دلایل استفاده از چند طبقه
عمل تقویت در چند طبقه به این دلیل انجام میشود که یک طبقه تقویتکننده معمولی نمیتواند بهره ولتاژ، بهره جریان و بهره توان بسیار بالا و درحد نیاز را تولید کند. همچنین استفاده از یک طبقه تقویتکننده نمیتواند تطابق لازم را بین مبدلهای ورودی (میکروفون) و خروجی (بلندگو) برقرار نماید. هنگام پشت سرهم قراردادن تقویتکنندهها باید به دو نکته مهم زیر توجه کنید:
الف) تطبیق امپدانس بین طبقات و مبدلهای ورودی و خروجی تقویتکننده.
ب) برقراری ارتباط بین دوطبقه تقویتکننده.
چگونگی ارتباط بین دو طبقه تقویتکننده را کوپلاژ (Coupling) میگویند. شکل 3-4 چند طبقه تقویتکننده را که بهصورت بلوک دیاگرام به هم اتصال داده شدهاند، نشان میدهد. شرط تطبیق امپدانس، برابر بودن امپدانس خروجی هر طبقه با ورودی طبقه بعدی است.
پژوهش (صفحه 85 کتاب درسی)
به مقدار امپدانس خروجی هر طبقه و امپدانس ورودی طبقه بعد توجه کنید. در صورتی که در طبقه اول به جای میکروفون خارنی از میکروفون الکترودینامیکی استفاده کنیم، چه اتفاقی برای مدار رخ میدهد؟ چرا؟ با مراجعه به رسانههای مختلف نتیجه را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
اتصال تقویتکنندهها به یکدیگر
برای انتقال سیگنال از یک طبقه تقویتکننده به طبقه دیگر، باید دو طبقه را به یکدیگر اتصال دهیم. چگونگی اتصال دو طبقه تقویتکننده را به یکدیگر کوپلاژ (Coupling) میگویند. اتصال بین طبقات به وسیله خازن، ترانسفورماتور یا بهطور مستقیم انجام میشود. از این رو سه نوع کوپلاژ خازنی، کوپلاژ ترانسفورماتوری و کوپلاژ مستقیم تعریف میشود.
کوپلاژ خازنی
اگر دو یا چند طبقه تقویتکننده را به وسیله یک یا چند خازن به یکدیگر وصل کنیم، میگوییم کوپلاژ بین طبقات تقویتکننده بهصورت خازنی است. در شکل 4-4 بلوک دیاگرام سه طبقه تقویتکننده و خازنهای کوپلاژ بین آنها نشان داده شده است.
مدار تقویتکننده با کوپلاژ خازنی:
به کوپلاژ خازنی، کوپلاژ RC نیز میگویند. دلیل این نامگذاری وجود خازنهای کوپلاژ و مقاومتهای موجود در کلکتور ترانزیستور است که در طبقات تقویتکننده وجود دارد و یک مدار RC را تشکیل میدهد. در شکل 5-4 مدار یک تقویتکننده دو طبقه با کوپلاژ RC نشان داده شده است. خازنهای {C_1} و {C_3} و {C_5} خازنهای کوپلاژ هستند. به علت وجود خازنها، ارتباط RC از خروجی یک طبقه به ورودی طبقه بعدی تقویتکننده قطع میشود.
فعالیت (صفحه 8 کتاب درسی)
در شکل 6-4 تقویت کننده دو طبقه و شکل موج نقاط مختلف آن رسم شده است. در مورد عملکرد مدار و شکل موج نقاط مختلف گزارش کوتاهی بنویسید.
مزایا و معایب کوپلاژ خازنی:
اتصال چند طبقه تقویتکننده از طریق کوپلاژ خازنی به یکدیگر، دارای مزایا و معایبی به شرح زیر است:
الف) یکی از مزایای این نوع کوپلاژ، در این است که طبقات از نظر مقادیر DC (نقطه کار ترانزیستورها) کاملاً مستقل از هم هستند و تغییر نقطه کار یک طبقه، روی سایر طبقات اثر نمیگذارد.
ب) اِشکال عمده کوپلاژ خازنی آن است که تقویتکننده، سیگنالهای با فرکانس پا یین را به درستی تقویت نمیکند.
پ) همچنین در این نوع تقویتکنندهها، به علت استفاده از تعداد زیاد مقاومتها، تلفات توان افزایش مییابد و قدرت اعمال شده به بار کم میشود. در عمل، کوپلاژ خازنی در تقویتکنندههای با قدرت کم به کار میرود.
جستوجو کنید (صفحه 86 کتاب درسی)
الف) با مراجعه به رسانههای مختلف، علت کاهش پاسخ فرکانسی در کوپلاژ RC را بیابید و در قالب یک گزارش به کارگاه ارائه دهید.
ب) جدولی مطابق جدول 1-4 تهیه کنید و مزایا و معایب تقویتکننده با کوپلاژ خازنی را به طور خلاصه و به تفکیک بنویسید.
ردیف | مزایا | معایب |
---|---|---|
1 | ||
2 | ||
3 |
تقویتکنندههای با کوپلاژ ترانسفورماتوری
در کوپلاژ RC بهدلیل اینکه در هر تقویتکننده باید بین کلکتور ترانزیستور و منبع تغذیه یک مقاومت R وجود داشته باشد، افت توان در مقاومت R بهوجود میآید. به این ترتیب، قدرتی که به بار میرسد کم است. برای برطرف کردن این عیب، بهویژه در تقویتکنندههای با قدرت زیاد، از کوپلاژ ترانسفورماتوری استفاده میکنند. بهاین ترتیب که اولیه یک ترانسفورماتور را بهجای مقاومت R در کلکتور ترانزیستور قرار میدهند و موج خروجی را از ثانویه آن میگیرند و به ورودی طبقه بعدی میرسانند. ترانسفورماتورهای کوپلاژ ممکن است از نوع افزاینده یا کاهنده ولتاژ باشند. در واقع ترانسفورماتور جایگزین شبکه RC کوپلاژ میشود. ترانسفورماتور نیز مانند خازن مانع اثرگذاری ولتاژ DC طبقات روی یکدیگر میشود. شکل 7-4 چگونگی اتصال دو طبقه تقویتکننده را بهصورت بلوک دیاگرام و با کوپلاژ ترانسفورماتوری نشان میدهد.
مدار تقویتکننده با کوپلاژترانسفورماتوری
در شکل 8-4 مدار یک نمونه تقویتکننده دو طبقه با کوپلاژ ترانسفورماتوری را مشاهده میکنید.
تحقیق (صفحه 87 کتاب درسی)
به چه دلیل کوپلاژ ترانسفورماتوری در فرکانسهای بالا و پا یین به خوبی عمل نمیکند؟ بررسی کنید و نتایج را به کارگاه ارائه دهید.
مزایا و معایب کوپلاژ ترانسفورماتوری
تقویتکننده با کوپلاژ ترانسفورماتوری دارای مزایا و معایبی به شرح زیر است:
الف) از مزایای ترانسفورماتور کاهش تلفات تقویتکننده و افزایش راندمان مدار است.
ب) تطبیق امپدانس بین طبقات به راحتی انجام میشود.
پ) ابعاد این نوع تقویتکنندهها به علت وجود ترانسفورماتور، بزرگ میشود.
ت) در فرکانسهای پایین به علت استفاده از بار سلفی پاسخ فرکانسی بدی دارند.
ث) قیمت این تقویتکنندهها به علت استفاده از ترانسفورماتور افزایش مییابد. امروزه به دلیل وجود عیوب یادشده، در دستگاههای صوتی و تصویری به ندرت از تقویتکنندههای با کوپلاژ ترانسفورماتوری استفاده میشود.
فعالیت (صفحه 88 کتاب درسی)
مزایا و معایب تقویتکننده با کوپلاژ ترانسفورماتوری را در جدولی به طور خلاصه به تفکیک بنویسید.
کوپلاژ مستقیم
در این نوع کوپلاژ، دوطبقه تقویتکننده بهصورت مستقیم به یکدیگر وصل میشوند. شکل 9-4 بلوک دیاگرام دو طبقه تقویتکننده را که بهصورت کوپلاژ مستقیم به هم وصل شدهاند، نشان میدهد.
مدار تقویتکننده با کوپلاژ مستقیم
در شکل 10-4 مدار یک تقویتکننده دوطبقه با کوپلاژ مستقیم نشان داده شده است. در این مدار هر دو طبقه تقویتکننده از نوع امیتر مشترک هستند. در این نوع کوپلاژ، طبقات تقویتکننده از نظر ولتاژ و جریان DC از یکدیگر مستقل نیستند.
مزایا و معایب کوپلاژ مستقیم:
مزایا و معایب تقویت کننده با کوپلاژ مستقیم به شرح زیر است:
الف) از مزایای کوپلاژ مستقیم صرفهجویی در قطعات و مقرون به صرفه بودن آن از نظر اقتصادی است.
ب) در این نوع تقویتکننده، فرکانسهای خیلی کم حتی DC نیز به خوبی تقویت میشوند.
پ) تغییرات نقطه کار یک طبقه روی نقطه کار سایر طبقات تأثیر میگذارد.
ت) مدار به شدت نسبت به حرارت حساس است.
ث) در صورت بروز عیب در یکی از طبقات به سایر طبقهها نیز آسیب وارد میسازد. بنابراین هنگام تعمیر دستگاههایی که در آن تقویتکنندههای با کوپلاژ مستقیم به کار رفته است، باید توجه داشته باشید که درصورت سوختن یکی از ترانزیستورها، کلیه ترانزیستورها را مورد آزمایش قرار دهید و از صحت آنها اطمینان حاصل کنید.
فعالیت (صفحه 89 کتاب درسی)
الف) حداقل مدار دو نمونه تقویتکننده را از نظر کوپلاژ بررسی کنید و نتیجه را به کارگاه ارائه دهید.
ب) جدولی تهیه کنید و مزایا و معایب تقویتکننده با کوپلاژ مستقیم را بهتفکیک بنویسید.
الگوی پرسش (صفحه 89 کتاب درسی)
1- برای انتقال حداکثر توان از یک طبقه تقویتکننده به طبقه دیگر باید امپدانس ……… طبقه اول با امپدانس ……… طبقه دوم برابر باشد.
2- با قطع خازن کوپلاژ نقطه کار DC تقویتکننده تغییر میکند. صحیح / غلط
3- کوپلاژ را تعریف کنید و انواع آن را نام ببرید.
4- مزایا و معایب کوپلاژ ترانسفورماتوری را شرح دهید.
5- برای کوپلاژ دوتقویتکننده که در فرکانسهای خیلی کم کار میکنند کدام نوع کوپلاژ مناسبتر است؟
6- با توجه به شکل موج ورودی تقویتکننده شکل 11-4 شکل موج نقاط X ، Y ، Z و O را رسم کنید.
زوج دارلینگتون (Darlington Pair)
یک نمونه از تقویتکنندههای دوطبقه با کوپلاژ مستقیم، زوج دارلینگتون است که در شکل 12-4 نشان داده شده است. از آنجا که ترانزیستورهای قدرت اغلب دارای ضریب تقویت جریان (\beta ) کمی هستند، برای بهدست آوردن ضریب تقویت جریان بزرگتر از ترانزیستورهای زوج دارلینگتون استفاده میشود. مدار تقویتکننده زوج دارلینگتون دارای مقاومت ورودی زیاد است. اگر ضریب تقویت جریان ترانزیستور T{R_1} را {\beta _1} تقویت جریان ترانزیستور T{R_2} را {\beta _2} فرض کنیم، میتوان ثابت کرد که ضریب تقویت جریان زوج دارلینگتون از رابطه {\beta _T} \approx {\beta _1}{\beta _2} بهدست میآید.
جستوجو کنید (صفحه 90 کتاب درسی)
با مراجعه به رسانههای مختلف، روش اثبات رابطه {\beta _T} \approx {\beta _1}{\beta _2} را بیابید و در قالب یک گزارش ارائه کنید.
زوج دارلینگتون در یک بستهبندی
کارخانههای سازنده قطعات نیمه هادی، زوج دارلینگتون را در یک بستهبندی و مشابه ترانزیستورهای ساده نیز به بازار عرضه میکنند. برای نمونه سری ترانزیستورهای 2N6384 و 2N6385 و 2N6386 بهصورت ترکیب دارلینگتون هستند. این ترانزیستورها بهصورت NPN با \beta نزدیک به 3000 و قدرتی برابر 100 وات ساخته میشوند. در شکل 13-4 ترانزیستور زوج دارلینگتون در یک بستهبندی نشان داده شده است.
فعالیت (صفحه 90 کتاب درسی)
با مراجعه به رسانههای مختلف برگه اطلاعات یک نمونه زوج دارلینگتون ساده و آرایهای را بیابید و مشخصات آنرا در یک جدول ارائه کنید.
الگوی پرسش (صفحه 91 کتاب درسی)
1- زوج دارلینگتون دارای بهره جریان ............................. و مقاومت ورودی .......................... است.
2- مدار شکل 14-4 زوج دارلینگتون NPN یا PNP است {\beta _T} کدام است؟
الف) NPN,{\beta _T} \approx {\beta _1}{\beta _2}
ب) PNP,{\beta _T} \approx {\beta _1}{\beta _2}
ج) PNP,{\beta _T} \approx {\beta _1} + {\beta _2}
د) NPN,{\beta _T} \approx {\beta _1} + {\beta _2}
3- در زوج دارلینگتون، کوپلاژ بین دو ترانزیستور از نوع مستقیم است. صحیح / غلط
کار عملی 1: بستن مدار تقویتکننده دو طبقه در نرمافزار (صفحه 91 کتاب درسی)
هدف: بستن مدار تقویتکننده دو طبقه در نرمافزار و به دست آوردن نقطه کار DC و بهره ولتاژ مدار
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرم افزار مناسب- لوازم التحریر
مراحل اجرای کار
1- نرمافزار مولتی سیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 15-4 را در فضای نرمافزار ببندید.
3- منبع تغذیه 15 ولت را به مدار وصل کنید.
4 -در حالی که سیگنال ژنراتور خاموش است به وسیله ولت متر DC ولتاژ هر یک از پایههای ترانزیستور را نسبت به نقطۀ مبنا (زمین) اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 2-4 بنویسید.
ردیف | کمیت مورد اندازهگیری | مقدار | واحد |
---|---|---|---|
1 | {V_{B1}} | ||
2 | {V_{BE1}} | ||
3 | {V_{C1}} | ||
4 | {V_{B2}} | ||
5 | {V_{BE2}} | ||
6 | {V_{C2}} |
5- سیگنال ژنراتور را روشن کنید، فرکانس را روی 1KHz موج سینوسی قرار دهید و دامنۀ ولتاژ ورودی را طوری تنظیم کنید که دامنۀ سیگنال خروجی ({V_O}) بدون تغییر شکل (اعوجاج) برابر با 6 ولت پیک تاپیک شود.
6- به وسیله اسیلوسکوپ شکل موجهای {V_{B1}} و {V_{B2}} و {V_O} را با مقیاس و فاز صحیح در نمودارهای شکل 16-4 رسم کنید. روی محورهای افقی مقدار Time/Div و روی محورهای قائم مقدار Volt/Div را مشخص کنید.
7 آیا فرایند تقویت در هر طبقه انجام شده است؟ آیا در هر طبقۀ تقویتکننده اختلاف فاز 180 درجه وجود دارد؟ توضیح دهید. همچنین ولتاژ {V_{C2}} و {V_O} را از نظر DC مورد تجزیه و تحلیل قرار دهید و عملکرد خازن کوپلاژ را بررسی کنید. نتیجه را به اختصار بنویسید.
8- مقدار پیک تا پیک هر یک از سیگنالها را اندازهگیری کنید و نتایج را در جدول 3-4 بنویسید.
9- با استفاده از رابطه {A_{V}} = \frac{{{V_O}}}{{{V_{in}}}} و مقادیر اندازهگیری شده، مقدار بهرۀ ولتاژ را در هر یک از طبقات و بهرۀ کل را با استفاده از جدول 3-4 محاسبه کنید.
ردیف | کمیت مورد اندازهگیری | مقدار | واحد |
---|---|---|---|
1 | {V_{B1(PP)}} | ||
2 | {V_{C1(PP)}} | ||
3 | {A_{V1}} = \frac{{{V_{C1(PP)}}}}{{{V_{B1(PP)}}}} | ||
4 | {V_{B2(PP)}} | ||
5 | {{V_{C2(PP)}}} | ||
6 | {A_{V2}} = \frac{{{V_{C2(PP)}}}}{{{V_{B2(PP)}}}} | ||
7 | {V_{O(PP)}} | ||
8 | {A_{V}} = \frac{{{V_{O(PP)}}}}{{{V_{B1(PP)}}}} کل |
10- مقدار {A_{V}} کل مدار را از رابطه {A_{V}} = \frac{{{V_O}}}{{{V_{in}}}} محاسبه کنید.
پژوهش کنید (صفحه 93 کتاب درسی)
بررسی کنید آیا {A_{VT}} = {A_{V1}} \times {A_{V2}} است؟ چرا؟ نتیجه را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
ترانزیستور اثر میدان Field Ef fect Transistor) FET)
ترانزیستورهای معمولی به دلیل ساختار فیزیکی خاصی که دارند ترانزیستورهای دوپیوندی یا BJT نامیده میشوند. این ترانزیستورها قطعاتی هستند که جریان را کنترل میکنند. به زبانی دیگر جریان عبوری بیس ترانزیستور جریان کلکتور را کنترل میکند. همچنین مقاومت ورودی ترانزیستور BJT کم است. از سوی دیگر در دستگاههای اندازهگیری مانند ولتمتر و اسیلوسکوپ باید مقاومت ورودی زیاد باشد تا باعث بارگذاری روی مدار نشود و جریان نکشد. بنابراین استفاده از ترانزیستورهای BJT در این گونه دستگاهها، کارایی لازم را ندارند. قطعه دیگری به نام ترانزیستور اثر میدان یا FET وجود دارد که جایگزین BJT میشود. ساختمان داخلی ترانزیستورهای اثر میدان یا FET در مقایسه با ترانزیستورهای BJT سادهتر است و مقاومت ورودی بسیار زیاد در حدود 10{\rm M}\Omega تا 1000{\rm M}\Omega دارند. ترانزیستورهای اثرمیدان با ولتاژ کنترل میشوند و در ساختمان داخلی آنها فقط دو نوع نیمه هادی به کار میرود، به همین علت این ترانزیستورها را یک قطبی (Unijunction Transis tor) یا تک پیوندی میگویند. ترانزیستورهای اثر میدان را در دو نوع JFET و MOSFET میسازند. MOS از اول کلمات Metal Oxide Semiconductor و به معنی نیمه هادی اکسیدفلز گرفته شده است.
ترانزیستور با اثر میدان پیوندی یا Junction Field Ef fect Transis tor) JFET)
این ترانزیستور در دو نوع با کانال P و N تولید میشود. در نوع کانال N یک میله با ناخالصی کم از نوع N را در نظر میگیرند، این میله مانند یک مقاومت عمل میکند. اگر یک باتری، مطابق شکل 17-4 به دو سر این میله وصل کنیم، جریانی متناسب با ولتاژ دوسر باتری از آن عبور میکند. یک انتهای میله را که الکترونها از آن خارج میشوند دریچه یا درین (Drain) و انتهای دیگر میله را، که الکترونها به آن وارد میشوند منبع یا سورس (Source) نام گذاری میکنند. اگر در قسمتی از این میله یک فلز سه ظرفیتی نفوذ دهیم، لایه P شکل میگیرد و یک پیوند pn به وجود میآید. در این حالت ناحیه n را کانال و نیمههادی نوع p را دروازه یا گیت (Gate) مینامند. با اتصال دو سیم به دو طرف لایه N و یک سیم به لایه P یک عنصر سهپایه حاصل میشود که به ترانزیستور با اثر میدا نپیوندی معروف است.
شکل 18-4 ساختمان JFET با کانال N و پایههای آن را نشان میدهد. علامت اختصاری JFET با کانال N را در شکل 19-4 ملاحظه میکنید. توجه داشته باشید که نوک پیکان به سمت داخل معرف گیت از نوع P است.
رفتار JFET در مدار
چنانچه مطابق شکل 20-4 گیت سورس را در گرایش معکوس قرار دهیم، موجب افزایش مقاومت کانال و کاهش جریان درین میشود. شکل 21-4 نشان میدهد که با کاهش {V_{GG}} عرض کانال بیشتر میشود و مقاومت کانال را کاهش میدهد. در این شرایط جریان درین بیشتری از مدار میگذرد. در شکل 22-4 مقدار {V_{GS}} را منفیتر کردهایم. در این حالت، کانال باریکتر میشود و مقاومت کانال را افزایش میدهد. لذا جریان درین ({I_D}) کمتری از مدار میگذرد.
فکر کنید (صفحه 95 کتاب درسی)
شباهتهای بین عبور جریان آب در یک شیر مانند شکل 23-4 و عبور جریان درین از یک ترانزیستور JFETرا بیابید. آیا بسته شدن شیر با منفیتر شدن ولتاژ {V_{GG}} قابل مقایسه است؟
مقادیر حد در FET
ولتاژ بحرانی {V_P} (Pinch of f Voltage):
اگر {V_{GS}} = 0 باشد به مقدار {V_{DS}} که به بستهشدن حداکثری کانال منجر میشود، ولتاژ بحرانی ({V_P}) میگویند. در این حالت جریان درین ({I_D}) ثابت میماند. برای یک FET با شماره فنی معین، مقدار {V_P} در برگه اطلاعات آن داده میشود.
جریان درین سورس اشباع {I_{DSS}} ({I_{DS}}Saturation)
اگر {V_{DS}} به مقدار {V_P} و بیشتر از آن برسد {I_D} ثابت میماند. این جریان را جریان درینسورس اشباع مینامند و آن را با {I_{DSS}} نمایش میدهند {I_{DSS}} ماکزیمم جریانی است که JFET میتواند از خود عبور دهد. این جریان در برگه اطلاعات نوشته میشود. شکل 24-4 مداری از JFET را نشان میدهد که در آن {V_{DS}} = {V_P} است و جریان درین برابر با {I_{DSS}} شده است.
ولتاژ شکست درین سورس {V_{Br}} (Break down voltage):
اگر {V_{DS}} را بیش از اندازه مجاز افزایش دهیم در محل اتصال PN بایاس مخالف، پدیده شکست بهمنی رخ م یدهد و جریان درین به سرعت افزایش مییابد. در این شرایط معمولاً JFET آسیب م یبیند. ولتاژ شکست در JFET های معمولی حدود 20 تا 30 ولت است.
ولتاژ قطع گیت سورس {V_{GSoff}}
هرقدر {V_{GS}} منفیتر شود {I_D} کاهش مییابد، مقدار {V_{GS}} که بتواند {I_D} را تقریباً به صفر برساند، ولتاژ قطع گیت سورس ({V_{GSoff}}) نام دارد. معمولاً مقدار عددی ولتاژ قطع گیت سورس با مقدار عددی ولتاژ {V_P} برابر است. شکل 25-4 JFET را در حالت قطع (cut off) نشان میدهد.
برگۀ اطلاعات:
همانطور که قبلاً گفته شد، مشخصات فنی ترانزیستورهای اثر میدان در برگههای اطلاعات (data sheet) داده میشود.برای دسترسی به اطلاعات کامل میتوانید به سایت alldatasheet.com مراجعه نمایید. در شکل 26-4 بخشی از مشخصات یک نمونه JFET با کانال N با شماره LS846 آمده است.
فعالیت عملی (صفحه 97 کتاب درسی)
یک عدد ترانزیستور JFET را در اختیار بگیرید و با توجه به شماره آن، برگه اطلاعات آن را پیدا کنید و پایههای آن را با استفاده از Data Sheet مشخص نمایید.
پژوهش (صفحه 98 کتاب درسی)
با مراجعه به رسانههای مختلف بررسی کنید آیا با استفاده از اهممتر میتوان پایههای ترانزیستور JFET را مشخص کرد؟ چگونه؟ نتیجه را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
الگوی پرسش (صفحه 98 کتاب درسی)
1- ترانزیستورهای BJT عناصری کنترل شده با ............. و ترانزیستورهای FET عناصری کنترل شده با ............... هستند.
2- مقاومت ورودی ترانزیستورهای BJT به علت وجود ............ نسبتاً ...................... است.
3- مقاومت ورودی ترانزیستورهای اثر میدان بسیار زیاد است. صحیح / غلط
4- FET یک ترانزیستور تک قطبی (unipolar) است. صحیح / غلط
5- {I_{DSS}} کدام است؟
1) جریان درین وقتی سورس اتصال کوتاه است.
2) جریان درین در حالتی که مدار قطع است.
3) حد متوسط (میانگین) جریان درین
4) حداکثر جریان ممکن درین
6- نام پایههای JFET در شکل 27-4 را روی هر پایه بنویسید و سپس (P یا N) را مشخص کنید.
7- شکل 28-4 بخشی از برگه اطلاعات ترانزیستورJFET با شماره فنی 2N3819 است. آن را به فارسی ترجمه کنید.
8- با توجه به برگه اطلاعات شکل 29-4 که مربوط به ترانزیستور 2N3819 است. مقادیر ماکزیمم مطلق را بنویسید.
{T_{STG}}
{I_{GF}}
{I_D}
{V_{GS}}
{V_{DG}}
کار عملی 2: آزمایش JFET در نرمافزار (صفحه 99 کتاب درسی)
هدف: بررسی تأثیر تغییر {V_{GS}} بر روی جریان درین
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه-نرم افزار مناسب-لوازم التحریر
مراحل اجرای کار:
1- نرمافزار مولتی سیم یا هر نرمافزار مناسب دیگری را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 30-4 را در فضای نرمافزار ببندید.
3- منبع تغذیه 12 ولت را به مدار وصل کنید.
4- با تغییر مقدار مقاومت پتانسیومتر، مقدار {V_{GS}} و {I_D} را اندازه بگیرید و جدول 4-4 را کامل کنید.
5- بیشترین جریان درین با چه مقداری از {V_{GS}} بهوجود میآید؟
6- جریان درین به ازای چه مقدار از {V_{GS}} برابر با صفر میشود؟
ردیف | درصد مقدار پتانسیومتر | {V_{GS}} | واحد | {I_D} | واحد |
---|---|---|---|---|---|
1 | 0 | ||||
2 | 10 | ||||
3 | 20 | ||||
4 | 30 | ||||
5 | 40 | ||||
6 | 45 | ||||
7 | 50 |
تغذیه JFET
برای ایجاد یک نقطه کار مناسب، باید ترانزیستور FET را نیز مانند ترانزیستور BJT بایاس کنیم. روشهای بایاس FET با روشهای بایاس BJT تفاوت اساسی ندارند، فقط باید توجه داشته باشیم که مقاومت ورودی FET خیلی زیاد است، از ای نرو جریان بسیار کمی در حدود چند نانوآمپر یا پیکوآمپر از گیت عبور میکند. بنابراین معمولاً در محاسبات، {I_G} را مساوی صفر در نظر میگیرند.
ترانزیستور FET نیز با روشهای مختلف بایاس میشود که یک نوع آن شرح داده شده است.
بایاس تقسیمکننده ولتاژ (Voltage Divider Bias):
در این روش از مدار مقاومتی مطابق شکل 31-4 استفاده میکنیم. ولتاژ گیت از طریق مدار تقسیم ولتاژ {R_1} و {R_2} و ولتاژ سورس بهوسیله مقاومت {R_S} تأمین میشود. بهدلیل استفاده از دو مسیر مختلف برای تأمین {V_{GS}} این نوع تغذیه را، تغذیۀ مرکب نیز میگویند. با توجه به اینکه از گیت ترانزیستور جریانی نمیگذرد، ولتاژ گیت برابر افت پتانسیل در دو سر مقاومت {R_2} است و پتانسیل سورس از رابطه {R_S} \times {I_D} بهدست میآید. مقدار {V_{GS}} از رابطه {V_{GS}} = {V_G} - {V_S} قابل محاسبه است.
موارد کاربرد ترانزیستورهای اثر میدان
استفاده از FET درساختن منابع جریان
منبع جریان مداری است که بتواند به بارهای مختلف جریان ثابت بدهد. اگر یک ترانزیستور FET مطابق شکل 32-4 تغذیه شود، در صورتی که {V_{DS}} آن بیش از {V_P} باشد، با تغییر {R_L} در بازه مشخص میتواند جریان ثابت {I_D} را ایجاد کند.
کار عملی 3: آزمایش منبع جریان با JFET در نرمافزار (صفحه 101 کتاب درسی)
هدف: بررسی تأثیر تغییر بار بر روی جریان درین
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرم افزار مناسب- لوازم التحریر
مراحل اجرای کار:
1- نرمافزار مولتیسیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 33-4 رادر فضای نرمافزار ببندید.
3- منبع تغذیه 16 ولت را به مدار وصل کنید.
4- با تغییر مقدار مقاومت پتانسیومتر، مقدار {I_D} را مشاهده کنید. آیا {I_D} تغییر میکند؟ توضیح دهید.
5- با تغییر پتانسیومتر از صفر درصد تا صددرصد، جریان درین چقدر تغییر نموده است؟
6- مطابق جدول 5-4 در سه مرحله مقادیر خواسته شده را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
ردیف | درصد مقدار پتانسیومتر | {I_{RL}} - {I_D} | واحد | {V_{RL}} | واحد |
---|---|---|---|---|---|
1 | 0 | ||||
2 | 50 | ||||
3 | 100 |
جستجو کنید (صفحه 101 کتاب درسی)
بررسی کنید به چه دلیل جریان در مقاومت R_L ثابت میماند. نتیجه را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
استفاده از FET به عنوان تقویتکنندۀ اولیه با امپدانس ورودی زیاد
چون تقویتکننده FET امپدانس ورودی زیادی دارد، میتوان به عنوان تقویتکننده اولیه برای اتصال به منابعی مانند میکروفونهای خازنی که مقاومت خروجی زیادی دارند، استفاده شود.
تقویتکنندههای سیگنال کوچک FET:
یکی از کاربردهای مهم ترانزیستور FET در مدارهای تقویتکننده ولتاژ است. یک FET ممکن است بهصورت تقویتکنندههای سورس مشترک، گیت مشترک یا درین مشترک استفاده شود. هر یک از این سه آرایش، مشابه آرایشهای ترانزیستور BJT است که مشخصات ورودی و خروجی خاص خود را دارد.
مدار تقویتکنندۀ سورس مشترک (Common Source=CS)
در شکل 34-4 مدار تقویتکننده سورس مشترک با ترانزیستور JFET با کانال N را مشاهده میکنید.
در شکل 35-4 مدار با مقادیر مقاومتهای بایاس رسم شده است.
کار عملی 4: آزمایش تقویتکننده سورس مشترک در نرمافزار (صفحه 102 کتاب درسی)
هدف: بهدست آوردن بهره ولتاژ و اختلاف فاز در تقویتکننده سورس مشترک
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرم افزار مناسب- لوازم التحریر
مراحل اجرای کار:
1- نرمافزار مولتیسیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 36-4 را در فضای نرمافزار ببندید.
3- منبع تغذیه 20 ولت را به مدار وصل کنید.
4- قبل از اعمال ولتاژ متناوب به مدار، به وسیله ولتمتر موجود در نرمافزار {V_{GS}} و {V_{DS}} را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
{V_{GS}} =
{V_{DS}} =
5- سیگنال سینوسی با دامنۀ 0/1 ولت پیک و فرکانس 1000 هرتز را به مدار اعمال کنید.
6- موج ورودی و خروجی مدار را روی صفحۀ اسیلوسکوپ نرمافزار به صورت پایدار ظاهر کنید.
7- دامنۀ پیک تا پیک موج ورودی و خروجی را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
8- بهره ولتاژ مدار را محاسبه کنید.
9- اختلاف فاز بین ولتاژ ورودی و خروجی مدار را اندازه بگیرید.
{V_{IN(}}_{PP)} =
{V_{O(PP)}} =
{A_V} =
\Phi =
ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق شده یا IGFET (Insulated Gate FET)
در این ترانزیستور، گیت با لایه اکسید سیلیکون از کانال جدا میشود و هیچ جریانی از گیت عبور نمیکند. لذا مقاومت ورودی آن فوقالعاده افزایش مییابد. این ترانزیستور را بیشتر بهنام MOSFET میشناسند. نامی که از ساختار فیزیکی آن برگرفته شده است و اول کلمات Metal Oxide Semiconductor FET به مفهوم ترانزیستور اثر میدان با نیمههادی اکسید فلز است. MOSFETها در دو نوع با کانال تهی شونده و کانال تشکیل شونده ساخته میشوند. نماد این نوع ترانزیستورها در شکل 37-4 نشان داده شده است.
MOSFETهای قدرت (MOSFET POWER)
در MOSFETهای با کانال تشکیلشونده متداول فقط لایه نازکی از کانال بهصورت افقی قرار دارد. این لایه مقاومت نسبتا بالایی را بین درین و سورس ایجاد میکند. لذا این نوع MOSFETها برای کار در قدرتهای پایین مورد استفاده قرار میگیرند. اما MOSFETهای قدرت که Laterally Diffused MOSFET) LD MOSFET) نامگذاری شدهاند ساختاری با کانال عرضی متفاوت با MOSFETهای با کانال تشکیلشونده دارند و از نوع بهبود یافته هستند و برای کاربرد در قدرتهای بالا طراحی شدهاند. کانال در این قطعه نسبت به MOSFETهای متداول، کوتاهتر است در نتیجه مقاومت کمتری ایجاد میکند. این خاصیت سبب تحمل ولتاژ بالاتر و عبور جریان بیشتر میشود.
VMOSFET
مثال دیگری از MOSFETهای قدرت VMOSFETها هستند که برای قدرت بالاتر طراحی شدهاند. در این نوع MOSFETها کانال کوتاهتر و عریضتر است، لذا مقاومت کمتری را بین درین و سورس ایجاد میکند. در نهایت جریان بیشتری میتواند از کانال عبور نماید. به این ترتیب VMOSFETها توان بیشتری دارند و پاسخ فرکانسی آنها مطلوبتر است. شکل 38-4 تصویر ظاهری یک نمونه MOSFET قدرت را نشان میدهد.
عملکرد MOSFET به عنوان کلید (MOSFET Switching Operation)
MOSFETهای با کانال تشکیلشونده علاوه بر تقویتکنندگی، بهعنوان کلید نیز به کار میروند. شکل 39-4 مدار MOSFET را بهعنوان کلید نشان میدهد.
کار عملی 5: آزمایش MOSFET به عنوان کلید در نرمافزار (صفحه 104 کتاب درسی)
هدف: بررسی عملکرد MOSFET بهعنوان کلید
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرم افزار مناسب- لوازم التحریر
مراحل اجرای کار:
1- نرم افزار مولتی سیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 40-4 را در فضای نرمافزار ببندید.
3- منبع تغذیه {V_1} را روی 10 ولت و {V_2} را روی 12 ولت تنظیم کنید. سپس مدار را راهاندازی کنید.
4- منبع ولتاژ متغیر ({V_1}) را به تدریج از صفر ولت افزایش دهید. کمترین ولتاژ {V_{GS}} که به ازای آن جریان در مدار برقرار و کلید ترانزیستوری وصل میشود، چند ولت است؟
V ........................= ولتاژ وصل کلید
V ........................ولتاژ آستانه روشن شدن
5- پس از وصل کلید جریان عبوری از مدار چند آمپر است؟
{I_D} = ...............A
نتایج به دست آمده را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
CMOS یا (Complementary MOSFET)
با سری کردن دو نوع MOSFET با کانال P و N مانند شکل 41-4 CMOS ساخته میشود. از مزایای CMOS تلفات توان بسیار کم آن است. زیرا با سری شدن دو نوع MOSFET یکی از MOSFETها همواره قطع است و اساسا از منبع جریانی کشیده نمیشود. این مدار مانند گیت NOT در دیجیتال عمل میکند. وقتی ورودی صفر یا LOW است، مقدار ولتاژ خروجی برابر با «{V_{DD}}» یا «High» است. وقتی ولتاژ ورودی برابر {V_{DD}} یا High باشد ولتاژ خروجی صفر یا «LOW» است.
کار عملی 6: آزمایش CMOS به عنوان گیت NOT در نرمافزار (صفحه 105 کتاب درسی)
هدف: ترکیب MOSFET با کانال P و N و ساختن مدار CMOS
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرم افزار مناسب- لوازم التحریر
مراحل اجرای کار:
1- نرمافزار مولتی سیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 42-4 را در فضای نرمافزار ببندید.
3- کلید S1 را در وضعیت صفر (0) منطقی (اتصال به زمین) و یک (1) منطقی (اتصال به 5+) قرار دهید و عملکرد گیت NOT را بررسی کنید.
شکل ظاهری ترانزیستورهای FET
در شکل 43-4 نمای ظاهری چند نمونه JFET و MOSFET را مشاهده میکنید.
از این قطعه میتوان جریان بسیار زیاد (حدود صدها آمپر) را عبور داد. همچنین ولتاژ کار آن بالا بوده و میتواند به حدود 6000 ولت برسد. به این ترتیب IGBT قادر است توان صدها کیلووات را تحمل کند. این قطعه به دلیل داشتن راندمان بالا و سوئیچینگ سریع، در دستگاههای مدرن مانند اتومبیلها و قطارهای برقی، یخچالها با توانایی سرمایش سریع، سیستم هواساز با راندمان بالا، آمپلی فایرهای سوئیچینگ، منابع تغذیه و خطوط تولیدی صنعتی کاربرد دارد.
الگوی پرسش (صفحه 107 کتاب درسی)
1- انواع MOSFET را نام ببرید.
2- MOS اول کلمات انگلیسی ................. و به معنی ..................... است.
3- با مراجعه به منابع مختلف، نام پایههای قطعات نشان داده شده در شکل 45-4 (a, b, c, d) را بنویسید. نوع کانال P یا N و از نظر ساخت (تشکیلشونده یا تهیشونده) را تعیین کنید.
4- عملکرد MOSFET با کانال N تشکیل شونده را به عنوان سوئیچ شرح دهید.
تقویتکنندۀ تفاضلی (Dif ferential Amplifier)
در تقویتکنندههای معمولی مانند امیتر مشترک میتوان به ضریب تقویت کافی و پایداری حرارتی مناسب دست یافت. ولی به دلیل وجود خازن، در این نوع تقویتکنندهها فرکانسهای کم و سیگنال DC به درستی تقویت نمیشوند و ضریب تقویت کاهش مییابد. برای تقویت سیگنالهای با فرکانس پایین و DC از تقویتکننده تفاضلی (differential amp-دیفرانسیلی) استفاده میکنیم. یکی از مشکلات تقویتکنندههایی که تاکنون آنها را بررسی کردهایم ناتوانی در تفکیک سیگنال از نویز است. این تقویت کنندهها سیگنال و نویز را به یک اندازه تقویت میکنند. در صورتی که تقویتکننده تفاضلی دارای قابلیت جداسازی سیگنال از نویز است و میتواند هرکدام را با ضریب تقویت متفاوتی به خروجی مدار منتقل کند.
نقشۀ فنی تقویتکنندۀ تفاضلی
در شکل 46-4 نقشه فنی تقویتکننده تفاضلین شان داده شده است. همانطور که میبینید، در این شکل دو ترمینال ورودی مثبت و منفی و دو ترمینال خروجی وجود دارد.
بهمنظور استفاده از این تقویتکنندهها، ابتدا باید ارتباط این ترمینالها را با هم بدانیم تا بتوانیم تقویتکننده را به کار ببریم. به شکل 46-4 دقت کنید، در این شکل علاوه بر ترمینالهای ورودی و خروجی، دو ترمینال دیگر نیز برای اتصال به خط تغذیه متقارن وجود دارد. چگونگی ایجاد خط تغذیه متقارن در شکل 47-4 نشان داده شده است. ولتاژهای ورودی را میتوان به یک یا هر دو ترمینال ورودی اعمال کرد. ولتاژ خروجی نیز در هر دو ترمینال خروجی ظاهر میشود. البته از نظر زاویه فاز، بین ترمینالهای ورودی و خروجی، قطبهای متفاوتی وجود دارد.
آرایههای تقویتکنندههای تفاضلی
در شکلهای 48-4 تقویتکننده تفاضلی را بهصورت نقشه بلوکی مشاهده میکنید. این تقویتکننده درحالت یک ورودی و دو خروجی بسته شده است. به شکل موجهای ورودی و خروجی مدار توجه کنید. در این مدار با اعمال یک ورودی، دو سیگنال با 180 درجه اختلاف فاز و دامنه برابر در خروجی به وجود آمده است. در این حالت مدار بهعنوان جداکننده فاز استفاده شده است.
از مدار تقویتکننده تفاضلی با یک ورودی و دو خروجی میتوان بهعنوان مدار ایجادکننده دو موج با دامنۀ مساوی و فاز مخالف (جداکننده فاز) استفاده کرد.
در شکل 49-4 دو ورودی هم فاز و با دامنه مساوی به ورودی تقویتکننده داده شده است. در این حالت دامنه هر دو خروجی صفر است. این حالت را حالت سیگنال مشترک یا common mode میگویند.
در شکل 50-4 همانطور که ملاحظه میشود، با دادن دو سیگنال با فاز مخالف به ورودیها، دو سیگنال تقویتشده به اندازه دو برابر شرایط معمولی در خروجی بهدست میآید.
بارش فکری (صفحه 108 کتاب درسی)
اگر به دو ورودی تقویتکنندۀ تفاضلی دو موج با دامنۀ مساوی و فاز برابر طبق شکل 51-4 بدهیم، این حالت سیگنال مشترک (Common Mode Input) نام دارد. در این حالت دامنۀ {{V_{O1}}} و {{V_{O2}}} چقدر است؟ این مدار چه کاربرُدی دارد؟
تحقیق (صفحه 109 کتاب درسی)
با مراجعه به رسانههای مختلف بررسی کنید به چه دلیل سیگنالهای خروجی تعریف شده در شکل 48-4 تا 50-4 به وجود میآید.
الگوی پرسش (صفحه 109 کتاب درسی)
1- تقویتکننده تفاضلی میتواند سیگنالهای با فرکانس ........................ و ........................ را تقویت کند.
2- با توجه به شکل 51-4 درصورتی که دامنه هر دو سیگنال ورودی هم زمان کاهش یا افزایش یابد چه تغییری در خروجی ایجاد میشود؟
3- تقویتکننده تفاضلی در حالت یک ورودی و دو خروجی، دو سیگنال تقویت شده با دامنۀ برابر و 180 درجه اختلاف فاز تولید میکند. صحیح / غلط
تقویتکنندۀ عملیاتی (Operational Amplifier-op-Amp)
در تقویتکنندههای عملیاتی از تقویتکنندههای تفاضلی استفاده شده است. تقویتکنندههای عملیاتی که به اختصار Op-Amp نامیده میشوند تقویتکنندههایی با کوپلاژ مستقیم هستند که ضریب تقویت ولتاژ بسیار بزرگی دارند. بنابراین اگر به ورودیهای Op-Amp اختلاف پتانسیل بسیار کوچکی اعمال شود، در خروجی آن ولتاژ بسیار بزرگی به وجود میآید و در عمل، تقویتکننده وارد ناحیه اشباع میشود. ولی ضریب تقویت Op-Amp به روشهای مختلف قابل کنترل است. تقویتکنندههای عملیاتی در سیستمهای الکترونیکی کاربردهای متنوعی دارند. از نظر اقتصادی نیز ارزان قیمتاند و از مزایایی چون ابعاد کوچک، قابلیت اطمینان بالا و پایداری حرارتی خوب برخوردارند. امروزه تقریباً تقویتکنندههای عملیاتی جایگزین قطعات مجزا شدهاند.
نماد و شکل ظاهری تقویتکننده عملیاتی
برای نخستین بار نام تقویتکننده عملیاتی به تقویتکنندههایی اختصاص داده شد که دارای ضریب تقویت بسیار زیاد بودند. این تقویتکنندهها نیاز به ولتاژ بالایی داشتند و برای انجام عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم مورد استفاده قرار میگرفتند. با مرور زمان و پیشرفت فناوری، نوع پیشرفته و جدید تقویتکنندههای عملیاتی با مشخصات:
- ولتاژ کار کم
- قیمت ارزان
- دسترسی آسان
طراحی و ساخته شدند و به بازار عرضه گردیدند. این تقویتکنندهها در زمینههای مختلف مانند کامپیوتر، سیستمهای کنترل، ارتباطات، منابع تغذیه، مولدسیگنال، نمایشگر و دستگاههای اندازهگیری به کار میروند.
نماد (نشانه فنی) استاندارد و شکل چند نمونه تقویتکننده عملیاتی (Op-Amp) در شکل الف و ب 52-4 نشان داده شده است.
بلوک دیاگرام مدار داخلی تقویتکنندۀ عملیاتی
در شکل 53-4 بلوک دیاگرام مدار داخلی یک تقویتکننده عملیاتی نشان داده شده است. تقویتکنندههای عملیاتی تعداد قطعات الکترونیکی زیادی دارند و بهصورتهای مختلف و پیچیده ساخته میشوند. در مجموع بلوک دیاگرام یک تقویتکننده عملیاتی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است.
الف) طبقه ورودی (تفاضلی)
ب) طبقه میانی (ولتاژ)
پ) طبقه خروجی (تقویت توان)
در شکل 54-4 مدار ساخته شده با قطعات مجزا را مشاهده میکنید.
پژوهش (صفحه 110 کتاب درسی)
با مراجعه به سامانههای مختلف، نقشه فنی مدار داخلی تقویت کننده Op-Amp با شماره فنی 741 را بیابید و در مورد تعداد قطعات موجود در آن گزارشی تهیه کنید و ارائه دهید.
تقویتکنندۀ عملیاتی ایدهآل
یک تقویتکننده عملیاتی ایدهآل باید دارای مشخصاتی به شرح زیر باشد:
1- مقاومت ورودی بینهایت 2- مقاومت خروجی صفر 3- بهره ولتاژ بینهایت 4- بهره جریان بینهایت.
مشخصات تقویتکنندۀ عملیاتی واقعی
تقویتکننده عملیاتی ایدهآل، درعمل وجود ندارد ولی کارخانههای سازنده سعی میکنند تا حد امکان به این ضرایب نزدیک شوند. تقویتکنندههای عملیاتی بهصورت مدارهای مجتمع یک پارچه (IC) ساخته میشوند که معمولترین آنها، آیسی XX741 است.
تحقیق (صفحه 111 کتاب درسی)
با مراجعه به سایتهای اینترنتی مانند Datasheet.com مشخصات چند نمونه آیسی تقویتکننده عملیاتی را استخراج کنید.
پایههای تقویتکنندۀ عملیاتی و کمیتهای مربوط به آن
پایههای تغذیه:
در Op-Ampها پایههایی که با علامت V+ و V- مشخص شدهاند به منبع تغذیه متقارن وصل میشوند. منبع تغذیه متقارن دارای سه پایه مثبت، منفی و مشترک (زمین) است. مقدار ولتاژ تغذیه Op-Ampها معمولاً در محدوده \pm 6 ولت، \pm 12 ولت، \pm 15 ولت و \pm 18 ولت قرار دارد. شکل 55-4 چگونگی اتصال منبع تغذیه و بار را به پایههای Op-Amp نشان میدهد. حداکثر ولتاژی که میتوان بین پایههای V+ و V- اعمال کرد معمولاً 36 ولت یا \pm 18 ولت است که این ولتاژ در برگه اطلاعات Op-Amp مشخص میشود.
پایۀ خروجی:
پایه خروجی Op-Amp به یک طرف مقاومت بار ({R_L}) وصل میشود و طرف دیگر {R_L} به نقطه زمین اتصال مییابد. مقدار {V_O} (ولتاژ خروجی) همیشه نسبت به زمین اندازهگیری میشود. در شکل 56-4 مقاومت بار به Op-Amp متصل شده است.
پایههای ورودی Op-Amp
Op-Amp دارای دو ورودی است که آنها را با علامتهای + و - مشخص میکنند. این دو ورودی را پایههای ورودی تفاضلی (Differential Input Terminals) نیز مینامند. زیرا در صورت اعمال ولتاژ به ورودی، مقدار ولتاژ خروجی ({V_O}) تابعی از اختلاف ولتاژ بین دو پایه ورودی (Vd) و ضریب بهره ولتاژ تقویتکننده است. اگر فقط سیگنال را به ورودی منفی Op-Amp بدهیم، در خروجی Op-Amp سیگنال تقویت میشود و ولتاژهای با فاز مخالف ورودی بهوجود میآید. اگر فقط سیگنال را به ورودی مثبت بدهیم، در خروجی Op-Amp تقویت شده و سیگنالی هم فاز با ورودی بهوجود میآید.
فعالیت (صفحه 112 کتاب درسی)
با توجه به شکل 57-4، جدول 6-4 را کامل کنید.
ردیف | شماره پایه | نام پایه به زبان انگلیسی | معنی فارسی |
---|---|---|---|
1 | 2 | ||
2 | 3 | ||
3 | 4 | ||
4 | 6 | ||
5 | 7 |
بهرۀ ولتاژ حلقۀ باز (Open Loop Voltage Gain-OL)
اگر هیچگونه اتصال فیدبک (بازخورد) بین خروجی و ورودی Op-Amp وجود نداشته باشد، در این حالت Op-Amp به صورت حلقه باز استفاده شده است. بهره ولتاژ را در این شرایط، بهره حلقه باز مینامند. همانطور که قبلاً اشاره شد بهره حلقه باز را با {A_{OL}} نشان میدهند. شکل 58-4 Op-Amp را در حالت حلقه باز (بدون فیدبک) نشان میدهد. در این حالت بهره ولتاژ خیلی زیاد است و خروجی تقریباً در حد ولتاژ تغذیه به اشباع میرود.
کاربردهای تقویتکنندۀ عملیاتی
تقویتکنندههای عملیاتی کاربردهای متنوعی دارند. در این قسمت، چند کاربرد مهم آنها را بررسی میکنیم.
تقویتکنندۀ معکوسکننده (وارونگر- Inverting Amplifier):
مدار شکل 59-4 یک تقویتکننده معکوسکننده را نشان میدهد. در این حالت سیگنال خروجی به اندازۀ 180 درجه با ورودی اختلاف فاز دارد. بهره ولتاژ این تقویتکننده از رابطه Av=-\frac{{{R_F}}}{{{R_1}}} محاسبه میشود. اگر {{R_F}} با {{R_1}} برابر باشد، ضریب تقویت مدار ( 1-) میشود. این مدار را بافر (Buffer) منفی مینامند.
کار عملی 7: تقویتکننده معکوسکننده در نرم افزار (صفحه 113 کتاب درسی)
هدف: بررسی عملکرد تقویتکننده عملیاتی به صورت حلقه باز در نرمافزار
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرمافزار- لوازم التحریر
مراحل اجرای کار
1- نرمافزار مولتیسیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 60-4 را در محیط نرم افزار ببندید.
3- مدار را راهاندازی کنید.
4- شکل موج ورودی و خروجی مدار را روی صفحه اسیلوسکوپ نرمافزار به صورت پایدار ظاهر کنید. سپس شکل موجها را در نمودار شکل 61-4 رسمکنید.
5- چرا موج خروجی به صورت مربعی در آمده است؟ شرح دهید.
کار عملی 8: تقویتکننده معکوسکننده با قطعات واقعی (صفحه 114 کتاب درسی)
هدف: بررسی عملکرد تقوی تکننده معکوسکننده و محاسبه بهره ولتاژ مدار در آزمایشگاه
مواد، ابزار و تجهیزات: بِرِد بُرد یک قطعه- اسیلوسکوپ یک دستگاه- منبع تغذیه یک دستگاه- سیگنال ژنراتور یک دستگاه- مقاومت 10K\Omega دو عدد- مقاومت 22K\Omega یک عدد- آی سی 741 یک عدد- سیمهای رابط
1- مدار شکل 62-4 را روی بردبُرد ببندید.
2- منبع تغذیه را به مدار وصل کنید و مدار را راهاندازی کنید.
3- به ورودی مدار یک سیگنال سینوسی با فرکانس 1 کیلوهرتز وصل کنید. دامنۀ پیک تاپیک و اختلاف فاز ولتاژهای {V_O} و {V_i} را با استفاده از اسیلوسکوپ اندازه بگیرید، سپس بهره ولتاژ مدار را به دست آورید و یادداشت کنید.
4- شکل موج سیگنالهای ورودی و خروجی را هنگامی که {R_2} = 22K\Omega است و خروجی بیشترین دامنه بدون تغییر شکل را دارد، در نمودار شکل 63-4 با مقیاس مناسب رسم کنید T/D و V/D را روی محورهای مختصات مشخص کنید.
5- با توجه به مقادیر {V_O} و {V_i} مقدار بهره ولتاژ و اختلاف فاز ولتاژهای {V_O} و {V_i} را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
{V_{IN(PP)}} = .......
{V_{O(PP)}} = ........
{A_V} = .......
\Phi = .......
6- با توجه به مقادیر {V_O} و {V_i} درکدام حالت تقویت کننده به بافر منفی تبدیل م یشود؟ در این حالت {A_V} چقدر است؟ شرح دهید.
تقویتکنندۀ غیرمعکوسکننده (وارونگر-Noninveting Amplifier)
مدار تقویتکننده غیرمعکوسکننده در شکل 64-4 رسم شده است. سیگنال ورودی Vin به ورودی مثبت Op-Amp اتصال دارد. در این مدار سیگنال خروجی با سیگنال ورودی هم فاز است. بهره ولتاژ این تقوی تکننده از رابطه {A_V} = 1 + \frac{{{R_F}}}{{{R_1}}} محاسبه میشود.
مدار بافر مثبت
بافر مثبت نوع خاصی از تقویتکننده غیرمعکوسکننده است. در این مدار مطابق شکل 65-4 تمام سیگنال خروجی به ورودی منفی برگشت داده شده است.
یکی از مشخصات مهم بافر مثبت، ایجاد تطبیق بین امپدانس بسیار زیاد با امپدانس کم است. زیرا عملاً امپدانس ورودی مدار بافر بسیار زیاد و امپدانس خروجی آن بسیار کم است.
کار عملی 9: تقویتکننده غیر معکوسکننده با قطعات واقعی (صفحه 116 کتاب درسی)
هدف: بررسی عملکرد تقویتکننده غیرمعکوسکننده و محاسبه بهره ولتاژ مدار
مواد، ابزار و تجهیزات: بِرِد بُرد یک قطعه- اسیلوسکوپ یک دستگاه- منبع تغذیه یک دستگاه- سیگنال ژنراتور یک دستگاه- مقاومت 10K\Omega دو عدد- مقاومت 22K\Omega یک عدد- آیسی 741 یک عدد- سیمهای رابط
مراحل کار عملی:
1- مدار شکل 66-4 را روی بردبُرد ببندید.
2- منبع تغذیه را به مدار وصل کنید و مدار را راهاندازی کنید.
3- به ورودی مدار یک سیگنال سینوسی با فرکانس 1کیلوهرتز وصل کنید. دامنه سیگنال ورودی را طوری تغییر دهید که سیگنال خروجی دارای بیشترین دامنه و بدون تغییر شکل (اعوجاج) باشد.
4- دامنۀ پیک تاپیک و اختلاف فاز ولتاژهای {V_O} و {V_i} را با استفاده از اسیلوسکوپ اندازه بگیرید سپس بهره ولتاژ مدار را بهدست آورید و یادداشت کنید.
{V_{IN(PP)}} = ....... ولت
{V_{O(PP)}} = ........ ولت
{A_V} = ....... مرتبه
\Phi = ....... درجه
5- شکل موج سیگنالهای ورودی و خروجی را هنگامی که {R_1} = 22K\Omega است و خروجی بیشترین دامنه بدون تغییر شکل را دارد، در نمودار شکل 67-4 با مقیاس مناسب رسم کنید. مقادیر V/D و T/D را روی محورها مشخص کنید.
6- با توجه به مقادیر {V_O} و {V_i} مقدار بهره ولتاژ و اختلاف فاز ولتاژهای {V_O} و {V_i} را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
{V_{IN(PP)}} = ....... ولت
{V_{O(PP)}} = ........ ولت
{A_V} = ....... مرتبه
\Phi = ....... درجه
مدار جمعکننده
یکی از مدارهای مفید دیگری که با استفاده از تقویتکننده عملیاتی ساخته میشود، مدار جمعکننده است. این مدار دارای دو یا چند ورودی و یک خروجی است. شکل 68-4 یک جمعکننده با سه ورودی را نشان میدهد.
ولتاژ خروجی از رابطۀ {V_O} = - {R_F}(\frac{{{V_1}}}{{{R_1}}} + \frac{{{V_2}}}{{{R_2}}} + \frac{{{V_3}}}{{{R_3}}}) محاسبه میشود. تحت شرایط خاص چنانچه {R_1} = {R_2} = {R_3} = {R_F} باشد خواهیم داشت {V_O} = - ({V_1} + {V_2} + {V_3})
کار عملی 10: جمعکننده در نرمافزار (صفحه 117 کتاب درسی)
هدف: بررسی عملکرد مدار جمعکننده در نرمافزار
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرمافزار- لوازم التحریر
مراحل کار عملی:
1- نرمافزار مولتی سیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 69-4 را در محیط نرمافزار ببندید.
3- مدار را راهاندازی کنید.
4- ولتمتر نرمافزار را به خروجی مدار وصل کنید.
5- آیا مقدار ولتاژ خروجی مجموع ولتاژهای ورودی است؟ شرح دهید.
تقویتکننده با ورودی تفاضلی
تاکنون تقویتکنندههای عملیاتی را با اعمال یک سیگنال ورودی مورد بحث قرار دادیم. بسیاری از اوقات به تقویتکنندههای با ورودی تفاضلی نیازمندیم زیرا یک تقویتکننده با ورودی تفاضلی میزان نویز را به حداقل میرساند. به عنوان مثال باید در طبقه ورودی یک دستگاه الکتروکاردیوگراف میزان نویز مربوط به 50 هرتز برق شهر را به شدت کاهش داد. در این دستگاه دو الکترود به نقاط مختلف بدن یک انسان متصل میشوند و ضربانهای کوچک قلب را دریافت میکنند. سپس این ضربانها، تقویت میشود و به بلندگو، اسیلوسکوپ یا نوار ثبتکننده میرسد. نتیجه به دست آمده برای مطالعه و بررسی در اختیار پزشک قرار میگیرد. متأسفانه علاوه بر جذب ضربانهای قلب مقداری نویز 50 هرتز نیز جذب میشود. با به کار بردن یک تقویتکننده با ورودی تفاضلی میتوان مقدار این نویز را به حداقل رساند. در شکل 70-4 تقویتکننده با ورودی تفاضلی نشان داده شده است.
تقویتکننده با ورودی تفاضلی اصولاً ترکیبی از تقویتکنندههای معکوسکننده و غیرمعکوسکننده است.
اگر {R_{F2}} = {R_{{F_1}}} = {R_F} و {R_2} = {R_1} = R باشد، ولتاژ خروجی تقویتکننده با استفاده از رابطه زیر تعیین میشود.
{V_O} = \frac{{{R_F}}}{R}({V_2} - {V_1})
به خاطر داشته باشید که خروجی تقویتکننده میتواند نسبت به زمین، مثبت یا منفی باشد. بنابراین، {V_O} ممکن است متناسب با مقدار و جهت {V_1} و {V_2} مثبت یا منفی شود. وقتی ورودیها بهصورت تفاضلی استفاده میشوند، اگر دو سیم B و A به یکدیگر نزدیک باشند، هیچ اتصال زمینیمورد نیاز نیست. در هر صورت، در الکتروکاردیوگرافی گاهی ضرورت دارد که توسط سیم سومی زمین دستگاه را به بدن بیمار متصل کنند. این سیم زمین بر روی نقاط مختلف بدن تغییر داده میشود تا 50 هرتز جذب شده در هر دو سیم مشابه شوند. به این ترتیب با جابهجایی سیمها، سیگنال خروجی مربوط به 50 هرتز صفر میشود. به محض اینکه نویز به صفر رسید، تقویتکننده میتواند سیگنالهای ضعیف ضربان قلب را آشکار کند.
کار عملی 11: تقویتکننده با ورودی تفاضلی در نرمافزار (صفحه 118 کتاب درسی)
هدف: بررسی عملکرد تقویتکننده با ورودی تفاضلی در نرمافزار
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرمافزار- لوازم التحریر
مراحل کار عملی:
1- نرمافزار مولتی سیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 71-4 را در محیط نرمافزار ببندید.
3- اگر کلیه مقاومتها در مدار تقویتکننده با ورودی تفاضلی با هم برابر باشند، فرمول رو به رو چه تغییری میکند؟ در این حالت فرمول را بنویسید.
{V_O} = \frac{{{R_F}}}{R}({V_2} - {V_1})
4- مدار را راهاندازی کنید.
5- ولتمتر نرمافزار را به خروجی مدار وصل کنید. ولتاژ خروجی را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
6- آیا مقدار ولتاژ خروجی تفاضل ولتاژهای ورودی است؟ شرح دهید.
7- اگر به جای دو باتری {V_1} و {V_2} دو موج سینوسی با دامنه، فرکانس و فاز برابر به مدار بدهیم، شکل موج خروجی چگونه است؟ این موضوع را تجربه کنید. در این حالت مدار چه کاربردی دارد؟ شرح دهید.
مقایسهکننده (Comparator)
مقایسهکننده به مداری گفته میشود که ولتاژ یکی از ورودیهای خود را با ولتاژ مبنا در ورودی دیگر مقایسه میکند. ولتاژ مبنا میتواند مثبت، منفی یا صفر باشد. در Op-Amp متناسب با مقدار ولتاژ مثبت یا منفی ورودی، خروجی شکل میگیرد. درصورتی که مقدار ولتاژ ورودی مثبت بیشتر از ولتاژ ورودی منفی باشد، خروجی به ولتاژ اشباع مثبت و اگر مقدار ولتاژ ورودی منفی بیشتر از ولتاژ ورودی مثبت باشد، خروجی به اشباع منفی میرود. این نوع مدار را مدار مقایسهکننده مینامند.
مقایسهکننده در مدارهای زیر کاربرد دارد
اشمیت تریگر (Schmitt Trigger) یا مدار چهارگوشکننده (Squaring Circuit)
اشمیت تریگر مداری است که یک شکل موج نامنظم را به شکل موج مربعی یا پالس تبدیل میکند.
آشکارساز عبور از صفر (مبنا):
این مدار زمان و جهت عبور سیگنال ورودی را از ولتاژ صفر (مبنا) مشخص میکند.
آشکارساز سطح ولتاژ:
مداری است که شرایط مساوی شدن ولتاژ ورودی بایک ولتاژ مبنا را مشخص میکند.
نوسان ساز:
مداری است که شکل موج سینوسی یا مربعی یا مثلثی تولید میکند.
آشکارساز عبور از صف (Zero Crossing Detector)
در شکل 72-4 مدار مقایسهکننده با ولتاژ مبنای صفر (زمین) و در شکل 73-4 شکل موج ورودی و خروجی مدار رسم شده است. در این مدار زمین یا پتانسیل صفر به ورودی منفی (-) اعمال شده است. ولتاژی که باید با مبنا مقایسه شود ({V_i}) به ورودی (+) داده میشود. مدار، ولتاژ ({V_i}) را با ولتاژ مبنای صفر ولت مقایسه میکند و با توجه به قطب ولتاژ ورودی و نبودن شبکه فیدبک، خروجی آیسی به اشباع (حدود ولتاژ منبع تغذیه) میرود. از این مدار برای تولید موج مربعی از موج سینوسی نیز استفاده میکنند.
آشکارساز سطوح ولتاژ غیر صفر (Nonzero Level detector)
مدار آشکارساز سطوح صفر ولت را میتوان به آشکارساز ولتاژ غیر صفر ولت تبدیل نمود. برای این منظور به جای زمین کردن ورودی مثبت یا منفی، ولتاژی را به عنوان ولتاژ مقایسه (مبنا) انتخاب میکنیم. مثلاً در شکل 74-4 ولتاژ مبنا را 2 + ولت درنظر میگیریم و به ورودی منفی میدهیم. این ولتاژ را ولتاژ مقایسه (مبنا یا refrence = {V_{ref}}) مینامیم. تا زمانی که ولتاژ ورودی مثبت از ولتاژ مبنا ({V_{ref}}) کمتر است، خروجی op-Amp در اشباع منفی قرار میگیرد. در حالتی که {V_i} از {V_{ref}} بیشتر شود ورودی مثبت op-Amp نسبت به ورودی منفی آن مثبتتر میشود و خروجی op-Amp به اشباع مثبت میرود. در شکل 75-4 شکل موجهای ورودی و خروجی مدار رسم شده است.
روش عملی تأمین ولتاژ مبنا
ولتاژ مبنای مقایسه را میتوان از طریق دو مقاومت تقسیمکننده ولتاژ یا به وسیله یک دیود زنر و یک مقاومت تأمین کرد. شکلهای الف و ب 76-4 مدارهای تأمین ولتاژ مبنا را نشان میدهد.
الگوی پرسش (صفحه 121 کتاب درسی)
1- در مدار شکل 77-4 ولتاژ ورودی با ولتاژ صفر ولت مقایسه میشود. صحیح / غلط
2- یک مدار آشکار ساز عبور از صفر میتواند موج سینوسی را به موج ...................... تبدیل کند. صحیح / غلط
3- در شکل 78-4 ولتاژ خروجی در حالت ایدهآل صفر است. صحیح / غلط
4- در مدار شکل 79-4 کدامیک از مقادیر داده شده، مقدار ولتاژسطح مقایسه ({V_{REF}}) است؟
1-صفر
2- 2
3- 8
4- 10
5- کاربردهای مقایسه کننده را نام ببرید.
کار عملی 12: مقایسهگر با قطعات واقعی (صفحه 121 کتاب درسی)
هدف: بررسی عملکرد مقایسهگر در آزمایشگاه
مواد، ابزار و تجهیزات: بِرِد بُرد یک قطعه- منبع تغذیه یک دستگاه- مقاومت 3/3K\Omega و 4/7K\Omega و 470\Omega از هر کدام یک عدد- مقاومت LDR یک عدد- دیود زنر 3/3 ولت \frac{1}{4} وات یک عدد- آیسی 741 یک عدد- LED یک عدد- سیمهای رابط
1- مدار شکل 80-4 را روی بردبرُد ببندید.
2- منبع تغذیه را به مدار وصل کنید و مدار را راهاندازی کنید.
3- ولتاژ مبنا چند ولت است؟
4- افت ولتاژ کدام قطعه با ولتاژ مبنا مقایسه میشود؟
5- در چه حالت LED روشن میشود؟
الف) در حالت تابش نور به LDR
ب) در حالت تاریکی
6- نور تابانده شده LDR را قطع کنید. وضعیت نور LED به را بررسی کنید.
7- کاربرد مدار را شرح دهید.
اجرای پروژه
لزوم ساخت مدارهای مختلف، زمانی که به صورت آماده در بازار برای فروش وجود دارند، چیست؟
وقتی با به کارگیری ابزار شروع به ساخت پروژهای میکنیم، اتفاقات مثبتی رخ میدهد. نخست با ساخت یک پروژه (هرچقدر ساده) ذوق و شوق شدیدی در ما برای ساخت پروژههای سطح بالاتر به وجود میآید. در مرحله بعد با تشویق خانواده روبهرو شده و به این ترتیب آنها تواناییهای ما را باور میکنند. این موضوع باعث اعتماد به نفس بیشتر شده و سبب میشود به خودمان اتکا کنیم. در نهایت در فرایند ساخت یک پروژه با اتفاقات و مشکلات متعددی روبهرو میشویم و برای رفع مشکلات راه حل میاندیشیم و کمک میگیریم. این امر ما را صاحب تجربه میکند.
با پول میتوان محصولی آماده را خرید، اما تجربه را نه. تجربۀ ساخت، عیبیابی و راهاندازی یک پروژه بسیار ارزشمند است.
تقویتکننده صوتی 10 وات
آیسیهای متعددی به عنوان تقویتکننده صوتی وجود دارند. یکی از پُرکاربردترین آیسیها، آیسی تقویتکننده با شماره فنی TDA2003 است. این آیسی پنج پایه دارد. سیگنال ورودی به پایه شماره 1 اعمال میشود و سیگنال تقویتشده را از پایه شماره 4 دریافت میکنند. برای راهاندازی، به قطعات جانبی کمی نیاز است. جریانهای بالا (بیشتر از 3/5 آمپر) را با کمترین اغتشاش (Noise) در خروجی ارائه میدهد و دارای حفاظت داخلی اتصال کوتاه پایهها به یکدیگر و به زمین است. لازم به ذکر است که TDA2003 یک تقویتکننده مونو (Mono) است. تصویر این آیسی را در شکل 81-4 مشاهده میکنید. همچنین قسمتی از برگه اطلاعات (Data Sheet) این تراشه در شکل 82-4 نمایش داده شده است.
تحقیق (صفحه 123 کتاب درسی)
تفاوت تقویتکنندههای مونو و استریو (Sterio) و کاربردهای هر یک را بیابید. نتایج را به کارگاه ارائه دهید.
برگه اطلاعات:
در شکل 82-4 قسمتی از برگه اطلاعات آیسی TDA2003 نشان داده شده است.
پرسش (صفحه 124 کتاب درسی)
با توجه به برگه اطلاعات TDA2003 به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
1- حداکثر ولتاژ تغذیهای که میتوان به این قطعه وصل کرد چند ولت است؟
2- حداکثر جریان خروجی چند آمپر است؟
3- توان تلفاتی آیسی در دمای بدنۀ 90 درجه سانتیگراد چند وات است؟
نقشه فنی (شماتیک) تقویتکننده صوتی 10 وات
در شکل 83-4 نقشه فنی پروژه را مشاهده میکنید. طرح مدارچاپی نقشه و طرح منتقل شده روی فیبر در شکلهای 84-4 و 85-4 نشان داده شده است. {V_{in}} سیگنال صوتی ورودی است که از طریق خازن کوپلاژ {C_1} به ورودی آیسی داده میشود. سیگنال تقویت شده خروجی از طریق {R_1} و {R_2} و {C_4} به ورودی منفی آی سی بازخورد (Feedback) داده میشود.
کار عملی 13: طراحی پشت فیبر مدار چاپی، انتقال طرح روی فیبر و اسید کاری آن (صفحه 124 کتاب درسی)
هدف: آماده سازی فیبر جهت مونتاژ برد
مواد، ابزار و تجهیزات: رایانه- نرم افزار مناسب- فیبر مسی، کاغذ گلاسه، پرینتر
مراحل اجرای کار:
1- نرم افزار آلتیوم دیزاینر یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- نقشه فنی مدار را در نرمافزار رسم کنید.
3- طرح مدار چاپی نقشه را در ابعاد 6cm \times 5cm آماده کنید.
4- طرح pcb و نقشه شماتیک را ذخیره کنید.
5- از طرح pcb پرینتی تهیه کنید.
6- با رعایت کلیه نکات ایمنی، طرح pcb را با روش مناسب به روی فیبر انتقال دهید.
7- برد آماده شده را اسیدکاری کنید. پس از پایان اسیدکاری، با احتیاط برد را از اسید بیرون کشیده و با استفاده از مواد پاککننده اقدام به تمیز کردن خطوط مشکی نمایید تا مس زیر آن ظاهر شود.
نکات مهم هنگام اسیدکاری
- استفاده از دستکش را فراموش نکنید.
- چنانچه اسید با پوست تان برخورد کرد فوراً محل را با آب بشویید.
- هنگامی که آب داغ را روی پودر اسید میریزید صورتتان را دور نگه داشته و بخار تولید شده را تنفس نکنید.
- چون حرارت سرعت عمل اسید کاری را افزایش میدهد، میتوانید در داخل ظرفی آبگرم بریزید و سپس مانند شکل 86-4 ظرف اسید را در داخل آن قرار دهید.
فکر کنید (صفحه 125 کتاب درسی)
اگر پس از قرار دادن فیبر مسی در اسید آن را تکان ندهید لایه مس از بین نمیرود. چرا؟ از مربی خود کمک بگیرید.
کار عملی 14: سوراخکاری فیبر مدار چاپی تقویتکننده 10 وات (صفحه 125 کتاب درسی)
مواد، ابزار و تجهیزات: مینی دریل، یونولیت یا هر مورد مشابه آن، مته با اندازه مناسب
مراحل اجرای کار:
همانطور که قبلاً اشاره شده بود، برای سوراخکاری بُرد باید از دریل (Drill) استفاده کنید. همچنین در صورت امکان میتوانید مینی دریل (Mini-Drill) آماده را مورد استفاده قرار دهید. شکل 87-4 نمونهای از مینی دریل موجود در بازار را نشان میدهد.
در سوراخکاری به نکات زیر دقت نمایید:
- یک صفحه یونولیت یا هر صفحهای شبیه آن را زیر فیبر قرار دهید تا پس از سوراخ شدن فیبر و خروج مته از آن، سطح زیر آن آسیب نبیند.
- از متههای کند استفاده نکنید. چنانچه مته کُند باشد باید فشار بیشتری برای سوراخکاری به دریل اعمال نمایید. در این شرایط پس از سوراخ شدن فیبر، روی فیبر کمی برجسته میشود. این موضوع علاوه بر زشت شدن ظاهر فیبر، انتقال طرح را روی فیبر مشکل میکند.
- برای پایههای قطعاتی مانند خازن، مقاومت و ترانزیستورهای معمولی، از مته 0/8 یا یک و برای قطعاتی مانند رله، ترانزیستورهای قدرت، رگولاتورهای ولتاژ با جریان بالا، از متههای بالاتر از یک و مناسب با قطر پایه استفاده کنید.
- ابتدا دریل را کاملاً عمودی روی فیبر نگه دارید، سپس سوراخ کاری کنید.
پرسش (صفحه 126 کتاب درسی)
در کارخانهها و کارگاههای طراحی و ساخت مدار چاپی، سوراخکاری فیبر مدار چاپی چگونه انجام میشود؟
طرح روی فیبر مدارچاپی (راهنمای نصب قطعات)
پس از اتمام سوراخ کاری، باید طرح روی فیبر را منتقل کنید. طرح روی فیبر برای نشان دادن محل قرارگرفتن قطعات است. با چاپ این طرح به راحتی میتوانید محل قرارگرفتن قطعات مختلف را روی فیبر پیدا کنید. نقشه روی فیبر را با اتو بر روی فیبر منتقل کنید. انجام این مرحله مانند منتقل کردن نقشه پشت فیبر است. در این قسمت نهایت دقت را به خرج دهید تا نقشه در محل صحیح خود قرار گیرد. گذاشتن نقشه روی فیبر و گرفتن آن جلوی نور کمک زیادی در این امر به شما میکند. شکل 88-4 طرح روی فیبر مدار چاپی تقویتکننده را نشان میدهد. در این طرح از ولوم برای کنترل شدت صدا و از LED برای نشان دادن اتصال برق به منبع تغذیه استفاده شده است.
مونتاژ قطعات
با توجه به نقشه شماتیک پروژه فهرستی از قطعات مورد نیاز تهیه کنید. قطعات مورد نیاز برای این پروژه در جدول 7-4 آورده شدهاند.
فکر کنید (صفحه 127 کتاب درسی)
چنانچه در محیطی کار میکنید که قطعات و وسایل مختلفی در اختیار شما است، به این نکته دقت داشته باشید که امان تداری را رعایت نمایید. این اصل مهم را همیشه در زندگی به یاد داشته باشید که هر عملی عکس العملی دارد. یعنی هر کاری کنیم نتیجه آن دیر یا زود به سمت خودمان بر میگردد. یکی از محیطها در حال حاضر همین هنرستان شما است. در نگهداری فضا، تجهیزات و اموال هنرستان کوشا باشید.
نکات مهم هنگام مونتاژ قطعات
- به ولتاژ کار خازنها دقت کنید. استفاده از خازنی با ولتاژ کار پایینتر از مقادیر ذکر شده سبب آسیب دیدن آن میشود. همچنین چون خازنهای با ولتاژ کار بالاتر دارای ابعاد بزرگ تری هستند استفاده از آنها ممکن است مشکل ایجاد کند. بنابراین باید از خازن مناسب از نظر ولتاژ و ابعاد استفاده کنید.
- به پلاریته (مثبت و منفی) قطعات هنگام قرار دادن آنها در سوراخهای فیبر مدارچاپی دقت کنید. این یکی از اشتباهات متداول هنگام مونتاژ توسط افراد تازه کار است. طرح روی فیبر این امکان را به شما میدهد تا به راحتی پلاریته قطعات را بیابید.
- سعی کنید ابتدا هر قطعه را در جایگاه خود قرار دهید و لحیم کنید سپس اقدام به مونتاژ قطعه بعدی نمایید. در این شرایط فرایند مونتاژ با دقت بیشتری صورت میگیرد.
بررسی صحت قطعات
این مهم را به خاطر داشته باشید، که اگر در فرایند ساخت یک پروژه از قطعات مستعمل و قدیمی استفاده میکنید، حتماً قبل از مونتاژ، آن را آزمایش کنید. چنانچه قطعات مورد نظر مقاومت، خازن، سیمپیچ، دیود یا ترانزیستور باشد، میتوانید با استفاده از مولتیمتر به صحت آنها پیببرید. قطعات الکترونیک صنعتی را نیز میتوانید با همین روش آزمایش کنید. اما دقت داشته باشید که چنانچه این قطعات جریان بالا باشند، نمیتوان آنها را توسط مولتیمتر آزمایش کرد. چرا؟
توجه: سلامت آیسیها را نمیتوان با مولتیمتر مورد بررسی قرار داد. برای مثال صحت کار آیسی تقویتکننده صوتی در این پروژه فقط در مدار امکانپذیر است.
نکته: لازم به ذکر است که برای آزمایش قطعات، مدارها و دستگاههایی در بازار موجود است. شکل 89-4 نمونههایی از این نوع دستگاهها را نشان میدهد که برای آزمایش قطعات دو و سه پایه به کار میرود.
چگونگی فرمدهی و نصب قطعات
قبل از قرار دادن قطعات در سوراخهای برد، باید پایههای آنها را خم کنید و فرم دهید. مثلاً اگر میخواهید مقاومت را مونتاژ کنید، ابتدا پایهها را به سمت پایین خم کنید، سپس داخل سوراخهای بُرد قرار دهید. از پشت فیبر (سمت مس) کمی پایههای آن را خم کرده و لحیمکاری را انجام دهید. پس از آن با سیم چین قسمت اضافی پایهها را قطع کنید.
فکر کنید (صفحه 128 کتاب درسی)
آیا از ناخنگیر میتوان به جای سیمچین استفاده کرد. چرا؟
- اگر همه قطعات را در جای خود قرار دهید و سپس اقدام به لحیمکاری هم زمان قطعات کنید، چه مشکلاتی پیش میآید؟
پس از اتمام لحیمکاری قطعات، سیمهای مربوط به تغذیه، ورودی و خروجی صدا را نیز در جای خود لحیم کنید. نکتهای که باید به آن توجه داشته باشید، استفاده از سیم با دو رنگ متفاوت برای تغذیه (مثبت ومنفی) و ورودی (مثبت و منفی) و خروجی است. مثلاً در تمام پروژه خود سیم با رنگ مشکی را برای منفی در نظر بگیرید. در شکل 90-4 مدار مونتاژ شده پروژه را مشاهده مینمایید. بهعلت عبور جریان از آیسی TDA2003 حرارت تولید میشود، به همین دلیل باید بر روی آن گرماگیر (Heat sink) نصب کرد. شکل 91-4 نمونهای از یک هیت سینک را نشان میدهد که برای این آیسی مناسب است. در بازار، این مدل را گرماگیر تراشهای مینامند.
بارش فکری (صفحه 129 کتاب درسی)
به سؤالات زیر به صورت بارش فکری پاسخ دهید سپس نتایج را جمعبندی کنید.
اگر از گرماگیر استفاده نشود چه مشکلی در مدار به وجود خواهد آمد؟
گرماگیرها عموماً از چه موادی ساخته میشوند؟ دلیل انتخاب این مواد چیست؟
آلایندههای برد
پس از اتمام مونتاژ کاری به علت استفاده از روغن لحیم، مقداری مواد روغنی پشت برد باقی میماند. این مواد علاوه بر نازیبا کردن کار، در بسیاری از مدارها باعث ایجاد اشکال در عملکرد صحیح مدار نیز میشوند. همچنین وجود گرد و غبار در دستگاههای الکترونیکی نیز یکی از مواردی است که باید به آن توجه نمود.
تمیزکاری بُرد مونتاژ شده
همانطور که اشاره شد پس از پایان مونتاژ کاری برد و نصب قطعات، به دلیل استفاده از هویه، لحیم و روغن لحیم، سطح کار آلوده میشود. این آلودگیها کیفیت عملکرد مدار را کاهش داده و حتی ممکن است عیب اساسی در عملکرد مدار ایجاد کند. مثلاً در ساخت یک ساعت اگر پشت فیبر مدار چاپی تمیز نباشد ممکن است ساعت کندتر یا تندتر بشمارد، یا در یک تقویتکننده صوتی سبب اغتشاش در خروجی شود. بنابراین پس از اتمام کار مونتاژ، حتماً باید با استفاده از مواد مخصوص فیبر را پاک کنیم. اسپریهای مختلفی در بازار برای این کار موجود است. در شکل 92-4 نمونهای از اسپریهای موجود را مشاهده میکنید که در دو نوع خشک و چرب عرضه میشوند. نوع خشک برای تمیز کردن فیبر مدار چاپی که روغنی شدهاند مناسب است. نوع چرب برای روانکاری و از بین بردن اکسیدها در کلیدها، رلهها و این قبیل قطعات به کار میرود. پس از مونتاژکاری، به مقدار کافی پشت فیبر را اسپری بپاشید. سپس آن را با برس یا مسواک پاک کنید. برای این کار میتوانید از یک مسواک مستعمل استفاده نمایید و آن را برای همین کار در جعبه ابزار خود قرار دهید. برسزنی را آن قدر ادامه دهید تا سطح کار تمیز و کاملاً خشک شود.
پژوهش (صفحه 130 کتاب درسی)
در الکترونیک از چه نوع اسپریهایی استفاده میکنند؟ در این زمینه تحقیق کرده و نتیجه را به کارگاه ارائه دهید.
ردیف | نام اسپری | حدود قیمت | کاربرد |
---|---|---|---|
1 | جلوگیری از اکسید شدن مسیرها در فیبر مدار چاپی | ||
2 | |||
3 | |||
4 |
الگوی پرسش (صفحه 130 کتاب درسی)
1- استفاده از هویه کم وات یا پُر وات (نا مناسب) برای مونتاژ قطعات الکترونیکی سبب لحیم سرد یا سوختن قطعات میشود. صحیح / غلط
2- چه متههایی برای سوراخکاری بردهای الکترونیکی مناسب هستند؟ هر کدام برای پایههای چه قطعاتی مناسباند؟
3- اسیدهای مدارچاپی در چند نوع عرضه میشود؟ چگونگی استفاده از هرکدام را شرح دهید.
4- آیسی TDA2003 از چه مدل بسته بندی استفاده میکند؟ مشخصات این قطعه را نام ببرید.
5- مراحل ساخت یک مدار، از طراحی پشت فیبر توسط نرمافزار تا پایان مونتاژکاری را به ترتیب در یک روندنما (Flowchart) نشان دهید.
6- معنی لغات زیر را به فارسی بنویسید.
Feedback:
Speaker:
Pre Amplifier:
Mono:
7- تقویتکنندهای که دارای یک ورودی و یک خروجی جداگانه برای تقویت سیگنال صوتی است ......... نام دارد.
8- تقویتکنندهای که دارای دو ورودی و دو خروجی جداگانه برای تقویت سیگنال صوتی است ......... نام دارد.
9- آیا از روی ظاهر مقاومت و خازن میتوان به سالم بودن تقریبی آن پی برد؟ چگونه؟
10- برای پی بردن به سالم یا معیوب بودن یک آیسی چه باید کرد؟
11 برای تمیز کردن داخل یک ولوم که گرد و غبار گرفته است از چه اسپری باید استفاده کرد؟
معرفی چند پروژه کاربردی
ساخت مدار کلید الکترونیکی
برای قطع و وصل وسایل الکترونیکی و الکتریکی از قطعهای به نام کلید (Switch) استفاده میشود که قطعاً با آنها آشنا هستید. برای روشن و خاموش کردن پروژههایی که میسازید باید از کلیدهای قطع و وصل (OFF-ON) مختلفی که در بازار وجود دارند استفاده کنید. در شکل 93-4 دو نمونه کلید را مشاهده میکنید.
اگر به کنترل تلویزیون دقت کرده باشید میبینید که با فشار دکمه روشن و خاموش (POWER) دستگاه روشن شده و با فشار مجدد آن خاموش میشود. چنانچه مداری بسازیم که به این صورت عمل کند، به آن کلید قطع و وصل الکترونیکی میگویند. در این پروژه با یک سوئیچ الکترونیکی آشنا خواهید شد که کاربردهای فراوانی دارد.
نقشه فنی مدار
در شکل 94-4 مدار مورد نظر را مشاهده میکنید. در این پروژه آیسی CD4013 استفاده شده است این آیسی میتوان دو سوییچ دیجیتال ساخت و بهطور جداگانه به هر کدام فرمان لازم را برای انجام کاری داد. قسمتی از مدار که با نام پایانه (Terminal) مشخص شده است، به عنوان کنتاکتهای کلید هستند که در مدار قرار میگیرند و وسیلهای را قطع و وصل میکنند. این کنتاکتها میتوانند به وسایل مختلف با ولتاژ کم یا ولتاژ زیاد متصل شوند (با مراجعه به برگه اطلاعات رله میتوانید جریان و ولتاژ قابل تحمل کنتاکتهای رله و بوبین را پیدا کنید). جدول 8-4 فهرست قطعات مورد نیاز این مدار را نشان میدهد.
قطعه | تعداد | توضیحات | قطعه | تعداد |
---|---|---|---|---|
آیسی CD4013 | 1 | مقاومت 220\Omega | 1 | |
رله | 1 | 12 ولتی | مقاومت 220k\Omega | 1 |
ترانزیستور معمولی NPN | 1 | مثل C945:,BC107 | خازن 1\mu f | 1 |
مقاومت 10k\Omega | 1 | کلید فشاری برای نصب روی جعبه | 1 |
طراحی پشت و روی فیبر مدار چاپی
نمونهای از طرح پشت و روی فیبر مدار چاپی را در شکل 95-4 ملاحظه مینمایید.
کلید فشاری به قسمت switch روی فیبر متصل میشود. کانکتور (terminal) هم برای اتصال به وسیلهای است که قصد قطع و وصل آن را دارید. شکل 96-4 مدار مونتاژ شده را مشاهده مینمایید.
پروژه تشخیص ورود افراد ناشناس
شما با چگونگی عملکرد دزدگیر اتومبیل تا حدود زیادی آشنایی دارید. در دزدگیرهای ساده خودرو، با باز شدن در، کلید نصب شده روی در عمل میکند و آژیر (Siren) را به صدا درمیآورد. در پروژهای که قصد انجام آن را داریم میخواهیم با استفاده از سنسور (Sensor) تشخیص حرکت انسان، اقدام به ساخت سیستم ورود افراد ناشناس کنیم.
سنسور چیست؟
سنسور قطعهای است که کمیتی فیزیکی را حس میکند و آن را به کمیتی الکتریکی تبدیل میکند. مثلاً سنسور دما، حرارت محیط را حس کرده و آن را به ولتاژ یا به هر کمیت دیگر الکتریکی مانند فرکانس یا مقاومت تبدیل میکند.
شکل 97-4 چند مدل سنسور دما را نشان میدهد. این سنسورها، در ورودی کمیت دما را حس نموده و آن را در خروجی به تغییر مقاومت، تغییر ولتاژ یا تغییر فرکانس تبدیل میکنند.
در جدول 9-4 تعدادی سنسور پرکاربرد معرفی شدهاند.
نام سنسور | کاربرد | شکل ظاهری | مشخصات |
---|---|---|---|
SHT11 | سنسور رطوبت |
|
ولتاژ کاری: 2/4 تا 5/5 ولت (ولتاژ پیشنهادی: 3/3 ولت) خروجی دیجیتال |
MQ-4 | سنسور گاز (آشکار ساز گاز متان) |
|
ولتاژ هیتر: 5 ولت DC یا AC توان مصرفی: 750 میلی وات |
TSL230 | سنسور تشخیص رنگ (نوعی مبدل نور به فرکانس) |
|
قابلیت اتصال مستقیم به میروکنترلرها قابلیت کارکرد با ولتاژهای پایین از 2/7 ولت |
جستوجو کنید (صفحه 134 کتاب درسی)
با جستوجو در اینترنت 5 نوع سنسور مختلف را که در جدول 9-4 نیامده است، شناسایی کرده و مشخصات آنها را بیابید. سپس جدول 10-4 را تکمیل کرده و ارائه دهید.
ردیف | نام سنسور | کاربرد | نوع خروجی |
---|---|---|---|
1 | |||
2 | |||
3 | |||
4 | |||
5 |
در این پروژه از یک ماژول (Module) استفاده میکنیم که یک سنسور تشخیص حرکت انسان روی آن نصب است و کار را برای کاربر راحت کرده است. ماژول در واقع یک مدار یک پارچه و آماده است که کار خاصی را انجام میدهد. با ترکیب ماژولها میتوانیم یک سامانه کامل بسازیم و یک فعالیت کامل را اجرا کنیم.
فعالیت (صفحه 135 کتاب درسی)
با مراجعه به برگه اطلاعات یک نمونه ماژول سنسور رطوبت یا گاز، مشخصات آن را استخراج کنید و در قالب یک گزارش ارائه دهید.
اجزای یک نمونه ماژول (Module)
معمولاً ماژولی که پدیدۀ فیزیکی را کنترل میکند، یک سنسور دارد که میتواند کمیتی را حس کند، سپس با استفاده از مدارهای مختلف، کمیت حس شده را به سیگنالی آنالوگ یا دیجیتال تبدیل میکند. مثلاً ماژول تشخیص گاز خانگی که با استفاده از سنسور MQ5 ساخته شده است میتواند گاز طبیعی، گاز مایع یا گاز شهری را حس کند. با حس کردن گاز ولتاژ آنالوگ پایه خروجی افزایش مییابد. این ماژول را در شکل 98-4 مشاهده مینمایید. ماژولهای بسیاری در بازار با قیمتهای پایین وجود دارند که کار را برای کاربران بسیار آسان کردهاند. در جدول 11-4 تعدادی ماژول موجود در بازار معرفی شدهاند.
نام ماژول | شکل ظاهری |
---|---|
تشخیص اثر انگشت (اسکنر انگشت) | |
ماژول تشخیص سطح آب | |
ماژول تشخیص رطوبت HR202 | |
ماژول WiFi |
پژوهش (صفحه 136 کتاب درسی)
با جستوجو در اینترنت و سایتهایی که فروش اینترنتی قطعات الکترونیکی را انجام میدهند، نام حداقل 5 ماژول را پیدا کرده و در کارگاه مطرح نمایید. سپس در مورد کاربردهای هر کدام با مربی و هم کلاسیهای خود گفتوگو کنید.
ماژول تشخیص حرکت انسان
ماژولهای مختلفی در بازار برای این کاربرد یافت میشوند. به عنوان مثال در شکل 99-4 دو مورد از این ماژولها را مشاهده مینمایید.
معرفی ماژول HC-SR501
HC-SR501 یک ماژول تشخیص حرکت انسان است.
سنسور PIR مخفف شده کلمات Pyroelectric ("Passive") InfraRed است. بدن انسان حرارت دارد. این حرارت تولید امواج مادون قرمز (Infra Red) میکند و سنسور تعبیه شده روی این ماژول امواج مادون قرمز را تشخیص میدهد. با تشخیص حضور یک انسان توسط این سنسور، پایه خروجی این ماژول برای مدت زمانی خاصی ولتاژ 3/3 ولت را خواهد داشت و سپس صفر میشود. زمان توسط پتانسیومتری که روی ماژول قرار دارد قابل تنظیم است.
برخی کاربرد این ماژول
الف) سیستمهای حفاظتی، امنیتی و تشخیص ورود افراد
ب) روشنایی خودکار محیط
پ) در اتوماتیک فروشگاهها، بانکها
مشخصات ماژول
ولتاژ کار: 5 تا 20 ولت
ابعاد: 32 \times 24 میلیمتر
مسافت قابل تشخیص: حدود 3 متر تا 7 متر (که توسط پتانسیومتر روی ماژول قابل تنظیم است.
قابلیت تنظیم زمان فعال بودن خروجی توسط پتانسیومتر روی ماژول شکل 100-4 این ماژول را نشان میدهد.
فعالیت (صفحه 137 کتاب درسی)
با مراجعه به برگه اطلاعات ماژول، سایر مشخصات آن را استخراج کنید و در قالب یک گزارش ارائه دهید.
تنظیم ماژول
با چرخاندن پتانسیومتر حساسیت به سمت راست، حساسیت ماژول کم میشود. با تنظیم این پتانسیومتر میتوان قابلیت تشخیص را از 3 متر تا حداکثر 7 متر تغییر داد. همچنین با تنظیم پتانسیومتر زمان، میتوان زمان خروجی را برای مدت زمانهای مختلفی در وضعیت 3/3 ولت نگه داشت. چنانچه این پتانسیومتر در کمترین مقدار قرار گیرد (به سمت راست) پس از تشخیص انسان حدود 3 ثانیه پایه خروجی ماژول در ولتاژ 3/3 ولت قرار میگیرد سپس صفر میشود. اما اگر این پتانسیومتر به سمت چپ چرخانده شود این زمان تا چند دقیقه قابل افزایش است (حدود 5 دقیقه).
اگر در قسمت Trigger پایه وسط را به پایه H وصل کنید، خروجی ماژول پس از تشخیص انسان، وصل شده و همواره در 3/3 ولت باقی میماند.
الگوی پرسش (صفحه 137 کتاب درسی)
1- نقش دیود محافظ که در ورودی ماژول HC-SR501 به صورت سری نصب شده چیست؟
2- به چه دلیل در ماژول HC-SR501 از رگولاتور استفاده شده است؟
3- در صورت تشخیص انسان توسط ماژول معرفی شده، پایه خروجی ....................... ولت میشود.
4- زاویه تشخیص ماژول معرفی شده حدود ........................... درجه است.
پژوهش (صفحه 137 کتاب درسی)
در مورد تفاوت ماژول HC-SR501 و HC-SR505 تحقیق کنید و نتیجه را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
پروژه ساخت مدار تشخیص ورود افراد ناشناس
مواد، ابزار تجهیزات: ماژول SR505، آیسی 555، بلندگو، مقاومت و خازنهای موجود مدار، پین هدر (PinHeader)
در شکل 102-4 مدار تشخیص ورود افراد ناشناس رسم شده است. با ورود شخص به محل نصب ماژول خروجی آن 3/3 ولت خواهد شد. این ولتاژ باعث فعال شدن آیسی 555 میشود که در مدار به عنوان آژیر (Siren) بهکار رفته است و فرکانسی در محدوده شنوایی گوش انسان تولید میکند.
هنگام طراحی مدار چاپی این پروژه، از پین هدر (Pin Header) که نوعی مادگی سه پایه است استفاده کنید تا پس از مونتاژ، ماژول به راحتی روی آن نصب یا جدا شود. شکل 101-4 پین هدرنری و مادگی را نشان میدهد.
الگوی آزمون نظری (صفحه 139 کتاب درسی)
1- در یک آمپلی فایر صوتی ورودی معمولاً میکروفون و خروجی بلندگو است. صحیح / غلط
2- انواع کوپلاژ را نام ببرید.کدام نوع کوپلاژ سیگنال DC را به راحتی عبور میدهد؟
3- در کوپلاژ خازنی به علت وجود .................... تلفات توان (کم-زیاد) است.
4- علامت اختصاری JFET با کانال P و N را رسم کنید و نام پایههای آن را بنویسید.
5- در JFET ولتاژ بحرانی را تعریف کنید.
6- شکل موج خروجی را در شکل 104-4 رسم کنید. نام مدار را بنویسید.
7- مشخصات تقویتکننده عملیاتی ایدهآل را بنویسید.
8- در مدار مقایسهکننده سطح ولتاژ، ولتاژ مبنا معمولاً توسط ................ و یا توسط ........................ ایجاد میشود.
9- ماژول SR505 در تشخیص چه موردی به کار میرود؟ شرح دهید.
الگوی آزمون عملی نرمافزاری (صفحه 139 کتاب درسی)
1- نرمافزار مولتیسیم یا هر نرمافزار مناسب دیگر را راهاندازی کنید.
2- مدار شکل 105-4 را در محیط نرمافزار ببندید.
3- مدار را راهاندازی کنید.
4- با ولتمتر نرمافزار ولتاژ مبنای مقایسه را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
5- در نور معمولی محیط آیا LED روشن است یا خاموش؟
6- در چه شرایطی LED روشن میشود؟ این حالت را به اجرا در آورید.
الگوی آزمون عملی با قطعات واقعی (صفحه 139 کتاب درسی)
1- مدار شکل 106-4 را روی بردبُرد ببندید.
2- منبع تغذیه را به مدار وصل کنید و مدار را راهاندازی کنید.
3- به ورودی مدار یک سیگنال سینوسی با فرکانس 1کیلوهرتز وصل کنید. دامنه سیگنال ورودی را طوری تغییر دهید که سیگنال خروجی دارای دامنۀ 5 ولت پیک تا پیک شود.
4- دامنۀ پیک تا پیک و اختلاف فاز ولتاژهای {V_O} و {V_i} را با استفاده از اسیلوسکوپ اندازه بگیرید سپس بهره ولتاژ مدار را بهدست آورید و یادداشت کنید.
{V_{IN(PP)}} = ....... ولت
{V_{O(PP)}} = ...... ولت
{A_V} = ....... مرتبه
\Phi = ....... درجه
5- شکل موج سیگنالهای ورودی و خروجی را هنگامی که {R_1} = 47K\Omega است و خروجی دارای دامنه 5 ولت پیک تا پیک است، در نمودار شکل 107-4 با مقیاس مناسب رسم کنید. T/D وT/V را روی محورها مشخص کنید.
6- دامنۀ پیک تاپیک و اختلاف فاز ولتاژهای {V_O} و {V_i} را با استفاده از اسیلوسکوپ اندازه بگیرید سپس بهره ولتاژ مدار را به دست آورید و یادداشت کنید.
{V_{IN(PP)}} = ....... ولت
{V_{O(PP)}} = ...... ولت
{A_V} = ....... مرتبه
\Phi = ....... درجه
واحد یادگیری 5: راهاندازی و عیبیابی پروژه آنالوگ
آیا تا به حال فکر کردهاید؟
- چه روشهایی برای عیبیابی مدارهای الکترونیکی وجود دارد؟
- اتصال اشتباه تغذیه چه معایبی را در مدار ایجاد میکند؟
- چه دستگاههایی برای عیبیابی مدارهای الکترونیکی مورد نیاز است؟
- استفاده از جعبه مناسب برای یک دستگاه چه اهمیتی دارد؟
در مراحل مونتاژ هر بُرد الکترونیکی ممکن است به دلیل اشتباهاتی که رخ میدهد، بُرد به درستی کار نکند. در این حالت عیبیابی بُرد اهمیت زیادی دارد. اگر فراگیران، اصول عیبیابی را به خوبی فراگیرند به آسانی میتوانند روش آموزش داده شده برای عیبیابی را به سایر دستگاههای الکترونیکی نیز تعمیم دهند. همچنین لازم است بعد از مونتاژ هر بُرد، بهمنظور محافظت آن از عوامل محیطی و اتصال قطعات جانبی به آن ، بُرد را در جعبه مناسب قرار دهند. در این واحد یادگیری، مدار تقویتکننده کامل صوتی را مورد بررسی قرار میدهید. سپس تقویتکننده را آزمایش و راهاندازی میکنید. در ادامه مدار پروژه را با اضافه کردن یک بُرد پخش صوت MP3 تکمیل و جعبه مناسبی را برای آن انتخاب مینمایید. در تمام مراحل اجرای کار، رعایت نکات ایمنی و بهداشتی و شایستگیهای غیر فنی مانند کارگروهی، رعایت نکات ایمنی دستگاهها، دقت و تمرکز در اجرای کار باید مورد توجه قرار گیرد.
استاندارد عملکرد
راهاندازی و عیبیابی پروژه کاربردی آنالوگ با رعایت استانداردهای تعریف شده
مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز
ابزار عمومی برق یا الکترونیک- لوازمالتحریر منبع تغذیه- مولتیمتر اسیلوسکوپ- سیگنال ژنراتور- بُرد مونتاژ شده پروژه- وسایل لحیمکاری- مواد پاککننده- دریل- مته مناسب- قطعات الکترونیکی مورد نیاز (متناسب با نوع پروژه)
تغذیه مدارهای الکترونیکی
سامانه تغذیه یک مدار الکترونیکی از اجزای بسیار مهم آن است. به مدارهای شکل 1-5 دقت کنید. ولتاژهای تغذیه این مدارها از چه طریق تأمین میشود؟
در مدار «الف» از یک باتری به عنوان تغذیه استفاده شده است. باتری یکی از منابع تولید جریان مستقیم (DC) است. حتی اگر نماد مداری باتری هم وجود نداشت، باز هم از روی علامت + میتوانستیم به ولتاژ DC تغذیه پیببریم. در مدار «ب» دو ترمینال با نامهای N و L وجود دارد. منظور از L فاز و N نول است. وجود فاز و نول نشانۀ وجود ولتاژ AC است. علاوهبر این مورد مابین این دو ترمینال عبارت «AC 220 v» را میتوان دید که مشخص میکند ولتاژ تغذیه متناوب بوده و مدار با ولتاژ 220 ولت راهاندازی میشود. گاهی در مدارها به جای یک ولتاژ، یک محدوده ولتاژ نوشته میشود. به مدار شکل 2-5 دقت کنید. این مدار میتواند با ولتاژی بین 12 تا 15 ولت کار کند.
نکته: توجه داشته باشید که همه ولتاژها به راحتی در دسترس نیستند. مثلاً کمتر ترانسفورماتوری یافت میشود که خروجی آن 13 ولت باشد. اما ترانسفورماتور با ولتاژ خروجی 12 ولت متداول است.
جستوجو در اینترنت (صفحه 144 کتاب درسی)
با جستوجو در سایتهای معتبر، چند مدار الکترونیکی بیابید که دارای محدوده ولتاژی وسیع مثلاً از 9 تا 20 ولت باشند.
تغذیه مدار تقویتکننده
مدار تقویتکننده 10 واتی ساخته شده در واحد یادگیری 4 با ولتاژ 12 ولت مستقیم کار میکند.
پس از ساخت یک منبع تغذیه 12 ولتی، ولتاژ خروجی آن را به وسیله ولتمتر اندازه بگیرید، سپس منبع تغذیه را به مدار تقویتکننده وصل کنید.
تعیین ولتاژها و سیگنالهای مدار
برای اطمینان از عملکرد صحیح مدار، اندازهگیری ولتاژها و سیگنالهای قسمتهای مختلف مدار، لازم است. برای مشاهده سیگنال قسمتی از مدار باید از اسیلوسکوپ استفاده شود.
اندازهگیری ولتاژ و جریان مدار تقویتکننده 10 وات
با استفاده از ولتمتر و آمپرمتر میتوانید به بررسی ولتاژ و جریان مدار بپردازید. برای این منظور میتوانید با توجه به شکل 3-5 وسایل اندازهگیری رادر مدار قرار دهید و ولتاژهای نقاط مختلف مدار را نسبت به زمین و جریان مدار را اندازه بگیرید. سپس مقادیر اندازهگیری شده را با مقادیر داده شده در جدول 1-5 مقایسه کنید. در جدول 1-5 ولتاژ تغذیه و جریان مدار مشخص شده است. اگر ولتاژ و جریان با مقادیر جدول همخوانی داشته باشد مدار سالم است. اما اگر تفاوت زیاد باشد به معنی وجود عیب در مدار است.
تمرین (صفحه 145 کتاب درسی)
جدول 1-5 را ترجمه کرده و در جدول 2-5 یادداشت نمایید. از موارد مهم در رشته الکترونیک آشنا بودن با زبان انگلیسی و استفاده ازمحتویات ارائه شده در برگههای اطلاعات و فهم متون سایتهای علمی و مقالات انگلیسی است.
.Unit | .Max | .Typ | .Min | Test Conditions | Parameter | Symbol |
---|---|---|---|---|---|---|
V | 18 | 8 | Supply Voltage | {V_S} | ||
V | 7.7 | 6.9 | 6.1 | Quiescent output Voltage (Pin4) | {V_O} | |
mA | 50 | 44 | Quiescent drain Current (Pin5) | {I_d} |
کار عملی 1: اندازهگیری ولتاژ و جریان تقویتکننده 10 وات (صفحه 145 کتاب درسی)
مواد، ابزار و تجهیزات: آمپرمتر، ولتمتر، بُرد مونتاژ شده، منبع تغذیه، سیمهای رابط
هدف: اندازهگیری ولتاژ و جریان DC مدار
مراحل اجرای کار:
1- ولتاژ تغذیه را به بُرد مونتاژ شده آمپلی فایر وصل کنید.
2- با استفاده از مدار شکل 3-5 ولتاژ DC خروجی و جریان مصرفی مدار (جریان خط تغذیه) را اندازه بگیرید و یاداشت نمایید.
Vout =...........V
Id =......................mA
3- آیا مقادیر اندازهگیری شده با مقادیر داده شده در جدول تطابق دارد؟
عیبیابی مدار
چنانچه مقادیر اندازهگیری شده با مقادیر جدول تفاوت زیادی داشته باشد، مدار معیوب است و باید عیبیابی شود. برای عیبیابی ابتدا از صحت دوشاخه یا پریز اطمینان حاصل کنید. این کار را میتوانید با استفاده از ولتمتر و با رعایت نکات ایمنی کامل انجام دهید. مراحل عیبیابی را بهصورت زیر پیگیری کنید. در هر مرحله خروجی وجود نداشت عیب در همان قسمت است.
- بررسی پریز، دو شاخه (با نظارت مربی کارگاه)
- بررسی سیم رابط تا ورودی ترانسفورماتور (با نظارت مربی کارگاه)
- بررسی ولتاژ خروجی ترانسفورماتور
- بررسی ولتاژ بعد از یکسوکننده
- اندازهگیری ولتاژ نقاط مختلف مدار
لازم به ذکر است که در عیبیابی دستگاهی مانند تلویزیون، نقشههایی توسط کارخانه تولیدکننده در اختیار سرویسکاران قرار میگیرد که با استفاده از آنها، ولتاژها و شکل موجهای نقاط مختلف مدار اندازهگیری شده و با مقایسه با مقادیر داده شده در نقشه، نقطه عیب مشخص میشود. با بررسی کامل قسمتهای مختلف مدار میتوانید به عیب مدار پیببرید. در بسیاری از موارد طرح پشت فیبر دارای عیبهایی مانند قطعشدگی خطوط (Track) است. ممکن است پس از انجام لحیمکاری، به علت نزدیک بودن خطوط به هم، اتصال کوتاه رخ دهد. به تمامی این موارد توجه کنید. شکل 4-5 فیبر مدار چاپی را نشان میدهد که در اثر لحیمکاری اتصال کوتاه شده و با برداشتن لحیم و مس اضافی به وسیله یک شیء نوک تیز، مشکل برطرف شده است.
روشهای عیبیابی
در تعمیر مدارهای الکترونیکی سه روش وجود دارد. این سه روش عبارتاند از:
- ولتاژگیری
- اهمگیری
- ردیابی سیگنال (Signal tracing)
سه وسیله مولتیمتر، اسیلوسکوپ و سیگنال ژنراتور برای عیبیابی مدارهای عمومی، بهکار میروند. در روش ولتاژگیری باید مانند شکل 5-5 با استفاده از نقشۀ مدار، نسبت به اندازهگیری ولتاژ نقاط آزمایش مدار اقدام کنید. این کار را باید تا مرحلهای ادامه دهید تا ولتاژ اندازهگیری شده با ولتاژ نوشته شده روی نقشهها یکسان نباشد. به این ترتیب بلوک معیوب مشخص میشود.با ادامه اندازهگیریها در آن منطقه، نقطه معیوب را پیدا میکنیم. پس از رسیدن به این مرحله میتوانید آزمایش سلامت قطعه را شروع کنید. برای مثال اگر بخواهید یک ترانزیستور را در مدار مورد آزمایش قرار دهید با حالتهای زیر مواجه خواهید شد:
الف) چنانچه ترانزیستور در حالت تقویتکنندگی باشد، {V_{CE}} نباید صفر و یا به اندازه ولتاژ تغذیه باشد.
ب) چنانچه ترانزیستور در حالت سوئیچینگ باشد، {V_{CE}} میتواند صفر یا به اندازه ولتاژ تغذیه باشد.
در روش اهمگیری باید قطعه را خارج از مدار آزمایش کنیم. هرچند بسیاری از تعمیرکاران خُبره به دلیل تجربهای که دارند (مانند تعمیرکاران تلویزیون) به شرط تخلیه بودن خازنها، بعضی قطعات را در مدار آزمایش میکنند و نتیجه هم میگیرند.
در روش ردیابی سیگنال، یک سیگنال ضعیف (درحد میلیولت) به ورودی مدار داده میشود و تقویت شده آن از خروجی دریافت میگردد. درصورت یکه مدار معیوب باشد، سیگنال تقویت نمیشود. برای یک مثال کاربردی در تقویتکننده چند طبقه ترانزیستوری، ابتدا سیگنال ضعیف را به آخرین طبقه اعمال میکنند و با استفاده از اسیلوسکوپ، سیگنال خروجی را میبینند. چنانچه شکل موج و دامنۀ خروجی مناسب باشد، این طبقه سالم است. سپس این مرحله را برای طبقه قبل از تقویتکننده خروجی تکرار میکنیم. چنانچه در این طبقه هم سیگنال خروجی وجود داشته باشد این طبقه نیز سالم است. به همین ترتیب کار را ادامه میدهیم تا به طبقهای میرسیم که سیگنال خروجی مناسب نیست. در این حالت در مییابیم که عیب مربوط به این طبقه است. به عبارت دیگر عیبیابی از طبقه آخر به سمت طبقه اول انجام میگیرد. اگر برای تقویتکنندگی از آیسی استفاده شده باشد تنها چاره کار، تعویض آیسی است.
تحقیق (صفحه 147 کتاب درسی)
با جستوجو در اینترنت، در مورد روش تعمیر بُردهای الکترونیکی، مثلاً گیرندههای دیجیتال، نکاتی را یادداشت کنید و به کلاس ارائه دهید.
تشریح اصول کار مدار تقویتکننده صوتی
در واحد یادگیری قبل با تقویتکننده صوتی آشنا شدهاید، این مدارها معمولاً یک آیسی تقویتکننده دارند که سیگنال ضعیف ورودی را دریافت میکند و پس از تقویت به خروجی تحویل میدهد. برای اتصال میکروفون به مدار، باید یک مدار پیش تقویتکننده (Preamplifier) نیز قرار دهید. در ادامه با این نوع تقویتکنندهها و چگونگی ساخت آنها برای راهاندازی یک سیستم صوتی کوچک آشنا خواهید شد.
کار عملی 2: اتصال سیگنال متناوب به مدار تقویتکننده صوتی (صفحه 147 کتاب درسی)
هدف: راهاندازی مدار تقویتکننده و اندازهگیری بهره ولتاژ
مواد، ابزار و تجهیزات: منبع تغذیه، سیگنال ژنراتورAF، اسیلوسکوپ، بلندگو، برُد مونتا ژشده و سیمهای رابط
مراحل اجرای کار:
1- ولتاژ 12 ولت مستقیم را به تغذیه مدار وصل کنید.
2- سیگنالی سینوسی با دامنهای در حدود چند میلیولت و فرکانس 1KHz را به ورودی مدار وصل کنید.
اسیلوسکوپ را به خروجی اتصال دهید. در این مرحله به قطبهای مثبت و منفی خروجی و ورودی مدار توجه داشته باشید. هم زمان سیگنالهای ورودی و خروجی مدار را روی اسیلوسکوپ ببینید. دامنۀ ورودی را طوری تنظیم کنید که شکل موج خروجی اعوجاج نداشته باشد.
{V_{in}} = ..........mV
{V_{out}} = ...........mV
AV = \frac{{{V_{out}}}}{{{V_{in}}}} = \frac{{.....}}{{.....}} = ....
3- دامنۀ پیکتاپیک سیگنال ورودی و خروجی و بهره ولتاژ مدار را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
4 سیگنال صوتی ضعیف (مثلاً خروجی رایانه شخصی، یا خروجی هدفون گوشی تلفن همراه) را به ورودی و بلندگو را به خروجی مدار وصل کنید. صدا باید با کیفیت خوب از بلندگو پخش شود.
آشنایی با بُردهای پخشکننده فایلهای MP3 و رادیو
در این بخش با بُرد پخش صوت MP3 آشنا خواهید شد. نمونهای از این بُردها در شکل 6-5 آورده شده است.
تحقیق (صفحه 148 کتاب درسی)
تاریخچه و مخفف کلمات MP و تفاوت MP3 و MP4 را بیابید و در قالب یک گزارش ارائه دهید.
انواع بُردهای MP3
بردهای پخش MP3 در انواع مختلف طراحی و تولید میشوند که برخی از آنها به شرح زیر است.
- بُرد بدون رگولاتور ولتاژ با تغذیه 5 ولت دارای ورودی صدا (AUX) یا بدون آن، شکل 7-5.
- بُرد با رگولاتور داخلی 7805 دارای ورودی صدا (AUX) یا بدون آن. تغذیه این بُردها میتواند بیشتر از 5 ولت باشد. معمولاً از 12 ولت استفاده میشود.
- بُردهای دارای بلوتوث، این مدل قابلیت اتصال به وسایل دارای بلوتوث مانند گوشی تلفن همراه را دارد. در این حالت میتوان فایل صوتی را از طریق بلوتوث و بدون اتصال سیم به بُرد منتقل و پخش کرد، شکل 7-5.
- بُرد با قابلیت ضبط، در این مدل قابلیت ضبط صدا نیز وجود دارد.
شکل 8-5 نمونهای از برد دارای رگولاتور 7805 را نشان میدهد. در این حالت نیاز به استفاده از رگولاتور بیرونی نیست. در شرایط معمولی چنانچه از بُرد 5 ولتی استفاده میکنید باید با استفاده از رگولاتور 5 ولتی، مقدار ولتاژ منبع 12 ولت (یا 9ولت) را به 5 ولت برسانید، سپس به مدار تقویتکننده وصل کنید. به این ترتیب ولتاژ تغذیه بُرد MP3 تامین میشود.
اتصال خروجی بُرد پخشکننده MP3 به ورودی مدار
برای تکمیل پروژه تقویتکننده صوتی، باید خروجی بُرد پخشکننده MP3 را به ورودی مدار تقویتکننده متصل کنید. چون خروجی بُرد MP3، استریو و مدار تقویتکننده مونو است برای اتصال این دو مدار به هم میتوانید اتصالهای وسط و کنار سوکت خروجی بُرد را به ورودی تقویتکننده ارتباط دهید. هنگام اتصال، به سیم زمین (GND) در هر دو مدار دقت کنید.
در صورتیکه قصد استفاده از مدار بهصورت استریو را دارید، کافی است دو مدار تقویتکننده صوتی بسازید و پایههای خروجی سوکت را به این مدار متصل کنید. شکل 9-5 چگونگی این ارتباط را نشان میدهد.
پژوهش (صفحه 149 کتاب درسی)
به چه دلیل در سیستمهای استریو از فیلترهای مختلف برای صداهای زیر، بم و معمولی استفاده میکنند؟ آیا تقویتکننده استریو شما واقعاً یک تقویتکننده استریو است؟ چرا؟ با مراجعه به منابع مختلف، پاسخ سؤال را بیابید و نتیجه را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
تهیه جعبه برای پروژه
انتخاب جعبه مناسب
یکی از نکات مهمی که در ساخت یک پروژه اهمیت دارد استفاده از یک جعبه مناسب برای قرار دادن بُرد مدارچاپی در داخل آن است. برای انتخاب جعبه باید به نکات زیر توجه کنید.
- چنانچه قرار است منبع تغذیه بیرون از جعبه قرار گیرد و با یک فیش به آن اتصال یابد، نیاز به جعبه کوچکتری دارید.
- اگر منبع تغذیه که شامل ترانسفورماتور، یکسوکننده، صافی و احتمالاً رگولاتور ولتاژ است، درون جعبه قرار میگیرد و مدار مستقیماً توسط سیم به برق شهر وصل میشود، نیاز به جعبه بزرگتری خواهد بود. جنس جعبهها نیز متفاوتاند. میتوانید جنس فلزی یا پلاستیکی را انتخاب کنید. شکل 10-5 تعدادی جعبه موجود در بازار برای پروژه را نشان میدهد.
پرسش (صفحه 150 کتاب درسی)
یک مدار تقویتکننده صوتی پرقدرت را درنظر بگیرد که دارای آیسی و ترانزیستورهای توان بالایی است که به شدت داغ میشوند و بر روی گرماگیر بسته شدهاند. چنانچه بخواهید برای این مدار یک جعبه تهیه نمایید، چه جنسی را انتخاب خواهید کرد؟ دلیل انتخاب خود را بنویسید.
پرسش (صفحه 151 کتاب درسی)
اگر بخواهید یک مدار محافظ یخچال بسازید، نیاز به جعبه خواهید داشت؟ شما چه راههایی برای انتخاب جعبه در نظر میگیرید؟
شکل 11-5 نمونهای از جعبههای موجود در بازار را نشان میدهد که در ساخت این پروژه از آن استفاده شده است.
پژوهش (صفحه 151 کتاب درسی)
با جستوجو در اینترنت، چند سایت فروش جعبه برای بُردهای الکترونیکی را پیدا کنید. سپس بررسی نمایید آیا برای آمپلی فایر 10 واتی که ساختهاید (دارای ابعاد حدوداً 7 در 5 سانتیمتر است) چه جعبههایی و با چه قیمتهایی وجود دارد؟
چگونگی کنار هم قراردادن بخشهای مختلف پروژه در داخل جعبه
چیدمان و قراردادن بُردها و قطعات در داخل جعبه از اهمیت ویژهای برخوردار است. اگر به این موضوع توجه نکنید ممکن است با انتخاب جعبه نامناسب هزینه بالا برود و شکل ظاهری پروژه نیز مطلوب نباشد. رعایت مراحل زیر میتواند در این ارتباط مفید باشد.
- منبع تغذیه به همراه یکسوکننده را درگوشه جعبه قراردهید و آن را با پیچ مهار کنید یا مانند شکل 12-5 از منبع تغذیه سوئیچینگ آماده استفاده کنید.
- برد MP3 را با برش دادن و جایابی در جعبه در محل مناسبی قرار دهید.
- کلید فشاری برای روشن و خاموش کردن دستگاه را در کنار آن نصب کنید و طراحی پنل (Panel) قسمت جلوی پروژه را طبق شکل 13-5 کامل کنید.
پژوهش (صفحه 152 کتاب درسی)
با مراجعه به رسانههای مختلف بررسی کنید به چه دلیل در برخی از دستگاهها برای اتصال مدارها به یکدیگر از سوکت نر و ماده استفاده نمیکنند؟ نتیجه را در قالب یک گزارش ارائه دهید.
- مدار تقویتکننده صوتی را در قسمت مناسبی از جعبه پیچ کنید. اتصالات مربوط به ورودی صدا و تغذیه را برقرار کنید. سپس مدار کلید الکترونیکی را با پیچ در فضای جعبه محکم کنید. اتصالات مربوط به رله و کلید فشاری را برقرار نمایید. شکل 14-5 نمای بیرون و درون پروژه را نشان میدهد.
آشنایی با ترمینال (جک) بلندگو
در سیستمهای صوتی معمولاً برای اتصال سیمهای بلندگو به دستگاه اصلی از ترمینالهای فشاری استفاده میشود. سیم به راحتی بدون استفاده از ابزار خاصی در این ترمینالها قرار میگیرد. این مدل از ترمینالها را در شکل 15-5 مشاهده میکنید. در این ترمینالها از ورودی به رنگ قرمز برای اتصال سیم مثبت و رنگ مشکی برای سیم منفی استفاده میشود. همچنین میتوان از جک بلندگو مانند شکل 16-5 استفاده کرد. این جکها در انواع مونو و استریو ساخته میشوند. چون این پروژه دارای خروجی مونو است باید از جک مونو استفاده کنید. البته از این مدل بیشتر برای هدفون استفاده میشود. شکل 17-5 استفاده از ترمینال بلندگو را در این پروژه نشان میدهد.
فعالیت (صفحه 153 کتاب درسی)
چند نمونه جعبه دستگاههای الکترونیکی را باز کنید و چیدمان داخل آنها را بهطور دقیق بررسی و مشاهده کنید. در ارتباط با کیفیت چیدمان، اتصالها و نصب بُردها گزارش تهیه کنید و در قالب بیان مزایا و معایب هر دستگاه، از بُعد تعمیرات به کارگاه ارائه دهید.
کار عملی 3: تکمیل پروژه تقویتکننده صوتی (صفحه 153 کتاب درسی)
هدف: آمادهسازی نهایی پروژه
مواد، ابزار و تجهیزات: جعبه مناسب، مدار تقویتکننده، مدار کلید الکترونیکی یا کلید قطع و وصل معمولی، منبع تغذیه، سیم و دوشاخه، جک بلندگو، بُرد پخش MP3، سیم، پیچ برای محکم کردن قسمتهای مختلف درون جعبه و چند نمونه دستگاه الکترونیکی مستعمل نصبشده در داخل جعبه.
1- منبع تغذیه، تقویتکننده و مدار کلید الکترونیکی (در صورت موجود بودن) را با استفاده از پیچ مناسب در درون جعبه محکم کنید.
2- برد MP3 و کلید را در روی جعبه و جک بلندگو را پشت آن نصب کنید. به این ترتیب پروژه را به اتمام برسانید.
3- سیمکشیهای نهایی را انجام دهید و در جعبه را ببندید.
الگوی پرسش (صفحه 153 کتاب درسی)
1- تغذیه مدارهای مختلف الکترونیکی همواره بهصورت DC است. صحیح / غلط
2- اگر مداری معیوب است اولین گام در فرایند عیبیابی بررسی ....................... مدار است.
3- در روش ردیابی سیگنال از چه دستگاههایی استفاده میشود؟ نام ببرید.
پیشنهاد برای هنرجویان علاقهمند
یکی دیگر از کاربُردهای تقویتکننده صوتی که ساختهاید، استفاده از آن به عنوان یک اسپیکر رایانه است. برای این کار باید جعبه بلندگو بسازید و بلندگو را داخل آن قرار دهید. چنانچه به این کار علاقهمند هستید میتوانید با مراجعه به اینترنت به ساخت جعبه بلندگو بپردازید.
پژوهش (صفحه 154 کتاب درسی)
نرمافزارهایی وجود دارند که کار محاسبات مربوط به جعبه بلندگو را انجام میدهند. با جستوجو در اینترنت آنها را بیابید و به کارگاه ارائه دهید.
آشنایی با مدارهای تغذیه پشتیبان (اضطراری) ساده
ممکن است در ساخت یک پروژه خاص، نیاز به منبع تغذیه اضطراری داشته باشید. دو روش ساده برای تولید و ساخت منبع تغذیه پشتیبان یا اضطراری پیشنهاد میشود.
استفاده از دیود
مدار برق اضطراری با استفاده از دیود در شکل 18-5 رسم شده است. زمانی که برق شهر برقرار است، نقطه A دارای ولتاژ بوده و دیود {D_1} وصل و دیود {D_2} قطع است. دلیل قطع بودن {D_2} این است که آند آن دارای ولتاژ بیشتری نسبت به کاتد آن است (آند حدود حداکثر 16 ولت، کاتد 9 ولت). به اینترتیب ولتاژ خروجی صافی به مدار مورد نظر (Circuit) میرسد. در صورت قطع شدن برق شهر، ولتاژ در نقطه A صفر میشود. در این حالت {D_1} قطع و {D_2} وصل است زیرا آند آن دارای ولتاژ 9 ولت و کاتد آن صفر ولت است. در این شرایط ولتاژ 9 ولت باتری (که تغذیه پشتیبان است) به مدار داده میشود. به این ترتیب با قطع برق شهر و صفر شدن ولتاژ خروجی ترانسفورماتور، بهطور خودکار باتری تغذیه مدار را تأمین میکند.
بارش فکری (صفحه 154 کتاب درسی)
از طریق بارش فکری مزایا و معایب این مدار را بیابید و جمعبندی کنید.
استفاده از رله
در مدار شکل 19-5 تغذیه اضطراری با استفاده از رله تأمین میشود. در هنگام وجود برق شهر، رله عمل میکند. کنتاکتهای NO (پایه 2-Normally Open) و کنتاکت مشترک (پایه 1) متصل میشود و ولتاژ خروجی صافی به مدار مورد نظر میرسد. درصورت قطع برق شهر، رله هم خاموش شده و کنتاکتهای NC (پایه 3-Normally Close) و مشترک (پایه 1) به هم متصل میشوند. در این حالت باتری ولتاژ 12 ولت مدار را تأمین میکند. برای قطع و وصل باتری به مدار باید از کلید جداگانه استفاده شود. زیرا در لحظاتی که برق شهر وجود ندارد ولتاژ تغذیه باتری همواره به مدار وصل است.
الگوی آزمون نظری (صفحه 155 کتاب درسی)
1- روشهای عیبیابی مدارها را نام برده و هرکدام را بهطور مختصر توضیح دهید.
2- چه ملاکهایی برای انتخاب یک جعبه برای پروژه به ذهنتان میرسد؟ شرح دهید.
3- از بدنه فلزی جعبه میتوان به عنوان گرماگیر قطعات پُر وات استفاده کرد. صحیح / غلط
4- بردهای پخش صوت MP3 چه امکاناتی دارند؟
5- چه کاربردهای دیگری برای بُردهای پخش کننده صوت MP3 به ذهنتان میرسد؟ شرح دهید.
6- دو مدل ترمینال بلندگو در این مبحث بررسی شدند. تفاوت هر کدام را ذکر نمایید.
7- دو مدار تغذیه پشتیبان برای مدارهای الکترونیکی در این مبحث معرفی شدند. مزایا و معایب هر کدام را نام ببرید.
8- در صورتی که یک آمپلیفایر در خروجی صدا ندارد ولی نویز وجود دارد، اشکال در چیست؟ برای این عیب، روند نمای عیبیابی تدوین کنید.