درسنامه آموزشی عرضه تخصصی قطعات الکتریکی و الکترونیکی کلاس دهم الکترونیک
پودمان 2: کمیتهای پایه الکتریکی
واحد یادگیری 3: شایستگی اندازهگیری کمیتهای موج
آیا تا به حال پی بردهاید:
- شکل موج جریان باتری و جریان برق شهر چگونه است؟
- چه تفاوتی بین ولتاژ برق شهر و ولتاژ باتری وجود دارد؟
- کمیتهای یک موج کداماند و چگونه آنها را اندازه میگیرند؟
- چه دستگاههایی کمیتهای موج را اندازه میگیرند؟
- چه نرمافزارهای رایانهای و اندرویدی برای اندازهگیری کمیتهای موج وجود دارد؟
- از برق شهر چگونه میتوان ولتاژی مانند ولتاژ باتری ساخت؟
استاندارد عملکرد:
اندازهگیری ولتاژ و جریان DC و AC با درنظر گرفتن نکات ایمنی و استاندارد تعریف شده
مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز واحد یادگیری
ابزار عمومی برق یا الکترونیک، لوازمالتحریر، منبعتغذیه، مولتیمتر، ترانسفورماتور، رایانه و نرمافزارهای مناسب
سیگنال الکتریکی حاصل از صحبت کردن انسان، تصاویر تلویزیونی، سیگنالهای رادیویی، همه امواج متفاوتیاند که به طور مستمر و روزمره با آنها سروکار داریم. در این فصل به تشریح امواج DC و AC و منابع تولید آنها میپردازیم و کمیتهای مرتبط با موج را با استفاده از سختافزار و نرمافزار محاسبه میکنیم. در فرایند اجرای کار، توجه به شایستگیهای غیرفنی و نکات ایمنی در به کارگیری دستگاههای اندازهگیری و دقت در مراحل اندازهگیری بسیار اهمیت دارد و همواره باید مورد نظر باشد.
انواع جریان الکتریکی
جریان الکتریکی به سه دسته، جریان مستقیم، متناوب و متغیر تقسیمبندی میشود.
الف- جریان مستقیم: Direct Current) DC)
جریان مستقیم یا یک طرفه جریانی است که فقط در یک جهت در مدار جاری میشود. باتریها مولد جریان مستقیم هستند.
در شکل 1-3 نمودار جریان مستقیم روی محورهای مختصات رسم شده است. همانطور که در شکل مشاهده میکنید، در زمانهای مختلف مقدار جریان و جهت آن ثابت است. به این جریان، جریان مستقیم ثابت گویند.
اگر جهت جریان تغییر نکند ولی مقدار آن متغیر باشد، جریان مستقیم متغیر نام دارد. شکل 2-3 یک نمونه جریان مستقیم متغییر را نمایش میدهد.
کار گروهی (صفحه 95 کتاب درسی)
1- چند نوع جریان مستقیم متغیر را در شکل 3-3 مشاهده میکنید. آنها را نامگذاری کنید. انواع دیگر جریان مستقیم متغیر را بیابید.
2- در شکل 4-3 دو نوع باتری قلمی 1/5 ولتی و باتری اتومبیل با ولتاژ 12 ولت را مشاهده میکنید. نمودار ولتاژ این دو باتری را با مقیاس مناسب نسبت به زمان در شکل الف و ب 5-3 رسم کنید.
3- در مورد سیگنال صوتی که از طریق آمپلیفایر (تقویتکننده صوتی) به بلندگو میرسد بررسی کنید، آیا این سیگنال متغیر (غیرمستقیم غیر متناوب) است؟ آیا این سیگنال قسمت منفی هم دارد؟ نتیجه را در کلاس ارائه دهید.
ب- جریان متناوب : Alternating Current) AC):
جریان متناوب یا AC جریانی است که جهت و مقدار آن با زمان و به صورت یکنواخت تغییر میکند. برق مصرفی منازل که در نیروگاهها تولید میشود، جریان متناوب است. در شکل 6-3 یک نمونه جریان متناوب سینوسی رسم شدهاست.
همانطور که در شکل 6-3 مشاهده میکنید، جریان در ابتدا صفر است، سپس افزایش یافته به مقدار حداکثر (بیشینه) خود میرسد، سپس به صفر برمیگردد. مجدداً در جهت منفی به بیشترین مقدار خود میرسد و بار دیگر به صفر برمیگردد. طی این مراحل را یک چرخه(دوره تناوب یا سیکل) مینامند. این مراحل در زمانهای مساوی عینا تکرار میشود.
شکلهای ولتاژ و جریان متناوب: متداولترین شکل جریان متناوب، شکل موجی است که شرکتهای برق تولید میکنند. این شکل موج، به صورت سینوسی است. شکل 3-7 ولتاژ متناوب سینوسی تولیدی توسط شرکتهای تولید برق در ایران را نشان میدهد.
فکر کنید (صفحه 97 کتاب درسی)
در شکل 8-3 نمونههای دیگر جریان متناوب نشان داده شده است. این جریانها را نامگذاری کنید. انواع دیگر جریان متناوب را بیابید.
ویژگیهای موج سینوسی
هر موج سینوسی دارای ویژگی زمان تناوب، فرکانس یا بسامد و دامنه است که به آن میپردازیم.
زمان تناوب (T): مدت زمانی که طول میکشد تا یک چرخه (دوره یا سیکل) کامل طی شود را زمان تناوب یا پریود موج گویند. شکل 9-3 زمان تناوب موج را نشان میدهد. زمان تناوب را با حرف T مشخص میکنند. واحد زمان تناوب، ثانیه است. اجزاء ثانیه، میلیثانیه ($m\sec $)، میکروثانیه $(\mu \sec )$، نانوثانیه ($n\sec $) و پیکو ثانیه ($p\sec $) است.
مثال 1
زمان تناوب موج سینوسی شکل 10-3 را محاسبه کنید.
پاسخ: با توجه به شکل، مدت زمان یک سیکل 4 میلیثانیه است. جواب:
$T = 4m\sec $
پرسش (صفحه 97 کتاب درسی)
در صورتی که تقسیمات محور زمان 4 برابر شود (یعنی عدد 1 تبدیل به 4 و عدد 2 تبدیل به 8 و... شود)، زمان تناوب چند میلیثانیه خواهد بود؟
فرکانس یا بسامد (Frequency): به تعداد چرخه (دوره یا سیکل) در مدتزمان یک ثانیه فرکانس گویند. واحد فرکانس، سیکل (چرخه) بر ثانیه (CPS_cycle Per Second) یا هرتز (Hz) است. برای مثال، چون موج سینوسی نشان داده شده در شکل 11-3 دارای 2 چرخه (سیکل) در یک ثانیه است، پس فرکانس آن 2 سیکل بر ثانیه یا 2 هرتز میشود.
فکر کنید (صفحه 97 کتاب درسی)
تعداد چرخهها (سیکلها) برای موج سینوسی شکل (12-3) چند هرتز است؟ چرا؟
- چه پدیدههایی میشناسید که حرکت آنها تناوبی است؟
پژوهش (صفحه 98 کتاب درسی)
- در مورد کمترین فرکانس و بیشترین فرکانس شناخته شده، پژوهش کنید و نتایج را به کلاس ارائه دهید.
- در مورد فرکانس موجهای تولید شده توسط مغز انسان در حالات مختلف (حالت بیداری- خواب، در حالت دیدن رؤیا و سایر موارد) پژوهش کنید و نتایج را به کلاس ارائه دهید.
پرسش (صفحه 98 کتاب درسی)
در شکل 13-3 کدام موج فرکانس بیشتری دارد؟ کدام موج فرکانس کمتری دارد؟ مشخص کنید و دلیل آن را توضیح دهید.
پژوهش (صفحه 98 کتاب درسی)
در مورد فرکانس کار میکروفر تحقیق کنید و نتیجه را به کلاس ارائه دهید.
رابطه بین فرکانس و زمان تناوب: به شکل موج سینوسی 14-3 توجه کنید، در زمان تناوب T یک سیکل از موج طی شده است، چون فرکانس تعداد سیکلها در یک ثانیه است لذا با استفاده از یک تناسب ساده رابطه بین زمان تناوب و فرکانس به دست میآید.
الگوی پرسش (صفحه 98 کتاب درسی)
1- زمان تناوب موج سینوسی $1\mu \sec $ است، فرکانس موج کدام است؟
1- 1kHz
2- 10kHz
3- 100kHz
4- 1MHz
2- اگر فرکانس یک موج صوتی $f = 500Hz$ باشد زمان تناوب آن کدام است؟
1- 2 ثانیه
2- 2 میلیثانیه
3- 0/5 ثانیه
4- 1 ثانیه
طول موج: مسافتی را که موج در مدت زمان یک سیکل طی میکند، طول موج گویند و آن را با $\lambda $ (لاندا) نشان میدهند. شکل 15-3 طول موج، یک موج سینوسی را نشان میدهد. مقدار طول موج از رابطه زیر قابل محاسبه است:
$\lambda = V \times T$
در این رابطه $\lambda $ طول موج برحسب متر (m)، V سرعت موج برحسب متر بر ثانیه (m/sec) و T زمان تناوب برحسب ثانیه (sec) است. سرعت موج بستگی به محیطی دارد که موج در آن منتشر میشود. مثلاً صدای انسان در دمای محیط تقریباً دارای سرعت 340 متر بر ثانیه است. امواج الکترومغناطیس که با سرعت نور حرکت میکنند دارای سرعت $C = 3 \times {10^8}m/\sec $ هستند.
پژوهش (صفحه 99 کتاب درسی)
در مورد فرکانس و طول موج چند ایستگاه رادیویی پژوهش کنید و نتایج را به کلاس ارائه دهید.
فکر کنید (صفحه 99 کتاب درسی)
اگر فرکانس شنوایی (AF=Audio Frequency) در فاصله 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز باشد و سرعت انتشار صوت تقریباً 340 متر بر ثانیه در نظر گرفته شود، کمترین و بیشترین طول موج برای فرکانس شنوایی چند متر است؟
سرعت زاویهای: سرعت، مقدار مسافتی است که متحرک در واحد زمان طی میکند، مثلاً وقتی میگویند سرعت یک اتومبیل 80 کیلومتر بر ساعت است، یعنی در صورتی که حرکت یکنواخت باشد این وسیلهٔ نقلیه در هر ساعت 80 کیلومتر راه را طی میکند. مقدار سرعت بر حسب مسافت طی شده از رابطهٔ $V = \frac{X}{t}$ به دست میآید. در این رابطه $V$ سرعت برحسب m/sec و x مسافت برحسب m و t زمان برحسب sec است.
اگر متحرک پیرامون یک مسیر دایره شکل حرکت کند، برای بیان سرعت از اصطلاح سرعت زاویهای استفاده میکنند. سرعت زاویهای را با امگا $(\omega )$ نشان میدهند.
برای محاسبه سرعت زاویهای، دایرهای به شعاع R را مطابق شکل 16-3 در نظر بگیرید. اگر متحرک از نقطه A روی محیط دایره حرکت کند و مسافتی از محیط دایره را که برابر شعاع دایره است، طی کند، میگوییم زاویه پیموده شده یک رادیان است، به عبارت دیگر زاویه مقابل به کمانی از دایره که طول کمان برابر شعاع دایره باشد را یک رادیان گویند.
درجه $ = 1Rad = 57/3$یک رادیان
سرعت زاویهای، زاویه پیموده شده برحسب رادیان در مدت یک ثانیه است.
$ = \omega $سرعت زاویهای
$ \to \omega = \frac{\alpha }{t}$نسبت (زاویه پیموده شده برحسب رادیان) بر (زمان طی زاویه برحسب ثانیه)$\omega = $
فکر کنید (صفحه 99 کتاب درسی)
محیط یک دایره با شعاع R برابر $2\pi R$ است. زاویه پیموده شده در یک دور کامل حول محیط دایره که برابر $360^\circ $ درجه است برابر با چند رادیان میشود؟
به شکل 17-3 توجه کنید، اگر بردار شعاع دایره محیط دایره را یک دور کامل بزند معادل یک سیکل موج سینوسی است.
زمان تناوب یک موج سینوسی معادل 360 درجه است. لذا سرعت زاویهای از رابطه $\omega = \frac{{2\pi Rad}}{T} = 2\pi f$ به دست میآید.
دامنه بیشینه موج سینوسی: حداکثر مقدار دامنه ولتاژ یا جریان موج سینوسی در هر نیم سیکل را مقدار ماکزیمم یا بیشینه یا پیک (peak=max) موج سینوسی گویند. شکل 18-3 مقدار پیک مثبت و منفی یک موج سینوسی را نشان میدهد.
فکر کنید (صفحه 100 کتاب درسی)
آیا پیک مثبت و منفی موج سینوسی شبیه قله و ته دره یک کوه مانند شکل 19-3 است؟ شرح دهید.
پرسش (صفحه 100 کتاب درسی)
مقدار پیک مثبت و منفی موج سینوسی شکل 20-3 چند ولت است؟
دامنۀ لحظهای موج: به مقدار دامنه موج در هر لحظه از زمان، مقدار لحظهای موج یا دامنهٔ لحظهای موج گویند. شکل 21-3 مقدار لحظهای موج را در زمانهای مختلف نشان میدهد.
پرسش (صفحه 100 کتاب درسی)
مقدار لحظهای موج سینوسی شکل 22-3، در زمانهای ${t_1} = 1\sec $ و ${t_2} = 5\sec $ و ${t_3} = 11\sec $ و ${t_4} = 12\sec $ چقدراست؟ مقدار تقریبی را در جدول بنویسید.
| ${t_4}$ | ${t_3}$ | ${t_2}$ | ${t_1}$ | زمان |
| مقدار دامنه موج |
مقدار متوسط موج سینوسی: به مقدار میانگین یا معدل (Average=Ave) مقادیر لحظهای موج سینوسی در یک سیکل، مقدار متوسط موج گویند. مقدار متوسط موج سینوسی در هر سیکل در شکل 23-3 نشان داده شده است.
فکر کنید (صفحه 101 کتاب درسی)
1- آیا مقدار میانگین یک موج سینوسی در یک سیکل کامل صفر است؟ چرا؟
2- آیا میتوانیم بگوییم مقدار میانگین (متوسط) یک موج در نیم سیکل برابر با مقدار DC آن موج در نیم سیکل است؟
پرسش (صفحه 101 کتاب درسی)
معدل (میانگین) مقادیر 2+، 4+، 5+، 7+، و 2+ چند است؟
مقدار متوسط یک سیکل از موج سینوسی یک طرفه که به آن موج یکسو شده میگویند با استفاده از رابطه زیر به دست میآید. شکل 24-3 موج یکسو شده یا یکطرفه را نشان میدهد.
${V_{ave}} = \frac{{{V_m}}}{\pi } = 0/318{V_m}$
${I_{ave}} = \frac{{{I_m}}}{\pi } = 0/318{I_m}$
فکر کنید (صفحه 101 کتاب درسی)
آیا مقدار میانگین موج سینوسی یکسو شده منفی (شکل ب 25-3)، دارای جهت معکوس است و رابطه آن با رابطه محاسبه مقدار میانگین نیم سیکل مثبت (شکل الف 25-3) تفاوتی دارد؟ چرا؟
مثال 3
میانگین موج سینوسی یکسو شده نیم موج شکل ب 25-3 را محاسبه کنید.
میانگین موج سینوسی یکسو شده:
ولت ${V_{ave}} = \frac{{{V_m}}}{\pi } = \frac{{20}}{{3/14}} = 6/37$
- میانگین یک موج سینوسی مطابق شکل 26-3 در یک سیکل کامل چند ولت است؟
فکر کنید (صفحه 102 کتاب درسی)
میانگین موج شکل 27-3 که به موج سینوسی یکسو شده تمام موج معروف است با موج یکسو شده نیم موج چه رابطهای دارد؟ شرح دهید.
مقدار مؤثر موج سینوسی: مقدار مؤثر یک ولتاژ سینوسی معادل مقدار ولتاژ DC است که در یک بار معین و در زمان معین میتواند همان مقدار گرما را تولید کند که ولتاژ DC در همان بار و در همان زمان، تولید میکند. شکل 28-3 گرمای تولیدی یکسان در بار مساوی (R یکسان) و در زمان مساوی توسط ولتاژ متناوب و ولتاژ DC را نشان میدهد. مقدار مؤثر موج سینوسی را با Ve یا Ie نشان میدهند. e اول کلمه effective است. مقدار مؤثر با علامت اختصاری rms، که اول کلمات Root Mean Square است نیز نوشته میشود.
مقدار مؤثر یک موج سینوسی از روابط زیر قابل محاسبه است:
${V_e} = \frac{{{V_m}}}{{\sqrt 2 }}$ $Vrms = 0/707{V_m}$
${I_e} = \frac{{{I_m}}}{{\sqrt 2 }}$ $Irms = 0/707{I_m}$
مثال
مقدار مؤثر ولتاژ موج سینوسی شکل 29-3 چند ولت است؟
ولت ${V_e} = \frac{{Vm}}{{\sqrt 2 }} = \frac{{14}}{{\sqrt 2 }} = \frac{{14}}{{1/414}} = 9/898$
1- برق شهر در کشور ایران دارای مقدار مؤثر 220 ولت و فرکانس 50 هرتز است، مقدار قله (پیک) و قله تا قله (پیک تا پیک) و زمان تناوب برق شهر را محاسبه کنید.
2- زمان تناوب و مقدار پیک و مقدار پیک تا پیک برق شهر در کشورهایی که دارای مقدار مؤثر 110 ولت و فرکانس 60 هرتز است را محاسبه کنید.
الگوی پرسش (صفحه 102 کتاب درسی)
1- مقدار مؤثر یک موج سینوسی 20 ولت است، مقدار پیک و پیک تا پیک آن را محاسبه کنید.
2- مقدار ماکزیمم یک موج سینوسی 50 ولت است، مقدار مؤثر و پیک تا پیک (قله تا قله) موج را محاسبه کنید.
اختلاف فاز بین دو موج سینوسی
اگر به یک مدار ولتاژ متناوب سینوسی اعمال گردد، در آن مدار جریان سینوسی جاری میشود، فقط ممکن است به خاطر وجود بعضی عناصر مانند سلف یا خازن، شکل جریان مدار و شکل ولتاژ مدار که هر دو سینوسی و هم فرکانس هستند روی هم منطبق نباشند، یعنی هر دو در یک لحظه با هم صفر و ماکزیمم نشوند در این صورت گوییم بین جریان و ولتاژ سینوسی اختلاف فاز وجود دارد. شکل 30-3 دو موج سینوسی را نشان میدهد که با هم به اندازه $\varphi $ درجه اختلاف فاز دارند. واحد اختلاف فاز معمولاً درجه یا رادیان است. در شکل 31-3 بین دو موج $A$ و $B$، 45 درجه اختلاف فاز وجود دارد.
برای تعیین میزان اختلاف فاز بین دو موج هم فرکانس، دو نقطه مشابه مثلاً نقطه صفر یا ماکزیمم و یا نقطه مینیمم از شکل موجها را بر حسب کمیت محور افقی با هم مقایسه میکنیم. در شکل 32-3 دو موج A و B باهم، هم فاز هستند.
در شکل 33-3 موج A نسبت به موج B پس فاز است (تأخیر فاز دارد) و در شکل 34-3 موج A نسبت به موج B پیش فاز است (تقدم فاز دارد)
پرسش (صفحه 103 کتاب درسی)
شکل 35-3 موج A نسبت به موج B به اندازه .............. درجه (پیش فاز / پس فاز ) است.
فکر کنید (صفحه 104 کتاب درسی)
در یک مسیر، پُلی قرار دارد که سرعت مجاز در آن 70 کیلومتر در ساعت است. سه خودرو $B,A$ و $C$ به ترتیب به فاصله 3 دقیقه از یکدیگر وارد پُل اتوبان میشوند. در صورتی که راننده هر سه خودرو، مقررات راهنمایی و رانندگی را به طور دقیق رعایت کنند، در هر لحظه خودروی B نسبت به A چند دقیقه تأخیر دارد؟ خودروی C با چند دقیقه تأخیر نسبت به خودروی A وارد پل میشود؟ خودروی A نسبت به خودروی B چند دقیقه زودتر وارد پل شده است؟ آیا این موضوع را میتوان با پیشفاز و پسفاز بودن سه موج مقایسه نمود؟
منابع تولید الکتریسیته
اگرچه منابع تولید الکتریسیته متنوع هستند ولی در همه منابع، الکتریسیته از طریق تبدیل انرژی غیر الکتریکی به انرژی الکتریکی تولید میشود.
الف: منابع ولتاژ DC باتریها (Batteries): باتریها قطعاتی هستند که ولتاژ ثابت و مستقیم (DC) تولید میکنند. این عمل توسط فعل و انفعالات شیمیایی مواد در داخل باتری صورت میگیرد. باتریها از نظر ساختاری به دو دسته غیر قابل شارژ (Dischargeable) و قابل شارژ (Rechargeable) تقسیمبندی میشوند. باتریهای شارژپذیر را با توجه به ساختمان و ترکیب آن میتوان چندین بار شارژ نمود. باتریها از نظر ابعاد (Size) در اندازههای مختلف ساخته میشوند و با توجه به مشخصاتی که دارند، آنها را با حروف و عدد، رمز گذاری می کنند. مثلاً باتری AA باتری قلمی معمولی (کوچک) و باتری pp3 از نوع باتری کتابی است. باتریها از نظر ساختمان داخلی و جنس موادی که در آنها به کار رفته است به انواع مختلف تقسیمبندی میشوند و این تقسیمبندی کاربردهای متفاوتی را به وجود میآورد. مثلاً باتری از جنس اکسید نقره (Silver Oxide) به دلیل مشخصات و شارژ بسیار با ثبات، در ماشین حسابها، ساعت و تجهیزات عکس برداری کاربرد دارند. شکل 36-3 یک نمونه باتری ساعت و شکل 37-3 دو نمونه باتری اتومبیل را نشان میدهد.
باتریهای اتومبیل قابل شارژ هستند. باتریهای قابل شارژ زمان مصرف دارند. چنانچه در انبار نگهداری میشوند باید در مدت زمان معینی شارژ شوند و مورد استفاده قرار گیرند. مثلاً باتریهای لیتیوم هر 6 ماه یکبار و مدل کادمیوم هر 3 ماه یکبار باید شارژ شوند در غیر این صورت باتریها فاسد شده و غیر قابل استفاده میشوند. در هر صورت باتریها دارای تاریخ مصرف هستند.
فکر کنید (صفحه 105 کتاب درسی)
یک باتری 50 آمپر ساعت (50Ah) با جریان ثابت 2 آمپر چه مدت کار میکند؟ اگر جریان 5 آمپر از آن کشیده شود، چه مدت کار میکند؟ توجه داشته باشید که میزان حداکثر جریان مداوم که میتوانیم از باتری بکشیم محدود بوده و اگر از میزان تعیین شده تجاوز کند، باتری خیلی زود فرسوده میشود.
پژوهش (صفحه 105 کتاب درسی)
- در مورد مشخصات چند نوع باتری تلفن همراه و ساعت تحقیق کنید و نتایج تحقیق را به کلاس ارائه دهید.
- در مورد سایر منابع DC مانند باتری خورشیدی (Solar cell) و ترموپیل تحقیق کنید و نتایج تحقیق را به کلاس ارائه دهید.
کار گروهی (صفحه 105 کتاب درسی)
- اگر از یک باتری اتومبیل 60Ah به طور ثابت 3 آمپر بکشیم، بعد از چه مدتی تخلیه میشود؟ آیا زمان به دست آمده از نظر تئوری در یک باتری با شارژ کامل و یک باتری نیمه شارژ شده، با واقعیت تطابق دارد؟ در صورت اختلاف علت را مورد بررسی قرار دهید.
- سه نوع باتری قلمی 1/5 ولت در ابعاد کوچک، متوسط و بزرگ را در اختیار بگیرید و مشخصات فنی آن را یادداشت کنید. سپس در مورد تفاوت آنها بحث کنید.
ب: منابع ولتاژ AC (ژنراتورها Generators): برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس وسیع مانند تأمین برق شهر از روشهای مختلف تبدیل انرژیهای مختلف به انرژی الکتریکی استفاده میکنند. برق شهر به صورت ولتاژ متناوب سینوسی است. در شکل 38-3 نیروگاه آبی، بادی، برق اتمی، زمین گرمایی و خورشیدی را مشاهده میکنید.
پژوهش (صفحه 106 کتاب درسی)
در مورد نیروگاه زمیگرمایی (Geothermal Energy)، انواع آنها از نظر منابع در طبیعت، تفاوت آنها با سایر نیروگاهها و تأثیر آنها بر محیط زیست تحقیق کنید و نتایج تحقیق را به کلاس ارائه دهید. برای این منظور میتوانید به سایت سانا (سازمان انرژیهای نو) یا سابا (سازمان بهرهوری انرژیهای نو) مراجعه کنید.
ترانسفورماتور (Transformer)
برای استفاده از برق شهر با ولتاژ کمتر و یا بیشتر در دستگاههای مختلف از ترانسفورماتور استفاده میکنند. ترانسفورماتور از پیچیدن دو سری سیمپیچ یا بیشتر بر روی هسته مغناطیسی ساخته میشود. شکل 39-3 یک نوع ترانسفورماتور و نقشه فنی آن را در مدارها، نشان میدهد.
سیمپیچی که به منبع ولتاژ متناوب (برق شهر) وصل میشود سیمپیچ اولیه (Primary Winding) و سیمپیچی که به مصرفکننده الکتریکی متصل میشود، سیمپیچ ثانویه (Secondary Winding) نام دارد. توجه داشته باشید که ترانسفورماتور فقط مبدل ولتاژ و جریان AC است.
ترانسفورماتور کاهنده و افزاینده: اگر تعداد دور سیمپیچ اولیه بیشتر از سیمپیچ ثانویه باشد ترانسفورماتور را کاهنده مینامند. ترانسفورماتور کاهنده، ولتاژ را در ثانویه کاهش میدهد و جریان را افزایش میدهد. شکل 40-3 ترانسفورماتور کاهنده را نشان میدهد. اگر تعداد دور ثانویه بیشتر از دور اولیه باشد، ترانسفورماتور را افزاینده میگویند. شکل 41-3 ترانسفورماتور افزاینده را نشان میدهد.
یک ترانسفورماتور افزاینده، ولتاژ را در ثانویه زیاد میکند، مثلاً ولتاژ 220 ولت برق شهر را به ولتاژ 350 ولت تبدیل میکند ولی جریان را در ثانویه کاهش میدهد.
تولید ولتاژ DC توسط برق شهر (منبع تقذیه DC)
برای آنکه از برق متناوب $220(AC)$ ولت، ولتاژی DC مثلاً 12 ولت تهیه کنیم، ابتدا ولتاژ 220 ولت را توسط ترانسفورماتور کاهنده، کاهش میدهیم سپس توسط مدارهای الکترونیکی ولتاژ DC مورد نیاز را تهیه میکنیم. در شکل الف و ب 42-3 مدار الکترونیکی، قطعات، برد مدار چاپی و نقشه فنی تولید ولتاژ DC را ملاحظه میکنید.
در مورد عملکرد قطعات مدار و سایر مشخصات و اطلاعات مربوط به منابع تقذیه DC در سالهای بعد به طور کامل خواهید آموخت.
تحقیق کنید (صفحه 107 کتاب درسی)
اگر تعداد دور اولیه و ثانویه ترانسفورماتوری باهم برابر باشند، ولتاژ ثانویه با اولیه برابر است، این ترانسفورماتور (یک به یک) نام دارد و معمولاً برق شهر را به یک دستگاه اتصال میدهد. وظیفه این ترانسفورماتور چیست؟ نتیجه تحقیق را به کلاس ارائه دهید.
سیگنال ژنراتور AC (مولد سیگنال Signal Generator AC)
یکی از دستگاههایی که میتواند از منبع DC ولتاژ متناوب AC مانند موج سینوسی با دامنه و فرکانسهای مختلف تولید کند، مولد موج یا سیگنال ژنراتور نام دارد. در شکل 43-3 دو نمونه دستگاه سیگنال ژنراتور را مشاهده میکنید. کار با سیگنال ژنراتور و موجهای تولید شده توسط آن را در واحد یادگیری دیگری به طور کامل مطالعه میکنید.
1- نرمافزار ادیسون را فعال کنید.
2- مداری مطابق شکل 44-3 ببندید. در شکل الف 44-3 مدارع ملی و در شکل ب نقشه فنی مدار رسم شده است.
3- با استفاده از رابطه $I = \frac{V}{R}$ جریان مدار را محاسبه کنید.
$I = ......... mA$
4- کلید مدار را ببندید و جریان مدار را اندازه بگیرید.
$I = ......... mA$
5- آیا جریان اندازهگیری شده با جریان محاسبه شده در مرحله (3) برابر است؟ چرا؟
6- کلید مدار را قطع کنید. ولتمتر را مطابق شکل 45-3 در دو سر مقاومت بگذارید و کلید را وصل کنید و ولتاژ دو سر مقاومت را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
ولت .............. =مقاومت $V$
7- آیا ولتاژ دو سر مقاومت با ولتاژ باتری برابر است؟ چرا؟
8- کلید مدار را قطع کنید و سپس باتری 4/5 ولتی را بهجای باتری 1/5 ولتی در مدار قرار دهید.
9- کلید مدار را وصل کنید و جریان مدار را اندازه بگیرید.
$I = ...... mA$
10- آیا با افزایش مقدار ولتاژ منبع، جریان مدار بیشتر شده است؟ جریان چند برابر شده است؟
پرسش (صفحه 109 کتاب درسی)
در یک مدار سری با یک مقاومت ثابت، اگر مقدار ولتاژ باتری سه برابر شود، جریان مدار نیز سه برابر میشود. صحیح / غلط
11- کلید مدار را قطع کنید. به جای مقاومت $100\Omega $، یک لامپ با ولتاژ کار 4/5 ولت و توان یک وات قرار دهید. (برای تنظیم ولتاژ کار و توان لامپ، روی لامپ دو بار کلیک چپ کنید و در ستون تنظیم مقادیر قطعه، مقدار توان و ولتاژ را تقییر دهید (شکل 46-3).
12- کلید مدار را ببندید و جریان مدار را اندازه بگیرید.
$I = ..........mA$
13- با قطع کلید مدار، ولتمتر را مطابق شکل 47-3 به دو سر لامپ وصل کنید.
14- کلید مدار را وصل کنید و ولتاژ دو سر لامپ را اندازه بگیرید.
ولت ${V_{lamp}} = ............$
پرسش (صفحه 109 کتاب درسی)
آیا میتوان با استفاده از فرمول $R = \frac{V}{I}$ مقدار مقاومت لامپ را به دست آورد؟ مقدار مقاومت لامپ چند اهم است؟
${R_{lamp}} = ................\Omega $
15- کلید مدار را باز کنید و ولتمتر را مطابق شکل 48-3 در دو سر کلید باز بگذارید، ولتمتر چه ولتاژی را نشان میدهد؟
اگر کلید بسته باشد، ولتمتر چه ولتاژی را نشان میدهد؟ این موضوع را تجربه کنید و نتایج را یادداشت کنید.
1- موتور الکتریکی را روی میز کار بیاورید و دوبار روی آن کلیک چپ کنید تا پنجرهای مطابق شکل 49-3 باز شود. مقدار توان موتور را 2 وات و ولتاژ کار آن را 6 ولت تنظیم کنید.
2- مدار را مطابق شکل 50-3 ببندید و ولتاژ منبع تغذیه را روی 6 ولت تنظیم کنید.
3- کلید مدار را وصل کنید و جریان عبوری از موتور را اندازه بگیرید و یادداشت کنید. در این حالت موتور باید بچرخد.
4- کلید مدار را قطع کنید و ولتمتر را مطابق شکل 51-3 به دو سر موتور وصل کنید.
5- کلید مدار را وصل کنید و ولتاژ دو سر موتور را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
ولت ${V_{motor}} = .............$
6- اگر توان موتور را روی 4 وات تنظیم کنیم چه تأثیری در جریان عبوری از موتور دارد؟ این موضوع را تجربه کنید و جریان عبوری از موتور را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
$I = .............mA$
7- اگر قطبهای باتری را در اتصال به موتور تعویض کنیم، چه تغییری در عملکرد موتور ایجاد میشود؟ آیا جریان موتور با مقدار ولتاژ دو سر آن تغییرمیکند؟ این موضوع را تجربه کنید و نتایج را یادداشت نمایید.
1- ولتاژ DC ناشی از یک باتری قلمی 1/5 ولتی را با مقیاس صحیح در نمودار شکل 52-3 رسم کنید.
2- ولتاژ DC ناشی از یک باتری اتومبیل 12 ولتی را با مقیاس هر خانه عمودی معادل 2 ولت در نمودار شکل 53-3 رسم کنید.
3- یک سیکل از موجی سینوسی با دامنه پیک تا پیک 8 ولت و فرکانس 1000 هرتز را در نمودار شکل 54-3 ترسیم کنید.
4- دو سیکل از موجی سینوسی با فرکانس 5000 هرتز و مقدارمؤثر 10 ولت را در نمودار شکل 55-3 رسم کنید.
1- در صورتی که در دفترچه راهنمای دستگاهی بر چگونگی قرارگرفتن دستگاه روی میز کار تأکید شود، اگر دستگاه را به درستی (افقی- عمودی یا با زاویه) روی میز قرار ندهید چه اشکالی در اندازهگیری پیش میآید؟
سوال ایمنی (صفحه 112 کتاب درسی)
2- اگر رنج مولتیمتر را به درستی انتخاب نکنیم مثلاً کلید سلکتور را به جای جریانهای DC، روی اندازهگیری اهم قرار دهیم چه اتفاقی ممکن است بوجود آید؟
3- اطلاعات روی باتری قلمی 1/5 ولتی را استخراج نموده و یادداشت کنید.
$V = ................$
4- مولتیمتر را در وضعیت ولتاژ DC قرار دهید و ولتاژ باتری را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
5- مولتیمتر را در وضعیت ولتاژ DC قرار دهید و رنج آن را برای اندازهگیری جریان آمپر تنظیم کنید.
6- برای لحظهای بسیار کوتاه مولتیمتر را به دو سر باتری وصل کنید و جریان باتری را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
$I = ..............A$
سوال ایمنی (صفحه 112 کتاب درسی)
7- اگر مقدار جریان DC نامشخص است و دستگاه دارای حالت رنج اتوماتیک Auto Range نیست، رنج را در چه حالت باید قرار دهیم:
الف) در بالاترین مقدار
ب) در کمترین مقدار
8- چرا اندازهگیری جریان باتری باید در زمان بسیار کوتاه اتفاق بیفتد؟ شرح بدهید.
9- باتریهای قلمی 1/5 ولتی در سه اندازه کوچک، متوسط و بزرگ تولید میشوند. این باتریها چه تفاوتهایی باهم دارند؟ شرح دهید.
10- اگر یک باتری قلمی فرسوده شود، کدام کمیتهای آن افت میکند؟ آیا صرفاً با اندازهگیری ولتاژ آن میتوان به فرسوده شدن آن پی برد؟
1- مدار شکل 56-3 را روی بردبرد ببندید.
2- منبع تغذیه را روی 12 ولت تنظیم کنید.
سوال ایمنی (صفحه 112 کتاب درسی)
3- اگر منبع تغذیه در مقابل اتصال کوتاه محافظت نمیشود، منبع را اتصال کوتاه کنیم چه اتفاقی رخ میدهد؟
4- آیا قرار دادن منبع تغذیه در مکانی که مستقیماً نور خورشید به آن میتابد یا در مکانی که به حرارت نزدیک است (مثلاً کنار رادیاتور شوفاژ) صحیح است؟ حرارت چه اشکالی برای دستگاه ایجاد میکند؟
5- مولتیمتر را برای اندازهگیری ولتاژ DC آماده کنید، سپس رنج آن را مناسب انتخاب کرده و آن را مطابق شکل 3-57 به دو سر مقاومت وصل کنید.
6- کلید مدار را وصل کنید و ولتاژ دو سرمقاومت را اندازه بگیرید.
ولت $V = .............$
7- آیا ولتاژ دو سر مقاومت با ولتاژ منبع تغذیه برابر است؟
8- کلید مدار را قطع کنید.
9- مولتیمتر را برای اندازهگیری جریان تنظیم کنید و سپس آمپرمتر را مطابق شکل 58-3 در مدار سری کنید.
10- جریان مدار را با استفاده از قانون اهم محاسبه کنید.
$I = \frac{V}{R} \Rightarrow I = ...............mA$
11- در صورتی که آمپرمتر دارای انتخاب رنج خودکار (اتوماتیک) نیست، رنج آمپرمتر را مناسب انتخاب کنید و سپس کلید مدار را وصل کنید و جریان عبوری از مدار را اندازه گرفته و یادداشت کنید.
$I = .............mA$
12- آیا جریان اندازهگیری شده با جریان محاسبه شده در مرحله 10 تفاوتی دارد؟ علت را توضیح دهید.
13- کلید منبع تغذیه را قطع کنید و مقدار مقاومت مدار را به $470\Omega $ تغییر دهید.
14- جریان مدار را با استفاده از قانون اهم محاسبه کنید.
$I = \frac{V}{R} = \_\_\_\_ = ............mA$
15- پس از تنظیم کلید رنج آمپرمتر، کلید مدار را وصل کنید و جریان مدار را اندازه بگیرید.
$I = ............mA$
16- آیا جریان اندازهگیری شده با جریان محاسبه شده در مرحله 14 برابر است؟ در صورت اختلاف علت را توضیح دهید.
17- اگر مقاومت مدار نصف شود، با ولتاژ ثابت جریان مدار دو برابر میشود. صحیح / غلط
سوال ایمنی (صفحه 113 کتاب درسی)
چرا در اتصال ترانسفورماتور به برق شهر باید سیم اولیه ترانسفورماتور را به دقت مورد بازبینی قرار دهید تا سیم لخت و یا دو شاخه دارای شکستگی نباشد؟ اگر این نکته ایمنی را رعایت نکنیم چه اتفاقی ممکن است پیش بیاید؟
1- مدار شکل 59-3 را روی بِرِدبُرد ببندید.
3- ولتمتر را مطابق شکل 60-3 دو سر مقاومت وصل کنید و سپس کلید مدار را وصل نموده و ولتاژ دو سر مقاومت را اندازه بگیرید.
ولت $V = .................$
سوال ایمنی (صفحه 114 کتاب درسی)
اگر برحسب اشتباه دو سر ثانویه ترانسفورماتور را اتصال کوتاه کنیم چه اتفاقی رخ میدهد؟ شرح دهید.
4- آیا ولتاژ اندازهگیری شده با ولتاژی که روی ترانسفورماتور نوشته شده است، برابر است؟ در صورت اختلاف، علت را توضیح دهید.
5- ولتاژ پیک و ولتاژ پیک تا پیک ثانویه ترانسفورماتور را با فرمول محاسبه کنید.
ولت $Vp = \sqrt 2 Veff = .............$
ولت$Vpp = 2Vp = .............$
6- اگر مولتیمتر جریان AC را اندازه نمیگیرد، جریان مدار را با استفاده از قانون اهم محاسبه کنید.
$I = \frac{{Ve}}{R} = ............. = mA$
7- در صورت امکان، جریان مدار را با آمپرمتر AC اندازه بگیرید.
$I = ............. = mA$
الگوی آزمون نظری پایانی (صفحه 114 کتاب درسی)
1- DC اول کلمات انگلیسی ............... و AC اول کلمات انگلیسی ................. است.
2- شکل یک جریان مستقیم ثابت و یک جریان مستقیم متغیر را در نمودارهای الف و ب 61-3 رسم کنید.
3- زمان تناوب و فرکانس و مقدار مؤثر شکل 62-3 را محاسبه کنید.
4- اگر مقدار مؤثر موج سینوسی 12 ولت باشد مقدار پیک تا پیک آن چقدر است؟
5- موجی که مقدار آن تغییر میکند ولی جهت آن ثابت است یک موج متناوب (AC) است؟ صحیح / غلط
6- طول موج یک سیگنال رادیویی با فرکانس 2500 هرتز را محاسبه کنید.
$C = 3 \times {10^8}\frac{m}{{\sec }}$ (سرعت امواج رادیویی)
7- طول موج یک سیگنال رادیویی 30 متر است، اگر سرعت انتشار امواج $C = 3 \times {10^8}\frac{m}{{\sec }}$ باشد، فرکانس موج را محاسبه کنید.
8- در شکل 63-3 بین دو موج A و B ............. درجه اختلاف فاز وجود دارد و موج A نسبت به موج B ............. فاز دارد.
9- مقدار متوسط یک موج سینوسی متقارن در یک سیکل کامل صفر است. صحیح / غلط
10- اگر روی باتری اتومبیل 12 ولتی نوشته شده باشد 60Ah، اگر مصرفکننده از باتری بهطور مداوم 4 آمپر جریان بکشد، بعد از چند ساعت باتری تخلیه میشود؟
11- اگر تعداد دور ثانویه ترانسفورماتور بیشتر از اولیه باشد ترانسفورماتور را ................. گویند. در این حالت جریان ثانویه از جریان اولیه ................. است.
1- افزاینده- کمتر
2- افزاینده- بیشتر
3- کاهنده- کمتر
4- کاهنده- بیشتر
12- روی بُرد منبع تغذیه شکل 64-3 چه قطعاتی بهکار رفتهاست؟ نام قطعات را بنویسید.
الگوی آزمون پایانی عملی (نرم افزاری) (صفحه 115 کتاب درسی)
1- نرمافزار ادیسون یا هر نرمافزار مشابه دیگر را فعال کنید.
2- موتور الکتریکی را روی میزکار ظاهر کنید.
3- مشخصات فنی موتور را روی توان 2 وات و ولتاژ 12 ولت تنظیم کنید.
4- منبع تغذیه را به موتور وصل نمایید و جریان موتور و ولتاژ دو سر آن را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
${I_{motor}} = ...............................$
${V_{motor}} = ...............................$
الگوی آزمون پایانی عملی (سختافزاری) (صفحه 115 کتاب درسی)
1- مدار شکل 65-3 را روی بِرِد بُرد ببندید.
2- آمپرمتر را برای اندازهگیری جریان در مدار قرار دهید.
3- کلید مدار را ببندید و جریان مدار را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
$I= .........$
4- با ولتمتر DC ولتاژ دوسر مقاومتهای ${R_1}$ و ${R_2}$ و ${R_3}$ را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
${V_{R1}}=.......$
${V_{R2}}=.......$
${V_{R3}}=.......$
5- کلید مدار را باز کنید و ولتاژ دو سر کلید را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
$V = ...................$کلید باز