درسنامه آموزشی طراحی و ساخت مدار چاپی کلاس دهم الکترونیک

واحد یادگیری 3: شایستگی آزمایش قطعات نیمه‌هادی

آیا تا به حال فکر کرده‌اید:

- عناصر نیمه‌هادی مانند دیود چه نقشی در مدارهای الکترونیکی دارند؟
- چه قطعات الکترونیکی می‌توانند برق متناوب شهر را به برق DC تبدیل کنند؟
- دیودهای نوردهنده در صرفه‌جوئی انرژی الکتریکی چه تحول عظیمی ایجاد کرده‌اند؟
- در صفحات نمایش تصویر، رنگ‌های مختلف چگونه ساخته می‌شوند؟

دیودها، قطعاتی نیمه‌هادی هستند که در انواع مختلف ساخته شده‌اند و برای یکسوسازی، آشکارسازی، مخلوط کنندگی و کاربردهای متعدد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. دیودهای نوردهنده در حد وسیعی به عنوان لامپ روشنایی، نمایشگر و چراغ‌های خودرو مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در این واحد یادگیری، ضمن آزمایش صحت و تعیین پایه‌های دیود، کمیت‌های مهم آن را از برگه اطلاعات استخراج می‌کنید. همچنین چند مدار کاربردی مهم دیود مانند یکسوسازی و چندبرابرکنندگی را به صورت نرم‌افزاری و سخت‌افزاری مورد آزمایش قرار می‌دهید. در تمام مراحل کار عملی، رعایت نکات ایمنی و بهداشتی و توجه به مهارت‌های غیر فنی مانند کار گروهی، مسئولیت‌پذیری، رعایت نظم و ترتیب از مواردی است که از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و باید رعایت شود.

استاندارد عملکرد

بستن مدارهای ساده دیودی به صورت نرم‌افزاری و سخت‌افزاری و اندازه‌گیری کمیت‌های مرتبط با رعایت استاندارد و دقت تعریف شده.

مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز واحد یادگیری:

ابزار عمومی برق و الکترونیک- منبع تغذیه- سیگنال ژنراتور AF- مولتی‌متر دیجیتالی- اسیلوسکوپ- رایانه- نرم‌افزار مناسب- بِردبُرد- لوازم‌التحریر- انواع دیود، مقاومت، خازن و سیم‌های رابط

تعیین پایه‌ها و آزمایش صحت دیود

در درس دانش‌فنی با ساختمان کریستالی، نماد فنی و طرز کار دیود آشنا شده‌اید. در شکل 1-3 ساختمان دیود نیمه‌هادی و نماد فنی آن نشان داده شده است.

دیودها در اشکال و ابعاد مختلف ساخته می‌شوند. معمولاً سازندگان دیود از علائمی برای مشخص‌کردن پایه‌های دیود استفاده می‌کنند. برای مثال مانند شکل 2-3 تصویر دیود را روی آن چاپ می‌کنند. در هر صورت مطمئن‌ترین روش برای تعیین آندوکاتد دیود مراجعه به برگه اطلاعات آن‌ها است.

اگر دیود به صورت استوانه‌ای باشد، مانند شکل 3-3 در یک طرف آن یک یا چند نوار رنگی قرار می‌گیرد که نشان‌دهنده کاتد دیود است.

مراحل اجرای کار

1- آند و کاتد را روی دیودهای شکل 4-3 مشخص کنید و در محل تعیین شده بنویسید.

2- چند دیود واقعی را در اختیار بگیرید و آند و کاتد آن‌ها را با علائم چاپ شده روی دیود مشخص کنید. سپس جدول 1-3 را کامل نمائید. روی شکل ظاهری علامت آند (A) و کاتد (K) را بنویسید.

جدول 1-3

شماره ردیف	شکل ظاهری	شماره فنی دیود
1
2
3
4

تشخیص پایه‌ها و سالم‌بودن دیود با مولتی‌متر

اغلب مولتی‌مترهای دیجیتالی دارای وضعیت آزمایش دیود هستند. هرگاه کلید سلکتور مولتی‌متر دیجیتالی را مطابق شکل 5-3 در وضعیت آزمایش دیود قرار دهیم و دیود را به گونه‌ای به مولتی‌متر وصل‌کنیم که دیود در بایاس موافق قرار گیرد، مولتی‌متر مانند شکل 6-3 ولتاژ بایاس دوسر دیود را نشان می‌دهد. این ولتاژ برای دیودهای سیلیسیومی در محدوده 0/5 تا 0/7 ولت و برای دیودهای از جنس ژرمانیوم در محدوده 0/15 تا 0/3 ولت است.

اگر دیود در بایاس مخالف قرار گیرد، ولتاژ داخلی دستگاه مولتی‌متر در دوسر دیود قرار می‌گیرد و توسط دستگاه نشان داده می‌شود. این ولتاژ ممکن است با توجه به نوع مولتی‌متر، بین 1/5 تا 3 ولت باشد. در برخی مولتی‌مترها علامتی مطابق شکل 7-3 یا علامت دیگری که در راهنمای کاربرد مولتی‌متر ذکر شده است، روی صفحه نمایش‌گر مولتی‌متر ظاهر می‌شود OL مخفف کلمه Open Loop به معنی اتصال باز است.

مراحل اجرای کار

1- چهار عدد دیود سالم در اختیار بگیرید و در جدول 2-3 شکل ظاهری آن‌ها را رسم کنید و شماره فنی آن‌ها را بنویسید.

2- با استفاده از مولتی‌متر دیجیتالی جنس دیود و پایه‌های آن‌ها را مشخص و سپس جدول 2-3 را کامل کنید.

جدول 2-3

جنس (SI یا Ge)	شکل ظاهری با مشخص شدن آند و کاتد	شکل ظاهری	شماره فنی دیود	شماره ردیف
				1
				2
				3
				4

3- چهار دیود سالم و چهار دیود معیوب را در کنار هم قراردهید. سپس با استفاده از مولتی‌متر دیجیتالی آن‌ها را آزمایش‌کنید و دیودهای معیوب را از دیودهای سالم جدا نمایید. درباره مراحل اجرای این تجربه توضیح دهید.

استخراج اطلاعات از برگه اطلاعات و آزمایش دیود (نرم‌افزار و سخت‌افزار)

مراحل اجرای کار

1- به برگه اطلاعات شکل 9-3 مراجعه‌کنید و مفاهیم هریک از کلمات خواسته‌شده را در جدول 3-3 بنویسید.

جدول 3-3

معنی فارسی	لغت انگلیسی	ردیف
	Features	1
	leakage	2
	Voltage drop	3
	Surge capability	4
	solder	5

2- با مراجعه به برگه اطلاعات شکل 9-3 معنی هر یک از کلمات نوشته شده در جدول 4-3 را بیابید و معنی و مقادیر هر یک را برای دیود 1N4001 در جدول 4-3 بنویسید.

جدول 4-3

واحد	مقدار	معنی فارسی	علامت اختصاری	ردیف
			${V_{RRM}}$	1
			${V_{RMS}}$	2
			${I_{FSM}}$	3
			${V_{DC}}$	4
			${{\text{I}}_F}(AVE)$	5

3- با مراجعه به برگه اطلاعات، تفاوت بین دیودهای 1N4001 و 1N4007 را مشخص‌کنید و دربارهٔ آن توضیح دهید.

4- آیا می‌توانیم دیود 1N4001 را به جای 1N4007 به کار ببریم؟ با ذکر دلیل توضیح دهید.

5- آیا می‌توانیم از دیود 1N4001 به طور مستقیم برای یکسوسازی برق خانگی (220 ولت) استفاده‌کنیم؟ توضیح دهید.

6- با توجه به برگه اطلاعات شکل 9-3 معدل جریان موافق دیودهای 1N4001 تا 1N4007 چند آمپر است؟

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 10-3 را توسط نرم‌افزار ببندید.
2- اگر افت ولتاژ دو سر دیود را 0/7 ولت در نظر بگیریم، با فرض بسته‌بودن کلید، جریان عبوری از دیود را محاسبه کنید.

ولت ${V_{R1}} = ...........$
${I_D} = ...........mA$

3- کلید مدار را ببندید و ولتاژ دو سر دیود و جریان مدار را اندازه بگیرید و در جدول 5-3 یادداشت‌کنید.

4- آیا مقدار اندازه‌گیری شده با مقدار محاسبه‌شده انطباق دارد؟ در صورت وجود اختلاف، علت را توضیح دهید.

5- کلید مدار را باز کنید و مقدار ولتاژ منبع را روی 20 ولت تنظیم کنید. کلید مدار را ببندید و جریان مدار و افت ولتاژ دو سر دیود را اندازه بگیرید و در جدول 5-3 یادداشت کنید.

6- آیا جریان مدار دو برابر شده است؟

7- با توجه به برگه اطلاعات شکل 9-3، دیود 1N4001 در بایاس موافق، حداکثر چند آمپر را تحمل می‌کند؟

8- جهت قرارگرفتن دیود را در مدار، مطابق شکل 11-3 عوض کنید سپس کلید مدار را ببندید و جریان عبوری از دیود و افت ولتاژ دوسر آن را اندازه بگیرید و در جدول 5-3 یادداشت کنید.

جدول 5-3

مراحل آزمایش	$VD(V)$	$ID(mA)$
3
5
8

9- آیا در بایاس مخالف، همه ولتاژ منبع در دو سر دیود افت می‌کند؟

10- با توجه به برگه اطلاعات شکل 9-3، دیود 1N4001 حداکثر چند ولت را در بایاس مخالف تحمل می‌کند؟

مراحل اجرای کار

1- در اتصال پایه‌های قطعات روی بِرِدبُرد از سیم استاندارد مانند شکل 12-3 استفاده کنید.
2- مدار شکل 13-3 را روی بِرِدبُرد ببندید.
3- آمپرمتر را در مدار قرار دهید. سپس کلید مدار را وصل کنید و جریان عبوری از دیود را اندازه بگیرید و در جدول 6-3 یادداشت‌کنید.

4- با اتصال ولت‌متر به دو سر دیود، افت ولتاژ دوسر دیود را اندازه بگیرید و در جدول 6-3 یادداشت کنید.

5- با معلوم بودن ${V_D}$ و ${I_D}$ و با استفاده از قانون اهم، مقاومت دیود را محاسبه‌کنید.

${R_D} = .............\Omega $

6- کلید مدار را قطع‌کنید و جهت دیود را مطابق شکل 14-3 عوض‌کنید، سپس کلید را ببندید و مقادیر ${I_D}$ و ${V_D}$ را اندازه بگیرید و در جدول 6-3 یادداشت‌کنید.

7- در این حالت مقاومت دیود را محاسبه کنید.

${R_D} = .............\Omega $

8- آیا دیود مانند یک کلید قطع عمل می‌کند؟

جدول 6-3

مراحل آزمایش	(V)VD	(mA)ID
3 و 4
6

دیود نوردهنده (LED)

LED یک دیود نوردهنده است که به عنوان یک لامپ کم‌مصرف به کار می‌رود. از LEDهای کوچک و با نور کم برای نشان‌دادن حالت‌های خاموش و روشن دستگاه‌ها استفاده می‌کنند. سطحی از LED که نور را پخش می‌کند، به شکل دایره، مربع و مستطیل است. شکل 18-3 چند نمونه LED معمولی را نشان می‌دهد. 

برای این‌که بتوان LED های معمولی را به راحتی روی دستگاه سوار کرد، آن‌ها را در بسته‌بندی مخصوص و به صورت یک‌پارچه یا مدولار (Modular) عرضه می‌کنند. در شکل 19-3 چند نمونه از LED های قابل نصب روی دستگاه‌های مختلف را ملاحظه می‌کنید.

LEDهای پُر نور (High Brightness)

LEDهای با شدت نور زیاد، به عنوان لامپ‌های کم‌مصرف و با راندمان بالا جایگزین لامپ‌های رشته‌ای شده‌اند. در شکل 20-3 چند نمونه LED پُر نور را ملاحظه می‌کنید. شکل 21-3 لامپ‌های کم‌مصرف LED را نشان می‌دهد.

از LEDها در موارد دیگری مانند چراغ کم مصرف، نور افکن، تلویزیون LED و تابلو روان نیز استفاده می‌شود. شکل 22-3 دو نمونه از این کاربردها را نشان می‌دهد. نمونه‌های کاربردی دیگر در کتاب همراه هنرجو آمده است.

ال‌ئی‌دی‌های چند رنگ (Multi Color LED)

برای این‌که بتوانند رنگ‌های مختلف را با استفاده از سه رنگ اصلی قرمز، سبز و آبی تولید کنند، از LED های چند رنگ استفاده می‌کنند.

در این نوع LEDها دو یا سه LED را در یک بسته‌بندی قرار می‌دهند. شکل 23-3 LEDهای دو رنگ و سه رنگ و نماد فنی آن‌ها را نشان می‌دهد. در این نوع LEDها معمولاً کاتدها یا آندها به صورت یک پایه مشترک در دسترس قرار می‌گیرند.

استفاده از برگه اطلاعات (Data Sheet)

برگه اطلاعات دیودهای نورانی مشابه برگه اطلاعات دیودهای معمولی است، با این تفاوت که اطلاعاتی مانند رنگ نور LED، شدت نور، طول موج رنگ منتشر شده و سایر اطلاعات در آن درج می‌شود. شکل 24-3 قسمتی از برگه اطلاعات LED دو رنگ با شماره فنی LT9550ED را نشان می‌دهد.

مراحل اجرای کار

1- متن زیر را به فارسی ترجمه کنید.

2- با توجه به برگه اطلاعات شکل 25-3، مقادیر خواسته شده در جدول 7-3 را بنویسید.

جدول 7-3

واحد	مقدار	معنی فارسی	علامت اختصاری	ردیف
			${V_F}$	1
			${V_R}$	2
			${I_{FSM}}$	3
			${V_{DC}}$	4
			${I_F}$	5
			${P_D}$	6
			${T_{sd}}$	7

محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریانِ LED

معمولاً افت ولتاژ دو سر هر نوع LED در بایاس موافق و جریان کار طبیعی آن، تا حدودی باهم برابر است ولی برای اطمینان از مقادیر، لازم است برای هر نوع LED به برگه اطلاعات آن مراجعه شود. برای محاسبه مقدار مقاومت R در شکل 26-3 که محدودکننده جریان عبوری از دیود است، از قانون اهم استفاده می‌کنیم.

$R = \frac{{{V_R}}}{I} = \frac{{({V_1} - {V_D})}}{{{I_D}}}{V_R} = {V_1} - {V_D}$

در شکل 26-3 مقدار R از رابطه زیر محاسبه شده‌است.

$R = \frac{{{V_R}}}{I} = \frac{{{V_1} - {V_D}}}{I} = \frac{{6 - 1/3}}{{10mA}} = 470\Omega $

1- در مدار شکل 27-3، اگر افت ولتاژ دو سر هر دیود 2 ولت باشد، جریان عبوری از مدار را محاسبه کنید.

2- اگر در شکل 28-3، افت ولتاژ هر دیود 2 ولت باشد، با توجه به مقدار مقاومت $(R - 220\Omega )$، جریان عبوری از هر دیود را محاسبه کنید. نقشه فنی مدار را طوری ترسیم کنید که فقط یک مقاومت در مدار قرار گیرد و جریان هر دیود نیز تأمین شود. توان مقاومت را محاسبه کنید.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 29-3 را در نرم‌افزار مولتی‌سیم ببندید.

2- کلید مدار را وصل کنید و جریان عبوری از دیود و ولتاژ دوسر آن را اندازه بگیرید و یادداشت‌کنید.

${V_D} = ........V$
${I_D} = ........mA$

3- کلید مدار را قطع کنید و به جای LED قرمز، LED سبز را در مدار قرار دهید. سپس کلید مدار را وصل کنید و جریان عبوری از دیود و ولتاژ دو سر آن را اندازه بگیرید و یادداشت‌کنید.

${V_D} = ........V$
${I_D} = ........mA$

4- آیا مقادیر اندازه‌گیری‌شده باهم تفاوت دارد؟

5- کلید مدار را قطع کنید و جهت LED را در مدار عوض کنید، سپس کلید مدار را وصل کنید و جریان عبوری از دیود و ولتاژ دوسر آن را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

${V_D} = ........V$
${I_D} = ........mA$

6- در مدار شکل 30-3 ، اگر افت ولتاژ دو سر دو دیود موازی 2 ولت و جریان عبوری از هر دیود 20 میلی‌آمپر باشد، مقدار ${R_1}$ را محاسبه کنید. سپس مدار شکل 30-3 را در نرم‌افزار ببندید.

${R_1} = \frac{{{V_{R1}}}}{I} = \frac{{{V_1} - {V_D}}}{{{I_D}}}{R_1} = ..........$

7- کلید مدار را ببندید و جریان کل مدار و جریان هر دیود و ولتاژ دو سر هر دیود را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

$.........mA$$ = $کل$I$
${I_{D1}} = .........mA$
$\eqalign{  & {I_{D2}} = .........mA  \cr   &  \cr} $
${V_{D1}} = {V_{D2}}.........V$

مراحل اجرای کار

1- یک عدد LED که ولتاژ و جریان نامی آن را نمی‌دانید، در اختیار بگیرید.

2- مداری مطابق شکل 31-3 روی بردبرد ببندید. ولتاژ منبع تغذیه را روی صفر ولت تنظیم کنید. سپس کلید مدار را وصل کنید.

3- ولتاژ منبع را به تدریج از صفر ولت افزایش دهید تا نور LED به حد طبیعی و قابل قبول برسد.

4- جریان عبوری از LED و ولتاژ دو سر آن را اندازه بگیرید و یادداشت‌کنید.

${V_D} = ......V$
${I_D} = ......mA$

5- باتوجه به مقادیر به دست‌آمده، مقدار مقاومت را برای LED با ولتاژ منبع 12 ولت محاسبه‌کنید.

6- مدار آزمایش را مشابه شکل 33-3 ببندید. بعد از بستن کلید، در صورت طبیعی بودن نور LED، مقادیر ${V_{LED}}$ ، ${V_R}$ و $I$ مدار را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

${I_D} = \frac{{{V_R}}}{R} = ......mA$
${V_R} = ......V$
${V_{LED}} = ......V$

7- یک LED دو رنگ در اختیار بگیرید و مقدار R را با توجه به مشخصات LED چند رنگ محاسبه کنید. ولتاژ ورودی را 5 ولت در نظر بگیرید. در صورتی‌که LED دو رنگ آند مشترک است، از مدار شکل الف 34-3 و اگر کاتد مشترک است از مدار شکل ب 34-3 استفاده کنید.

8- مدار آزمایش را مطابق یکی از شکل‌های الف 34-3 یا ب 34-3 ببندید.

9- به تک تک پایه‌های غیرمشترک از طریق R ولتاژ بدهید، و به رنگ نور LED توجه کنید.

10- به پایه غیرمشترک هر دو LED همزمان ولتاژ بدهید و به ترکیب نور LED ها توجه کنید.

هفت قطعه‌ای (7Seg=Seven Segment)

از ترکیب 7 عدد LED به صورت عدد  انگلیسی، 7 قطعه‌ای ساخته‌می‌شود. اگر هفت قطعه‌ای دارای نقطه اعشار باشد، یک عدد LED به هفت قطعه‌ای اضافه می‌شود. شکل 35-3 یک نمونه هفت‌قطعه‌ای (7seg) و پایه‌های آن را نشان می‌دهد. به منظور استانداردسازی، هریک از LEDها را با یک حرف انگلیسی مشخص می‌کنند.

در شکل 36-3، نمونه دیگری از 7seg با دو نقطه اعشار و پایه‌های آن را مشاهده می‌کنید.

هفت قطعه‌ای به‌صورت آند مشترک و کاتد مشترک ساخته می‌شود. شکل 37-3 نقشه فنی هفت‌قطعه‌ای آند مشترک و کاتد مشترک و شماره پایه‌های آن را نشان می‌دهد.

مراحل اجرای کار

1- نرم‌افزار مولتی‌سیم را فعال‌کنید.
2- از نوار قطعات، هفت قطعه‌ای آند مشترک (CA) را به روی میزکار بیاورید.
3- مطابق شکل 38-3 با یک باتری 3 ولتی LED را که با حرف A مشخص شده است، روش نکنید.

4- LEDهای نام گذاری شده با حروف B و C را مطابق شکل 39-3 روشن کنید.

5- آیا می‌توانید اعداد از صفر تا نه و برخی حروف انگلیسی مانند شکل 40-3 را روشن کنید؟ این موضوع را تجربه کنید.

6- با هفت‌قطعه‌ای کدام حروف انگلیسی یا اعداد فارسی را می‌توانید بسازید؟

7- هفت‌قطعه‌ای (7Seg) کاتد مشترک را روی میزکار مجازی بیاورید. اعداد از صفر تا نه انگلیسی و تعدادی حروف انگلیسی و اعداد فارسی را نمایش دهید. شکل 41-3 روش نکردن عدد هشت انگلیسی و حرف E را با هفت‌قطعه‌ای کاتد مشترک نشان‌می‌دهد.

مراحل اجرای کار

1- هفت قطعه‌ای را در اختیار بگیرید و شکل ظاهری آن‌را در شکل 42-3 رسم کنید. دیودها را با حروف مشخص‌کنید.
2- مقطع هفت قطعه‌ای را از محل خروج پایه‌ها مشابه شکل 36-3 در شکل 43-3 رسم کنید و هر پایه را شماره‌گذاری کنید.

3- منبع تغذیه DC را روی 3 ولت تنظیم کنید.
4- با اتصال ولتاژ منبع تغذیه به پایه‌های هفت قطعه‌ای، آند یا کاتد مشترک بودن هفت‌قطعه‌ای را مشخص‌کنید، سپس هریک از LEDها را به ترتیب روشن کنید و از صحت عملکرد LEDها مطمئن شوید و LEDها را در شکل 43-3 حروف‌گذاری کنید.
5- هفت‌قطعه‌ای مورد آزمایش آند مشترک است یا کاتد مشترک؟ شرح دهید.

کاربردهای دیود

یکی از کاربردهای متداول دیود، استفاده از آن در یکسوسازی است. یکسوساز، مداری است که ولتاژ متناوب را به ولتاژ DC ضربان‌دار تبدیل می‌کند. ولتاژ DC ضربان‌دار را می‌توانیم با استفاده از خازن صاف کنیم و آن را به ولتاژ DC قابل استفاده برای دستگاه‌های الکترونیکی تبدیل کنیم. شکل 48-3، مراحل تبدیل ولتاژ متناوب را به ولتاژ DC نشان می‌دهد. 

انواع یکسوساز

یکسوسازها در انواع مختلف به شرح زیر تقسیم‌بندی می‌شوند.
- یکسوساز نیم‌موج (Half Wave Rectifier)
- یکسوساز تمام‌موج با دو دیود (Full Wave Rectifier with two diode)
- یکسوساز پُل (Bridge Rectifier)

مراحل اجرای کار

1- نرم‌افزار مولتی‌سیم را فعال کنید.
2- مدار شکل 49-3 را در نرم‌افزار ببندید.

3- کلید مدار را ببندید و با استفاده از اسیلوسکوپ موجود در نرم‌افزار، شکل موج ولتاژ ورودی مدار (موج مولد AC) و شکل موج ولتاژ دوسر بار را به صورت پایدار و در مقیاس مناسب ظاهر کنید. سپس موج‌ها را در نمودار شکل 50-3 رسم کنید.

4- ولتاژ پیک تا پیک موج ورودی را محاسبه کنید.

$ \times (\frac{{Vo1t}}{{Div}})$ (تعداد خانه‌های قله تا قله) ${V_{PP}} = $

5- ولتاژ پیک موج خروجی را محاسبه کنید.

${V_{PP}} = (.....) \times (.....) = ......v$
$ \times (\frac{{Vo1t}}{{Div}})$ (تعداد خانه‌های قله) ${V_{pk}} = $

6- با ولت‌متر DC ولتاژ خروجی را اندازه بگیرید.

${V_{pk}} = (.....) \times (.....) = ......v$
${V_{DC}} = .............v$

7- با استفاده از فرمول $VDC = \frac{{Vpk}}{\pi }$، ولتاژ DC خروجی را محاسبه کنید. 

${V_{DC}} = .........v$

8- آیا ولتاژ DC اندازه‌گیری شده با محاسبه شده برابر است؟ در صورت اختلاف علت را توضیح دهید.

9- زمان تناوب موج خروجی را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

$ \times (\frac{{Time}}{{Div}})$ (تعداد خانه‌های افقی یک سیکل) $T = $

10- فرکانس موج خروجی را محاسبه کنید.

$T = (.....) \times (.....) = \operatorname{Sec} $
$F = .......HZ$

11- آیا فرکانس موج ورودی و خروجی با هم برابرند؟ شرح‌دهید.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 51-3 را در نرم‌افزار ببندید.

2- اسیلوسکوپ نرم‌افزار را مطابق شکل به دونقطه M و N وصل کنید، سپس با اتصال کلید S1، شکل موج‌ها را روی صفحه اسیلوسکوپ با مقیاس مناسب به صورت پایدار ظاهر کرده و شکل موج‌ها را در نمودار شکل‌های 52-3 و 53-3 رسم کنید.

3- اختلاف فاز بین ولتاژ ${V_{MG}}$ و ولتاژ ${V_{NG}}$ چند درجه است؟

4- دامنه پیک تا پیک یک‌سر ثانویه ترانسفورماتور را نسبت به نقطه G اندازه بگیرید و یادداشت‌کنید.

$ \times (\frac{{Vo1t}}{{Div}})$ (تعداد خانه‌های قله تا قله) ${V_{pp}} = $
${V_{pp}} = (......) \times (......) = ......v$

5- مدار را مطابق شکل 54-3 کامل کنید، سپس کلید مدار را وصل کنید و به کمک اسیلوسکوپ شکل موج دو سر بار را با مقیاس مناسب و به صورت پایدار ظاهر کنید و در نمودار شکل 55-3 رسم کنید.

6- دامنه ماکزیمم موج یکسوشده را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

$ \times (\frac{{Vo1t}}{{Div}})$ (تعداد خانه‌های قله) ${V_{pk}} = $
${V_{pk}} = (......) \times (......) = ......$

7- مقدار ولتاژ DC دو سر بار را از رابطه زیر محاسبه کنید.

${V_{DC}} = \frac{{2{V_{pk}}}}{\pi }$
${V_{DC}} = .........v$

8- مقدار ولتاژ DC دو سر بار را با ولت‌متر اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

${V_{DC}} = .........v$

9- آیا ولتاژ DC اندازه‌گیری‌شده با محاسبه شده برابر است؟ در صورت اختلاف علت را توضیح دهید.

10- زمان تناوب موج خروجی را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

$ \times (\frac{{Time}}{{Div}})$ (تعداد خانه‌های افقی یک سیکل) $T = $
$T = (......) \times (......) = \operatorname{Sec} $

11- فرکانس موج خروجی را محاسبه کنید.

$F = .......HZ$

12- چه رابطه‌ای بین فرکانس موج ورودی و خروجی وجود دارد؟

13- خازن $10\mu F$ را با بار موازی کنید. سپس شکل موج دو سر بار را در نمودار شکل 3-56 رسم کنید.

14- آیا موج خروجی کاملاً صاف شده است یا دارای ضربان است؟

15- خازن $100\mu F$ را با بار موازی کنید آیا ولتاژ خروجی کاملاً صاف شده است؟

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 57-3 را روی بِرِدبُرد ببندید.

2- سیگنال‌ژنراتور را روی فرکانس 500 هرتز و دامنه پیک تا پیک 10 ولت تنظیم‌کنید.

3- کلید مدار را وصل کنید و با استفاده از اسیلوسکوپ، موج ولتاژ ورودی مدار (موج مولد SG) و موج ولتاژ دوسر بار را به صورت پایدار و در مقیاس مناسب ظاهر کنید. سپس موج‌ها را در نمودار شکل 58-3 و 59-3 رسم کنید.

4- ولتاژ پیک تا پیک موج ورودی را محاسبه و مقدار آن را در جدول 8-3 یادداشت‌کنید.

5- ولتاژ پیک موج خروجی را محاسبه‌کنید و مقدار آن را در جدول 8-3  یادداشت‌کنید.

6- با استفاده از فرمول ${V_{DC}} = \frac{{Vpk}}{\pi }$، ولتاژ DC خروجی را محاسبه کنید و مقدار آن را در جدول 8-3 یادداشت کنید.

7- مقدار ولتاژ DC دوسر بار را با ولت‌متر اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

8- آیا ولتاژ DC اندازه‌گیری شده با محاسبه شده برابر است؟ در صورت اختلاف علت را توضیح دهید.

9- زمان تناوب موج خروجی را اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

10- فرکانس موج خروجی را محاسبه کنید و در جدول یادداشت کنید.

جدول 8-3

کمیت مورد اندازه‌گیری	مقدار	واحد
ولتاژ پیک تا پیک ورودی
ولتاژ پیک خروجی
ولتاژ DC خروجی محاسبه‌شده
ولتاژ DC خروجی اندازه‌گیری شده
زمان تناوب موج خروجی
فرکانس موج خروجی

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 60-3 را روی بردبرد ببندید.

2- سیگنال ژنراتور را روی فرکانس 500 هرتز و دامنه موثر 4 ولت تنظیم‌کنید.

3- کلید مدار را وصل کنید و با استفاده از اسیلوسکوپ، موج ولتاژ ورودی مدار (موج مولد SG) و موج ولتاژ دو سر بار را به صورت پایدار و در مقیاس مناسب ظاهر کنید. سپس موج‌ها را در نمودار شکل 61-3 و 62-3 رسم کنید.

4- ولتاژ پیک‌تاپیک موج ورودی را محاسبه‌کنید و مقدار آن را در جدول 9-3 یادداشت کنید.

5- ولتاژ پیک موج خروجی را محاسبه کنید و مقدار آن را در جدول 9-3 یادداشت‌کنید.

6- مقدار ولتاژ DC دو سر بار را از رابطه زیر محاسبه کنید و مقدار آن را در جدول 9-3 یادداشت‌کنید.

${V_{DC}} = \frac{{2Vpk}}{\pi }$

7- مقدار ولتاژ DC دوسر بار را با ولت‌متر اندازه بگیرید و در جدول یادداشت‌کنید.

8- آیا ولتاژ DC اندازه‌گیری‌شده با محاسبه شده برابر است؟ در صورت اختلاف علت را توضیح دهید.

9- زمان تناوب موج خروجی را اندازه بگیرید و در جدول 9-3 یادداشت‌کنید.

10- فرکانس موج خروجی را محاسبه‌کنید و در جدول 9-3 یادداشت‌کنید.

جدول 9-3

ولتاژ پیک تا پیک ورودی	مقدار	واحد
ولتاژ پیک خروجی
ولتاژ DC خروجی محاسبه‌شده
ولتاژ DC خروجی اندازه‌گیری شده
زمان تناوب موج خروجی
فرکانس موج خروجی
پیک تا پیک ضربان

11- خازن $10\mu F$ را با بار موازی کنید. سپس شکل موج دو سر بار را در نمودار شکل 63-3 رسم کنید.

12- مقدار پیک تا پیک ضربان موج را اندازه بگیرید و در جدول یادداشت‌کنید.

13- به جای خازن $10\mu F$، خازن $100\mu F$ را با بار موازی کنید. آیا ولتاژ خروجی کاملاً صاف شده است؟

14- به جای چهار دیود می‌توان از آی‌سی پل مانند شکل 64-3 استفاده کرد. موج متناوب ورودی را به پایه‌های با علامت اتصال دهید و خروجی یکسوشده را از + و - دریافت کنید.

15- مدار را با آی‌سی پل ببندید و شکل موج خروجی را مشاهده کنید.

رگولاتور ولتاژ با دیودزنر

رگولاتور ولتاژ مداری است که به وسیله آن می‌توان با تغییر ولتاژ ورودی یا تغییر جریان بار، ولتاژ خروجی (دو سر بار) را ثابت نگه داشت. شکل 65-3 بلوک دیاگرام یک منبع تغذیه با رگولاتور ولتاژ را نشان می‌دهد.

یکی از کاربردهای دیود زنر، استفاده از آن در مدار رگولاتور ساده است. اگر دیود زنر در بایاس مخالف قرار گیرد و ولتاژ منبع بیشتر از ولتاژ شکست آن باشد، زنر در ناحیه شکست قرار می‌گیرد و ولتاژ دو سر آن تقریباً ثابت می‌ماند. در حالت ایده‌آل می‌توانیم دیود زنر را در ناحیه شکست معادل یک باتری در نظر بگیریم. شکل 66-3، معادل دیود زنر را در حالت واقعی و ایده‌آل نشان می‌دهد.

از این خاصیت دیود زنر برای ثابت نگه داشتن (تثبیت) ولتاژ دو سر بار $({R_L})$ استفاده می‌کنند. شکل 67-3، مدار تثبیت کننده ولتاژ دوسر بار (رگولاتور ولتاژ) را نشان می‌دهد.

${V_{IN}}$ در مدار شکل 67-3 ولتاژ بعد از خازن صافی منبع تغذیه شکل 65-3 است، که ممکن است در اثر تغییرات برق شهر یا جریان کشیدن بار دچار تغییرات شود.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 68-3 را در نرم‌افزار ببندید.

2- کلید مدار را ببندید و ولتاژ منبع را مطابق جدول 10-3 تغییر دهید و ولتاژ دو سر بار را با ولت‌متر نرم‌افزار اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

جدول 10-3

ردیف	ولتاژ منبع (ولت)	ولتاژ دوسر بار
1	2
2	5
3	8
4	12
5	15

3- در چه محدوده‌ای از ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی ثابت مانده است؟

4- در حالتی که ولتاژ ورودی 5، 12 و 15 ولت است جریان عبوری از دیود زنر را به وسیله آمپرمتر اندازه بگیرید و در جدول 11-3 یادداشت‌کنید.

5- توان تلفاتی دیود زنر را در این دو حالت از فرمول ${P_Z} = {V_Z} \times {I_Z}$ محاسبه و در جدول 11-3 یادداشت‌کنید.

جدول 11-3

ردیف	ولتاژ ورودی	جریان دیود زنر (mA)	توان دیودزنر (mw)
1	5 ولت
2	12 ولت
3	15 ولت

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 69-3 را روی بردبرد ببندید.

2- کلید مدار را ببندید و ولتاژ منبع را مطابق جدول 12-3 تغییر دهید. ولتاژ دو سر بار را با ولت‌متر اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

3- در چه محدوده‌ای از ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی ثابت مانده است؟

جدول 12-3

ردیف	ولتاژ منبع (ولت)	ولتاژ دوسر بار
1	2
2	5
3	8
4	12
5	15

آی‌سی‌های رگولاتور

امروزه برای تثبیت ولتاژ به‌جای استفاده از دیود زنر از آی‌سی‌های رگولاتور استفاده می‌کنند. آی‌سی‌های رگولاتور، مدارهای مجتمع تنظیم‌کننده‌های ولتاژ هستند که فقط سه‌پایه برای اتصال به مدار دارند. یکی از پایه‌ها برای اتصال به ولتاژ تنظیم نشده ورودی، پایه دیگر برای ولتاژ تنظیم شده خروجی و پایه سوم برای اتصال به زمین است. شکل 70-3 دو نمونه از این نوع تنظیم‌کننده‌های ولتاژ را نشان می‌دهد.

تنظیم‌کننده‌ها (رگولاتورها) به صورت قطعاتی با پوشش پلاستیکی یا فلزی و با قیمت بسیار ارزان عرضه می‌شوند. در مدار خارجی آن‌ها حداکثر سه عدد خازن قرار می‌گیرد. خازن‌ها در ورودی و خروجی رگولاتور نصب می‌شوند تا تغییرات ولتاژی را که در اثر نفوذ و دخالت فرکانس‌های ناخواسته به وجود می‌آید، از بین ببرند.

انواع آی‌سی‌های رگولاتور

از آن‌جا که در مدارهای الکترونیکی نیاز به دو نوع ولتاژ مثبت و منفی داریم، آی‌سی‌های رگولاتور به دو دسته، شامل سری‌های مثبت و منفی، تقسیم می‌شوند.

آی‌سی‌های سری مثبت

این آی‌سی‌ها ولتاژ مثبت تهیه می‌کنند. رگولاتورهای سری $78xx$ در این دسته‌بندی قرار دارند. شکل 71-3 چگونگی قرارگرفتن آی‌سی رگولاتور سری مثبت را در مدار نشان می‌دهد. دو رقم آخر در شماره این آی‌سی‌ها، ولتاژ خروجی آن را مشخص می‌کند. مثلأ آی‌سی 7805، ولتاژ خروجی رگوله‌شده‌ای برابر با 5+ ولت را فراهم می‌کند. ولتاژ خروجی این سری آی‌سی‌ها معمولاً $ \pm 4$ درصد خطا دارند. برای مثال ولتاژ خروجی آی‌سی 7805 ممکن است بین 4/8 ولت تا 5/2 ولت تغییر کند.

در شکل 72-3 چهار نمونه بسته‌بندی از این سری آی‌سی‌ها را مشاهده می‌کنید.

در شکل 73-3 مدار یک منبع تغذیه با آی‌سی رگولاتور 7812 را مشاهده می‌کنید.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 74-3 را در نرم‌افزار ببندید.

2- کلید مدار را وصل کنید و ولتاژ منبع را مطابق جدول 13-3 تغییر دهید. ولتاژ دو سر بار را با ولت‌متر نرم‌افزار اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

جدول 13-3

ردیف	ولتاژ منبع (ولت)	ولتاژ دوسر بار
1	2
2	5
3	8
4	12
5	15

3- در چه محدوده‌ای از ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی ثابت مانده است؟

مراحل اجرای کار عملی

1- مدار شکل 75-3 را روی بردبرد ببندید.

2- مقدار ولتاژ ورودی را بر اساس جدول 14-3 تغییر دهید و ولتاژ دو سر بار را با ولت‌متر اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

جدول 14-3

ردیف	ولتاژ منبع (ولت)	ولتاژ دوسر بار
1	2
2	5
3	8
4	12
5	15

4- در حالتی که ولتاژ ورودی 15 ولت ثابت است، مقدار ${R_L}$ را بر اساس جدول 15-3 تغییر دهید و در هر مرحله ولتاژ خروجی را با ولت‌متر اندازه بگیرید و در جدول 15-3 یادداشت کنید.

جدول 15-3

جریان بار	ولتاژ خروجی	مقدار ${R_L}$	ردیف
		$47\Omega $	1
		$100\Omega $	2
		$470\Omega $	3
		$1K\Omega $	4

5- جدول 15-3 را مورد بررسی قرار دهید. در مورد تأثیر مقاومت بار روی ولتاژ خروجی توضیح دهید. آیا در اثر تغییر مقاومت بار مقدار ولتاژ خروجی تغییر می‌کند؟

6- با توجه به مقدار ولتاژ خروجی و مقاومت بار، جریان بار را در هر مرحله از فرمول ${I_L} = \frac{{{V_{BL}}}}{{{R_L}}}$ محاسبه کنید و نتایج را در جدول بنویسید.

7- آیا در بار کم (جریان بار زیاد) ولتاژ خروجی رگولاتور تغییر می‌کند؟ شرح‌دهید.

آی‌سی‌های سری منفی

این آی‌سی‌ها ولتاژ منفی تهیه می‌کنند. رگولاتورهای سری $79xx$ در این دسته‌بندی قراردارند. شکل 76-3 چگونگی قرارگرفتن این نوع آی‌سی را در مدار نشان می‌دهد.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 77-3 را روی بردبرد ببندید.

2- مقدار ولتاژ ورودی را بر اساس جدول 16-3 تغییر دهید و ولتاژ دو سر بار را با ولت‌متر اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

جدول 16-3

ردیف	ولتاژ منبع (ولت)	ولتاژ دوسر بار
1	2
2	5
3	8
4	12
5	15

3- در چه محدوده‌ای از ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی ثابت مانده است؟

1- متن زیر در مورد آی‌سی‌های سری $78xx$ به زبان اصلی است. متن را به فارسی ترجمه‌کنید.

2- برگه اطلاعات شکل 78-3 را مورد مطالعه قرار دهید و اطلاعات خواسته شده را استخراج نمائید و در جدول 17-3 یادداشت‌کنید.

جدول 17-3

ردیف	شماره فنی آی‌سی	ولتاژ خروجی	ماکزیمم جریان	ماکزیمم ولتاژ ورودی
1	78L05
2	78M15
3	7805

3- با توجه به شکل 79-3، این آی‌سی‌های رگولاتور در چند مدل ساخته می‌شوند؟

رگولاتور ولتاژ مثبت قابل تنظیم

آی‌سی LM317 یک نمونه آی‌سی رگولاتور مثبت قابل تنظیم سه پایه است که ولتاژ خروجی آن را می‌توان بین 1/25+ ولت تا 37+ ولت تغییر داد. نقشه الکتریکی مدار این آی‌سی و پایه‌های آن در شکل 80-3 رسم شده است.

آی‌سی دارای سه پایه ورودی (Input)، خروجی (Out put) و پایه قابل تنظیم (Adjustment) است. مقاومت ثابت R1 و مقاومت متغیر R2 برای تنظیم سطح ولتاژ و مقدار بیشینه (ماکزیمم) ولتاژ خروجی در مدار به‌کار می‌رود. حداکثر جریانی که این آی‌سی می‌تواند به بار بدهد 1/5 آمپر است.

رگولاتور ولتاژ منفی قابل تنظیم 

آی‌سی LM337 یک آی‌سی رگولاتور ولتاژ منفی قابل تنظیم سه پایه است که ولتاژ خروجی آن را می‌توانیم بین 1/25- ولت تا 37- ولت تغیر می‌دهیم. شکل 81-3 دو نمونه آی‌سی و یک نمونه نقشه استاندارد آن را نشان می‌دهد.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 82-3 را روی بردبرد ببندید.

2- مقاومت متغیر $5K\Omega $ روی حداقل مقدار قرار دهید و با مولتی‌متر ولتاژ دو سر مقاومت ${R_1}$، ${R_P}$ و ${V_O}$ را اندازه بگیرید و در جدول 18-3 یادداشت‌کنید.

3- سر متغیر پتانسیومتر را در حد وسط و در ماکزیمم قرار دهید و در هر مرحله با ولت‌متر ولتاژ دو سر مقاومت ${R_1}$، ${R_P}$ و ${V_O}$ را اندازه بگیرید و در جدول 18-3 یادداشت‌کنید.

جدول 18-3

$VO$ محاسبه‌شده (ولت)	${V_O}$ اندازه‌گیری شده (ولت)	${V_{RP}}$ ولت	${V_{R1}}$ ولت	مقدار پتانسیومتر	مرحله
				در حد مینیمم	1
				در حد وسط	2
				در حد ماکزیمم	3

4- آیا با تغییر سر متغیر پتانسیومتر، ${V_{R1}}$ تقریباً ثابت مانده است؟

5- آیا همواره رابطه ${V_O} - {V_{RP}} + {V_{R1}}$ برقرار است؟

6- آیا می‌توان ولتاژ خروجی را از رابطه مقابل به دست آورد؟

${V_O} = (1 + \frac{{{R_P}}}{{{R_1}}}) \times {V_{R1}}$

هر مرحله، ولتاژ خروجی را با فرمول محاسبه کنید و نتایج را با مقدار اندازه‌گیری‌شده مقایسه نمایید. مقدار ${V_O}$ محاسبه‌شده را در جدول یادداشت کنید.

${V_O}(\min ) = ..........V$

7- کمترین ولتاژ خروجی و بیش‌ترین ولتاژ خروجی چند ولت است؟

${V_O}(\max ) = ..........V$

چندبرابرکننده ولتاژ 

مدارهای چندبرابرکننده ولتاژ، منابع تغذیه‌ای هستند که ولتاژ خروجی آن‌ها چند برابر ماکزیمم ولتاژ ورودی است. در شکل 86-3 مدار یک نمونه دوبرابرکننده ولتاژ رسم شده است.

در این مدار خازن C1 به اندازه VSmax و خازن C2 به اندازه 2VSmax شارژ می‌شود لذا ولتاژ خروجی دو برابر می‌شود. هنگامی‌که مقاومت بار به خروجی وصل‌شود، ضربان (ریپل) زیادی در دوسر بار ظاهر می‌شود، از این رو این‌گونه مدارها فقط در شدت جریان‌های کم به کار می‌روند. در شکل 87-3 مدار پنج‌برابرکننده ولتاژ رسم شده است. در این مدار هم خازن C1 به اندازه V Smax و سایر خازن‌ها به اندازه 2VSmax شارژ می‌شوند.

در شکل 88-3 یک نمونه مدار چندبرابرکننده ولتاژ با قطعات واقعی نشان‌داده شده است.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 89-3 را در نرم‌افزار ببندید.

2- کلید مدار را وصل‌کنید و به وسیله ولت‌متر AC نرم افزار، ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور را اندازه بگیرید و در جدول 19-3 یادداشت‌کنید.

جدول 19-3

مقدار (ولت)	کمیت مورد اندازه‌گیری	ردیف
	${V_{Srms}}$	1
	${V_{S\max }}$	2
	${V_{C1}}$	3
	${V_{C2}}$	4

3- VSmax را با فرمول محاسبه و مقدار محاسبه‌شده را در جدول یادداشت کنید.

4- ولتاژ دو سر خازن ${C_1}$ و خازن ${C_2}$ را با ولت‌متر DC نرم‌افزار اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 90-3 را روی بردبرد ببندید.

2- کلید مدار را وصل‌کنید و به وسیله ولت‌متر AC، ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور را اندازه بگیرید و در جدول 20-3 یادداشت‌کنید.

3- VSmax را با فرمول محاسبه و مقدار محاسبه‌شده را در جدول یادداشت کنید.

4- ولتاژ دو سر خازن ${C_1}$ و خازن ${C_2}$ را با ولت‌متر DC اندازه بگیرید و در جدول یادداشت‌کنید.

جدول 20-3

مقدار (ولت)	کمیت مورد اندازه‌گیری	ردیف
	${V_{Srms}}$	1
	${V_{S\max }}$	2
	${V_{C1}}$	3
	${V_{C2}}$	4

5- مقاومت ${R_L} - 470\Omega $ را به خروجی مدار وصل کنید. به وسیله اسیلوسکوپ شکل موج ولتاژ دو سر ${R_L}$ را در نمودار شکل 92-3 رسم کنید و مقدار ولتاژ DC را روی آن بنویسید.

سلول خورشیدی Solar cell

در مباحث گذشته با سلول فتوولتائیک که آن را با نام سلول خورشیدی می‌شناسیم آشنا شده‌اید. این سلول‌ها سالم‌ترین وسیله تولید الکتریسیته هستند. شکل 94-3 یک سلول خورشیدی که در تابش مناسب خورشید قادر به تولید ولتاژی حدود 5/5 ولت با جریان 100mA است را نشان می‌دهد.

برای آشنایی با طرز کار سلول خورشیدی به اجرای کار عملی ساده‌ای می‌پردازیم.

مراحل اجرای کار

1- پس از اتصال سیم‌های رابط از طریق لحیم‌کاری به سلول خورشیدی، در کم‌ترین و بیش‌ترین تابش نور خورشید، ولتاژ تولیدی توسط سلول را مانند شکل 95-3 اندازه بگیرید و یادداشت‌کنید.

2- دو سلول را با هم سری کنید و ولتاژ تولیدی را در نور محیط کارگاه اندازه بگیرید و یادداشت‌کنید. 

$V$                      =ولتاژ در کم‌ترین نور
$V$                      =ولتاژ در بیش‌ترین نور

3- دو سلول را با هم موازی کنید و ولتاژ تولیدی را در نور محیط کارگاه اندازه بگیرید و یادداشت‌کنید.

$V$                      =ولتاژ تولیدی (در کمترین نور)
$V$                      =ولتاژ تولیدی (در بیشترین نور)

4- با توجه به برگه اطلاعات LED، افت ولتاژ دو سر LED و جریان طبیعی (نرمال-Normal) که می‌تواند نور مناسب تولید کند را به دست‌آورید. سپس با ولتاژ تولیدی سلول خورشیدی، مقاومت محدودکننده جریان را در مدار شکل 96-3 محاسبه‌کنید و LED را روشن نمائید.

$R = \frac{{{V_R}}}{I} = \frac{{{V_{Cell}} - {V_D}}}{{{I_D}}}$
$R = ...........\Omega $

5- آمپرمتر را با مدار سری کنید و جریان مدار را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

$I - .................mA$

6- آیا می‌توانید چندین LED را موازی‌کنید و آن‌ها را با سلول خورشیدی روشن‌کنید؟ این موضوع را تجربه کنید.

شایستگی‌های غیر فنی و دانشمندان ایرانی توسعه پایدار (بازیافت و استفاده بهینه از انرژی) 

واحد یادگیری 4: ترانزیستور و کاربرد عملی آن

آیا تا به حال فکر کرده‌اید:

- اختراع ترانزیستور چه تحول شگرفی در صنعت الکترونیک پدید آورده است؟
- کدام قطعه الکترونیکی در یک مدار می‌تواند یک سیگنال ضعیف مانند صوت انسان را تقویت کند؟
- اگر بخواهیم در مداری میلیون‌ها بار عمل قطع و وصل را انجام دهیم، کدام قطعه الکترونیکی می‌تواند این‌کار را انجام دهد؟
- با اختراع کدام قطعه الکترونیکی دوام دستگاه‌های الکترونیکی افزایش یافته است؟

با اختراع ترانزیستور تحول بزرگی در صنعت الکترونیک به‌وجود آمده است. ترانزیستورها با تلفات قدرت کم، حجم و وزن کم و عمر طولانی، سبب کوچک شدن دستگاه‌های الکترونیکی و فراگیرشدن صنعت الکترونیک در همه زمینه‌ها شده‌اند. امروزه ترانزیستورها به صورت مدار مجتمع (آی‌سی) در مقیاس وسیعی در بردهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. لذا شناخت عملکرد ترانزیستور اهمیت ویژه‌ای دارد.

در این واحد یادگیری ابتدا به کمک مولتی‌متر، پایه‌ها و صحت عملکرد ترانزیستور را تعیین می‌کنید. سپس به بررسی تغذیه ترانزیستور (بایاس)، ترانزیستور به عنوان کلید و تقویت‌کننده می‌پردازید. در ادامه، کاربرد ساده‌ای از ترانزیستور را مورد آزمایش قرار می‌دهید.

در تمام مراحل کار عملی رعایت نکات ایمنی و بهداشتی و توجه به مهارت‌های غیرفنی مانند کار گروهی، مسئولیت‌پذیری، پایبندی به نظم و ترتیب از مواردی است که از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و باید رعایت شود.

استاندارد عملکرد

تغذیه ترانزیستور و اجرای عملی مدارهای کاربردی ساده با ترانزیستور به صورت نرم‌افزاری و سخت‌افزاری

مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز واحد یادگیری:

ابزار عمومی برق و الکترونیک- منبع تغذیه- سیگنال ژنراتور AF- اسیلوسکوپ- مولتی‌متر دیجیتالی- رایانه- نرم‌افزار مناسب- ویدئوپروژکتور- بردبرد- لوازم‌التحریر- انواع ترانزیستور، مقاومت، خازن و سیم‌های رابط

تعیین پایه‌ها و آزمایش صحت ترانزیستور

ساختمان ترانزیستور شامل سه کریستال نیمه هادی ناخالص است که یک کریستال در وسط و دو کریستال از نوع مخالف در دو طرف آن قرار گرفته‌اند. شکل 1-4 ساختمان کریستالی دو نوع ترانزیستور NPN و PNP و نماد فنی آن‌ها را نشان می‌دهد. مدار معادل دیودی ترانزیستور در شکل 2-4 رسم شده است.

مراحل اجرای کار

1- تعیین پایه بیس: برای تعیین پایه بیس ترانزیستور، مولتی‌متر دیجیتالی را روی حالت آزمایش دیود قرار دهید سپس با اتصال پروب مولتی‌متر به پایه‌ها، پایه‌ای را پیدا کنید که نسبت به دو پایه دیگر در ولتاژ موافق قرار گرفته باشد. این پایه، (پایه مشترک) بیس ترانزیستور است. شکل 3-4 این حالت را نشان می‌دهد.

- ترانزیستوری را در اختیار بگیرید و پایه بیس آن را مشخص کنید.

2- تعیین نوع ترانزیستور: در حالتی که دیودهای بیس- امیتر و بیس- کلکتور در ولتاژ موافق قرار دارند، اگر ترمینال مثبت مولتی‌متر به بیس متصل باشد، ترانزیستور از نوع NPN و اگرترمینال منفی مولتی‌متر به بیس متصل باشد، ترانزیستور از نوع PNP است. در شکل 3-4، ترانزیستور از نوع NPN است. 

- نوع ترانزیستور مورد آزمایش را تعیین کنید.

3- تعیین پایه امیتر و کلکتور: برای تعیین پایه کلکتور و امیتر، چون سطح تماس کلکتور به بیس از سطح تماس امیتر به بیس بیش‌تر است، اتصال کلکتور به بیس در حالت موافق مقاومت کم‌تری نسبت به اتصال امیتر بیس دارد لذا افت ولتاژ موافق کلکتور بیس کم‌تر از افت ولتاژ موافق امیتر بیس است. این تفاوت ولتاژ بسیار کم و در حدود هزارم ولت است. شکل 4-4 ولتاژ موافق بیس- کلکتور و بیس- امیتر را نشان می‌دهد

- امیتر و کلکتور ترانزیستور مورد آزمایش را مشخص کنید. سپس ولتاژ موافق دیود بیس- امیتر و دیود بیس- کلکتور را عملاً مورد بررسی قرار دهید و نتایج را در جدول 1-4 ثبت و جدول را کامل کنید.

4- آزمایش را روی ترانزیستور دیگری تکرار کنید تا مهارت لازم را در آزمایش ترانزیستور کسب‌کنید.

جدول 1-4

ردیف	اطلاعات مورد نظر	مورد 1	مورد 2
1	شماره فنی ترانزیستور
2	شکل ظاهری با مشخص کردن پایه‌ها
3	نوع ترانزیستور (NPN یا PNP)
4	ولتاژ موافق امیتر- بیس
5	ولتاژ موافق کلکتور- بیس

5- آزمایش صحت ترانزیستور

ترانزیستور زمانی سالم است که مولتی‌متر دیجیتالی در حالت آزمایش دیود، بین بیس- امیتر و بیس- کلکتور در یک جهت ولتاژ موافق و در جهت دیگر تقریباً حالت اتصال باز را نشان دهد. شکل 5-4 اتصال بین بیس- امیتر و بیس- کلکتور را در حالت بایاس مخالف نشان می‌دهد.

اگر دیودهای بیس- امیتر و بیس- کلکتور در بایاس موافق و مخالف حالت اتصال باز را نشان دهند، ترانزیستور معیوب و دیودها قطع و اگر مولتی‌متر صفر ولت را نشان دهد دیودها اتصال کوتاه‌اند.

6- دو عدد ترانزیستور معیوب را در اختیار بگیرید و نوع عیب آن‌را مشخص‌کنید. نوع عیب را شرح‌دهید.

مراحل اجرای کار

1- شکل 6-4 بخشی از برگه اطلاعات مربوط به ترانزیستور BC337 را نشان می‌دهد. در این برگه اطلاعات مقادیر ماکزیمم ومشخصات حرارتی نوشته‌شده است. با توجه به برگه اطلاعات، مطالب خواسته شده در جدول 2-4 را تکمیل کنید.

جدول 2-4

ردیف	ماکزیمم کمیت مورد نظر	مقدار	واحد
1	ولتاژ کلکتور- امیتر
2	جریان کلکتور
3	جریان بیس
4	توان تلفاتی

تغذیه ترانزیستور

برای اینکه بتوان از ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده، کلید (سوئیچ) و سایر موارد استفاده نمود، باید ترانزیستور را از نظر ولتاژ DC تغذیه کرد. زمانی جریان در پایه‌های ترانزیستور برقرار می‌شود و ترانزیستور در حالت هدایت قرار می‌گیرد که دیود بیس- امیتر در بایاس موافق و دیود بیس- کلکتور در بایاس مخالف باشد. شکل 7-4 این حالت بایاس را برای ترانزیستور NPN نشان می‌دهد.

انواع روش‌های بایاس

الف- بایاس با دو منبع ولتاژ مستقل: در این روش بایاس دو منبع مستقل ${{\text{V}}_{CC}}$ و ${{\text{V}}_{BB}}$ دیود بیس- امیتر را در ولتاژ موافق و دیود بیس- کلکتور را در ولتاژ مخالف قرار می‌دهند. شکل 8-4 این روش بایاس را نشان می‌دهد.

ب- بایاس با یک منبع ولتاژ: برای صرفه جویی در تعداد منبع ولتاژ به جای دو باتری تنها از یک منبع ${\text{(Vcc)}}$ استفاده شده است. شکل 9-4 این بایاس را نشان می‌دهد.

کاربرد ترانزیستور به عنوان کلید (سوئیچ)

اگر جریان در پایه‌های ترانزیستور برقرار نباشد، ترانزیستور مانند کلید باز عمل می‌کند. ترانزیستور زمانی مانند کلید وصل (کلید بسته) عمل می‌کند که جریان ماکزیمم از پایه‌های آن عبور کند.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 10-4 را به کمک نرم‌افزار ببندید.

2- اگر کلید $S1$ قطع باشد دیود بیس امیتر بایاس نمی‌شود و ترانزیستور در ناحیه قطع قرار می‌گیرد. در این حالت ترانزیستور مانند کلید باز (قطع- Cut Off) عمل می‌کند. کلید $S1$ را قطع کنید. وضعیت لامپ و مقادیری را که ولت‌متر و آمپرمتر مدار نشان می‌دهند، در جدول 3-4 یادداشت‌کنید.

جدول 3-4

ناحیه کارترانزیستور	وضعیت لامپ	${V_{CE}}$	${V_{BE}}$	${I_C}$	${I_B}$	وضعیت کلید	ردیف
							1
							2

3- کلید S1 را وصل کنید. وضعیت لامپ و مقادیری را که ولت‌مترها و آمپرمترهای مدار نشان می‌دهند را در جدول یادداشت کنید. در این حالت جریان‌ها در پایه‌های ترانزیستور برقرار است و ترانزیستور در ناحیه هدایت قرار دارد.

4- کلید S1 را قطع کنید، منبع ${{\text{V}}_{BB}}$ را روی 5 ولت تنظیم کنید سپس کلید S1 را وصل کنید و مقادیر نشان داده شده توسط ولت‌متر و آمپرمتر مدار را در جدول یادداشت کنید. در این حالت جریان‌های عبوری از ترانزیستور ماکزیمم و ${{\text{V}}_{CE}}$ تقریباً صفر ولت است و ترانزیستور در ناحیه اشباع (Saturation) کار می‌کند. در حالت اشباع ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل می‌کند.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 11-4 را روی بردبرد ببندید.

2- سر متغیر پتانسیومتر را در نقطه N قرار دهید. در این حالت ولتاژ «بیس امیتر» و ولتاژ «کلکتور امیتر» را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 4-4 بنویسید و جدول را کامل کنید.

3- سر متغیر پتانسیومتر را از نقطه N به نقطه M نزدیک کنید. در نور لامپ چه تغییری به وجود می‌آید؟ ولتاژ کلکتور- امیتر و ولتاژ بیس- امیتر چه تغییری می‌کند؟ شرح دهید، سپس جدول را کامل کنید.

4- سر متغیر پتانسیومتر را در نقطه M قرار دهید، ولتاژ بیس امیتر $({V_{BC}})$ و ولتاژ کلکتور- امیتر $({V_{CE}})$ را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 4-4 بنویسید و جدول را کامل کنید.

جدول 4-4

ناحیه کارترانزیستور	وضعیت لامپ	${V_{CE}}$	${V_{BE}}$	وضعیت سر متغیر پتانسیومتر	ردیف
				در نقطه N	1
				بین نقطه M و N	2
				در نقطه M	3

بایاس با مدار تقسیم‌کننده ولتاژ مقاومتی (Voltage Divider Bias)

روش بهتر بایاس که دارای ثبات حرارتی است، بایاس با مدار تقسیم‌کننده ولتاژ مقاومتی است که به آن بایاس سرخود (Self Bias) نیز می‌گویند. شکل 12-4 این نوع بایاس را نشان می‌دهد.

در این نوع بایاس، مقاومت‌های ${R_1}$ و ${R_2}$ به عنوان تقسیم‌کننده ولتاژ، تغذیه بیس ترانزیستور را تأمین می‌کنند. برای به دست آوردن ولتاژ و جریان تقریبی پایه‌های ترانزیستور می‌توان به صورت زیر عمل نمود. اگر از جریان بیس ترانزیستور $({I_B})$ که ناچیز است صرف‌نظر کنیم، می‌توانیم مقاومت‌های ${R_1}$ و ${R_2}$ را در شکل 13-4 سری در نظر بگیریم. ولتاژ نقطه B (ولتاژ دو سر مقاومت ${R_2}$ نسبت به زمین) از رابطه ${V_B} - \frac{{Vcc \times R2}}{{R1 + R2}}$ به دست می‌آید.

در شکل 13-4 با عبور جریان ${I_E}$ در دو سر مقاومت ${R_E}$، پتانسیل ${V_E} - {R_E} \times {I_E}$ به وجود می‌آید. پتانسیل امیتر نسبت به زمین $({V_E})$ را می‌توان از رابطه ${V_E} = {V_B} - {V_{BE}}$  محاسبه نمود. با معلوم بودن ${V_E}$ ، ${I_E}$ محاسبه می‌شود.

${I_E} = \frac{{{V_E}}}{{{R_E}}}$

با تقریب قابل قبول می‌توان ${I_C}$ را برابر ${I_E}$ در نظر گرفت. پتانسیل کلکتور نسبت به زمین $({V_C})$ از رابطه ${V_C} = {V_{CC}} - {R_C} \times {I_C}$ قابل محاسبه است.

مراحل اجرای کار:

1- مدار شکل 14-4 را روی بردبرد ببندید.

2- قبل از وصل کلید $K$، مقادیر ${I_C}$، ${I_E}$، ${V_E}$، ${V_B}$ و ${V_C}$ و ${V_{CE}}$ که محاسبه شده است، را در جدول 5-4 بنویسید.

3- کلید $K$ را ببندید و ولتاژ ${V_C}$، ${V_E}$، ${V_{BE}}$، ${V_B}$ و ${V_{CE}}$ را اندازه بگیرید و در جدول یادداشت کنید.

4- با معلوم بودن ${V_E}$ و مقدار ${R_E}$،‌ ${I_E}$ را محاسبه کنید و آن را در جدول یادداشت نمایید. $({I_E} = {I_C})$

جدول 5-4

شیوه اجرا	${V_{CE}}$ ولت	${V_C}$ ولت	${I_{CmA}}$	$${V_E}$$ ولت	${V_{BE}}$ ولت	${V_B}$ ولت	ردیف
محاسباتی							1
اندازه‌گیری شده							2

5- آیا مقادیر اندازه‌گیری شده با مقادیر محاسبه شده تطابق دارد؟ در صورت اختلاف، علت را شرح دهید.

6- آیا ${V_{CE}}$ تقریباً نصف ${V_{CC}}$ است؟

7- اگر به جای این ترانزیستور، ترانزیستور NPN دیگری را که بتای آن حدود بتای همین ترانزیستور است، در مدار قرار دهید، آیا مقادیر جدول 5-4 تغییر می‌کند؟ شرح دهید.

مراحل اجرای کار:

1- مدار شکل 15-4 را روی بردبرد ببندید.

2- روی LDR را با دست بپوشانید. در این حالت باید LED خاموش باشد. این موضوع را تجربه کنید. در این حالت ترانزیستور در چه ناحیه‌ای قرار دارد؟ شرح دهید.

3- به LDR نور بتابانید، در این حالت LED روشن خواهد شد. این موضوع را تجربه کنید و در مورد ناحیه کار ترانزیستور شرح دهید.

4- مدار را مطابق شکل 16-4 تغییر دهید. این مدار با حسگر حرارتی عمل می‌کند.

5- آیا در شرایط عادی LED روشن است یا خاموش؟ ناحیه کار ترانزیستور و عملکرد مدار را شرح دهید.

6- NTC را به وسیله هویه گرم کنید. آیا وضعیت LED خروجی تغییر می‌کند؟ ناحیه کار ترانزیستور و عملکرد آن را در این حالت شرح دهید.

تقویت‌کننده با ترانزیستور

مداری که بتواند یک سیگنال الکتریکی را از لحاظ دامنه ولتاژ یا جریان افزایش دهد، تقویت‌کننده $(AMP = {\text{Amplifier}})$ نام دارد. در تقویت‌کننده‌ها سیگنال ضعیف را به ورودی تقویت‌کننده وصل می‌کنند و سیگنال تقویت شده را از خروجی دریافت می‌نمایند. شکل 17-4 بلوک دیاگرام یک سیستم کامل آمپلی‌فایر صوتی را نشان می‌دهد.

ورودی این سیستم می‌تواند میکروفن، خروجی دستگاه پخش صوت یا خروجی یک CD خوان باشد. بار یا مصرف‌کننده متصل شده به خروجی، یک بلندگو است. هر بلوک این آمپلی‌فایر ممکن است شامل چند بلوک فرعی و هر بلوک فرعی شامل چندین ترانزیستور یا آی‌سی (IC) باشد.

آرایش‌های ترانزیستور (Transistor Confi guration)

ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده می‌تواند در یکی از سه آرایش امیتر مشترک، بیس مشترک و کلکتور مشترک مورد استفاده قرار گیرد. مشخصات الکتریکی هر آرایش مانند مقاومت ورودی، مقاومت خروجی، بهره ولتاژ و بهره جریان با یکدیگر متفاوت است.

آرایش امیتر مشترک (CE= Common Emitter)

در این آرایش، سیگنال متناوب در ورودی به بیس- امیتر ترانزیستور اعمال می‌شود و سیگنال تقویت شده از پایه‌های خروجی یعنی از کلکتور- امیتر ترانزیستور دریافت می‌شود. چون پایه امیتر بین ورودی و خروجی مشترک است، این آرایش امیتر مشترک نام دارد. شکل 18-4 این آرایش را بدون مقاومت‌های بایاس نشان می‌دهند.

مراحل اجرای کار

1- شکل 19-4 را روی بردبرد ببندید. و با اندازه‌گیری ${V_{BE}}$، ${V_E}$، ${V_B}$ و ${V_{CE}}$ صحت عملکرد مدار را تأیید کنید.

2- برای اعمال سیگنال متناوب، مدار را مطابق شکل 20-4 تکمیل کنید.

3- سیگنال ژنراتور را روی فرکانس 1000 هرتز تنظیم کنید و به مدار وصل کنید.

4- کانال یک اسیلوسکوپ را به خروجی مدار (دو سر بار ${R_L}$) وصل کنید.

5- دامنه سیگنال ژنراتور را آن قدر تغییر دهید تا دامنه سیگنال خروجی (سیگنال دو سر بار) روی 3 ولت پیک تا پیک تنظیم شود.

6- شکل موج دو سر بار و ورودی تقویت‌کننده $({V_{IN}})$ را در نمودارهای شکل 21-4 و 22-4 رسم کنید.

7- دامنه پیک تا پیک موج ورودی را اندازه بگیرید.

ولت             ${V_{in(PP)}} = $

8- بهره ولتاژ (میزان تقویت ولتاژ) از رابطه $AV = \frac{{Vopp}}{{Vinpp}}$ به دست می‌آید. بهره ولتاژ را محاسبه کنید.

مرتبه              $Av = .............$

9- بهره جریان (میزان تقویت جریان) از رابطه ${A_I} = \frac{{{I_L}}}{{{I_{in}}}}$ به دست می‌آید.
${I_L}$ را از رابطه $\frac{{{V_O}}}{{{R_L}}}$ محاسبه کنید.

${I_{LPP}} = .............mA$

$Iin$ را از رابطه ${I_{in}} = \frac{{{V_{RS}}}}{{{R_S}}} = \frac{{{V_{SG(PP)}}\_{V_{in(pp)}}}}{{{R_S}}}$ محاسبه کنید. 

$Iin = ...........mA$
مرتبه    ${A_I} = ............$

10- اختلاف فاز بین ولتاژ ورودی و خروجی را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

11- در حالت با باری خازن ${C_3}$ را از مدار خارج کنید. آیا دامنه شکل موج خروجی کاهش می‌یابد؟ شرح دهید.

12- دامنه موج خروجی چند مرتبه کوچک‌تر شده‌است؟

مراحل اجرای کار

1- شکل 23-4 را در نرم‌افزار ببندید.

2- سیگنال ژنراتور را روی فرکانس 1000 هرتز تنظیم کنید و به مدار وصل کنید.

3- کانال یک اسیلوسکوپ را به خروجی مدار (دو سر بار ${R_L}$) وصل کنید.

4- دامنه سیگنال ژنراتور را آن قدر تغییر دهید تا دامنه سیگنال خروجی (سیگنال دو سر بار) روی 5 ولت پیک تا پیک تنظیم شود.

5- شکل موج دو سر بار و ورودی تقویت‌کننده $({V_{IN}})$ را در نمودارهای شکل 24-4 و 25-4 رسم کنید.

6- دامنه پیک تا پیک موج ورودی را اندازه بگیرید.

ولت ${V_{in(PP)}} - .............$

7- بهره ولتاژ (میزان تقویت ولتاژ) را محاسبه کنید.

مرتبه ${A_V} = ...............$

8- بهره جریان (میزان تقویت جریان) را محاسبه‌کنید.

9- اختلاف فاز بین ولتاژ ورودی و خروجی را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

10- در حالت با باری خازن ${C_3}$ را از مدار خارج کنید. دامنه شکل موج خروجی چند مرتبه کاهش می‌یابد؟‌ شرح دهید.

آی‌سی آمپلی‌فایر صوت

آی‌سی‌های تقویت‌کننده صوت در انواع متنوعی به بازار عرضه شده‌اند. یک نمونه از این آی‌سی که از مدار ساده‌ای برخوردار است، آی‌سی LM380 یا LM386 است. در شکل 29-4 نماد فنی و شکل پایه‌های آی‌سی نشان داده شده است.

مراحل اجرای کار

1- مدار تقویت‌کننده قدرت صوتی شکل 30-4 را روی بردبرد ببندید.

 

2- منبع تغذیه را روشن و آن را روی ولتاژ 12 ولت تنظیم کنید.

3- سیگنال‌ژنراتور صوتی را روی فرکانس 1000 هرتز تنظیم کنید و خروجی آن را به ورودی مدار تقویت‌کننده صوتی متصل کنید.

4- اسیلوسکوپ را به خروجی (دو سر بلندگو) متصل کنید. دامنه ولتاژ خروجی سیگنال‌ژنراتور را طوری تنظیم کنید که دامنه سیگنال مشاهده شده روی صفحه اسیلوسکوپ ماکزیمم و بدون اعوجاج باشد. در این حالت باید بلندگو بیشترین موج صدا را داشته‌باشد.

5- شکل موج خروجی (دو سر بلندگو) و شکل موج ورودی (پایه شماره 2 آی‌سی) را توسط اسیلوسکوپ مشاهده کنید و سپس آن‌ها را در نمودار شکل 31-4 و 32-4 رسم کنید. دامنه پیک تا پیک موج‌ها را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.

${V_{IN(PP)}} = ............V$
${V_{O(PP)}} = ............V$

6- بهره ولتاژ (میزان تقویت ولتاژ) را محاسبه کنید.

مرتبه ${A_V} = ............$

7- خروجی سیگنال ژنراتور را مستقیما به بلندگو وصل کنید، آیا صدا با قدرت کافی شنیده می‌شود؟ شرح دهید.