در این فصل مقدماتی به عنوان یک مرور کلی از چند موضوع از های مدارهای 1 و 2 ارائه می شود.اگر خواننده احساس کند که به اندازه کافی با این مفاهیم اساسی طراحی و تحلیل مدار آشنایی دارد، می توان از آن صرف نظر کرد.
پس از تکمیل این فصل باید بتوانید:
- تعریف قطعات پسیو در مقابل اکتیو
- KVL و KCL را روی یک مدار اعمال کنید
- مدارهای معادل Thevenin و Norton را ایجاد کنید
- تبدیل بین مدارهای معادل Thevenin و Norton
- از قضیه برهم نهی برای تجزیه و تحلیل مدارهای دارای چندین منبع استفاده کنید
قطعات پسیو در مقابل اکتیو
دستگاه اکتیو به هر نوع قطعه ای گفته می شود که توانایی کنترل الکتریکی جریان جریان را داشته باشد (الکتریسیته کنترل شده توسط الکتریسیته).برای اینکه یک مدار، الکترونیکی نامیده شود، باید حداقل یک قطعه اکتیو داشته باشد.قطعاتی که قادر به کنترل جریان با استفاده از سیگنال الکتریکی دیگر نیستند، قطعات پسیو نامیده می شوند.مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها، ترانسفورماتورها و حتی دیودها همگی پسیو محسوب می‌شوند.دستگاه های غیرفعال می توانند دارای مشخصه جریان خطی در مقابل ولتاژ مانند مقاومت یا منحنی های غیرخطی I در مقابل V مانند دیود باشند.دستگاه‌های فعال شامل لوله‌های خلاء، ترانزیستورها، یکسوکننده‌های کنترل‌شده با سیلیکون (SCR) و TRIAC هستند، اما محدود به آنها نمی‌شوند.
تمام قطعات فعال ابزاری برای کنترل شارش جریان از طریق آنها دارند. برخی از قطعات اکتیو به یک ولتاژ اجازه می‌دهند تا این جریان را کنترل کند در حالی که سایر دستگاه‌های فعال اجازه می‌دهند جریان دیگری سیگنال کنترل باشد.
نشانه گذاری و اصطلاحات مرسوم
نمادهای استفاده شده در این صفحات برای ولتاژ و جریان مطابق با قراردادهای زیر است:
مقادیر بایاس DC با یک حرف بزرگ با زیرنویس های بزرگ نشان داده می شوند، به عنوان مثال. VDS، IC.مقادیر لحظه ای متغیرهای سیگنال کوچک با یک حرف کوچک با زیرنویس های کوچک نشان داده می شوند، به عنوان مثال. vgs، id.مجموع مقادیر با یک حرف کوچک با زیرنویس های بزرگ نشان داده می شود، به عنوان مثال. vBE، iD.نمادهای شماتیک برای منابع مستقل دایره ای و نمادهای منابع کنترل شده شکل الماسی دارند.منابع ولتاژ دارای علامت ± در نماد و منابع جریان دارای یک فلش هستند.شماتیک ها با قراردادهای استاندارد ترسیم می شوند که در آن مثبت ترین ولتاژ تغذیه در بالا و منفی ترین ولتاژ در پایین رسم می شود.بنابراین جریان مثبت به طور کلی از بالا به پایین در شماتیک است. ورودی ها به طور کلی در سمت چپ و خروجی ها در سمت راست با جریان سیگنال از چپ به راست هستند.
با گذشت زمان و با توسعه مطالعات الکترونیکی، استفاده از اصطلاحات خاص یا استاندارد واقعی رایج شده است.برخی از اصطلاحات و نمادها در طول زمان در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند و معانی متفاوتی به خود گرفته اند.یکی از این موارد استفاده از کلمه «اشباع» است.در زمینه ترانزیستورهای اتصال دوقطبی، “اشباع” معنای بسیار متفاوتی نسبت به ترانزیستورهای اثر میدانی دارد.این می تواند منجر به سردرگمی در خوانندگان تازه کار الکترونیک شود.مثال دیگر استفاده از حرف یونانی است؟ (بتا).برای نشان دادن فاکتور فیدبک بدون بعد در زمینه مدارهای Op-Amp و به عنوان افزایش جریان بدون بعد دستگاه های BJT استفاده می شود.
در این متن، خواننده باید انتظار داشته باشد که محاسبات انجام شده در مدارهای مثال مختلف به مقادیر معقولی منجر شود.اگر ولتاژ منبع تغذیه +/-10 ولت باشد، برای مثال مقدار بایاس DC محاسبه شده 15 ولت (نه در محدوده ولتاژ منبع تغذیه) غیر منطقی خواهد بود.
مقادیر پایه
دو قانون اصلی که عملکرد سیستم های الکترونیکی را توصیف می کنند، قانون اهم و قوانین کیرشهوف هستند.کمیت های اصلی که عملکرد سیستم های الکترونیکی را توصیف می کنند عبارتند از مقاومت R، خازن C و اندوکتانس L.کمیت های مشتق عبارتند از راکتانس X، امپدانس Z، و رسانایی کامل G.فرض بر این است که خواننده سطحی از آشنایی با مفاهیم مدارهای پایه زیر را دارد:
- قانون اهم
- تجزیه و تحلیل مدار غیر فعال
- قوانین مدار کیرشهوف
- مدارهای معادل Thevenin و Norton
- قضیه برهم نهی
- منابع کنترل شده
- تقویت کننده های عملیاتی ایده آل
- مبدل ها
- پاسخ فرکانس
- آشنایی با شبیه ساز مدار Spice یا نرم افزارهای مشابه
آنچه در ادامه می آید مروری کوتاه بر برخی از این مفاهیم است.
بررسی قوانین مدار کیرشهوف
قوانین مدار کیرشهوف دو کمیتی هستند که به بقای بار و انرژی در مدارهای الکتریکی می پردازند و اولین بار در سال 1845 توسط گوستاو کیرشهوف توضیح داده شد.این “قوانین” به طور گسترده در تجزیه و تحلیل و طراحی مدارهای الکترونیکی استفاده می شود.
قانون جریان کیرشهف (KCL)
مقدار جریان ورودی به هر اتصالی در یک شبکه مدار برابر با جریان خروجی از آن اتصال است.
i1 + i4 = i2 + i3
این قانون گاهی اوقات به عنوان قانون نقطه کیرشهف، قانون اتصال کیرشهف (یا قانون گره) و قانون اول کیرشهف شناخته می شود.
اصل پایستگی بار الکتریکی به این معناست که:در هر گره (اتصال) در یک مدار الکتریکی، مجموع جریان هایی که به آن گره می ریزد برابر است با مجموع جریان های خارج شده از آن گره.در غیر این صورت بار الکتریکی بی‌پایان روی گره ایجاد می‌شود یا از آن تخلیه می‌شود که از نظر فیزیکی غیرممکن است.
یا
جمع جبری جریان ها در شبکه ای از رساناها در نقطه ای به هم می رسند صفر است. (با فرض اینکه جریان ورودی به محل اتصال مثبت و جریان خروجی از اتصال منفی در نظر گرفته شود).
در اینجا، n تعداد کل انشعابات با جریان هایی است که به سمت گره یا از آن دور می شوند. این فرمول برای جریان های پیچیده نیز معتبر است:
این قانون مبتنی بر بقای بار است که به موجب آن بار (که بر حسب کولن اندازه گیری می شود) حاصل ضرب جریان (بر حسب آمپر) و زمان (که بر حسب ثانیه اندازه گیری می شود) است. یک نسخه ماتریسی از قانون فعلی Kirchhoff اساس اکثر نرم افزارهای شبیه سازی مدار، مانند SPICE است.
قانون ولتاژ کیرشهف (KVL)
این قانون گاهی اوقات به عنوان قانون دوم Kirchhoff، قانون حلقه (یا مش) Kirchhoff شناخته می شود.
مجموع تمام ولتاژهای یک حلقه از مدار برابر با صفر است.
v1 + v2 + v3 + v4 = 0
اصل بقای انرژی بیانگر این است که:
مجموع اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در اطراف هر مدار بسته باید صفر باشد.
یا
به سادگی، مجموع نیروهای الکتروموتور در هر حلقه بسته معادل مجموع افت پتانسیل در آن حلقه است.
یا
مجموع جبری حاصلضرب مقاومت هادی ها و جریان های موجود در آنها در یک حلقه بسته برابر است با کل نیروی الکتروموتور موجود در آن حلقه.
بررسی قضیه تیونین
در تئوری مدار، قضیه Thévenin برای شبکه های الکتریکی خطی بیان می کند که هر ترکیبی از منابع ولتاژ، منابع جریان و مقاومت ها با دو پایانه از نظر الکتریکی معادل یک منبع ولتاژ واحد V و یک مقاومت سری تک R است.برای سیستم‌های AC تک فرکانس، این قضیه می‌تواند برای امپدانس‌های عمومی، نه فقط مقاومت‌ها، اعمال شود.
این قضیه بیان می کند که مداری از منابع ولتاژ و مقاومت ها را می توان به معادل Thévenin تبدیل کرد که یک تکنیک ساده سازی است که در تحلیل مدار استفاده می شود.معادل Thévenin می تواند به عنوان یک مدل خوب برای منبع تغذیه یا باتری استفاده شود (با مقاومت نشان دهنده امپدانس داخلی و منبع نشان دهنده نیروی محرکه الکتریکی). مدار از یک منبع ولتاژ ایده آل به صورت سری با یک مقاومت ایده آل تشکیل شده است.
بررسی قضیه نورتون
قضیه نورتون برای شبکه های الکتریکی خطی بیان می کند که هر مجموعه ای از منابع ولتاژ، منابع جریان، و مقاومت ها با دو پایانه از نظر الکتریکی معادل یک منبع جریان ایده آل I، به موازات یک مقاومت واحد، R است برای سیستم های AC تک فرکانس قضیه همچنین می تواند برای امپدانس های عمومی اعمال شود، نه فقط برای مقاومت ها.
معادل نورتون برای نمایش هر شبکه ای از منابع خطی و امپدانس ها در یک فرکانس معین استفاده می شود. مدار از یک منبع جریان ایده آل به موازات یک امپدانس ایده آل (یا مقاومت برای مدارهای غیر راکتیو) تشکیل شده است.
