درسنامه آموزشی عرضه تخصصی قطعات الکتریکی و الکترونیکی کلاس دهم الکترونیک

واحد یادگیری 1: شایستگی آزمایش قطعات الکتریکی و الکترونیکی (مقاومت، سلف و خازن)

آیا تا به حال پی برده‌اید:

- در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی از چه قطعاتی استفاده می‌شود؟
- قطعات الکتریکی و الکترونیکی چه نقشی در مدارها دارند؟
- قطعات الکتریکی و الکترونیکی را چگونه آزمایش می‌کنند؟
- قطعاتی مانند مقاومت، سلف و خازن به چه شکل هستند؟
- چه نرم‌افزارهای رایانه‌ای و اندرویدی برای قطعات الکتریکی و الکترونیکی وجود دارد؟
- برگهٔ اطلاعات (datasheet) قطعات و راهنمای کاربرد دستگاه‌ها چه کاربردی دارد؟

در صنعت الکترونیک قطعات متعددی هستند که با توجه به ویژگی‌هایی که دارند در مدارهای مختلف استفاده می‌شوند. قطعاتی مانند مقاومت، سلف و خازن که تقریباً در تمام مدارهای الکتریکی و الکترونیکی مانند تلفن همراه، تبلت، شارژر، تلویزیون، پخش صوت تلفن و دستگاه‌های مهندسی پزشکی به کار می‌روند را قطعات پایه در الکتریسیته و الکترونیک می‌نامند. در این واحد یادگیری، به شرح عملکرد و کاربرد تعدادی از این نوع قطعات در مدارهای الکتریکی می‌پردازیم. از آنجا که برای درک چگونگی عملکرد هر قطعه در مدار نیاز به دانش و مهارت کافی و عمیق در به کارگیری علم الکتریسیته، آگاهی از کاربردها و شبیه‌سازی قطعه توسط نرم‌افزار داریم، این موضوع را در فرایند تألیف نیز رعایت کرده‌ایم. محتوای آموزشی شامل مباحث نظری، محاسبه‌ای، عملی آزمایشگاهی و کار با نرم‌افزار است. پس از آموزش از فرا گیرنده انتظار می‌رود که بتواند مقاومت، سلف و خازن را از یکدیگر تمیز دهد و کاربرد آنها را بیان کند و با استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری آنها را اندازه بگیرد. همچنین قطعات را به صورت سری و موازی ببندد و کمیت‌های مرتبط با آنها را محاسبه کند و به کمک سخت‌افزار و نرم‌افزار آنها را اندازه‌گیری نماید. رعایت نکات ایمنی و بهداشتی و توجه به مهارت‌های غیرفنی مانند کار گروهی، مسئولیت‌پذیری، رعایت نظم و ترتیب، توجه به محیط زیست و اخلاق حرفه‌ای نیز از مواردی است که از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و در تمام مراحل باید رعایت شود.

استاندارد عملکرد:

محاسبه و اتصال عملی مدارهای ساده الکتریکی و الکترونیکی و اندازه‌گیری مقادیر کمیت‌ها و قطعات مرتبط با آن براساس استاندارد و با دقت تعریف شده.

مواد، تجهیزات و ابزار مورد نیاز

ابزار عمومی برق یا الکترونیک- لوازم‌التحریر- میز کار با برق- چسب کاغذی- LCR متر دیجیتالی- میکرومتر یا کولیس- کاتر- بوبین‌پیچ- جداول استاندارد مرتبط- ابزار عمومی لحیم‌کاری- وارنیش- سیم‌افشان- لباس کار- رایانه- انواع سیم لاکی- هسته فریت و آهن- قرقره در ابعاد مختلف متناسب با برنامه آموزشی.

فضای آموزش و تجهیزات مربوط به آن

سیستم تهویه- ویدئو پروژکتور- رایانه- ماشین حساب- پرده نمایش- وایت برد- برد هوشمند (اسمارت برد به جای ویدئو پروژکتور و پرده نمایش). مشخصات فنی تجهیزات و فضا و تعداد آن در سند برنامه درسی آمده است.

ماهیت الکتریسیته

با توجه به آموخته‌های خود در دروس علوم و کار و فناوری سال‌های گذشته و شکل‌های 1-1 و 2-1 پیش آزمون زیر را در خارج از ساعات درسی اجرا کنید و به خود امتیاز دهید. در دادن امتیاز صادق باشید، زیرا دانسته‌های خود را ارزیابی می‌کنید. این آزمون در کلاس درس به وسیله معلم نیز مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

ساختمان ماده

با توجه به شکل‌های 3-1، 4-1، 5-1، 6-1، 7-1 و پیش آموخته‌های خود در سال‌های گذشته، در یک بحث گروهی به سؤالات زیر پاسخ دهید. در صورت نیاز از کتاب‌های مرجع ذکر شده در انتهای کتاب استفاده کنید.

الکترون‌های والانس یا ظرفیت: با توجه به آموخته‌های خود در دروس علوم و کار و فناوری پایه‌های هفتم تا نهم، شکل‌های 8-1 تا 10-1 را مورد بررسی قرار دهید و با استفاده از بارش فکری، الکترون والانس یا ظرفیت (تعداد الکترون‌های مدار آخر) و نقش آن را بیابید.

الکترون‌های آزاد

برای تولید جریان الکتریکی لازم است که الکترون‌های والانس از اتم جدا و آزاد شوند. چون الکترون‌های مدار آخر نسبت به هسته اتم دورتر هستند، لذا نیروی جاذبه کمتری از طرف هسته روی آنها اثر می‌کند، بنابراین با وارد کردن مقدار کمی انرژی می‌توانند از مدار خود جدا شوند و به محل دیگری انتقال یابند. شکل 11-1 نحوه وارد شدن انرژی به الکترون‌های والانس و جدا شدن آنها از مدار خود را نشان می‌دهد. این الکترون‌ها را الکترون‌های آزاد می‌گویند. به عبارت دیگر اگر الکترونی از اتم جدا شود و به هیچ اتمی‌ وابسته نباشد، آن الکترون را الکترون آزاد می‌نامند. الکترون‌های آزاد سبب تولید جریان الکتریکی می‌شوند.

یون‌های مثبت و منفی

در شرایط عادی در هر اتم تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها مساوی است و اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است. تعداد پروتون‌های داخل هسته یک اتم تغییر نمی‌کند. در واقع خصوصیات اتم، وابسته به تعداد پروتون‌ها است اما تعداد الکترون‌ها ممکن است تغییر کند.

جذب و دفع اجسام باردار

از آنجایی که بررسی تعداد الکترون‌های دریافتی یا از دست داده شده در اتم‌ها در الکتریسیته کاربرد دارد دانشمندان مختلفی به بررسی اثرات ذرات باردار بر هم پرداخته‌اند که از جمله آنها می‌توان به «کولن» اشاره کرد. وی تحقیقات زیادی پیرامون بارهای الکتریکی (q) داشته است.

به همین خاطر به احترام وی واحد بار الکتریکی بر حسب کولن یا کولومب (coulomb) نام‌گذاری شده و نماد آن (C) است. مقدار بار الکتریکی موجود در یک جسم تعیین کننده میزان الکتریسیته در جسم است. این نوع باردارشدن اجسام را الکتریسیته ساکن می‌نامند. همان‌طور که در علوم پایه هشتم آموختید، باردار شدن اجسام از طریق اصطکاک، تماس و القا امکان‌پذیر است. بر اساس قانون کولن دو جسم یا دو ذره باردار با بارهای همنام یکدیگر را دفع و دو جسم یا دو ذره باردار با بارهای غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. کولن بر پایه انجام آزمایش‌های زیاد با اجسام باردار نتیجه گرفت که نیروهای جاذبه و دافعه میان بارها از قانون خاصی پیروی می‌کنند. امروزه این قانون را به نام «قانون کولن» می‌شناسیم. برای اطلاع بیشتر از قانون کولن و روابط آن می‌توانید به منابع ذکر شده در انتهای کتاب مراجعه کنید.

میدان الکتریکی

اگر دو صفحه باردار را به یکدیگر نزدیک کنیم، بین دو صفحه خطوط نیرویی به وجود می‌آید که آن را میدان الکتریکی می‌گویند. میدان الکتریکی مشابه میدان مغناطیسی است. میدان‌های الکتریکی را با خطوط نیرو نشان می‌دهند. همان‌طور که می‌دانیم پروتون بار الکتریکی مثبت دارد و بنا به قرارداد، خطوط نیروی این بار به صورت شعاعی و به طور مستقیم در تمام جهات از پروتون خارج می‌شود. الکترون بار الکتریکی منفی دارد و خطوط نیروی وارد شده به هسته به صورت شعاعی و در تمام جهات به الکترون وارد می‌شود، شکل الف 13-1. خطوط نیروی مربوط به هر یک از این بارها را مشاهده کنید. به تصاویر داده شده در شکل الف-13-1 و ب-13-1 توجه و برداشت خود را بیان کنید.

با کمی‌دقت در می‌یابید که به علت اثر متقابل میدان‌های ناشی از ذرات باردار، ذرات باردار یکدیگر را جذب یا دفع می‌کنند، شکل 14-1. به جهت خطوط میدان توجه کنید.

اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ)

جسمی را که دارای بار الکتریکی مثبت است در نظر بگیرید. این جسم کمبود الکترون دارد، لذا می‌خواهد از هر طریقی که مقدور باشد الکترون‌هایی را به سمت خود جذب کند، پس دارای نیروی جاذبه است. می‌توان گفت دلیل وجود نیروی جاذبه، ذخیره شدن انرژی در جسم است. به این انرژی نهفته ذخیره شده در جسم باردار، انرژی «پتانسیل» می‌گویند. هنگامی‌که جسم دارای کمبود الکترون است، می‌گوییم دارای پتانسیل مثبت است و آن را با علامت «+» یا «q+» نشان می‌دهیم، شکل 15-1. چنانچه جسم دارای بار الکتریکی منفی باشد جسم دارای انرژی پتانسیل منفی است که آن را با علامت «-» یا «q-» نشان می‌دهیم. چنانچه دو جسم با بار الکتریکی نامساوی در کنار هم قرار گیرند با هم اختلاف پتانسیل الکتریکی دارند.

دلیل این برق گرفتگی وجود اختلاف پتانسیل بین بدن شما و زمین است که در اثر تماس، بارهای الکتریکی از طریق بدن شما و دستگیره درب به طرف زمین حرکت می‌کنند. به این حرکت بارها، جریان‌الکتریکی می‌گویند،‌ شکل ب-16-1.

اختلاف سطح بین دو نقطه نسبی است: به شکل الف-17-1 توجه کنید. تاج سد بالاتر از سطح آب قرار دارد، لذا می‌گوییم، اختلاف سطح تاج سد نسبت به سطح آب 5+ متر است به همین ترتیب اختلاف سطح آب نسبت به تاج سد 5- متر است، زیرا سطح آب پایین‌تر از تاج سد قرار دارد.

خطرات الکتریسیته ساکن و چگونگی خنثی کردن آن

برقی را که بین دو توده ابر و زمین در زمان رعد و برق رخ می‌دهد، در اصطلاح علمی تخلیه الکتریکی یا صاعقه می‌گویند. این تخلیه الکتریکی به دام‌ها، انسان‌ها، درخت‌ها و ساختمان‌ها آسیب می‌رساند. برای جلوگیری از آسیب، روی ساختمان‌های بلند و برج‌ها برق‌گیر نصب می‌کنند.

طبقه بندی مواد از نظر هدایت الکتریکی

رساناها (هادی‌ها- conductor): برخی از مواد مانند مس، آلومینیوم و فلزات دیگر به راحتی جریان الکتریسیته را از خود عبور می‌دهند. این نوع اجسام را رسانا یا هادی می‌گویند. در یک هادی، الکترون‌ها به راحتی از یک اتم به اتم دیگر منتقل می‌شوند. به طور کلی اجسامی‌که الکترون آزاد زیادی دارند به راحتی جریان الکتریسیته را از خود عبور می‌دهند. فلزات یک تا سه ظرفیتی که الکترون آزاد زیادی دارند، هادی‌های بسیارخوبی به شمار می‌آیند. از هادی‌های خوب می‌توان نقره، مس، طلا و آلومینیوم را نام برد. در صنعت برق از سیم‌های مسی و آلومینیومی‌ استفاده می‌شود زیرا این عناصر رسانایی خوبی دارند و فراوان و مقرون به صرفه هستند، شکل 18-1.

نارساناها، عایق‌ها (dielectric): در مقابل هادی‌ها اجسامی وجود دارند که جریان برق را به راحتی از خود عبور نمی‌دهند، به این گونه اجسام عایق یا دی‌الکتریک می‌گویند. شیشه، هوا، کائوچو و بعضی از انواع پلاستیک‌ها عایق هستند. در حقیقت تمامی اجسامی که الکترون آزاد بسیار کمی‌ دارند عایق محسوب می‌شوند. عایق‌ها در آخرین مدار خود بیشتر از 4 الکترون دارند. از عایق‌های خوب می‌توان شیشه، کاغذ، پلاستیک، هوا و میکا را نام برد.

نیمه رساناها (نیمه‌هادی‌ها- semiconductor): موادی مانند ژرمانیوم و سیلیسیوم وجود دارند که هادی یا عایق خوبی نیستند. این مواد 4 ظرفیتی هستند (4 الکترون والانس) و نیمه‌هادی نام دارند. در شرایط عادی، نیمه‌هادی‌ها تمایلی به دریافت کردن و یا از دست دادن الکترون ندارند، اما در صورتی که به آنها انرژی داده شود، می‌توانند الکترون آزاد کنند. سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم (Ge) از جمله موادی هستند که در صنعت الکترونیک کاربرد گسترده‌ای دارند. از نیمه‌هادی‌ها درساخت قطعات الکترونیکی مانند دیود (diode) و ترانزیستور (transistor) استفاده می‌شود.

ابررساناها (فوق‌هادی‌ها- superconductor): برخی از مواد در دماهای بسیار کم رفتار ویژه‌ای از خود نشان می‌دهند به گونه‌ای که رسانایی آنها بی‌نهایت (مقاومت صفر) می‌شود. این اجسام را فوق‌هادی یا «ابر رسانا» می‌نامند. در صورتی که در دمای معمولی خاصیت ابر رسانایی برای جسمی‌ رخ دهد، تلفات انرژی الکتریکی به صفر می‌رسد، به این ترتیب یکی از آرزوهای بشر در علم الکتریسیته تحقق خواهد یافت.

شدت جریان الکتریکی (Electric Current Intensity)

به طورکلی الکتریسیته بر دو نوع ساکن و جاری تقسیم می‌شود. همان طورکه قبلاً توضیح داده شد، اگر بارهای الکتریکی (الکترون‌ها) در طول یک هادی جابه‌جا شوند، می‌گوییم در طول هادی جریان الکتریکی برقرار است. همچنین اگر در یک هادی جریانی برقرار شود حتماً در آن هادی، کار انجام خواهد شد. بنابراین جابه‌جایی بارهای الکتریکی در واحد زمان را جریان الکتریکی می‌نامند و آن را با حرف I نشان می‌دهند. برای برقراری جریان در مدار باید مسیر برقراری جریان الکتریکی بسته شود، شکل 21-1.

بنا به تعریف مقدار بار الکتریکی (الکترون‌های آزاد) که از یک نقطه سیم در طی مدت زمانی معین عبور می‌کند، را شدت جریان الکتریکی می‌نامند. اگر بار الکتریکی را با q (بر حسب کولن C)، زمان را با t (بر حسب ثانیه- S) نشان دهیم شدت جریان I (ثابت بر حسب آمپر- A) از رابطه زیر قابل محاسبه است.

نسبت یک کولن به یک ثانیه $ = $ آمپر $I = \frac{q}{t} \to (A)$

با توجه به مثال بالا هرگاه بار الکتریکی معادل یک کولن در مدت زمان یک ثانیه از یک نقطه معین مانند شکل 22-1 عبورکند، شدت جریانی برابر یک آمپر در سیم جاری شده است.

واحد شدت جریان الکتریکی آمپر است که با حرف A نشان داده می‌شود. بنا به تعریف، اگر در یک هادی تعداد:
$6/28 \times 10^{18} = 6280000000000000000$ الکترون در مدت یک ثانیه عبور کند (یک کولن بار)، جریان یک آمپر است. واحدهای کوچک‌تر از آمپر، میلی‌آمپر ($mA=milliampere$) یا یک هزارم آمپر و میکروآمپر ($\mu A = microampere$)، یک میلیونیم آمپر و نانو آمپر ${10^{ - 9}}$ آمپر است. واحد بزر‌گتر از آمپر را کیلوآمپر ($kA=kiloampere$) یا 1000 آمر می‌نامند. در مدارهای الکتریکی برای اندازه‌گیری جریان از دستگاهی به نام آمپرمتر استفاده می‌شود.

جهت جریان الکتریکی

چون عامل به‌وجود آمدن جریان الکتریکی، حرکت الکترون‌هاست و این ذرات دارای بار منفی هستند، لذا جهت حرکت واقعی الکترون‌ها از قطب منفی به سمت قطب مثبت است. ولی براساس قرارداد، جهت جریان الکتریکی را در مدارها از قطب مثبت به سمت قطب منفی در نظر می‌گیرند. در نیمه‌هادی‌ها، جهت قراردادی جریان از حرکت فرضی حفره‌ها (بار مثبت معادل بار منفی الکترون) شکل می‌گیرد.

انواع جریان الکتریکی: با توجه به نیاز و کاربرد، جریان الکتریکی در سه نوع:
جریان مستقیم (Direct Current-DC)، جریان متغیر (Variable Current) و جریان متناوب (Alternative Current-AC) تقسیم می‌شود. پیل و باتری مولد جریان مستقیم یا DC و نیروگاه تولید برق شهر مولد جریان متناوب یا AC و سیگنال‌خروجی میکروفون یک سیگنال متغیر DC است. در این واحد مقدار و جهت آن با گذر زمان ثابت می‌ماند. در واحدهای یادگیری بعدی در مورد انواع جریان‌ها بیشتر بحث خواهیم کرد.

روش‌های تولید و مصرف الکتریسیته

تولید الکتریسیته: به شکل 26-1 توجه کنید و در مورد هر یک از روش‌ها توضیح دهید و برای هر یک مثالی بزنید. انرژی مصرفی دستگاه‌های موجود در اطراف شما با کدام روش تأمین می‌شود؟ با ذکر مثال شرح دهید.

مصرف الکتریسیته: به شکل 27-1 توجه کنید و در مورد هر یک از روش‌ها توضیح دهید و برای هر یک مثالی بزنید. انرژی دستگاه‌های موجود در اطراف شما با کدام روش مصرف می‌شود؟ با ذکر مثال شرح دهید.

هدایت و مقاومت الکتریکی

همان‌طور که قبلاً نیز ذکر شد اجسامی که در طبیعت وجود دارند نمی‌توانند جریان الکتریکی را به یک اندازه از خود عبور دهند، چون تعداد الکترون‌های لایه آخر مواد مختلف کمی با هم متفاوت است لذا هدایت و مقاومت الکتریکی آنها نیز با هم متفاوت خواهد بود، شکل 28-1.

هدایت و مقاومت مخصوص الکتریکی (Conductivity - Resistivity): میزان هدایت اجسام را با ضریبی باعنوان «ضریب هدایت مخصوص» بیان می‌کنند. این ضریب نشان می‌دهد که جسم تا چه اندازه جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهد. ضریب هدایت را با حرف یونانی $\kappa $ (کاپا) نشان می‌دهند. ضریب دیگری که در اجسام مطرح می‌شود ضریب «مقاومت مخصوص» نام دارد. این ضریب میزان مخالفت جسم را نسبت به عبور جریان الکتریکی بیان می‌کند. ضریب مقاومت مخصوص را با حرف یونانی $\rho $ (رو) نشان می‌دهند. در واقع هر جسمی که هدایت مخصوص آن زیاد است مقاومت الکتریکی آن کم و هر جسمی‌ که مقاومت مخصوص آن زیاد باشد دارای هدایت الکتریکی کم است. 

مقاومت الکتریکی

هر گاه اختلاف پتانسیل ثابتی را ابتدا به دو سر یک سیم مسی و سپس به دو سر یک سیم آهنی اعمال کنیم، شدت جریانی که از هر یک از دو سیم عبور می‌کند با دیگری اختلاف دارد. به زبان دیگر سیم آهنی در مقابل عبور جریان یا در مقابل حرکت الکترون‌ها ایستادگی بیشتری نشان می‌دهد در حالی که سیم مسی در مقابل عبور جریان ایستادگی کمتری می‌کند. خاصیت‌ ایستادگی جسم در مقابل حرکت الکترون‌ها (جریان الکتریکی) را مقاومت الکتریکی می‌نامند. به عبارت دیگر اثر مقاومت الکتریکی یا رزیستانس (Resistance) خاصیتی از ماده است که با عبور جریان الکتریکی مخالفت می‌کند، شکل الف-29-1. این مخالفت گاهی مانند مقاومت الکتریکی سیم‌های رابط، به صورت ناخواسته و مزاحم (مضر) در مدارهای الکتریکی وجود دارد و گاهی به عنوان عاملی از پیش تعیین شده به صورت یک مصرف‌کننده (مفید) در مدارهای الکتریکی قرار می‌گیرد.

در این حالت جسم، ماده یا قطعه‌ای که در برابر عبور جریان الکتریکی ایستادگی می‌کند را مقاومت الکتریکی می‌نامند و آن را با حرف R که حرف اول Resistor است نشان می‌دهند. نماد مقاومت در استاندارد IEC به صورت شکل ب-29-1.

مقاومت سیم با طول آن رابطه مستقیم و با سطح مقطع آن نسبت معکوس دارد. مقدار مقاومت سیم را می‌توان از روابط زیر به دست آورد:

$R = \frac{l}{{\kappa A}}$ یا $R = \rho \frac{l}{A}$

در این رابطه
$R$ مقاومت سیم برحسب اهم $(\Omega )$
$l$ طول سیم برحسب متر (m)
$A$ سطح مقطع سیم برحسب میلی‌مترمربع $(m{m^2})$، $\rho $ مقاومت مخصوص سیم برحسب اهم میلی‌مترمربع بر متر $\frac{{\Omega m{m^2}}}{m}$
$\kappa $ هدایت مخصوص سیم برحسب متر بر اهم میلی‌مترمربع $\frac{m}{{\Omega m{m^2}}}$ است.

$\frac{{\Omega m{m^2}}}{m}$ واحد مقاومت مخصوص سیم است که بیانگر مقاومت سیمی به طول یک متر و سطح مقطع یک میلی‌مترمربع است. بنابراین تعریف، شکل الف-30-1 قطعه سیمی را نشان می‌دهد که مقاومت مخصوص آن برابر با یک اهم است. مثلاً اگر یک قطعه سیم مسی به طول یک متر و سطح مقطع یک میلی‌مترمربع را انتخاب کنیم، مقاومت مخصوص آن برابر با $\frac{1}{{56}}$ یا $0/0178$ اهم میلی‌مترمربع بر متر است. عکس مقاومت الکتریکی را هدایت الکتریکی می‌نامند و آن را با حرف (G) نمایش می‌دهند. واحد هدایت‌الکتریکی را برحسب «موهو» (mho) یا زیمنس (simens) بیان می‌کنند.

مراحل اجرای کار

1- یکی از تجهیزات مورد استفاده در آزمایشگاه‌های اندازه‌گیری و الکترونیک میز آزمایشگاهی است. تجهیزات و دستگاه‌های مورد نیاز ممکن است روی میز نصب شده باشد یا به صورت قابل حمل روی آن قرار گیرد. آشنایی و نحوهٔ استفاده از میزکار و تجهیزات آن از مواردی است که فراگیرنده در هر سطحی که باشد باید به خوبی آن را بیاموزد. در شکل الف-31-1 نمونه‌ای از میز کار آزمایشگاهی الکترونیک را مشاهده می‌کنید. از آنجا که در این مرحله با رایانه کار می‌کنید کلیه نکات ایمنی و ارگونومی درباره کار با رایانه را که در سال‌های قبل آموخته‌اید، حتماً اجرا کنید.

3- با راهنمایی معلم خود، برای اجرای کار تیمی به گروه‌های دو نفره تقسیم‌بندی شوید، شکل 33-1، تشکیل گروه‌های کاری باعث ایجاد و مهارت در کار جمعی، برنامه‌ریزی صحیح و ارتباط مؤثر با دیگران می‌شود.

4- بر اساس یک برنامه منظم برای هر هفته یک گروه به عنوان ارشد کلاس و گروه دیگر به عنوان مأمورین نظافت انتخاب می‌شوند. وظایف ارشد و مأموران نظافت در کتاب همراه آمده است.

6- واحدهای دیگری نیز برای مقاومت مخصوص و هدایت مخصوص وجود دارد. نمونه‌هایی از این واحدها را در شکل 34-1 ملاحظه می‌کنید. این اطلاعات از محاسبه‌گرهای موجود در فضای مجازی استخراج شده است. با مراجعه به آدرس‌های مرتبط محاسبه‌گرها را بیابید و با آنها کار کنید.

انواع مقاومت‌ها: به طور کلی مقاومت‌ها را می‌توان از نظر مقدار اهمی به دو دسته ثابت و متغیر تقسیم‌بندی کرد. منظور از مقاومت ثابت، مقاومتی است که مقدار آن در اثر حرارت، نور، میدان‌های مغناطیسی یا سایر عوامل فیزیکی تغییر نمی‌کند. مقاومت متغیر مقاومتی است که می‌توان مقدار آن را با عواملی مانند تغییر مکان یک اهرم با دست، نور، حرارت و ولتاژ تغییر داد. جنس مقاومت‌ها معمولاً از فلز یا ترکیبی از ماده‌ هادی (مانند کربن) یا عایق (مانند خاک رس یا خاک چینی) است.

در شکل الف-35-1 چند نمونه مقاومت ثابت و در شکل ب-35-1 چند نمونه از مقاومت متغییر نشان داده شده است.

ساختار مقاومت‌ها از نظر چگونگی نصب روی برد مدار چاپی: در دستگاه‌های الکترونیکی معمولاً قطعات را روی صفحات مخصوص به نام صفحات مدارچاپی (PCB=printed circuit board) یا برد هزار سوراخ (vero board) نصب می‌کنند. مدار چاپی صفحه‌ای است صفحه مدار چاپی ممکن است با توجه به نوع قطعه، طراحی و نیاز دارای سوراخ یا بدون سوراخ یا ترکیبی از این دو باشد. برای اجرای کارهای آزمایشگاهی از بِرِدبُرد (bread board) استفاده می‌کنند. در آینده درباره مدار چاپی بیشتر خواهیم آموخت. مقاومت‌ها از دیدگاه نصب (installation) و بسته‌بندی (package) به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:

الف) مقاومت‌های پایه‌دار و با قابلیت «نصب در داخل حفره» (TH- through hole): این مقاومت‌ها دارای پایه هستند. هنگام نصب‌ این نوع مقاومت‌ها، پایه‌های مقاومت را از داخل سوراخ‌های فیبر مدارچاپی عبور می‌دهند و لحیم می‌کنند، در شکل ب-35-1 انواع مقاومت‌های پایه‌دار را شناسایی کنید. در شکل 36-1 نیز نمونه‌های دیگری از قطعات پایه‌دار را ملاحظه می‌کنید.

ب)‌ مقاومت‌های نصب سطحی (surface mount device SMD): این مقاومت‌ها در ابعاد بسیار کوچک و در انواع «دارای پایه» و «بدون پایه» (leadless) هستند. هنگام نصب، مقاومت روی فیبر مدار چاپی قرار می‌گیرد و لحیم می‌شود، در شکل 37-1 نمونه‌هایی از قطعات نصب سطحی را ملاحظه می‌کنید.

مدار الکتریکی و قانون اهم

الف- مدارالکتریکی

اگر اجزای فوق در مدار الکتریکی وجود نداشته باشد، در کار مدار اشکالی پیش نمی‌آید، ولی اصولاً مدار فاقد کنترل و حفاظت خواهد بود. اما نبود یکی از اجزای اصلی، کار طبیعی مدار را دچار مشکل می‌کند. به همین دلیل در برخی از کتاب‌ها به سایر اجزای مدار «اجزای فرعی» نیز می‌گویند.

ب- قانون اهم

جرج سیمون اهم در سال 1828 براساس تجربیات و آزمایش‌های فراوان توانست ارتباط بین ولتاژ ($v$) جریان ($I$) و مقاومت ($R$) را در یک مدار به‌دست آورد. اهم به این نتیجه رسید که اگر مقاومت مدار را ثابت نگه داریم و ولتاژ منبع تغذیه را افزایش دهیم شدت جریان افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر رابطه $V = IR$ مشابه تابع خطی $y = ax$ است، چرا؟‌ شکل 41-1.

نکته مهم:
یکی از حالات خطرناکی که ممکن است در مدار الکتریکی به وجود آید حالت «اتصال کوتاه» است. حالت «اتصال کوتاه» در مدار به شرایطی گفته می‌شود که مقدار مقاومت مصرف‌کننده یا بار به صفر برسد. در صورت وقوع چنین حالتی جریان بسیار زیادی از مدار عبور می‌کند، در شکل ب-44-1 چه اتفاقی برای مدار می‌افتد و چه خطری دارد؟

مراحل اجرای کار

2- آیا با توجه به وجود این گونه نرم‌افزارهای محاسبه‌گر نیازی به، به‌خاطر سپردن قانون اهم وجود دارد؟ درمورد آن بحث کنید.

سری و موازی کردن مقاومت‌ها

- در شکل 47-1، لامپ‌های ${L_1}$ و ${L_2}$ به صورت موازی بسته شده‌اند (لامپ‌ها در کنار هم) و هر دو لامپ توسط یک کلید خاموش یا روشن می‌شود. در صورتی که لامپ ${L_2}$ بسوزد چه اثری روی لامپ ${L_1}$ می‌گذارد؟‌یک بار دیگر مدار را طوری رسم کنید که هر لامپ دارای کلید جداگانه‌ای باشد.

در هر یک از مدارهای شکل 48-1 و شکل 49-1 اگر یک لامپ بسوزد، چه اتفاقی برای سایر لامپ‌ها می‌افتد؟ چرا؟

- امروزه برای اندازه‌گیری کمیت‌های الکتریکی مختلف مانند ولتاژ، جریان و مقاومت، دستگاه‌های اندازه‌گیری الکتریکی را چند منظوره می‌سازند و آن را مولتی‌متر (Multimeter) می‌نامند. مولتی‌متر در دونوع آنالوگ (عقربه‌ای) و دیجیتال وجود دارد، شکل 50-1.

- مقدار شدت جریان الکتریکی را با آمپرمتر اندازه‌گیری می‌کنند. برای قرار دادن آمپرمتر در مدار باید ابتدا قسمتی از مدار را قطع کنیم، سپس آمپرمتر را در حد فاصل بریدگی‌ایجاد شده قرار دهیم. این گونه اتصال را اتصال سری می‌نامند. توجه داشته باشید که نصب آمپرمتر در مداربا این روش، درست مانند قرار دادن یک کلید به صورت سری در مدار است.

مدار سری: در مدار شکل 51-1 سه مقاومت و سه آمپرمتر باهم به صورت سری بسته شده‌اند و منبع تغذیه جریانی برابر با 45 میلی‌آمپر را در مدار برقرار می‌کند. همان‌طور که می‌بینید هر آمپرمتر جریان 45 میلی‌آمپر را نشان می‌دهد.

مدار موازی: در شکل 53-1 لامپ‌های ${L_1}$ و ${L_2}$ به صورت موازی قرار گرفته‌اند و در هر شاخه یک آمپرمتر قرار دارد. در مدار موازی برای هر لامپ مسیر جریان جداگانه‌ای وجود دارد. اگر شدت جریان کل مدار برابر با I باشد این جریان بین دو لامپ تقسیم می‌شود و جریان‌های ${I_1}$ و ${I_2}$ نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، جریانی که آمپرمتر ${A_1}$ نشان می‌دهد برابر با مجموع جریان‌هایی است آمپرمترهای ${A_2}$ و ${A_3}$ نشان می‌دهند. پس می‌توان گفت همواره رابطه $I = {I_1} + {I_2}$ برقرار است.

ولت‌متر: در شکل الف-55-1 سه نمونه مولتی‌متر که به صورت ولت‌متر هم به کار می‌رود نشان داده شده است. در این شکل‌ها علامت اختصاری (فنی) ولت متر و نحوه اتصال آن به مدار را نیز می‌بینید. هنگام اتصال ولت‌متر به مدار باید پایانه‌های آن با قطب‌های باتری هم‌سان باشد، زیرا در ولت‌مترهای عقربه‌ای ولت مترصدمه خواهد دید. همچنین همواره باید توجه داشته باشیم که ولت‌متر به صورت موازی در دو سر هر قطعه یا منبع تغذیه قرار می‌گیرد.

تقسیم ولتاژ در مدارهای سری و موازی:

به شکل 56-1 توجه کنید، با توجه به مقادیر داده شده، در مدار سری چه اتفاقی برای ولتاژ افتاده است؟ شرح دهید. آیا می‌توانیم نتیجه بگیریم که در مدار سری ولتاژ تغذیه بین مصرف‌کننده‌ها تقسیم می‌شود؟

محاسبه مقاومت معادل در مدار سری:

مقاومت کل یا «مقاومت معادل» به مقاومتی گفته می‌شود که بتواند به تنهایی اثر همه مقاومت‌های موجود مدار را داشته باشد و جایگزین آنها شود. در شکل 61-1 مقاومت ${R_T} = (total)$ می‌تواند معادل تمام مقاومت‌های موجود در مدار باشد و جایگزین آنها شود. با توجه به ویژگی‌های مطرح شده در مورد مدارهای سری، مقاومت معادل ${R_T}$ از رابطه زیر قابل محاسبه است. برای کسب اطلاعات بیشتر به کتاب همراه هنرجو مراجعه کنید.

${R_T} = {R_1} + {R_2} + {R_{3 + }}... + {R_n}$

محاسبه مقاومت معادل در مدار موازی:

همان‌طور که قبلاً گفتیم اگر در یک مدار الکتریکی، دو یا چند مصرف‌کننده طوری به هم متصل شوند که ولتاژ دو سر آنها با هم برابر باشد، می‌گوییم مصرف‌کننده‌ها با هم به صورت موازی بسته شده‌اند.برای محاسبه مقاومت معادل در مدار موازی نشان داده شده در شکل 65-1 از رابطه زیر استفاده می‌کنیم.

$\frac{1}{{{R_T}}} = \frac{1}{{{R_1}}} + \frac{1}{{{R_2}}} + \frac{1}{{{R_3}}}....... + \frac{1}{{{R_n}}}$

همان‌طورکه ملاحظه می‌شود، عکس مقاومت کل برابر با مجموع عکس هر یک از مقاومت‌ها است.

مراحل اجرای کار

1- با استفاده از نرم‌افزار electronics assistance یا نرم‌افزارهای مشابه مثال‌ها و تمرین‌های حل شده را راستی آزمایی کنید. این نرم‌افزار رایگان و قابل بارگیری از اینترنت است. نسخه‌ای از این نرم‌افزار در لوح فشرده ضمیمه کتاب وجود دارد. در شکل 71-1 یک نمونه مثال حل شده برای مدار سری را ملاحظه می‌کنید.

2- آماده سازی نرم‌افزار ادیسون (Edison)
نرم‌افزار ادیسون یک برنامه شبیه‌سازی مدارهای الکترونیکی به صورت واقعی و سه بعدی است. همان طور که در شکل 72-1 مشاهده می‌کنید، در این نرم‌افزار می‌توانیم قطعات الکترونیکی مانند باتری، سیم، لامپ، کلید، موتور، منبع تغذیه، مولتی‌متر، آمپرمتر را در محیط واقعی و به صورت سه بعدی در مدار قرار دهیم و نتیجه را نیز به صورت سه بعدی مشاهده کنیم. همچنین مقدار کمیت‌های الکتریکی مانند جریان و ولتاژ را روی صفحه نمایش دستگاه‌های اندازه‌گیری ببینیم. دو نسخه از این نوع نرم‌افزار وجود دارد. نسخه اول آن رایگان و به صورت Demo و قابل بارگیری از اینترنت است. در این نسخه آزمایش‌های ساده اولیه با قطعات و دستگاه‌های محدودی قابل اجرا است. همچنین، در این نسخه نمی‌توانید فایلی را ذخیره کنید. نسخه اصلی این نرم‌افزار با پرداخت هزینه به شرکت تولید کننده تهیه می‌شود. این نرم‌افزار و مراحل نصب، راه‌اندازی و کار با آن در کتاب آزمایشگاه مجازی (1) کد 385/3 چاپ سال 1394 آمده است. برای آشنایی بیشتر فراگیری مراحل نصب به این منبع مراجعه کنید.

5- نرم‌افزار ادیسون را نصب کنید.

6- مدار سری سه لامپ را با استفاده از ولت‌متر، آمپرمتر، کلید و فیوز طبق شکل 73-1 روی میز کار نرم‌افزار ببینید.

7- با توجه به مقادیری که ولت‌مترها نشان می‌دهد رابطه ${V_T} = {V_1} + {V_2} + {V_3}$ را اثبات کنید.

مقدار مقاومت کل و مقدار مقاومت هر لامپ را به دست آورید.

${R_T} = ...\Omega  \to {R_1} = ...\Omega  \to {R_2} = ...\Omega  \to {R_3} = ...\Omega $

8- با استفاده از ابزارهای موجود در نرم‌افزار، مشخصات لامپ و منبع را تغییر دهید و آزمایش را تکرار کنید تا کاملاً مسلط شوید.

9- یکی از لامپ‌ها را اتصال کوتاه کنید و اثر آن را در مدار بررسی کنید و نتیجه را به بحث بگذارید و گزارش دهید.

10- چنانچه دو لامپ را اتصال کوتاه کنید چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ این موضوع را تجربه کنید و نتایج آن را یادداشت نمایید.

11- مدار موازی دو لامپ را با استفاده از ولت‌متر، آمپرمتر، کلید و فیوز طبق شکل 74-1 روی میز کار نرم‌افزار ببندید.

12- با توجه به مقادیر آیا رابطه ${I_T} = {I_1} + {I_2}$ صدق می‌کند؟ چرا؟

13- با توجه به مقادیر ${I_T}$ و ${V_T}$ مقدار مقاومت کل و مقاومت هر لامپ را محاسبه کنید؟

${R_T} = ...\Omega  \to {R_1} = ...\Omega  \to {R_2} = ...\Omega $

14- آیا ولتاژ در دو سر هر لامپ و منبع با هم برابر است؟ چرا؟

مراحل اجرای کار

1- ویژگی‌های نرم‌افزار مولتی‌سیم (Multisim): مولتی‌سیم یک نرم‌افزار جالب و قدرتمند آزمایشگاه مجازی برای طراحی و تحلیل مدارهای الکترونیک آنالوگ و دیجیتال است. این نرم‌افزار، شبیه‌ساز اغلب آزمایش‌های مربوط به رشته الکترونیک است که در آن قطعات و دستگاه‌ها به صورت مجازی وجود دارد. لذا به راحتی می‌توان به وسیله قطعات و ابزار مجازی موجود، مدارهای مختلف را طراحی و با اتصال دستگاه‌های اندازه‌گیری به تحلیل آنها پرداخت. شبیه‌سازی و امکان استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری مانند مولتی‌متر، وات‌متر، فرکانس‌متر، فانکش نژنراتور، اسیلوسکوپ و تحلیل‌گر دیجیتالی از ویژگی‌های مهم این نرم‌افزار است. نرم‌افزار مولتی‌سیم در بازار موجود بوده و به راحتی قابل دسترسی است. فرایند نصب نسخه 9 این نرم‌افزار در کتاب آزمایشگاه مجازی (1) کد 358/3 چاپ سال 1394 آمده است و تا نسخه 16 این نرم‌افزار در بازار موجود است. با توجه به امکانات رایانه‌ای موجود، این نرم‌افزار یا نرم‌افزار مشابه دیگر را تهیه و آن را نصب کنید.

2- مدار شکل 64-1 را در فضای نرم‌افزاری ببندید و نتایج به دست آمده را با مقادیر نشان داده شده روی شکل مقایسه و جمع‌بندی کنید.

3- مدار شکل 69-1 را در فضای نرم‌افزاری ببندید و نتایج به دست آمده را با مقادیر نشان داده شده روی شکل مقایسه و جمع‌بندی کنید.

روش‌های خواندن مقاومت

مقدار مقاومت‌ها را روی مقاومت با دو روش به شرح زیر مشخص می‌کنند:
الف) مقدار مقاومت‌ها را روی بدنه آنها می‌نویسند، (مانند مقاومت‌های سیمی). این روش را خواندن مقاومت‌ها به طور مستقیم می‌نامند.
ب) مقدار مقاومت‌ها را به کمک نوارهای رنگی (کد رنگی) یا رمز عددی مشخص می‌کنند، (مانند مقاومت‌های کربنی، لایه‌ای، نصب سطحی). این روش را خواندن مقاومت‌ها به طور غیرمستقیم می‌نامند.

خواندن مقاومت‌ها با روش مستقیم: در این روش مقدار مقاومت همراه با میزان تولرانس و توان مجاز آن روی بدنه آن نوشته می‌شود. شکل الف- 75-1.

الف- خواندن مقاومت‌ها با رمز (عدد- حرف):
در این روش برای مشخص کردن کمیت‌های مربوط به مقاومت، ترکیب عدد و حرف به کار می‌رود. در این شرایط اگر مقدار مقاومت عدد صحیح باشد مقدار آن عدد عیناً نوشته می‌شود و در این حالت واحد مقاومت را با حروف R برای اهم، K برای کیلو اهم و M برای مگا اهم مشخص می‌کنند. در صورتی که مقدار مقاومت عدد اعشاری باشد حرف مربوط به واحدها به عنوان ممیز قرار می‌گیرد. برای مشخص کردن مقدار تولرانس مقاومت از حروف اختصاری استفاده می‌کنند. در این روش تولرانس بر اساس جدول 2-1 نوشته می‌شود.

در شکل ب-75-1 به ترتیب مقدار مقاومت‌ها 33 کیلو اهم با تولرانس ده درصد و ده اهم با تولرانس پنج درصد و 0/15 اهم با تولرانس ده درصد و توان 5 وات است. روش غیر مستقیم دیگر استفاده از ترکیب کد (رمزعددی) و حرف است که بیشتر برای قطعات با ابعاد کوچک مانند مقاومت‌های SMD به کار می‌رود. در این روش مقدار مقاومت را با سه یا چهار رقم و یک حرف مشخص می‌کنند. در کد سه رقمی، رقم اول و دوم رقم‌های اصلی مقاومت است و رقم سوم ضریب ده را نشان می‌دهد. در کد چهاررقمی، رقم اول، دوم و سوم رقم‌های اصلی مقاومت است و رقم چهارم ضریب ده را تعیین می‌کند. حرف نوشته شده روی مقاومت، تولرانس مقاومت را بیان می‌کند. برای مثال مقاومت‌های نشان داده شده در شکل پ-75-1 به ترتیب 1760 کیلو اهم و 300 اهم است. در این روش، بر اساس جدول 2-1 مقدار تولرانس را با حرف مشخص می‌کنند، یا در برگه اطلاعات مقاومت می‌نویسند. این روش کد گذاری برای مقاومت‌های SMD یا چندتایی (Multiple Array Network) به کار می‌رود. سومین روش خواندن مقاومت‌ها استفاده از کد رنگی است که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

مراحل اجرای کار

1- با توجه به آموخته‌های خود با مراجعه به رسانه‌های مختلف از جمله فضای مجازی روش‌های دیگر کدگذاری مقاومت‌ها را بیابید و به کلاس ارائه دهید.

3- نرم‌افزار مناسب را بارگیری و نصب کنید.

4- حداقل تعداد 5 مقاومت را با استفاده از نرم‌افزار بخوانید. آن قدر تمرین کنید که بتوانید به آسانی با نرم‌افزار کار کنید.

ب- خواندن مقاومت‌ها با استفاده از کد رنگی:
یکی دیگر از روش‌های خواندن مقاومت استفاده از کد رنگی است. این روش برای مقاومت‌هایی به کار می‌رود که ابعاد آن کوچک است. در این روش تعداد 4، 5 یا 6 نوار رنگی روی مقاومت ترسیم می‌کنند و به هر نوار عددی را اختصاص می‌دهند. در شکل 78-1 دو نمونه مقاومت با 4 و 5 نوار رنگی را مشاهده می‌کنید.در مقاومت‌هایی که 4 نوار دارند، نوار اول نمایندهٔ رقم اول، نوار دوم نماینده رقم دوم و نوار سوم ضریب ده یا تعداد صفرهایی است که در جلوی عدد قرار می‌گیرد. نوار چهارم میزان تولرانس یا خطای مقاومت را نشان می‌دهد. جدول مربوط به کدهای رنگی در کتاب همراه هنرجو آمده است. برای فراگیری رنگ‌ها به مرجع ذکر شده مراجعه کنید. در شکل 79-1 جدول کد رنگی مقاومت‌های 4 نواره را ملاحظه می‌کنید.

مراحل اجرای کار

1- با توجه به آموخته‌های خود با مراجعه به رسانه‌های مختلف از جمله فضای مجازی انواع نرم‌افزارهای مربوط به خواندن کد رنگی مقاومت‌ها مانند electronic assistant (یا نرم‌افزارهای مشابه) را شناسایی و بهترین نرم‌افزار را انتخاب و بارگیری کنید.

2- با استفاده از نرم‌افزار electronic assistant (یا نرم‌افزارهای مشابه) می‌توانید مقدار انواع مقاومت‌های با کد رنگی را بخوانید. این نرم‌افزار در لوح فشرده وجود دارد.

3- نرم‌افزار مناسب را بارگیری و نصب کنید.

4- حداقل تعداد 5 مقاومت را با استفاده از نرم‌افزار بخوانید. آن قدر تمرین کنید که بتوانید به آسانی با نرم‌افزار کار کنید. شکل 81-1.

5- نرم‌افزار Eectrodroid را روی تلفن همراه خود نصب کنید و مرحله 4 را اجرا کنید. این نرم‌افزار و نرم‌افزارهای مشابه آن رایگان و به آسانی قابل بارگیری است.

استاندارد مقاومت‌ها:

از آنجایی که مقاومت‌های الکتریکی دارای مقداری ثابت و درصد معینی تولرانس است، بنایراین هر مقاومت اهمی محدوده مشخصی را می‌پوشاند. مثلاً مقاومت شکل 83-1 که مقدار استاندارد آن برابر با 100 اهم است بین دو مقدار 90 و 110 قرار دارد. یعنی از $90\Omega $ بزرگ‌تر و از $110\Omega $ کوچک‌تر است؟ چرا؟ محاسبه کنید.

مولتی‌متر (multimeter)

همان‌طور که قبلاً اشاره شد مولتی‌متر وسیله‌ای است که توسط آن می‌توان چندین کمیت الکتریکی را اندازه‌گیری کرد. کلمه multi به معنی چند و meter به معنی اندازه‌گیر است. در مباحث قبل با چگونگی اتصال مولتی‌متر به صورت ولت‌متر و آمپرمتر در مدار آشنا شدید. در این قسمت می‌خواهیم از مولتی‌متر به عنوان اهم‌متر، ولت‌متر و آمپرمتر استفاده کنیم. مولتی‌مترها در دو نوع عقربه‌ای و دیجیتالی ساخته می‌شوند. به دلیل کاربرد گسترده و ارزانی قیمت مولتی‌متر دیجیتالی، در این قسمت به مولتی‌متر دیجیتالی می‌پردازیم.

مولتی‌متر دیجیتالی

مولتی‌متر دیجیتالی دستگاهی است که کمیت‌های مورد نظر را به صورت عدد و رقم نشان می‌دهد. مولتی‌متر دیجیتالی در انواع بسیار متنوعی ساخته می‌شود، شکل 84-1. همان‌طور که قبلاً اشاره شد، یکی از روش‌های کسب توانایی در کاربرد دستگاه‌های الکترونیکی مطالعه دفترچه راهنمای آن است.

دفترچه راهنما معمولاً همراه با دستگاه در اختیار کاربران قرار می‌گیرد. این دفترچه معمولاً به زبان انگلیسی یا سایر زبان‌ها است. یک تکنسین الکترونیک باید توانایی خواندن دفترچه راهنمای دستگاه‌های اندازه‌گیری در الکترونیک مانند مولتی‌متر، اسیلوسکوپ، فانکشن ژنراتور و منبع تغذیه را داشته باشد و دستگاه‌های پرکاربرد دیگر را بیاموزد. از آنجا که زبان انگلیسی یک زبان بین‌المللی و پرکاربرد است، ضرورت دارد طرز خواندن و معنی کردن این گونه دفترچه‌های راهنمای کاربرد را فرا بگیرید. در ادامه به توضیح چگونگی فراگیری دفترچه راهنمای کاربرد یک نمونه مولتی‌مترهای دیجیتالی موجود در بازار می‌پردازیم.

دفترچۀ راهنمای کاربرد مولتی‌متر دیجیتالی به زبان انگلیسی

در شکل 84-1 نمونه دیگری از مولتی‌متر دیجیتالی و صفحه اول دفترچه راهنمای کاربرد مولتی‌متر مدل XXXX را ملاحظه می‌کنید. در این راهنما، نام دستگاه، شماره سریال و استانداردهای حاکم بر دستگاه درج می‌شود. در صفحه دوم معمولاً نکات ایمنی و اخطارها نوشته می‌شود. این نکات درباره تمام دستگاه‌های اندازه‌گیری صدق می‌کند. در شکل 85-1 متن اصلی و ترجمه مربوط به این نکات را ملاحظه می‌کنید. در صورتی که برای یک بار این اصطلاحات را فرا بگیرید، می‌توانید آنها را برای انواع مولتی‌مترها به کار ببرید. مشخصات فنی و سایر ویژگی‌های مربوط به یک نمونه دفترچه راهنمای مولتی‌متر در کتاب همراه هنرجو آمده است.

آموزش ترجمه متن

لغات و متن درس شکل 85-1 و ترجمه آن را یاد بگیرید و در فرایند استفاده از دستگاه‌ها به کار ببرید.

2- مقاومت‌ها با کد «عدد- حرف» را به ترتیب ${R_1}$، ${R_2}$ و ${R_3}$ نام‌گذاری کنید.

3- رمز «عدد- حرف»، مقدار و تولرانس مقاومت‌ها را از روی مقاومت بخوانید و مقادیر را در جدول 4-1 بنویسید.

4- راهنمای کاربرد مولتی‌متر را مطالعه کنید و آن را برای اندازه‌گیری مقاومت آماده کنید.

5- مناسب‌ترین حوزه کار مولتی‌متر را انتخاب کنید و مقاومت‌ها را با آن اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 4-1 بنویسید.

6- مقادیر مقاومت‌های خوانده شده از روی مقاومت و مقادیر اندازه‌گیری شده را باهم مقایسه کنید و در ستون مربوطه در جدول 4-1 بنویسید.

7- در صورتی که تفاوتی وجود دارد علت تفاوت مقاومت‌ها را توضیح دهید.

8- آیا مقادیر اندازه‌گیری شده در محدوده تولرانس مقاومت قرار دارد؟ توضیح دهید.

9- با استفاده از نرم‌افزار resistor calculator (یا نرم‌افزار مشابه دیگر) مقدار مقاومت‌ها را بخوانید و در جدول 4-1 بنویسید.

10- مقادیر مقاومت‌های خوانده شده از روی مقاومت و مقادیر خوانده شده با نرم‌افزار را با هم مقایسه کنید و در ستون مربوطه در جدول 4-1 بنویسید.

11- آیا مقادیر به دست آمده در مراحل 6 و 10 با هم انطباق دارد؟ توضیح دهید.

مراحل اجرای کار

1- مقاومت‌ها با کد «رنگی» را به ترتیب ${R_1}$، ${R_2}$ و ${R_3}$ نام‌گذاری کنید.

2- با استفاده از رمز «رنگی»، مقدار و تولرانس مقاومت‌ها را از روی مقاومت بخوانید و مقادیر را در جدول 5-1 بنویسید.

جدول 5-1

شماره مقاومت	کد رنگی موجود روی مقاومت	مقدار مقاومت «کد رنگی»	مقدارتولرانس مقاومت از کد «رنگی»	مقدار مقاومت اندازه‌گیری شده	مقدار مقاومت خوانده شده با نرم‌افزار	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
${R_1}$						بلی / خیر
${R_2}$						بلی / خیر
${R_3}$						بلی / خیر

3- راهنمای کاربرد مولتی‌متر را مطالعه کنید و آن را برای اندازه‌گیری مقاومت آماده کنید.

4- مناسب‌ترین حوزه کار مولتی‌متر را انتخاب کنید و مقاومت‌ها را با آن اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 5-1 بنویسید.

5- مقادیر مقاومت‌های خوانده شده از روی مقاومت ومقادیر اندازه‌گیری شده را با هم مقایسه کنید و در ستون مربوطه در جدول 5-1 بنویسید.

6- در صورتی که تفاوتی وجود دارد، علت تفاوت مقاومت‌ها را توضیح دهید.

7- آیا مقادیر اندازه‌گیری شده در محدوده تولرانس مقاومت قرار دارد؟ توضیح دهید.

8- با استفاده از نرم‌افزار electronic assistant (یا نرم‌افزار مشابه دیگر) مقدار مقاومت‌ها را بخوانید و در جدول 5-1 بنویسید.

9- مقادیر مقاومت‌های خوانده شده از روی مقاومت و مقادیر خوانده شده با نرم‌افزار را با هم مقایسه کنید و در ستون مربوطه در جدول 5-1 بنویسید.

10- آیا مقادیر به دست آمده در مراحل 6 و 10 با هم انطباق دارد؟ توضیح دهید.

11- عیوبی که در مقاومت‌ها ایجاد می‌شود شامل قطع شدن مقاومت و افزایش مقدار آن است. دو نمونه مقاومت معیوب (قطع شده و افزایش یافته) را در اختیار بگیرید و آن را به وسیلهٔ مولتی‌متر مورد آزمایش قرار دهید.

منبع تغذیه (Power Supply)

روی میز آزمایشگاه دستگاهی به نام منبع تغذیه DC وجود دارد. توسط‌ این دستگاه می‌توانید ولتاژهای مختلف تولید نمایید. از آنجا که تنوع دستگاه‌های منبع تغذیه بسیار زیاد است و هر آزمایشگاهی منبع تغذیه خاص مربوط به خود را دارد، از تشریح آن خودداری می‌کنیم. برای فراگیری نحوه استفاده از منبع تغذیه به دفترچه راهنمای آن مراجعه کنید. شکل 86-1 یک نمونه دستگاه منبع تغذیه را نشان می‌دهد.

بِرِدبُرد (bread board)

بِرِد بُرد یا بُرد آزمایشگاهی کوچک وسیله‌ای است که توسط آن به آسانی می‌توانید آزمایش‌های الکترونیک را بدون نیاز به لحیم‌کاری با سیم‌های رابط جداگانه اجرا کنید. چون این برد (صفحه تخته) به صورت یک صفحه ساده ساخته شده است و مشابه یک تکه نان به نظر می‌آید، نام Bread board یا تخته آزمایشگاهی شبیه قطعه نان به آن داده شده است. در شکل 87-1 قسمتی از بِرِدبُرد که تعدادی قطعه روی آن نصب شده است را مشاهده می‌کنید.

اتصال‌های داخلی بِردبُرد

در شکل 88-1 اتصالات داخلی سوراخ‌های بِردبُرد را ملاحظه می‌کنید. همان‌طور که مشاهده می‌شود سوراخ‌های حروف گذاری شده در جهت عمودی با هم ارتباط دارند و در جهت افقی بین آنها هیچ گونه ارتباطی وجود ندارد. سوراخ‌های ردیف‌های بالا و پایین درجهت افقی به هم مربوط هستند. در شکل 89-1 اتصال‌های فلزی داخل بِردبُرد را ملاحظه می‌کنید.

مراحل اجرای کار

2- مدار شکل 90-1 را در نرم‌افزار مولتی سیم ببندید و جریان عبوری از مقاومت را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 6-1 یادداشت کنید.

3- با استفاده از قانون اهم مقدار جریان مدار را محاسبه کنید و مقادیر را در جدول 6-1 یادداشت کنید.

جدول 6-1

کمیت	اندازه‌گیری با نرم‌افزار	محاسبه با قانون اهم	اندازه‌گیری با مولتی‌متر	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
$I$				بلی / خیر

4- دفترچه راهنمای منبع تغذیه DC را مطالعه کنید و با رعایت نکات ایمنی آن را روی 15 ولت تنظیم کنید.

5- مدار شکل 90-1 را با استفاده از منبع تغذیه روی بِردبُرد ببندید.

6- با استفاده از مولتی‌متر جریان عبوری از مقاومت را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 6-1 یادداشت کنید.

7- مقادیر درج شده در جدول را با هم مقایسه کنید و نتایج را در ستون مربوطه در جدول 6-1 درج کنید.

8- در صورتی که تفاوتی وجود دارد علت تفاوت را توضیح دهید.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 91-1 را در نرم‌افزار مولتی‌سیم ببندید. ولتاژ تغذیه را روی 12 ولت بگذارید (انتخاب تغذیه مدار می‌تواند با توجه به شرایط مدار تغییر کند).

2- مقدار ولتاژ دو سر هر یک از مقاومت‌ها را در نرم‌افزار اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 7-1 یادداشت کنید.

3- مقدار جریان‌ها را در نرم‌افزار اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 7-1 یادداشت کنید.

جدول 7-1

شماره مقاومت	اندازه‌گیری ولتاژها با نرم‌افزار	اندازه‌گیری جریان‌ها با نرم‌افزار	اندازه‌‌گیری ولتاژها با مولتی‌متر	اندازه‌گیری جریان‌ها با مولتی‌متر	محاسبه مقدار مقاومت‌ها با استفاده از ولتاژ و جریان	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
${R_1}$						بلی / خیر
${R_2}$						بلی / خیر
${R_T}$						بلی / خیر

4- بررسی کنید آیا در نر‌م‌افزار، فرایند عیب‌گذاری روی مقاومت‌ها وجود دارد، در صورتی که پاسخ مثبت است، آن را تجربه کنید.

5- دفترچه راهنمای منبع تغذیه DC را مطالعه کنید و با رعایت نکات ایمنی آن را روی 12 ولت تنظیم کنید.

6- دفترچه راهنمای مولتی‌متر را مطالعه کنید و با رعایت نکات ایمنی و انتخاب حوزه کار مناسب آن را برای اندازه‌گیری ولتاژ تنظیم کنید.

7- مدار شکل 91-1 را با استفاده از منبع تغذیه روی بِرِدبُرد ببندید.

8- با استفاده از مولتی‌متر ولتاژ دوسر هر یک از مقاومت را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 7-1 یادداشت کنید.

9- با استفاده از مولتی‌متر جریان‌های عبوری از هر یک از مقاومت‌ها و جریان کل را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 7-1 یادداشت کنید.

10- مقدار هر یک از مقاومت‌ها را با استفاده از مقادیر جریان و ولتاژ اندازه‌گیری شده با مولتی‌متر، محاسبه کنید.

11- مقادیر درج شده در جدول را با هم مقایسه کنید و نتایج را در ستون مربوطه، در جدول 7-1 درج کنید.

12- در صورتی که تفاوتی وجود دارد علت تفاوت مقاومت‌ها را توضیح دهید.

13- با استفاده از قانون اهم و مدارهای سری، مقدار جریان مدار را محاسبه کنید و مقادیر را در جدول 8-1 یادداشت کنید.

14- مقادیر جریان‌های اندازه‌گیری شده در نرم‌افزار را با استفاده از مولتی‌متر از جدول 7-1 استخراج و در جدول 8-1 یادداشت کنید.

15- مقادیر جریان‌ها در جدول 8-1 را باهم مقایسه کنید و نتایج را در ستون مربوطه درج کنید.

جدول 8-1

کمیت	${I_{R1}}$	${I_{R2}}$	${I_T}$	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
(محاسبه) $I$				بلی / خیر
(نرم‌افزار) $I$				بلی / خیر
(مولتی‌متر) $I$				بلی / خیر
آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟	بلی / خیر	بلی / خیر	بلی / خیر

16- در صورتی که تفاوتی بین جریان‌ها وجود دارد علت تفاوت را توضیح دهید.

مراحل اجرای کار

1- مدار شکل 92-1 را در نرم‌افزار مولتی‌سیم ببندید ولتاژ تغذیه را روی 12 ولت بگذارید. (انتخاب تغذیه مدار می‌تواند با توجه به شرایط مدار تغییر کند).

2- مقدار ولتاژ دو سر هر یک از مقاومت‌ها را در نرم‌افزار اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 9-1 یادداشت کنید.

3- مقادیر جریان‌ها را در نرم‌افزار اندازه بگیرید و در جدول 9-1 یادداشت کنید.

جدول 9-1

شماره مقاومت	اندازه‌گیری ولتاژها با نرم‌افزار	اندازه‌گیری جریان‌ها با نرم‌افزار	اندازه‌گیری ولتاژها با مولتی‌متر	اندازه‌گیری جریان‌ها با مولتی‌متر	محاسبه مقدار مقاومت‌ها با استفاده از ولتاژ و جریان	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
${R_1}$						بلی / خیر
${R_2}$						بلی / خیر
${R_T}$						بلی / خیر

4- در صورت نیاز دفترچه راهنمای منبع تغذیه DC و دفترچه راهنمای مولتی‌متر را مطالعه کنید.

5- با رعایت نکات ایمنی و انتخاب حوزه کار مناسب مولتی‌متر را برای اندازه‌گیری ولتاژ تنظیم کنید.

6- مدار شکل 92-1 را با استفاده از منبع تغذیه روی بِرِدبُرد ببندید.

7- با استفاده از مولتی‌متر ولتاژ دوسر هر یک از مقاومت را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 9-1 یادداشت کنید.

8- با استفاده از مولتی‌متر جریان‌های عبوری ازهر یک ازمقاومت‌ها و جریان کل را اندازه بگیرید و مقادیر را در جدول 9-1 یادداشت کنید.

9- مقادیر درج شده در جدول را با هم مقایسه کنید و نتایج را در ستون مربوطه در جدول 9-1 درج کنید.

10- در صورتی که تفاوتی وجود دارد علت را توضیح دهید.

11- با استفاده از قانون اهم و مدارهای موازی، مقدار جریان مدار را محاسبه کنید و مقادیر را در جدول 10-1 یادداشت کنید.

12- مقادیر جریان‌های اندازه‌گیری شده در نرم‌افزار و با استفاده از مولتی‌متر را از جدول 9-1 استخراج و در جدول 10-1 درج کنید.

کمیت	${I_{R1}}$	${I_{R2}}$	${I_1}$	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
(محاسبه) $I$				بلی / خیر
(نرم‌افزار) $I$				بلی / خیر
(مولتی‌متر) $I$				بلی / خیر
آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟	بلی / خیر	بلی / خیر	بلی / خیر

13- مقادیر جریان‌ها در جدول 10-1 را با هم مقایسه کنید و نتایج را در ردیف مربوطه درج کنید.

14- در صورتی که تفاوتی بین جریان‌ها وجود دارد، علت را توضیح دهید.

مقاومت‌های متغیر (Variable resistors):

مقاومت‌های متغیر مقاومت‌هایی هستند که مقدار مقاومت آنها را می‌توان توسط عوامل مختلف مانند تغییر مکان مکانیکی (متغیر معمولی)، نور (تابع نور) و حرارت تغییر داد.

مقاومت متغیر معمولی: مقاومت‌های متغیر معمولی مقاومت‌هایی هستند که مقدار مقاومت آنها را می‌توان با تغییر مکان یا تغییر زاویه محور متحرکی که دارند تنظیم کرد. در شکل 93-1 چند نمونه مقاومت متغیر معمولی با محور دوار و کشویی را ملاحظه می‌کنید. مقدار این مقاومت‌ها را معمولاً روی آن می‌نویسند. اطلاعات مربوط به این مقاومت‌ها در برگه اطلاعات آن داده می‌شود.

مقاومت وابسته به حرارت (thermistors):

این مقاومت‌ها تابع حرارت هستند و تغییرات دما روی مقدار مقاومت آنها اثر می‌گذارد .این نوع مقاومت‌ها در دو نوع PTC و NTC وجود دارند. مقاومت‌های PTC در اثر افزایش حرارت مقدارشان زیاد می‌شود. مقاومت‌های NTC در اثر زیاد شدن حرارت مقدارشان کاهش می‌یابد. در شکل 94-1 چند نمونه مقاومت تابع حرارت را مشاهده می‌کنید. مقدار این مقاومت‌ها را روی آن می‌نویسند یا با کد «عدد- حرف» یا «کد رنگی» مشخص می‌کنند. این مقاومت‌ها نیز دارای datasheet هستند.

مقاومت وابسته به نور (فتورزیستور- LDR):
مقدار مقاومت تابع نور «LDR» وابسته به شدت نور تابیده شده به آن است. هر قدر شدت نور بیشتر شود مقدار مقاومت فتورزیستور کاهش می‌یابد. در شکل 95-1 یک نمونه مقاومت تابع نور و نماد آن را مشاهده می‌کنید. مقدار این مقاومت‌ها را روی آن می‌نویسند یا با کد «عدد- حرف» یا «کد رنگی» مشخص می‌کنند.

مقاومت وابسته به ولتاژ (واریستور- varistor):
مقاومت‌های متغیری هستند که مقدار مقاومت آنها به ازای ولتاژهای مختلف ثابت نیست و تغییر می‌کند. در این نوع مقاومت‌ها که به VDR معروف هستند، هر قدر ولتاژ داده شده بیشتر شود، مقدار مقاومت کاهش می‌یابد. شکل 96-1 چند نمونه مقاومت تابع ولتاژ و نماد آن را مشاهده می‌کنید. مقدار این مقاومت‌ها را روی آن می‌نویسند یا با کد «عدد- حرف» یا «کد رنگی» مشخص می‌کنند.

خازن (Capacitor)

خازن، قطعه‌ای (اِلِمانی) است که انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند. ساختمان خازن از سه قسمت تشکیل شده است:
الف) صفحات هادی که به آنها جوشن نیز گفته می‌شود. این صفحات معمولاً ورقه‌هایی نازک از جنس آلومینیوم، روی یا نقره هستند.
ب) عایق بین صفحات هادی که به آن دی‌الکتریک نیز گفته می‌شود. معمولاً خازن‌ها از نظر دی‌الکتریک به کار رفته در ساختمان آنها تقسیم‌بندی می‌شوند.
پ) پایه‌های اتصال خازن پایه‌هایی هستند که به جوشن‌ها اتصال دارند.

ظرفیت خازن: توانایی ذخیره بار الکتریکی در خازن را ظرفیت خازن می‌نامند و آن را با حرف C نمایش می‌دهند. مقدار ظرفیت خازن را بر حسب فاراد (Farad) می‌سنجند. چون فاراد ظرفیت بزرگی است از واحدهای کوچک‌تر شامل میلی‌فاراد (mF)، میکروفاراد $(\mu F)$، نانوفاراد (nF) و پیکوفاراد (pF) استفاده می‌کنند و مقدار آن را با روش‌های مختلف روی بدنه خازن می‌نویسند.

ولتاژ کار (Working voltage wv): ماکزیمم ولتاژی را که به دو سر خازن اعمال می‌شود تا مولکول‌های عایق درون خازن شکسته نشوند، ولتاژ کار می‌نامند. معمولاً ولتاژ کار خازن همراه با ظرفیت آن روی بدنه نوشته می‌شود. خازن‌ها در انواع الکترولیتی، کاغذی، سرامیکی، پلی‌استر و تانتالیوم ساخته می‌شوند.

خازن‌های الکترولیتی اکثراً دارای قطب مثبت و منفی هستند؛ بنابراین باید توجه داشت که در حین کار، دو قطب آنها جابه‌جا نصب نشود. در صورت اشتباه متصل کردن دو قطب خازن الکترولیتی، واکنش‌های الکتروشیمیایی درون خازن روی می‌دهد و خازن معیوب می‌شود. در شکل 98-1 چند نمونه خازن را مشاهده می‌کنید.

ظرفیت خازن را با دستگاهی به نام LCR متر اندازه می‌گیرند. در واحد یادگیری 2 از این دستگاه استفاده خواهیم کرد.

عملکرد خازن در جریان الکتریکی DC: با اتصال ولتاژ DC به خازن، در لحظه اتصال، خازن به صورت اتصال کوتاه عمل می‌کند و بیشترین جریان از مدار می‌گذرد. پس از مدت زمان کوتاهی ولتاژ دوسر خازن به اندازه ولتاژ تغذیه می‌شود و جریان مدار به صفر می‌رسد. این حالت را حالت گذرا یا transient می‌نامند. در صورتی که مقاومتی با مدار طبق شکل الف-99-1 سری شود با توجه به مقدار ظرفیت خازن و مقدار اهمی‌مقاومت، پس از اتصال تغذیه، مدت زمانی طول می‌کشد تا ولتاژ دو سر خازن به اندازه ولتاژ تغذیه شود و جریان مدار به صفر برسد. در این حالت می‌گویند خازن بعد از 5 ثابت زمانی (5RC) شارژ شده است. هر ثابت زمانی عبارت از مدت زمانی‌است که خازن به اندازه 63/25 درصد ولتاژ منبع یا ولتاژ باقی مانده شارژ می‌شود. شارژ شدن خازن از تابع نمایی شکل ب-99-1 تبعیت می‌کند.

خواندن خازن‌ها: خواندن مقادیر خازن‌ها تا حدود زیادی مشابه مقاومت‌ها است و با سه روش، نوشتن مقدار روی خازن، کد «عدد- حرف» و کد رنگی مشخص می‌شود. برای فراگیری چگونگی خواندن خازن‌ها به مبحث مقاومت‌ها مراجعه کنید.

یادآور می‌شود که اگر روی خازنی عدد کوچک‌تر از یک (مثلاً 0/01) بدون ذکر واحد نوشته شده باشد مقدار ظرفیت برحسب میکرو فاراد است. همچنین اگر عدد ظرفیت، عددی دورقمی (مثلاً 47) یا رمز عددی (مثلاً 103) باشد مقدار ظرفیت بر حسب پیکوفاراد است.

1- مقاومت‌های متغیر و خازن‌ها را در اختیار بگیرید و مقادیر آنها را با توجه به کد رنگی مقاومت‌ها بخوانید و مقادیر آنها را در جدول 11-1 یادداشت کنید.

2- با استفاده از نرم‌افزارهای ادیسون و electronicassistant یا هر نرم‌افزار دیگر دو نمونه خازن و دو نمونه مقاومت متغیر را پیدا کنید و مقادیر را در جدول 11-1 یادداشت کنید.

جدول 11-1

قطعه	مقادیر از روی قطعه واقعی	مقادیر در نرم‌افزار	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
${C_1}$			بلی / خیر
${C_2}$			بلی / خیر
${P_1}$			بلی / خیر
${P_2}$			بلی / خیر

3- مقادیر را باهم مقایسه کنید و نتیجه را بنویسید.

4- خازن‌ها ممکن است اتصال کوتاه، قطع یا نشتی شوند. با استفاده از مولتی‌متر می‌توانید فقط اتصال کوتاه شدن خازن را تشخیص دهید. یک عدد خازن اتصال کوتاه شده را با مولتی‌متر آزمایش کنید. قطع شدن یا نشتی شدن خازن فقط با دستگاه LCR متر قابل تشخیص است.

سیم پیچ (سلف- inductor)

از پیچیدن چند دور سیم در کنار هم، یا روی هم، سیم پیچ یا سلف ساخته می‌شود. یک سلف را با اسامی دیگر، مانند بوبین، پیچه، خود القا و چوک (سولونوئید) نیز نام‌گذاری می‌کنند. یک سلف ممکن است دارای هسته یا بدون هسته باشد، شکل ب و الف-100-1. سیم‌پیج دارای خاصیت القایی است که آن را با ضریب خود القایی L نشان می‌دهند. واحد ضریب خود القایی‌هانری (H) و اجزای آن میلی‌هانری و میکروهانری است. ضریب خود القایی را با دستگاهی به نام LCR متر اندازه می‌گیرند. در واحد یادگیری 2 از این دستگاه استفاده خواهیم کرد.

عملکرد سلف در جریان الکتریکی DC: چون مقاومت سیم پیچ بسیار کم است، با اتصال ولتاژ DC به آن به صورت اتصال کوتاه عمل می‌کند ولی مدت زمان کوتاهی طول می‌کشد تا جریان مدار به بیشترین حد خود برسد. این حالت را حالت گذرا یا transient می‌نامند. در صورتی که مقاومتی با مدار طبق شکل پ-100-1 سری شود مدت زمانی طول می‌کشد تا جریان به مقدار بیشینه برسد. در این حالت می‌گویند سلف بعد از 5 ثابت زمانی $(\frac{{5L}}{R})$ شارژ می‌شود. شارژ شدن سیم پیچ از تابع نمایی شکل ت-100-1 تبعیت می‌کند.

خواندن سیم‌پیچ‌ها: خواندن سلف تا حدود زیادی مشابه مقاومت‌ها است و با سه روش مقدار روی سیم‌پیچ، کد «عدد- حرف» و کد رنگی مشخص می‌کنند. برای فراگیری کد رنگی سیم‌پیچ‌ها به مبحث مقاومت‌ها مراجعه کنید.

مراحل اجرای کار

1- چهار عدد سیم‌پیچ را در اختیار بگیرید و مقادیر آنها را با توجه به کد رنگی مقاومت‌ها بخوانید و مقادیر را در جدول 12-1 یادداشت کنید.

جدول 12-1

شماره سیم‌پیچ	مقادیر از روی قطعه واقعی	مقادیر در نرم‌افزار	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
${L_1}$			بلی / خیر
${L_2}$			بلی / خیر
${L_3}$			بلی / خیر
${L_4}$			بلی / خیر

2- با استفاده از نرم‌افزار electronic assistant یا هر نرم‌افزار دیگر چند نمونه سیم‌پیچ را بخوانید و مقادیر را یادداشت کنید.

3- مقادیر را با هم مقایسه کنید و نتیجه را بنویسید.

واحد یادگیری 2: شایستگی پیچیدن سیم‌پیچ یا بوبین

آیا تا به حال پی برده‌اید:

- یکی از قطعات پر کاربرد در صنایع برق و الکترونیک بوبین یا سیم‌پیچ است؟
- سیم‌پیچ جریان DC را از خود عبور می‌دهد و مانع عبور جریان AC می‌شود؟
- در ترانسفورموتورها، موتورها، رله‌ها، کنتاکتورها و شارژرها، از سیم‌پیچ استفاده می‌شود؟
- در کلیه مدارهای مخابراتی حتماً باید از سیم‌پیچ استفاده شود؟
- اگر سیم‌پیچ نباشد نمی‌توانیم هیچ موجی را از آنتن تلفن همراه پخش و دریافت کنیم؟
- در مدار لامپ‌های کم‌مصرف کوچک (CFL= compact flourcent lamp) سیم‌پیچ نقش اساسی دارد؟

استاندارد عملکرد:
محاسبه و پیچیدن دو نمونه بوبین به صورت دستی و با بوبین پیچ با دقت تولرانس حداکثر 10 درصد.

یکی از قطعات پر کاربرد در صنایع برق و الکترونیک بوبین یا سیم‌پیچ است. از پیچیدن سیم هادی روپوش‌دار روی یک استوانه، یک سیم‌پیچ الکتریکی، بوبین یا سلف شکل می‌گیرد. سیم‌پیچ‌ها دارای ابعاد و اشکال مختلفی هستند و به دو دسته، سیم‌پیچ بدون هسته (با هستهٔ هوا) وسیم‌پیچ با هسته فلزی یا فریت طبقه‌بندی می‌شوند. در این واحد یادگیری به شرح اجزای بوبین، عوامل مؤثر در ضریب خود القا، انواع سیم‌های لاکی و چگونگی پیچیدن می‌پردازیم. در مرحله بعد بوبین را با استفاده از روابط کاربردی محاسبه می‌کنیم و یک نمونه بوبین یک لایه و چند لایه را با رعایت نکات‌ایمنی و بهداشتی می‌سازیم. در نهایت بوبین‌های ساخته شده را آزمایش و اصلاح می‌کنیم. توجه به مهارت‌های غیرفنی مانند کار گروهی، مسئولیت پذیری، رعایت نظم و ترتیب، توجه به محیط زیست و اخلاق حرفه‌ای از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و در تمام مراحل باید رعایت شود.

مواد، تجهیزات و ابزار مورد نیاز:

ابزار عمومی‌برق یا الکترونیک- لوازم‌التحریر- میز کار با برق- چسب کاغذی- LCR متردیجیتالی- میکرومتر یا کولیس- کاتر- بوبین‌پیچ- جداول استاندارد مرتبط- ابزار عمومی‌لحیم‌کاری- وارنیش- سیم‌افشان- لباس کار- رایانه- انواع سیم لاکی- هسته فریت و آهن- قرقره در ابعاد مختلف متناسب با برنامه آموزشی.

ساختمان بوبین:

از پیچیدن سیم‌هادی روپوش‌دار روی یک استوانه، یک سیم‌پیچ الکتریکی، بوبین یا سلف ساخته می‌شود. از بوبین برای ایجاد خودالقایی در مدارها استفاده می‌کنند. سیم‌پیچ‌ها دارای ابعاد و اشکال مختلفی هستند، ولی می‌توان آنها را به دو دستهٔ کلی طبقه‌بندی کرد؛
الف) سیم‌پیچ بدون هسته (با هسته هوا)
ب) سیم‌پیچ با هسته فلزی یا فریت
در سیم‌پیچ بدون هسته، سیم را روی لوله‌های عایق، مانند مقوا یا پلاستیک، می‌پیچند. این لوله‌ها که قرقره نام دارند فقط برای حفظ و نگه‌داری سیم‌پیچ مورد استفاده قرار می‌گیرند. سلف‌ها با خودالقایی زیاد، اگر بدون هسته (با هستهٔ هوا) ساخته شوند ابعاد آنها بزرگ می‌شود، بنابراین بهتر است آنها را با هسته فلزی بسازند، در این مورد هستهٔ مناسب، به خصوص در صنعت الکترونیک فری تها هستند. در شکل 1-2 تعدادی از سلف‌ها و ترانسفورماتورها، نشان داده شده‌اند.

چگونگی پیچیدن بوبین

پیچیدن سیم روی هسته معمولاً به دو صورت یک لایه و چند لایه انجام می‌شود.

الف) سیم‌پیچ یک لایه: در این نوع سیم‌پیچ بر روی یک قرقره یا بر روی هسته استوانه‌ای شکل سیم را به طور منظم می‌پیچند. شکل 2-2 دو بوبین یک لایه را نشان می‌دهد.

ب) سیم‌پیچ چند لایه: اگر به بوبین با خودالقایی زیاد احتیاج باشد، از سیم‌پیچ چند لایه استفاده می‌کنیم. پیچیدن سیم‌پیچ چند لایه روش‌های مختلفی دارد. شکل 3-2 یک سیم‌پیچ دو لایه را که به صورت معمولی پیچیده شده است، نشان می‌دهد. می‌دانیم وجود دوهادی و یک عایق بین آنها یک خازن را شکل می‌دهد. چنانچه دو سیم عایق‌دار در کنار هم قرار گیرند نیز تشکیل یک خازن می‌دهند. این ظرفیت‌های خازنی را خازن‌های پراکنده می‌گویند. در سیم‌پیچ‌ها به دلیل قرارگرفتن سیم‌ها در کنار یا روی یکدیگر خازن‌های پراکنده شکل می‌گیرد. برای کاهش ظرفیت خازن‌های پراکنده در سیم‌پیچ، می‌توان از روش پیچیدن مستقیم بر روی هم مطابق شکل 4-2 استفاده کرد. برای کاهش بیشتر ظرفیت خازن‌های پراکنده از روشی مطابق شکل 5-2 استفاده می‌کنند. البته پیچیدن سیم‌پیچ با این روش بسیار مشکل است.

روش رایج برای کاهش ظرفیت خازن‌های پراکنده، پیچیدن سیم‌پیچ چند لایه به روش یونیورسال یا لانه زنبوری است، شکل 6-2 نمونه‌ای از سیم‌پیچ ساخته شده با این روش را نشان می‌دهد.

عوامل مؤثر بر ضریب خودالقایی بوبین با هسته هوا:

اندوکتانس یا ضریب خودالقایی بوبین به عوامل زیر بستگی دارد:
الف) قطر قرقره (D)
ب) طول مفید سیم‌پیچ (I)
پ) تعداد دور سیم‌پیچ (N)
ت) قطر سیم مورد استفاده (d)

شکل 7-2 یک بوبین یک لایه را با عوامل مؤثر بر ضریب خودالقایی بوبین نشان می‌دهد. علاوه بر عوامل ذکر شده جنس هسته نیز به طور مؤثری روی ضریب خودالقایی بوبین اثر می‌گذارد که در ادامه درباره آن بحث خواهیم کرد.

رابطه محاسبه ضریب خودالقایی بوبین

با در دست داشتن عوامل مؤثر بر ضریب خودالقایی بوبین می‌توانیم ضریب خودالقایی بوبین را محاسبه کنیم. برای محاسبه یک بوبین یک لایه منظم با هسته هوا، از این رابطه استفاده می‌شود. دراین رابطه $L$ ضریب خودالقایی بوبین برحسب میکروهانری، $D$ قطر قرقره برحسب سانتی‌متر، $I$ طول سیم‌پیچ برحسب سانتی‌متر و $N$ تعداد دور سیم‌پیچ است. همان‌طور که ملاحظه می‌شود ضریب خودالقایی نسبت مستقیم با قطر قرقره و تعداد دور سیم‌پیچ و نسبت معکوس با طول مفید سیم‌پیچ دارد.

$L = \frac{{0/08{D^2}{N^2}}}{{3D + 9I}}$ (ضریب خود القایی)

سیم‌ها و کابل‌ها

سیم‌ها و یا هادی‌های مورد استفاده در سیم‌کشی ساختمان برای انتقال جریان الکتریکی به مصرف‌کننده‌ها و محل‌های مختلف و همچنین ارتباط بین دستگاه‌های الکتریکی می‌باشند. در ساختمان آنها از یک‌هادی خوب که معمولاً مس و یا آلومینیوم است، استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از سیم‌ها را در شکل 8-2 مشاهده می‌کنید.

ساختمان سیم‌ها: سیم‌ها از دو قسمت‌هادی و عایق تشکیل شده‌اند. جنس‌هادی سیم‌ها معمولاً از مس یا آلومینیوم است. ولی از مس به خاطر حجم کم و هدایت بهتر بیشتر استفاده می‌شود. عایق سیم، از یک ماده پلاستیکی یا لاستیکی است که به صورت لایه‌ای روی هادی سیم را می‌پوشاند.

ابعاد فیزیکی سیم‌ها: برای مقایسه ابعاد فیزیکی سیم‌ها از واحدهای استاندارد استفاده می‌شود. اندازه فیزیکی سیم‌های مورد استفاده در سیم‌کشی ساختمان که سیم‌های روکش‌دار از جنس پلاستیک می‌باشند، برحسب $m{m^2}$ بیان می‌شود. مثلاً منظور از سیم 1/5 یعنی سیم یکه سطح مقطع آن $1/5m{m^2}$ سطح مقطع سیم را نشان می‌دهد.

سیم‌های مورد استفاده در سیم‌کشی ساختمان: در سیم‌کشی ساختمان سه نوع سیم به شرح زیر استفاده می‌شود:

سیم‌های مفتولی یا استخوانی یا سیم‌های خشک: انعطاف‌پذیری این سیم نسبت به دو سیم دیگر (نیمه‌افشان و افشان) کمتر است. موارد کاربرد سیم‌های مفتولی برای مصرف در تابلوهای برق و تأسیساتی که به طور ثابت نصب می‌شوند و در نقاط خشک در داخل لوله، روی دیوار، داخل دیوار و خارج از آن با استفاده از مقره می‌باشد. سیم‌های مفتولی درحلقه‌های 100 متری با عایق به رنگ‌های مختلف در بازار به مصرف‌کننده‌ها عرضه می‌شود. در شکل 10-2 تصویر ظاهری سطح مقطع سیم مفتولی را مشاهده می‌کنید.

سیم‌های نیمه‌افشان: ساختمان این سیم شبیه سیم مفتولی است یعنی از تعداد محدودی رشته سیم با پوششی از PVC به عنوان عایق تشکیل شده است. ولتاژ نامی این سیم 500/450 ولت است. زمینه کاربرد این سیم شبیه سیم مفتولی بوده و در مواردی که به انعطاف بیشتری نسبت به سیم مفتولی نیاز است، از سیم نیمه‌افشان استفاده می‌شود. در شکل 11-2 تصویر ظاهری سطح مقطع سیم نیمه‌افشان آمده است. سیم‌های نیمه افشان از تعدادی سیم مفتولی با مقطع کوچک‌تر شکل می‌گیرند.

سیم‌های افشان یا رشته‌ای: ساختمان این سیم نیز شبیه سیم‌های مفتولی و نیمه‌افشان از دو قسمت هادی و عایقی از جنس PVC تشکیل شده است با این تفاوت که هادی دراین نوع سیم‌ها از رشته‌های نازکی از جنس مس می‌باشد. انعطاف‌پذیری این سیم از سیم مفتولی و سیم نیمه افشان بیشتر است. ولتاژ نامی این سیم 500/300 ولت است. سیم‌های افشان نیز در حلقه‌های 100 متری با عایق به رنگ‌های مختلف و با سطح مقطع‌های مختلف در بازار به مصرف‌کننده‌ها عرضه می‌شود. سطح مقطع ظاهری سیم افشان به صورت شکل 12-2 است.

طبقه‌بندی سیم‌ها با توجه به قطر و سطح مقطع

سیم‌های مورد استفاده در صنایع الکتریکی معمولاً از جنس مس یا آلومینیوم ساخته می‌شوند. سیم‌های لاکی که داخل دستگاه‌های الکتریکی به منظور سیم‌پیچ (القاگر) به کار می‌روند، با قطر سیم شناسایی می‌شوند. شکل‌های ب و الف-13-2، سایر سیم‌های ارتباطی از قبیل کابل‌ها و سیم‌های روشنایی را نشان می‌دهد. این سیم‌ها براساس سطح مقطع طبقه‌بندی می‌شوند.

برای مدارهای الکتریکی سیم‌ها بر اساس مقدار جریانی که می‌توانند تحمل کنند، انتخاب می‌شوند. در انتخاب سیم‌ها معمولاً دو محدودیت وجود دارد. اولین محدودیت، محدودیت مکانی است که به طریقی به محدودیت اقتصادی نیز مربوط می‌شود، به عبارت دیگر سیم مصرفی باید حداقل فضا را اشغال کند و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. 

دومین محدودیت آن تحمل جریان الکتریکی است. بدیهی است که اگر به خاطر مسائل اقتصادی، سیم با مقطع کمتری انتخاب شود، جریان مدار را تحمل نمی‌کند و می‌سوزد. بنابراین لازم است مقطع انتخاب شده، از نظر اقتصادی و تحمل جریان بهینه باشد. برای این منظور جداول استانداردی را برای مقطع و مقدار جریانی که سیم‌ها در حالت کار طبیعی می‌توانند تحمل کنند تهیه و در اختیار مصرف‌کنندگان قرار می‌دهند. جدول 1-2 نمونه‌ای از این جداول استاندارد را نشان می‌دهد.

جدول 1-2 نمونه‌ای از جداول استاندارد

تعداد دور در هر $c{m^2}$	مقاومت سیم $\Omega /m$	وزن سیم $gr/m$	سطح مقطع سیم $m{m^2}$	قطر سیم با لاک $mm$	قطر سیم $mm$
20000	8/94	0/019	0/002	0/062	0/05
15000	6/21	0/027	0/0028	0/075	0/06
11000	4/56	0/037	0/0039	0/085	0/07

محاسبه شدت جریان عبوری از سیم‌پیچ

یکی از مراحل مهم در طراحی و ساخت بوبین محاسبه جریان مجاز عبوری از سیم‌پیچ و تعیین قطر سیم است. برای تعیین قطر سیم باید چگالی جریان مجاز عبوری از سیم را داشته باشیم.

چگالی جریان

شدت جریانی که یک میلی‌مترمربع سطح مقطع هر سیم در کار طبیعی تحمل می‌کند را چگالی جریان می‌گویند. چگالی جریان را با $J$ نشان می‌دهند. واحد چگالی جریان آمپر بر میلی‌مترمربع $(\frac{A}{{m{m^2}}})$ است و از رابطه $J = \frac{I}{A}$ محاسبه می‌شود. در این رابطه $I$ شدت جریان عبوری از سیم بر حسب آمپر و $A$ سطح مقطع سیم مورد نیاز برحسب میلی‌مترمربع است. چگالی جریان بر حسب آمپر بر میلی‌مترمربع در نظر گرفته می‌شود. در تعیین قطر و سطح مقطع سیم‌ها، داشتن جداول یا منحنی‌هایی که چگالی جریان را نشان بدهند ضروری است. مقدار $J$ متناسب با توان مورد نیاز برای بوبین تعیین می‌شود. جدول 2-2 مقادیر مختلف $J$ را با توجه به جریان عبوری از سیم‌پیچ به ما می‌دهد. از آنجا که بوبین‌های مورد نظر ما معمولاً جریان کمی‌ نیاز دارند، انتخاب سیم‌پیچ با توان تا 50 وات و با چگالی جریان 4 آمپر بر میلی‌مترمربع کفایت می‌کند.

جدول 2-2 رابطه چگالی جریان و توان برای سیم‌های لاکی

(نسبت آمپر بر میلی‌مترمربع) $J$	$P(V.A)$
4	50_0
3/5	100_50
3	200_100
2/5	500_200

باید همواره توجه داشته باشیم که جریان نامی یا جریان مجاز سیم، عبارت از جریانی است که در شرایط کار طبیعی از سیم عبور می‌کند بدون اینکه آسیبی به آن وارد شود. علاوه‌بر جریان مجاز، جریان دیگری به نام جریان ذوب سیم یا جریان فیوزی سیم وجود دارد که موجب ذوب شدن سیم و آتش‌سوزی می‌شود. از این خاصیت برای طراحی فیوزها استفاده می‌کنند.

با مراجعه به جدول سیم‌ها، مشاهده می‌شود که سیم شماره 0/89 وجود ندارد. در این حالت باید سیمی با شماره بالاتر را انتخاب کنیم. نزدیک ترین و مناسب‌ترین سیم در جدول سیم شماره 0/9 است که آن را انتخاب می‌کنیم.

اندازه‌گیری قطر سیم با میکرومتر (ریزسنج)

ریزسنج یا میکرومتر دستگاهی است که می‌توان با آن قطر سیم‌های نازک و ضخامت ورق‌ها را تا دقت یک صدم میلی‌متر، اندازه‌گیری کرد. میکرومتر اساساً از یک میله و یک پیچ درست شده است. در این وسیله، میله استوانه‌ای تو خالی است که سطح خارجی آن بر حسب میلی‌متر مدرج شده است. روی پیچ کلاهکی قرار دارد که می‌تواند در امتداد غلاف جابه‌جا شود. کلاهک پیچ روی سطح خارجی میله حرکت می‌کند. با پیچاندن جغجغه هرزگرد، کلاهک بر روی میله جابه‌جا می‌شود. در شکل 14-2 میکرومتر مکانیکی و دیجیتالی و قسمت‌های مختلف آن معرفی شده است.

اگر کلاهک یک دور بچرخد زبانه متحرک نیم میلی‌متر جابه‌جا می‌شود (گام پیچ نیم میلی‌متر است). لبه کلاهک به 50 قسمت تقسیم شده است، بنابراین هر درجه موجود بر روی کلاهک یک صدم میلی‌متر را نشان می‌دهد. برای اندازه‌گیری قطر سیم، سیم را بین دو فک میکرومتر قرارمی‌دهیم و جغجغه هرزگرد را آنقدر می‌چرخانیم تا دو فک، سیم را در میان بگیرند. در این حالت جغجغه هرزگرد با چرخش خود صدایی تولید می‌کند و فک‌ها دیگر پیش نمی‌روند. از خط کش موجود در مهره غلاف میکرومتر، مقدار میلی‌متر و از لبه کلاهک صدم میلی‌متر را می‌خوانیم.

مراحل انجام کار

1- یک میکرومتر در اختیار بگیرید و عملکرد آن را به طور کامل شرح دهید.

2- چهار نمونه سیم لاکی را که در اختیار دارید با برچسب شماره‌گذاری کنید.

3- با استفاده از سمباده نرم قسمت پوشش لاکی سیم را بردارید.

4- قطر سیم لاکی را که در اختیار دارید (بدون روکش) اندازه بگیرید.

5- مقادیر خوانده شده را به ترتیب شماره در جدول 3-2 وارد کنید.

6- مقادیر اندازه‌گیری شده را با شماره سیم‌های موجود در جدول انطباق دهید.

جدول 3-2 اندازه‌گیری قطر سیم با میکرومتر

$(m{m^2})$ سطح مقطع $A = \frac{{\pi {d^2}}}{4}$	d قطر (mm)	شماره
		1
		2
		3
		4

7- گزارش کاملی از انجام این کار در حداکثر یک صفحه در دفتر یا کتاب گزارش کار بنویسید.

آشنایی با صنایع مس ایران: یکی از تولیدات اصلی و ارزشمند در ایران مس و فراورده‌های آن است. کارخانه‌های مس سرچشمه (شکل 17-2) و مس شهید باهنر از جمله کارخانه‌هایی هستند که با استفاده از مواد خام، شمش و ورق، مس تولید می‌کنند.

محاسبه عملی سیم‌پیچ (بوبین) با هسته هوا

برای پیچیدن بوبین باید اطلاعات زیر را داشته باشیم:
- جریان عبوری از بوبین ($I$ برحسب آمپر یا میلی‌متر)
- ضریب خودالقایی بوبین ($L$ برحسب میکروهانری)
- حجم فضایی که بوبین اشغال می‌کند (سانتی‌مترمکعب که بستگی به طول و قطر بوبین دارد)
- قطر قرقره ($D$ برحسب سانتی‌متر)
- طول مفید سیم‌پیچ ($l$ برحسب سانتی‌متر)
- تعداد دور سیم‌پیچ ($N$ برحسب تعداد دور)
- قطر سیم مورد استفاده ($d$ برحسب سانتی‌متر)

با در دست داشتن اطلاعات کافی می‌توانیم مقدار مجهول را با استفاده از رابطه‌های مرتبط تعیین کنیم.

می‌دانیم مقدار ضریب خودالقایی بوبین را می‌توانیم از رابطه $L = \frac{{0/08{D^2}{N^2}}}{{3D + 9l}}$ محاسبه کنیم. از طرفی هدف ما پیچیدن یک سیم‌پیچ با ضریب خودالقاء مشخص است، لذا این رابطه نمی‌تواند قابل استفاده باشد. ما نیاز به رابطه‌ای داریم که بتوانیم تعداد دور (N) را برای بوبینی با ابعاد معین و محدودیت‌های تعیین شده به شرح زیر محاسبه کنیم:

- چون سیم‌ها روی قرقره پیچیده می‌شود طبق رابطه زیر، طول بوبین تابعی از قطر سیم و تعداد دور آن است که با افزایش تعداد دور، طول بوبین افزایش و ضریب خودالقایی آن کاهش می‌یابد:

$ \to 1{\text{  =  Nd}}$قطر سیم$ \times $تعداد دور$ = $طول بوبین

بنابراین باید به گونه‌ای عمل کنیم که این محدودیت را پوشش دهیم.

- معمولاً محدودیت فضا برای نصب بوبین وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. برای به دست آوردن یک رابطه قابل قبول و مطلوب، به جای l در رابطه ضریب خودالقایی مقدار $l = Nd$ را می‌گذاریم:

$L = \frac{{0/08{D^2}{N^2}}}{{3D + 9Nd}}$

با استفاده از رابطه بالا می‌توانیم مقدار تعداد دور N را محاسبه کنیم. محاسبه مقدار N و تعیین طول مناسب در بحث ما نمی‌گنجد. در صورت تمایل به محاسبه می‌توانید به منابع مرتبط مراجعه کنید. در این محاسبات استفاده از نرم‌افزار مانعی ندارد.

برای محاسبه یک بوبین کاربردی باید مراحل زیر را اجرا کنید

الف) متناسب با فضای موجود، ابعاد قرقره را انتخاب کنید. 
ب) قطر سیم را مطابق با جریان عبوری مورد نیاز محاسبه کنید. چون سیم لاکی با سطح مقطع دایره‌ای برای پیچیدن بوبین به کار می‌رود، باید برای محاسبه قطر سیم از چگالی جریان و جریان عبوری از سیم‌پیچ استفاده کنید.

محاسبه بوبین‌های یک لایه با استفاده از نرم‌افزار

- نرم‌افزار محاسبه بوبین یک لایه را نصب کنید.
- با استفاده از امکانات نرم‌افزار مشخصات بوبین 10 میکروهانری داده شده در مثال را محاسبه کنید.
- مقادیر به دست آمده به وسیله نرم‌افزار را با مقادیرمحاسبه شده با استفاده از رابطه مقایسه کنید.
- توجه داشته باشید که مقادیر محاسبه شده در هر دو روش باید با تولرانس قابل قبول نزدیک به هم باشد. در صورتی که تفاوت خیلی زیاد باشد، به طور قطع یکی از محاسبات اشتباه انجام شده است. در این شرایط لازم است که محاسبات بازبینی شود.

- به سایت‌های اینترنتی مراجعه کنید. آیا نرم‌افزار دیگری برای محاسبه بوبین وجود دارد؟ نتیجه را گزارش دهید.

دستگاه بوبین‌پیچ

بوبین را روی قرقره یا هسته می‌پیچند. برای پیچیدن بوبین از دستگاه بوبین پیچ استفاده می‌کنند. در صورتی که تعداد دور بوبین کم باشد، آن را با دست می‌پیچند. دستگاه بوبین‌پیچ در دو نوع دستی و برقی ساخته می‌شود. بوبین‌پیچ‌های برقی در دو نوع معمولی و خودکار ساخته می‌شوند. چگونگی نصب، راه‌اندازی و کاربرد دستگاه بوبین‌پیچ را در دفترچه راهنمای آن می‌نویسند. در شکل 18-2 چهار نمونه دستگاه بوبین‌پیچ دستی را ملاحظه می‌کنید.

انتخاب ابزار، مواد، ملزومات و تجهیزات

در این مرحله می‌خواهیم ابزار مورد نیاز برای پیچیدن بوبین و اندازه‌گیری آن را انتخاب کنیم. با توجه به آموخته‌های قبلی موارد زیر را نیاز داریم. برای انتخاب هر مورد باید مشخصات فنی و تعداد آنها را داشته باشیم، جدول 4-2.

جدول 4-2 ابزار، مواد، ملزومات و تجهیزات مورد نیاز برای هر هنرجو

ردیف	عنوان	تعداد / مقدار	مشخصات فنی
1	قرقره بوبین	یک عدد	با توجه به محاسبات و طراحی
2	سیم لاکی	10 متر	با توجه به محاسبات و طراحی
3	سیم افشان	10 سانتی‌متر	$ = 0/75m{m^2}$سطح مقطع
4	بوبین‌پیچ ساده	یک دستگاه	نوع ساده با دور شمار معمولی (موجود)
5	وارنیش حرارتی	5 سانتی‌متر	نمره 1/5 یا 2
6	سمباده نرم	10 سانتی‌مترمربع	90 (برای آهن)
7	چسب کاغذی	10 سانتی‌متر	پهنا 1 سانتی‌متر
8	سیم‌چین	یک عدد	استاندارد (متوسط، مینیاتوری، 10 سانتی‌متر)
9	دم‌باریک	یک عدد	استاندارد (متوسط، مینیاتوری، 10 سانتی‌متر)
10	سشوار مخصوص وارنیش حرارتی	یک دستگاه	استاندارد- معمولی
11	پل RLC	یک دستگاه	استاندارد با حوزه $mH$ و $\mu H$
12	میکرومتر	یک دستگاه	استاندارد با قابلیت اندازه‌گیری یک‌صدم میلی‌متر
13	بردبرد	یک قطعه	استاندارد
14	هسته	4 قطعه	با توجه به قطر داخلی قرقره از جنس چوب، آهن، فریت و مس
15	سیمِ بِرِدبُرد و سیم رابط با گیره دوسر سوسماری	به مقدار کافی	استاندارد
16	ابزار لحیم‌کاری با هویه قلمی	یک سری برای هنرآموز و استاد کار آزمایشگاه

مراحل انجام کار

2- می‌خواهیم بوبین با مشخصات داده شده در جدول 5-2 را با دست بپیچیم.

جدول 5-2 مشخصات بوبین 10 میکروهانری

تعداد دور	ضریب خود القا	طول قرقره $l$	قطر قرقره	قطر سیم با لاک
38	$10\mu H$	$20mm$	$D = 10mm$	$0/25mm$

3- سیم را انتخاب و قطر آن را با میکرومتر اندازه بگیرید.

$ = d = ............mm$قطر سیم لاکی

4- قرقره مناسب انتخاب کنید، طول سیم‌پیچ را محاسبه کنید.

5- دو قطعه سیم روکش‌دار با سطح مقطع 0/75 میلی‌مترمربع را به طول 5 سانتی‌متر ببرید و دو طرف آن را به اندازه 7 میلی‌متر روکش‌برداری کنید.

6- روکش لاک سر سیم لاکی را با استفاده از روش بیان شده در فیلم بوبین‌پیچی به وسیلهٔ سمباده بردارید.

7- براساس آنچه که در فیلم دیده‌اید یک سر سیم روکش‌دار را به سر لخت شده سیم لاکی اتصال دهید و با کمک مربی خود آن را لحیم کنید.

8- طبق دستور اجرایی داده شده در فیلم بوبن‌پیچی، بوبین 10 میکروهانری را با دست بپیچید.

9- سر دیگر بوبین را مانند سر اول آن به سیم روکش‌دار متصل و روی قرقره محکم کنید. اکنون بوبین شما آماده بهره‌برداری است. این بوبین را بعداً به عنوان یک قطعه الکترونیکی، مورد استفاده قرار می‌دهید.

10- می‌خواهیم بوبین دیگری با مشخصات داده شده در جدول 6-2 را با دستگاه بپیچیم.

جدول 6-2 مشخصات بوبین 100 میکروهانری

تعداد دور	ضریب خود القاء	طول قرقره $l$	قطر قرقره	قطر سیم با لاک
100	$100\mu H$	$30mm$	$D = 20mm$	$0/25mm$

11- مراحل 2 تا 7 را برای بوبین 100 میکروهانری تکرار کنید.

12- دستگاه بوبین‌پیچ را مورد بررسی قرار دهید و با استفاده از دفترچه راهنمای کاربرد آن چگونگی استفاده از آن را بیاموزید.

13- طبق دستور اجرایی داده شده در فیلم بوبین‌پیچی، بوبین 100 میکروهانری را با دستگاه بوبین‌پیچ بپیچید.

14- سر دیگر بوبین را مانند سر اول آن به سیم روکش‌دار متصل و روی قرقره محکم کنید. اکنون بوبین شما آماده بهره‌برداری است. این بوبین را بعداً به عنوان یک قطعه الکترونیکی، مورد استفاده قرار می‌دهید.

مراحل انجام کار

1- راهنمای کاربرد پل RLC متر را مطالعه کنید و چگونگی کاربرد آن را بیاموزید. (به کتاب همراه هنرجو مراجعه کنید.)

3- با استفاده از دستگاه پل RLC متر مقدار ضریب خودالقایی بوبین‌ها را اندازه بگیرید و در جدول 7-2 یادداشت نمایید. در شکل 20-2 دو نمونه دستگاه پل RLC متر را مشاهده می‌کنید.

جدول 7-2 اندازه‌گیری بوبین

سیم‌پیچ	مقدار پیش‌بینی شده	مقدار اندازه‌گیری شده	آیا مقادیر تطبیق می‌کند؟
${L_1}$	$10\mu H$		بلی / خیر
${L_2}$	$100\mu H$		بلی / خیر

4- مقدار اندازه‌گیری شده را با مقدار پیش‌بینی شده مقایسه کنید. در صورتی که بین مقادیر اختلاف فاحشی وجود دارد، مراحل پیچیدن بوبین‌ها را بازبینی و تکرار کنید تا به نتیجه مطلوب برسید. چنانچه مقدار تفاوت کم است، تعداد دور را کم یتغییر دهید تا به نتیجه قابل قبول برسید.

پیچیدن بوبین با دست و دستگاه

مراحل انجام کار

1- می‌خواهیم بوبین چند لایه و از پیش محاسبه شده با ضریب خودالقایی 10 میلی‌هانری را برای جریان 200 میلی‌آمپر روی قرقره‌ای به طول دو سانتی‌متر و قطر داخلی 1/5 سانتی‌متر بپیچیم:

$ = 1/5cm$قطر داخلی${D_{\min }} = $
$l = 2cm$

2- شکل بوبین چند لایه مشابه شکل 21-2 است. در این شکل قطر داخلی (Dmin)، قطر خارجی مورد نیاز (Dmax)، قطر متوسط (Dave)، طول بوبین (l) و عمق بوبین (e) است. معمولاً مقدار قطر داخلی، طول بوبین و جریان مجاز بوبین را می‌دهند، سایر مقادیر از طریق محاسبه با روش سعی و خطا به دست می‌آید.

4- پس از انجام محاسبه با در نظر گرفتن قطر سیم برابر با $d = 0/25mm$، مقادیر زیر به دست می‌آید:

دور ${D_{\min }} = 1/5cm,l = 2cm,Dave = 1/85cm,N = 1000$

5- بندهای 1 تا 6 کارعملی شماره 2 را برای بوبین 10 میلی‌هانری نیز انجام دهید.

6- با استفاده از مقادیر داده شده قرقره مناسب انتخاب کنید (یا بسازید) و با دستگاه بوبین پیچ تعداد 1000 دور سیم لاکی با قطر $d = 0/25mm$ را به طور منظم دور آن بپیچید و سیم روکش دار را به طرف دیگر آن اتصال دهید.

7- با استفاده از دستگاه پل RLC متر مقدار ضریب خودالقایی بوبین‌ها را اندازه بگیرید. در شکل 20-2 دو نمونه دستگاه پل RLC متر را مشاهده می‌کنید.

$L = ..............mH$

8- مقدار اندازه‌گیری شده را با مقدار محاسبه شده (10 میلی‌هانری) مقایسه کنید. در صورتی که بین مقادیر اختلاف فاحشی وجود دارد، مراحل پیچیدن بوبین‌ها را بازبینی و تکرار کنید تا به نتیجه مطلوب برسید. چنانچه مقدار تفاوت کم است، تعداد دور را کم یتغییر دهید تا به نتیجه قابل قبول برسید .این بوبین را بعداً به عنوان یک قطعه الکترونیکی، مورد استفاده قرار می‌دهید.

تأثیر هسته بر ضریب خودالقایی بوبین

همان‌طور که در قسمت‌های قبل اشاره شد، یکی از اجزاء بوبین هسته است. تاکنون درباره بوبین با هسته هوا بحث کردیم و نمونه‌هایی از آن را ساختیم. در این مرحله می‌خواهیم اثر هسته را روی بوبین بررسی کنیم. هنگامی که جریان الکتریکی از سیم یا سیم پیچ عبور می‌کند در اطراف آن میدان مغناطیسی مطابق شکل 22-2 ایجاد می‌شود.

سه عنصرآهن، نیکل و کبالت و بعضی از آلیاژهای آنها که به‌شدت جذب آهن‌ربا می‌شوند، را مواد مغناطیسی، مغناطیس‌شونده یا فرومغناطیس می‌نامند. موادی مانند مس، برنج، شیشه و چوب که جذب آهن‌ربا نمی‌شوند، مواد غیرمغناطیسی نام دارند. مواد مغناطیسی وقتی در کنار یک آهن‌ربا قرار می‌گیرند مولکول‌های آنها منظم شده و خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند. میزان نفوذ خطوط نیروی مغناطیسی در مواد مغناطیس‌شونده را ضریب نفوذ مغناطیسی می‌نامند و آن را با $\mu $ نمایش می‌دهند. هر قدر این ضریب در مواد بیشتر باشد میزان قابلیت مغناطیس شدن ماده بیشتر است. چنانچه هسته‌ای از جنس مواد مغناطیسی در داخل قرقره بوبین قرارگیرد، متناسب با ضریب نفوذ مغناطیسی، مقدار ضریب خودالقاء بوبین زیاد می‌شود.

2- بِرِدبُرد، سیم‌های رابط، دستگاه LCR متر، بوبین‌های ساخته شده و هسته‌ها را آماده کنید. 

3- نرم‌افزار مولتی‌سیم یا هر نرم‌افزار دیگر دستگاه پل LCR متر و تعدادی بوبین را روی میزکار نرم‌افزار بیاورید و ضریب خودالقایی بوبین را به وسیله دستگاه اندازه بگیرید و در جدول 8-2 بنویسید و با مقدار نامی آن مقایسه کنید.

جدول 8-2 اندازه‌گیری مقداراندوکتانس (ضریب خودالقایی) بوبین با نرم‌افزار

ردیف	مقدار نامی	مقدار اندازه‌گیری شده	اثر تغییر هسته (جنس- جابه‌جائی)
1
2
3
4

4- با استفاده از بِرِدبُرد بوبین 10 میکروهانری ساخته شده را به دستگاه پل LCR متر اتصال دهید و مقدار اندوکتانس آن را در جدول 9-2 بنویسید.

5- فاصله سیم‌ها را روی هسته از یکدیگر زیاد کنید و اثر آن را روی ضریب خود القایی مشاهده کنید و نتایج را بنویسید.

6- هسته‌های چوبی، مسی، پلاستیکی، آهنی و فریت را به طور کامل در داخل سوراخ قرقره بوبین قرار دهید و مقدار اندوکتانس را اندازه بگیرید و در جدول 9-2 بنویسید.

7- مرحله 6 را برای بوبین‌های 100 میکروهانری و 10 میلی‌هانری تکرار کنید و نتایج را در جدول 9-2 یادداشت کنید.

جدول 9-2 اندازه‌گیری مقدار اندوکتانس (ضریب خودالقایی) بوبین با دستگاه LCR متر

ردیف	مقدار نامی	مقدار اندازه‌گیری شده بدون هسته	مقدار اندازه‌گیری شده با هسته
1	$10\mu H$		چوب	آهن	پلاستیک	مس	فریت
2	$100\mu H$
3	$10mH$

8- سیم‌پیچ معیوب می‌تواند به‌صورت اتصال کوتاه یا قطع باشد. در صورتی که لاک روی سیم‌های بوبین از بین برود، تمام سیم‌پیچ یا قسمتی از آن اتصال کوتاه می‌شود. با استفاده از دستگاه RLC متر و مولتی‌متر، سه نمونه سیم‌پیچ قطع، قسمتی اتصال کوتاه و اتصال کوتاه کامل را آزمایش کنید.

9- در صورتی که بوبین دیگری هم در اختیار دارید مرحله 5 را برای آن تکرار کنید.

11- هسته آهنی و فریت را به تدریج وارد قرقره بوبین‌ها کنید و اثر آن را روی تغییر اندوکتانس مشاهده کنید و نتیجه را توضیح دهید.

ارزشیابی:
در دنیای آموزش ارزشیابی از دو دیدگاه نظری و عملی براساس استاندارد عملکرد و مطابق با نمون برگ‌های 1-8 و 1-9 دنیای کار و انطباق یافته‌ها با دنیای آموزش، به صورت مستمر، فرایندی، مقطعی یا پایانی به اجرا در می‌آید و گواهینامه صلاحیت زمانی صادر خواهد شد که دانش‌آموختگان در ارتباط با هرکار و مطابق با استاندارد عملکرد ارزشیابی شوند، همچنین هنگام استخدام نیزارزشیابی براساس استاندارد عملکرد صورت می‌گیرد.