مقدمه:
میکروکنترلر یک تراشه الکترونیکی قابل برنامه ریزی است که استفاده از آن باعث افزایش سرعت و کارآیی مدار در مقابل کاهش حجم و هزینه مدار می گردد. با ساخت میکروکنترلرها تحول شگرفی در ساخت تجهیزات الکترونیکی نظیر لوازم خانگی ، صنعتی ، پزشکی ، تجاری و … به وجود آمده است که بدون آن تصور تجهیزات و وسایل پیشرفته امروزی غیر ممکن است.
یکی از میکروکنترلرهای پرکاربرد و معروف AVR نام دارد که ساخت شرکت Atmel می باشد. این میکروکنترلرها جزو ساده ترین و در عین حال پر کاربرد ترین میکروکنترلرهای موجود می باشد. از میکروکنترلرهای AVR در کاربردهایی وسیع با قابلیت های متوسط ) مانند پروژه های دانشگاهی، تجاری، منازل و… ( استفاده می گردد.
اولین و بهترین گزینه برای ورود به دنیای الکترونیک دیجیتال، یاد گرفتن میکروکنترلرهای AVR است چرا که اصولی ترین و پایه ای ترین مباحث الکترونیک دیجیتال در آموزش این میکروکنترلرها وجود دارد که به عنوان پیش نیازی برای یادگیری سطوح باالتر و میکروکنترلرهای قوی تر همانند ARM و آرایه های منطقی برنامه پذیر FPGA است. یادگیری این میکروکنترلرها بسیار شیرین بوده و پروژه های بسیار جالب و پرکاربردی با استفاده از آنها میتوان خلق کرد. همچنین تهیه این میکروکنترلرها بسیار راحت تر و قیمت آن نسبت به بقیه میکروکنترلرها بسیار مناسب بوده و همه عالقه مندان میتوانند لوازم مورد نیاز آن ها را تهیه و به راحتی استفاده نمایند.
خوشبختانه منابع گسترده و وسیعی در اینترنت برای یادگیری میکروکنترلرهای AVR وجود دارد که بسیار در این زمینه کمک می کنند اما به علت اینکه اغلب با نگاه سطحی یا بسیار عمیق گفته شده اند ، یا جوابگوی کلیه نیارهای عالقه مندان و مشتاقان یادگیری نیست و یا فقط قشر خاصی توانایی درک و هضم آن را دارند. جزوه موجود که با نگاهی نو برای مخاطب عام و با زبانی ساده بیان شده است، امید است بتواند به طور عمیق و مفهومی نظر خوانندگان را به این حوزه جلب کند. ضمنا ویژگی دیگر این جزوه از ۰ تا ۱۰۰ بودن آن است یعنی سعی شده است تمام قواعد و قوانین مورد نیاز برای کار، از رنگ مقاومت ها گرفته تا فرمول های مورد نیاز برای طراحی پروژه های میکروکنترلری، آورده شده باشد تا در هر زمان و در هر مکان برای کار با میکروکنترلرهای AVR فقط به این جزوه نیاز داشته باشید.
ضمنا کلیه آموزش های این جزوه در سایت الکترو ولت به صورت بخش به بخش آورده شده است که میتوانید زمانی که این جزوه در اختیار نبود، از آن استفاده نمایید. برای یادگیری حرفه ای و پیشرفته پیشنهاد می شود بسته عظیم آموزش میکروکنترلرهای AVR که شامل پروژه های شبیه سازی و عملی بسیاری به همراه توضیحات است را تهیه نمایید.
مدارهای الکتریکی و الکترونیکی
مدارهای الکترونیکی به همراه مدارهای الکتریکی دو دسته کلی از مدارات به شمار میروند. اگر عنصرهای تشکیل دهنده مدار ، الکتریکی باشند، مدار “الکتریکی” نامیده میشود، و اگر عنصرهای تشکیل دهنده مدار الکتریکی و الکترونیکی باشند، مدار را “الکترونیکی” گویند. مدارهای الکترونیکی خود به دو دسته مدارهای الکترونیکی آنالوگ و مدارهای الکترونیکی دیجیتال تقسیم بندی می شوند. شکل زیر تقسیم بندی کلی مدارها را نشان می دهد.
مدارهای الکتریکی از بههم پیوستن المانهای الکتریکی یا غیر فعال )مانند باتری ، مقاومت، خازن، سلف، المپ، دیود و …( تشکیل می شوند. به طوری که حداقل یک مسیر بسته را ایجاد کنند و جریان الکتریکی بتواند در این مسیر بسته جاری شود. شکل زیر برخی از المان های پرکاربرد در “مدارهای الکتریکی” را نشان می دهد.
مدارهای الکترونیکی از به هم پیوستن المانهای الکتریکی یا المانهای الکترونیکی یا ترکیبی از هر دو بوجود میآید. به طوری که حداقل یک مسیر بسته را ایجاد کنند و جریان الکتریکی بتواند در این مسیر بسته جاری شود. شکل زیر اجزای یک مدار الکترونیکی را نشان می دهد که عالوه بر المان های الکتریکی ، المان هایی نظیر ترانزیستور ، آی سی ) چیپ ( و موتورهای الکترونیکی نیز در آن دیده می شود.
در مدارهای الکتریکی محیط حرکت الکترون و به طور کلی جنس تشکیل دهنده اجزای مدار به هیچ عنوان اهمیت ندارند ، بلکه رابطه ریاضی بین ولتاژ و جریان این اجزای الکتریکی مهم هستند. مثل مقاومت و رابطه معروف RI=V ( ولتاژ الکتریکی برابر است با حاصل ضرب مقاومت الکتریکی در جریان الکتریکی ( برعکس مدارهای الکتریکی، مدارهای الکترونیکی عالوه بر رابطه ریاضی ولتاژ و جریان قطعه، به محیط عبور الکترون توجه کرده و در کل این جنس و نحوه ساخت اجزا است که خیلی اهمیت دارد. در تحلیل برخی از مدارهای الکترونیکی ، معادالت دیفرانسیل بسیار سخت و پیچیده ایجاد میشوند و به همین دلیل غالبا از تقریب برای قسمتهای الکترونیکی استفاده میشود. مدارهای الکترونیکی خود به دو دسته دیجیتال )رقمی(
و آنالوگ )قیاسی( تقسیم میشوند.
سیستم های الکترونیکی
در یک نگاه ساده، یک سیستم الکترونیکی را میتوان به سه بخش تقسیم کرد:
ورودی : حسگرهای الکترونیکی و مکانیکی )یا مبدلهای انرژی(. این تجهیزات سیگنالها یا اطلاعات را از محیط خارج دریافت کرده و سپس آنها را به جریان، ولتاژ یا سیگنالهای دیجیتال تبدیل میکنند.
پردازشگر سیگنال : این مدارها در واقع وظیفه اداره کردن، تفسیر کردن و تبدیل سیگنالهای ورودی برای استفاده آنها در کاربرد مناسب را بر عهده دارند. معموالً در این بخش پردازش
سیگنالهای مرکب بر عهده پردازشگر سیگنالهای دیجیتال است.
خروجی : فعال کنندهها یا دیگر تجهیزات )مانند مبدلهای انرژی( که سیگنالهای ولتاژ یا جریان را به صورت خروجی مناسب در خواهند آورد )برای مثال با ایفای یک وظیفه فیزیکی مانند چرخاندن یک موتور( برای مثال یک تلویزیون دارای هر سه بخش باال است. ورودی تلویزیون سیگنالهای پراکنده شده را دریافت کرده )به وسیله یک آنتن یا کابل( و آنها را به ولتاژ و جریان مناسب برای کار دیگر تجهیزات تبدیل میکند. پردازشگر سیگنال پس از دریافت دادهها از ورودی اطالعات مورد نیاز مانند میزان روشنایی، رنگ و صدا را از آن استخراج میکند. در نهایت قسمت خروجی این اطالعات را دویاره به صورت فیزیکی در خواهد آورد این کار به وسیله یک المپ اشعه کاتدیک و یک بلندگوی آهنربایی انجام خواهد شد.
تمامی این اعمال گفته شده ، می تواند به صورت آنالوگ و توسط سیستم الکترونیکی آنالوگ صورت گیرد و یا به صورت دیجیتال و توسط پردازنده های دیجیتالی و سیستم دیجیتال صورت گیرد. بنابراین یک سیستم الکترونیکی مانند تلویزیون میتواند به صورت یک سیستم آنالوگ یا سیستم دیجیتال کار کند.
جهت ثبت نام در دوره آموزشی میکروکنترلر AVR بر روی تصویر فوق کلیک نمایید
دوره غیر حضوری است و محتوای الکترونیکی در قالب CD یا DVD به آدرستان ارسال می گردد
پس از پایان فراگیری، گواهی و مدرک معتبر دوره آموزشی میکروکنترلر AVR با قابلیت ترجمه رسمی دریافت می نمایید
مشاوره رایگان: ۰۲۱۲۸۴۲۸۴ و ۰۹۱۳۰۰۰۱۶۸۸ و ۰۹۳۳۰۰۲۲۲۸۴ و ۰۹۳۳۰۰۳۳۲۸۴ و ۰۹۳۳۰۰۸۸۲۸۴ و ۰۹۳۳۰۰۹۹۲۸۴
تفاوت سیستم دیجیتال با آنالوگ
امروزه استفاده از سیستم های الکترونیکی دیجیتال در همه ابعاد گسترش یافته است و بر سیستم های مبتنی بر طراحی آنالوگ برتری دارد. برتری ویژهی سیستمهای دیجیتال بر آنالوگ، امروزه باعث شده تمایل بسیاری برای طراحی بر پایهی سیستمهای دیجیتال بهوجود آید. در یک سیستم دیجیتال تمامی داده ها و اطالعات به صورت کدهای ۰ یا ۱ نمایش، پردازش و ذخیره می شود که باعث می شود مزیت هایی برای این سیستمها بوجود آید :
قابل برنامه ریزی بودن : به سادگی برای اجرای هر الگوریتمی قابل تغییر و برنامه ریزی هستند.
سرعت بالاتر : سرعت انجام پردازش های گوناگون بسیار بیشتر و قوی تر است.
دقت بیشتر و کاهش خطا : سیگنال های دیجیتال دارای دقت باالتر هستند و در نتیجه امکان خطای پردازش کمتری دارند.
حجم کمتر و توان پایین تر : سیستم های دیجیتال روز به روز به سمت کوچکتر شدن و توان مصرفی پایین تر پیش می روند.
آشنایی با اجزای مدارهای الکترونیکی
در این قسمت به آشنایی با ابزارها ، المان های مدار ، اصول اولیه و پیشنیازهای مورد نیاز برای کار با مدارهای دیجیتال خواهیم پرداخت.
آشنایی با بردبورد
بردبورد (Breadboard(وسیلهای است که به ما در چیدمان اولیه و آزمایشی مدار کمک میکند. بیشتر افرادی که در زمینه پروژههای الکترونیک کار میکنند ، ابتدا مدار خود را بر روی بردبورد میبندند و پس از جواب گرفتن آنرا بر روی مدارات چاپی یا بردهای سوراخدار مسی پیاده میکنند. الیه های داخلی برد بورد از نوارهای فلزی )معموال مسی( تشکیل شده است که در الیه تحتانی و بدون هیچ اتصالی با یکدیگر در پایین بورد قرار دارند .توسط حفره های پالستیکی این الیه های فلزی تا باالی بورد هدایت شده اندو این ما را قادر می سازد تا اجزای الکترونیکی را به یکدیگر متصل کنیم. برای استفاده از بردبورد کافیست پایه های قطعات را درون شکاف مورد نظرفرو بریم )به این شکافها اصطالحا سوکت میگویند.( و این سوکتها طوری طراحی شده اند که قطعات را کامال محکم در خود بگیرند و هر حفره یا همان سوکت پایه قطعه را به الیه مسی تحتانی متصل می کند.
هر سیم که وارد این حفره ها می شود گره یا node نامیده میشود و هر گره را نقطه ای از مدار می نامند که حداقل باعث متصل شدن دو قطعه به یکدیگر شده است.
نکته :در بردبورد وقتی می خواهیم بین دویا چند قطعه اتصال الکترونیکی برقرار کنیم باید یکی از پایه هایشان با هم تشکیل گره بدهند. برای این کار کافیست پایه آنها را در حفره هایی که همگی در راستای الیه مسی مشترکی هستند قرار دهیم. در بردبوردهایی که در ایران معمول شده ، دو بخش قرینه هم داریم که شکاف میان دو بخش محلی برای جا زدن آی سی ها است. در دو طرف شکاف میانی شاهد بخشی هستیم که در آن هر پنج سوراخ که در راستای عمودی در یک امتداد هستند، به هم وصل شده اند و در حکم یک گره هستند. در بخش های بیرونی تر بردبورد ، هر طرف دو ردیف افقی داریم که تا میانه راه به هم وصل هستند. یعنی در هر یک از دو طول بردبورد ، چهار ردیف افقی بیست و پنج سوراخی به هم متصل هستند. از این الیه ها بیشتر برای اتصال منابع ولتاژ استفاده می شود.
در شکل زیر ردیفهایی که به هم وصل هستند با خطوط رنگی نشان داده ایم. هر خط قرمز یا آبی با اینکه شامل چند سوکت است ولی فقط یک گره می باشد.
نکته ۱ : برای اتصال دو نقطه دور از هم باید از سیم های مفتولی استفاده کرد که دو سر آن به کمک سیم
چین لخت شده باشد.
نکته ۲ : برای ساخت مدارهای بزرگتر میتوان برد بورد ها را به یکدیگر متصل کرد.
آشنایی با مقاومت الکتریکی:
مقاومت پرکاربردترین قطعه در مدارهای الکترونیکی است. زمانی که جریان الکتریکی از داخل مقاومت عبور میکند با مانع مواجه میشود.
نکته : مقدار مقاومت وابسته به مدار نیست و فقط به جنس و شکل ماده مقاوم بستگی دارد. مقاومتها ممکن است که ثابت یا متغییر باشند. مقاومتهای متغیر پتانسیومتر نیز خوانده میشوند.
تشخیص مقدار مقاومت با استفاده از نوارهای رنگی :
مقاومتهای توان کم دارای ابعاد کوچک هستند ، به همین دلیل مقدار مقاومت و خطا را نمی توان روی آنها نوشت ،در نتیجه بوسیله نوارهای رنگی روی آن مشخص می کنند.
این روش به دو شکل صورت میگیرد:
۱ .روش چهار نواری
۲ .روش پنج نواری
روش اول برای مقاومتهای با خطای %۵ به باال استفاده میشود و روش دوم برای مقاومتهای دقیق و خیلی
دقیق )با خطای کمتر از %۵ )استفاده میشود.
در اینجا به روش اول که معمول تر است میپردازیم.
به جدول زیر توجه نمائید. هر کدام از این رنگها معرف یک عدد هستند:
دو رنگ دیگر هم روی مقاومتها به چشم میخورد: طالیی و نقرهای ، که روی یک مقاومت یا فقط طالیی وجود دارد یا نقرهای.اگر یک سر مقاومت به رنگ طالیی یا نقرهای بود ، ما از طرف دیگر مقاومت ، شروع به خواندن رنگها میکنیم. و عدد متناظر با رنگ اول را یادداشت میکنیم. سپس عدد متناظر با رنگ دوم را کنار عدد اول مینویسیم. سپس به رنگ سوم دقت میکنیم. عدد معادل آنرا یافته و به تعداد آن عدد ، صفر میگذاریم جلوی دو عدد قبلی) در واقع رنگ سوم معرف ضریب است (. عدد بدست آمده ، مقدار مقاومت برحسب اهم است. که آنرا میتوان به کیلواهم نیز تبدیل کرد.
ساخت هر مقاومت با خطا همراه است. یعنی ممکن است %۵ یا ۱۰ %یا %۲۰خطا داشته باشیم . اگر یک طرف مقاومت به رنگ طالیی بود ، نشان دهنده مقاومتی با خطا یا تولرانس ۵ % است و اگر نقرهای بود نمایانگر مقاومتی با خطای %۱۰ است.اما اگر مقاومتی فاقد نوار چهارم بود، بی رنگ محسوب شده و تولرانس آن را ۲۰ %در نظر میگیریم.
سوال : مقدار واقعی مقاومت زیر در چه بازه ای قرار دارد؟
جواب:
از سمت چپ شروع به خواندن میکنیم. رنگ زرد معادل عدد ۴ ، رنگ بنفش معادل عدد ۷ ، رنگ قرمز معادل عدد ۲ ، و رنگ طالیی معادل تولرانس ٪۵ میباشد. پس مقدار مقاومت بدون در نظر گرفتن تولرانس ، مساوی ۴۷۰۰ اهم ، یا ۴٫۷ کیلو اهم است و برای محاسبه خطا عدد۴۷۰۰ را ضربدر ۵ و تقسیم بر ۱۰۰ میکنیم، که بدست میآید: ۲۳۵ . پس مقدار واقعی مقاومت چیزی بین ۴۴۶۵ اهم تا ۴۹۳۵ اهم میباشد.
آشنایی با خازن :
خازن یک المان الکتریکی است که میتواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. هر خازنی که توانایی ذخیره انرژی الکتریکی باالتری داشته باشد ، ظرفیت باالتری دارد. واحد اندازه گیری ظرفیت خازن “فاراد” می باشد. ظرفیت خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش میدهند. ساختمان داخلی خازن از دوقسمت اصلی تشکیل میشود:
الف – صفحات رسانا
ب – عایق بین رساناها دی الکتریکبنابراین هرگاه دو رسانا در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنها عایقی قرار داده شود ، تشکیل خازن می دهند.
معموال صفحات رسانای خازن از جنس آلومینیوم ، روی و نقره با سطح نسبتا زیاد بوده و در بین آنها عایقی دی الکتریک از جنس هوا ، کاغذ ، میکا ، پالستیک ، سرامیک ، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم استفاده می شود.
هر چه ضریب دی الکتریک یک ماده عایق بزرگتر باشد آن دی الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است.
خازن ها دو نوع هستند : ثابت و متغیر
خازن های ثابت :
این خازن ها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی کنند. خازن های ثابت را بر اساس نوع ماده دی الکتریک به کار رفته در آنها تقسیم بندی و نام گذاری می کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می شود . از جمله این خازنها می توان انواع سرامیکی ، میکا ، ورقه ای ، الکترولیتی و …را نام برد . اگر ماده دی الکتریک طی یک فعالیت شیمیایی تشکیل شده باشد آن را خازن الکترولیتی و در غیر این صورت آن را خازن خشک گویند.
خازن های متغیر :
به طور کلی با تغییر سه عامل می توان ظرفیت خازن را تغییر داد :” فاصله صفحات” ، “سطح صفحات” و”نوع دی الکتریک “.اساس کار این خازن ها روی تغییر این سه عامل می باشد.
تشخیص ظرفیت خازن ها:
متداول ترین نوع خازن ها نوع سرامیکی(عدسی) و نوع الکترولیتی است.
-ظرفیت نوع عدسی معموال در حدود پیکوفاراد است )پیکو یعنی ۱۰ به توان منفی دوازده( . در این خازن ها پایه مثبت و منفی فرقی نمیکند.
ظرفیت نوع الکترولیتی معموال در حدود میکروفاراد است )میکرو یعنی ۱۰ به توان منفی شش(. در خازن های الکترولیتی همانند شکل زیر پایه مثبت بلندتر است و پایه منفی با نوار مشخص شده است . پایه مثبت حتما می بایست به ولتاژ مثبت تر وصل شود در غیر این صورت خازن میسوزد و خطرناک است.
بر روی خازن های الکترولیتی معموال مقدار ظرفیت دقیق نوشته می شود. پایه منفی هم با یک نوار سفید رنگ که روی آن عالمت منفی وجود دارد مشخص می گردد
نکته مهم : توجه به مثبت و منفی بودن پایه ها در خازن الکترولیتی مهم است ولی در عدسی نه تشخیص مقدار ظرفیت در خازن های عدسی کمی پیچیده تر است.
در اغلب مواقع واحد ظرفیت بر روی بدنه ی خازن قید نمی شود. در این صورت چنان چه این عدد از یک کوچکتر باشد ظرفیت بر حسب میکرو فاراد و چنان چه عدد بزرگتر از یک باشد ظرفیت بر حسب پیکوفاراد است.
در حالتی که بر روی خازنی اعداد یک رقمی یا دو رقمی مشاهده گردید، مقدار واقعی ظرفیت ، همان عددی است که بر روی آن نوشته شده و واحد آن پیکو فاراد است. اما اگر عدد سهرقمی بود، در این حالت اگر آخرین رقم صفر بود، به همان ترتیب باال عمل میکنیم و مقدار ظرفیت همان عدد است. اما اگر آخرین رقم عدد دیگری غیر از صفر بود به این ترتیب عمل می کنیم:
اولین رقم را رقم اول ، دومین رقم را رقم دوم و سومین رقم را تعداد صفر قرار خواهیم داد و واحد را نیز همان پیکوفاراد میگیریم . مقدار بدست آمده را میتوان به واحدهای دیگر تبدیل نمود.
به عنوان مثال:
ظرفیت خازنی که روی آن نوشته شده۵۰۳ برابر است با ۵۰۰۰۰ پیکوفاراد= ۵۰ نانوفاراد = ۰۵/۰ میکروفاراد.
همچنین به مثال زیر توجه کنید:
آشنایی با سلف
سلف ) inductor ) یا سیم پیچ ) کویل Coil ،) یک المان الکترونیکی است که در مقابل تغییرات جریان الکتریکی از خود مقاومت نشان می دهد. سلف دارای یک رسانا مانند سیم است که به صورت سیم پیچ درآمده است . هنگام عبور جریان از سلف ، انرژی به صورت میدان مغناطیسی موقت ذخیره می شود. در نتیجه سلف همانند خازن است با این تفاوت که خازن بار الکتریکی ) ناشی از میدان الکتریکی ( را در خود ذخیره می کند اما سلف شار الکتریکی ) ناشی از میدان مغناطیسی ( را در خود ذخیره می کند.
نتیجه : سلف و خازن هر دو از المان های ذخیره کننده انرژی در مدار هستند.
ظرفیت سلف بر حسب واحدی به نام هانری H بیان می شود. چون هانری واحد بزرگی است ، بیشتر از واحد های کوچکتر میکرو و میلی هانری استفاده می شود. سلف ها دارای انوع مختلفی هستند. بخش کمی از این سلف ها شبیه به مقاومت بوده و روش خواندن مقدار ظرفیت آن از روی کد های رنگی دقیقا شبه خواندن مقاومت است با این تفاوت که مقاومت بر حسب اهم است اما مقدار سلف در این روش بر حسب میکرو هانری uH بدست می آید.
آشنایی با دیود
دیود ( Diode ( قطعهای نیمه رسانا از جنس سیلیسیم یا ژرمانیم است که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور میدهد و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بسیار باالیی نشان میدهد. مهمترین کاربرد دیود عبور دادن جریان در یک جهت و ممانعت در برابر عبور جریان در جهت مخالف است. در نتیجه میتوان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یک طرفه نگاه کرد. از این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می شود. سیلیسیوم (Si (و ژرمانیوم (Ge (دو نیمه رسانای معروف هستند که هر کدام ۴ الکترون ظرفیت دارند. اگر آن ها را با عناصری که اتمهایشان ۵ الکترون ظرفیت دارند، نظیر ارسنیک (As (یا فسفر (P (ترکیب کنیم ، نیمه رسانای نوع n تولید می شود و اگر آن ها را با عناصری که اتم هایشان ۳ الکترون ظرفیت دارند ، نظیر بور (B (یا آلومینیوم (Al (ترکیب کنیم ، نیمه رسانای نوع p تولید می شود .دیود در اثر اتصال یک نیمه رسانای نوع n به یک نیمه رسانای نوع p ( پیوند n-p )حاصل می شود.
بایاس کردن اتصال N–P : هرگاه به دو سر اتصال N–P ولتاژی اعمال کنیم گوییم آن را بایاس نموده ایم . بایاس کردن اتصال N–P به دو صورت مستقیم و معکوس انجام می گیرد .
بایاس مستقیم ( Bias Forward): اگر قطب مثبت منبع تغذیه را به نیمه هادی نوع P و قطب منفی منبع تغذیه را به نیمه هادی نوع Nوصل کنیم ، دیود را در بایاس مستقیم یا موافق قرار داده ایم .
از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی جریان را از خود عبور می دهد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست )+ به آند و – به کاتد( آنرا آماده به کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه هدایت نامیده میشود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت میباشد.
بایاس معکوس ( Bias Reverse): اگر قطب مثبت منبع تغذیه را به کریستال نوع N و قطب منفی آن را به کریستال نوع P متصل کنیم، دیود را در بایاس معکوس یا مخالف قرار داده ایم. در شکل زیر بایاس معکوس دیود نمایش داده شده است.
هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل میکنید )+ به کاتد و -به آند( جریانی از دیود عبور نمیکند ، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر میباشد. این مقدار جریان معموآل در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تأثیری در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد.
نتیجه : در حالت ایده آل میتوان دیود را در حالت بایاس معکوس مدار باز ) قطع ( و در حالت بایاس مستقیم اتصال کوتاه ) وصل ( در نظر گرفت.
آشنایی با ال ای دی یک سه شش
LED ها ظاهرا به شکل المپ های کوچکی هستند که با برقراری جریان مستقیم در آنها ، نور تولید می کنند. ولی در واقع ساختار آنها شباهتی به المپهای رشته ای ندارد.
LEDها دو پایه دارند ، یکی منفی و یکی مثبت. پایه بلندتر مثبت است که باید به ولتاژ مثبت تر متصل شود تا LED روشن شود . در غیر این صورت روشن نخواهد شد .
LEDها از خانواده دیود ها هستند و چون با عبور جریان از آنها ، نور تولید می شود ، در مدارات الکترونیکی کاربرد زیادی دارند.
بعضی وقتها هدف مدار به نحوی روشن کردن LED ها می باشد ولی گاهی نقش آنها صرفا نمایش عبور جریان از یک شاخه است و معموال برای روشن شدن کامل به حداقل ولتاژ ۳ ولت مستقیم احتیاج دارند.
نکته ۱ : هیچ گاه LED را بدون اینکه با یک مقاومت مناسب سری کرده باشید ، مستقیما به منبع ولتاژ وصل نکنید زیرا باعث کاهش طول عمر و سوختن آن میشود.
نکته ۲ : برای اینکه LED نوردهی مناسبی داشته باشد ، بهترین جریان گذرنده از آن ۲۰ میلی آمپر است و در این حالت بسته به منبع تغذیه ، افت ولتاژی که دو سر LED می افتد بین ۲٫۲ تا ۳ ولت میتواند باشد
که ما مقدار این افت ولتاژ را ۲٫۵ ولت در نظر می گیریم. بنابراین با در نظر گرفتن این نکته و از رابطه RI=V ) قانون اهم ( میتوان مقدار مقاومت مناسب را محاسبه کرد.
آشنایی با منابع تغذیه
برای راه اندازی مدارهای الکترونیکی در صورت امکان بهتر است از منابع تغذیه آزمایشگاهی استاندارد استفاده نمود که توانایی تولید جریان DC را با ولتاژهای مختلفی دارا هستند البته قیمت آن نسبتا زیاد است. اگر منبع تغذیه در اختیار نبود می توان از آداپتورهای موجود در بازار استفاده کرد که قیمت ارزان تری دارند. همچنین میتوان از باتری با جریان دهی مناسب و یا از پورت USB کامپیوتر نیز استفاده نمود.
آداپتور دستگاهی است که ولتاژ متناوب برق شهر را می گیرد و ولتاژ آن را کم می کند و سپس آن را یکسو میکند)یعنی به ولتاژ DC تبدیل می کند( ولتاژ برق شهر ۲۲۰ ولت است و چنانچه به بدن اتصال پیدا کند ، خطر مرگ دارد ولی ولتاژ خروج آداپتور در حدود ۳-۱۲ ولت است و برای بدن هیچ ضرری ندارد و با آرامش می توانید با آن کار کنید. تمام قطعات
الکتریکی ماشینها با ولتاژ ۱۲ولت کار می کنند که در صورت تماس با بدن انسان ، خطر جانی نداشته باشد.
روی آداپتور ها اصوال این موارد را می نویسند:
Input : 220v AC 50/60Hz
به معنی ولتاژ برق شهر است
Output : 3-12 V DC
به معنی ولتاژ خروجی اداپتور است
mA1000
به معنی جریان خروجی آداپتور است که هر چقدر بیشتر باشد ، آداپتور قوی تر بوده و می تواند وسایل بزرگتری را تغذیه کند.
برای مثال المپ چشمک زن ماشین ۵۰۰ میلی آمپر جریان نیاز دارد ؛ المپ های خطر ماشین ۱۸۰۰ میلی آمپر نیاز دارد و المپهای چراغ جلو در حدود ۸۰۰۰ میلی آمپر جریان نیاز دارد . در نتیجه با یک آداپتور ۱۰۰۰ میلی آمپر حداکثر میتوان وسیله ای را که به ۱۰۰۰ میلی آمپر برای روشن شدن احتیاج دارد، تغذیه کرد.
آداپتوری که در این پروژه استفاده می کنیم ، استفاده های زیادی دارد. و به وسایل مختلفی نظیر ، ضبط ، رادیو ، واکمن و … وصل می شود )البته با ولتاژ مشخص( بنابراین روی سیم آن فیشهای مختلفی وصل شده که به انواع این وسایل وصل شوند.
به صورت کلی آداپتورها دارای دو نوع فیش هستند:
§نوع اول – داخل آن مثبت و خارج آن منفی
§نوع دوم – سر آن مثبت و بدنه آن منفی
با اتصال سیمها به هر کدام از این فیش ها می توانیم مثبت و منفی آداپتور را از آن بگیریم. عموما برای اینکه به سادگی بتوانیم بین مثبت و منفی تمایز قائل شویم ، سیمهای تیره تر )آبی یا سیاه( را به منفی و سیمهای روشنتر ) قرمز یا زرد( را به مثبت وصل می کنیم تا بتوانیم در یک نگاه مثبت و منفی را تشخیص دهیم.
سیمها را مطابق شکل به فیشها وصل می کنیم.
۱ – اتصال به فیش نوع اول
۲ – اتصال به فیش نوع دوم
نکته : ولتاژ منفی منبع تغذیه را GND ( زمین Ground ) می گویند و ولتاژ مثبت منبع تغذیه را Vcc نامگذاری می کنند. شکل زیر نمادهای مختلف به کار رفته در نقشه های مداری برای Vcc و GND را نشان می دهد.
همچنین برای منبع تغذیه مدار به جای آداپتور میتوان از یک باتری کتابی ۹ ولت به همراه یک آی سی رگوالتور ) برای تنظیم ولتاژ خروجی ( استفاده کرد.
همچنین می توان از پورت USB نیز برای منبع تغذیه مدار استفاده کرد . در این حالت خروجی پورت USB ،۵ ولت بوده و احتیاجی به رگوالتور نمی باشد. پورت USB دارای ۴ سیم به صورت شکل زیر است که از دو سیم آن برای تغذیه استفاده می شود.
تذکر : هیچگاه نباید دو سر منبع تغذیه به هم وصل شود زیرا باعث سوختن آن می گردد.
رگوالتور یا تنظیم کننده ولتاژ:
در اکثر سیستم های الکتریکی و الکترونیکی نیازمند داشتن ولتاژ ورودی ) منبع تغذیه ( با ولتاژ ثابت هستیم اما با افزایش جریانی که مدار می کشد ، ولتاژ منبع تغذیه ورودی کاهش پیدا می کند . برای داشتن ولتاژی تنظیم شده و ثابت از المانی به نام رگوالتور ( Regulator ( که دارای سه پایه است استفاده میشود . در واقع این آی سی از نوسانات ولتاژی جلوگیری کرده و خروجی دقیق و تمیز به ما می دهد . نام گذاری این آی سی ها به صورت ۷۸XX می باشد که در آن ۲ رقم سمت راست که به صورت XX نشان داده شده نشان دهنده ولتاژ خروجی است. مثال رگوالتور ۷۸۰۵ ، دارای ولتاژ خروجی ۵ ولت می باشد .برای اینکه این آی سی خروجی تمیز و دارای نوسان پایین بدهد معموال ورودی آن را بیشتر از ۵ ولت ) مثال ۱۲
ولت( در نظر می گیرند.
آشنایی با سون سگمنت
سون سگمنت یک قطعه الکترونیکی است که برای نمایش اعداد و گاهی هم برای نمایش ساده تعدادی از حروف انگلیسی بکار می رود. حتی کسانی که با الکترونیک سر و کار ندارند هم این قطعه را بارها در وسایل الکترونیکی دیده اند. مثل مایکروویو ، ترازوی دیجیتال ، آسانسور و… سون سگمنت در واقع ۷ تا LED است که یکی از پایه های آنها با هم یکی شده.
هر سون سگمنت به طور معمول ۱۰ پایه دارد. دو تای آنها مثل هم هستند و نقش پایه مشترک را دارند ) استفاده از یکی از آنها کافی است ( ۷ پایه هم به تک تک LED ها اختصاص دارد و یک پایه هم متعلق به نقطه ای است که در گوشه صفحه سگمنت قرار گرفته و اگر الزم باشد بعنوان ممیز از آن استفاده می شود. این نقطه هم در واقع یک LED دیگر است.
انواع سون سگمنت :
۱ – آند مشترک :در این نوع ، پایه مثبت همه LED ها یکی شده است
۲ – کاتد مشترک :در این نوع ، پایه منفی همه LED ها یکی شده است
برای درک بهتر ، در شکل زیر مدار داخلی یک سون سگمنت کاتد مشترک را نشان داده شده است. در سون سگمنت های آند مشترک ، پایه مشترک را به یک مقاومت مناسبی در حدود یک کیلو اهم )برایمحدود کردن جریان( وصل کرده و سر دیگر مقاومت را به سر مثبت منبع تغذیه وصل می کنند. حال اگر هر کدام از پایه های دیگر به منفی منبع تغذیه متصل گردد ، LEDمربوط به آن پایه روشن می شود.
در سون سگمنت های کاتد مشترک هم همین قانون حاکم است فقط باید توجه نمود که پایه مشترک از طریق مقاومت به مثبت منبع تغذیه وصل شود و پایه های دیگر به منفی.
نکته مهم : سون سگمنت برای نور دهی مناسب نیاز به ولتاژ حدود ۳ ولت و جریان تقریبی ۲۰ میلی آمپر برای هر سگمنت دارد. در نتیجه برای محدود کردن ولتاژ و جریان در سون سگمنت یک راه استفاده از مقاومت بین پایه مشترک و منبع تغذیه است و راه دیگر استفاده از دیود بین پایه مشترک و منبع تغذیه است.
آشنایی با ترانزیستور
ترانزیستورها یکی از مهمترین و پرکاربردترین قطعات الکترونیکی می باشند که از پیوندهای مواد نیمه رسانا ) مانند سیلیسیم و ژرمانیم ( به صورت pnp یا npn تشکیل شده است. ترانزیستورها به دو دسته کلی تقسیم میشوند: ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT )و ترانزیستورهای اثر میدانی(FET)
ترانزیستور را میتوان همانند دو دیود به هم چسبیده در نظر گرفت. یک ترانزیستور BJT دارای سه پایه به نام های بیس ( Base)، کلکتور ( Collector ) و امیتر(Emitter) می باشد. در عمل وقتی از روبرو به قسمت صاف ترانزیستور نگاه می کنید ، پایه سمت چپ امیتر است. در مدارهای آنالوگ، ترانزیستورها به عنوان تقویت کننده جریان یا ولتاژ استفاده میشوند و در مدارات
دیجیتال از آنها بعنوان یک سوئیچ الکترونیکی استفاده میشود.
آشنایی با آی سی
حروف اختصاری IC از دو کلمه انگلیسی circuit integrated به معنی مدار مجتمع گرفته شده است. مدارهای دیجیتال با استفاده از آی سی که یک نیمه هادی از جنس سیلیکون است ، ساخته می شوند. آی سی از قطعات الکترونیکی متعددی تشکیل شده است که از داخل به هم مرتبط هستند. این مجموعه “تراشه” یا “chip “نامیده می شود.
تراشه در داخل یک بسته سیاه رنگ قرار گرفته و ما هیچ گونه دسترسی به آن نداریم. اصوال نیازی هم نداریم که به داخل آی سی دسترسی داشته باشیم یا حتی بدانیم از چه قطعاتی تشکیل شده است. ارتباط آی سی با فضای بیرون از طریق تعدادی پایه فلزی برقرار است که به آنها پین هم گفته می شود. اصوال ما با ساختار داخل آی سی ها کاری نداریم و آنها را فقط به عنوان یک جعبه سیاه در نظر می گیریم. چیزی که برای ما مهم است و در طراحی و ساخت مدار باید به آن توجه کنیم ، فقط پایه ها هستند.
تعدا پایه ها ممکن است از ۸ پایه برای آی سی های کوچک تا ۶۴ پایه و بیشتر برای آی سی های بزرگ متغییر باشد.به منظور شناسائی هر آی سی ، روی آن شماره ای چاپ می شود و تولید کنندگان کتابچه هایی چاپ می کنند که اطالعات مربوط به هر آی سی در آن وجود دارد. یک راه دیگر دستیابی به اطلاعات هر آی سی ، جستجو در اینترنت )خصوصا در سایت گوگل( است. بدین ترتیب می توان توضیحات و اطالعات مربوط به هر آی سی را در متنی با عنوان Datasheet پیدا کرد.
چه انگیزهای باعث اختراع ICشد؟
پیش از اختراع IC ، مدارهای الکترونیکی از تعداد زیادی قطعه یا المان الکتریکی تشکیل میشدند. این مدارات فضای زیادی را اشغال میکردند و توان الکتریکی باالیی نیز مصرف میکردند. و این موضوع ، امکان بوجود آمدن نقص و عیب در مدار را افزایش میداد. همچنین سرعت پایینی هم داشتند.
IC ،تعداد زیادی عناصر الکتریکی را که بیشتر آنها ترانزیستور هستند، در یک فضای کوچک درون خود جای داده است و همین پدیده است که باعث شده امروزه دستگاههای الکترونیکی کاربرد چشمگیری در همه جا و در همه زمینهها داشته باشند.
انواع آی سی :
آی سی ها در انواع و اندازه های متفاوتی در بازار موجود هستند. طراحان و سازندگان مدارات الکترونیکی با توجه به کاربرد و توانایی های هر آی سی ، دست به انتخاب می زنند.
خانواده های متفاوتی از نظر تکنولوژی ساخت آی سی در بازار موجودند که مشهورترین آنها خانواده TTL و خانواده CMOS هستند. این نامها بصورت مخفف متداول هستند و در اصل به این صورت می باشند:
TTL : Transistor-Transistor-Logic
CMOS : Complementary Metal-Oxide Semiconductors
در ساخت آی سی های سری TTL از ترانزیستورهای BJT و در آی سی های خانواده CMOS ، از ترانزیستورهای اثر میدانی ) FET ) استفاده شده است که سریع تر و کم مصرف تر از BJT هستند. البته بسیاری از آی سی ها هم در بازار موجود هستند و استفاده از آنها متداول است، ولی در هیچ کدام از این دو خانواده قرار نمی گیرند.
مدار برد چاپی ( pcb )
pcb مخفف board circuit printed و به معنای برد مدار چاپی می باشد. بُرد مدار چاپی که در کیت های آموزشی ، برد های صنعتی و یا هر دستگاه الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد، شامل مجموعه ای از مدارهای الکتریکی بوده و میتواند یک طرفه )یک الیه مس(، دو طرفه )دو الیه مس( و یا حتی چند الیه باشد؛ بطوریکه قطعات الکترونیکی مانند مقاومت، خازن، آی سی و … بر روی آن مونتاژ شده و جهت استفاده در تجهیزات الکترونیکی بکار می رود. شکل زیر یک نمونه pcb قبل از سوارشدن قطعات و مونتاژ آنها را نشان
می دهد.
المان های نصب سطحی ( smd)
SMD مخفف device mount Surface و به معنی قطعات نصب شده روی سطح می باشد. قطعات نصب سطحی ؛ قطعات الکترونیکی هستند که به مدار چاپی به روش فناوری نصب سطحی-Surface technology mount متصل شده اند. اکثر المان های مداری از قبیل خازن ، مقاومت ، سلف ، آی سی و…
علاوه بر بسته بندی دارای پایه ) DIP ، ) بسته بندی SMD نیز دارند. شکل زیر انواع مختلف المان های SMD را نشان می دهد.
آشنایی با کریستال
یکی از قطعه های به کار رفته در مدارهای دیجیتال می باشد. همانطور که از اسم آن مشخص است درون این قطعه یک ماده کریستالی همانند کوارتز قرار دارد که با برقراری ولتاژ دو سر آن شروع به نوسان می کند. از این قطعه در تولید موج دیجیتالی با فرکانس معین استفاده می شود. مثال از کریستال ساعت ) ۳۲۷۶۸ هرتز ( برای تولید دقیق یک ثانیه استفاده می شود. شکل زیر انواع کریستال ها را نشان می دهد.
با قرار دادن یک کریستال در مدار ، فرکانس خاص آن کریستال تولید می شود. این فرکانس خاص بر روی بدنه کریستال )با در نظر گرفتن دقت آن( قید شده است. به عنوان مثال کریستالی با ارقام ۰۰۰٫۴ مگاهرتز ، فرکانس ۴ مگاهرتز را تولید می کند که تا رنج کیلوهرتز دقیق عمل می کند، اما در رنج هرتز دارای درصدی خطا می باشد )به صفر ها دقت کنید، اگر ۶ صفر بود به این معنا بود که کریستال تا رنج ۱ هرتز نیز دقیق عمل می کند(. مثال فرکانس تولیدی ۴۰۰۰۲۰۸ هرتز خواهد بود که ۲۰۸ هرتز خطا دارد.
