درسنامه آموزشی دانش فنی پایه مکاترونیک کلاس دهم مکاترونیک

مکاترونیک چیست؟

در اوایل قرن بیستم علوم مهندسی، برق، مکانیک، عمران، و شیمی در حوزه‌های تخصصی مجزا، منابع علمی و مشاغل مربوط به خود را داشتند. با گذشت زمان و پیشرفت فناوری‌های نوین، پردازنده‌های کامپیوتری، قطعات الکترونیکی و مکانیزم‌ها، نیاز به تخصص‌های ترکیبی برای طراحی و نگهداری دستگاه‌ها و سیستم‌های جدید بسیار پر اهمیت گردید. مکاترونیک یکی از این زمینه‌های تخصصی ترکیبی بوده و شامل بخش‌های الکترونیک، مکانیک و نرم‌افزار کامپیوتری است که توسط سیستم کنترل با یکدیگر مرتبط و هماهنگ شده‌اند.

به عبارت دیگر، سیستم مکاترونیکی حاصل کنار هم قرار دادن بخش‌های الکترونیکی، مکانیکی و سیستم کنترل با ترکیب بهینه و همراه با هم‌افزایی این سیستم‌ها است.

در یک سیستم مکاترونیکی مانند خودرو، مرز مشخصی بین بخش‌های الکترونیک، مکانیک و سیستم کنترل وجود ندارد، شکل 1-1 نحوۀ ارتباط بخش‌های مختلف علم مکاترونیک را نشان می‌دهد.

صنایع و مشاغل مکاترونیکی

مهندسی مکاترونیک در صنایع متنوعی کاربرد دارد. کمک مهندس، تعمیرکار، نصاب، راه‌انداز، تکنسین، طراح سیستم اتوماسیون، اپراتور و برنامه‌ریز نمونه‌هایی از این مشاغل هستند که نمونه‌هایی از آن‌ها به اختصار آورده شده‌اند.

منابع تغذیه

در یک باتری دو قطب مثبت و منفی وجود دارند. اگر باتری را به‌صورت شکل 2-1 در یک مدار الکتریکی قرار دهیم نیرویی بین دو قطب باتری به‌وجود می‌آید که بارهای الکتریکی را به حرکت در می‌آورد و بارهای منفی از قطب منفی به سمت قطب مثبت حرکت می‌کنند.

به این نیروی داخلی باتری اختلاف‌پتانسیل یا ولتاژ می‌گویند که واحد آن ولت است. حرکت بارهای الکتریکی در داخل مدار بسته را جریان الکتریکی می‌نامیم که واحد آن آمپر است. توجه شود که جهت جریان در مدار خلاف جهت حرکت بارهای منفی است. به باتری یک منبع ولتاژ می‌گوییم.

منابع تغذیه در مدارهای الکتریکی تولیدکننده انرژی هستند و باعث روشن‌شدن و عمل‌کردن مدار می‌شوند. در حالت کلی ولتاژ دو سر منبع ولتاژ ثابت یا تابع مشخصی از زمان است و جریان آن توسط بقیه اجزایی که در مدار بسته قرار گرفته‌اند تعیین می‌شود. اگر ولتاژ منبع در طول زمان ثابت باشد آن را منبع ولتاژ مستقیم می‌نامیم. در این منابع دامنه و جهت ولتاژ همواره ثابت است و با زمان تغییر نمی‌کند. این منابع در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلویزیون، رادیو، موبایل، کامپیوتر و غیره وجود دارند. منابع ولتاژ متناوب نوع دیگری از منابع هستند که در آن‌ها دامنه و جهت ولتاژ با زمان تغییر می‌کند. در مدارات منابع ولتاژ به‌صورت روبه‌رو نمایش داده می‌شوند. شکل سمت راست برای منابع ولتاژ در حالت کلی و شکل سمت چپ برای منابع ولتاژ مستقیم استفاده می‌شود.

انواع منبع متناوب

برای نشان‌دادن چگونگی تغییر جریان در زمان از شکل موج استفاده می‌کنیم. در شکل 3-1 چند نمونه شکل موج را مشاهده می‌کنید. یکی از انواع شکل موج‌ها، شکل موج جریان متناوب سینوسی است. هر نیمه از شکل موج جریان متناوب سینوسی قرینۀ نیمه دیگر آن با قطب معکوس است.

جریان سینوسی معمول‌ترین نوع جریان متناوب است.

چند نمونه از شکل موج‌های جریان متناوب

نام جریان	شکل جریان
موج مربعی
موج سینوسی
موج دندانه اره‌ای
موج پله‌ای

مشخصات جریان متناوب

در بررسی برخی مدارهای جریان متناوب (AC) با موج سینوسی سر و کار داریم. در این مدارها ولتاژ و جریان، هر دو متناسب و به شکل موج سینوسی هستند. شکل 4-1 یک موج سینوسی را نشان می‌دهد که بیانگر جریان یا ولتاژ سینوسی است.

همان‌طور که می‌بینید، مقدار و جهت ولتاژ یا جریان با زمان تغییر می‌کند. یعنی از صفر شروع می‌شود به مقدار پیک یا ماکزیمم مثبت می‌رسد. آن‌گاه دوباره صفر می‌شود و سپس به پیک یا ماکزیمم منفی می‌رسد و باز صفر می‌شود. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، هنگامی‌که موج‌سینوسی از صفر می‌گذرد، جهت یا پلاریتۀ خود را عوض می‌کند. به عبارت ساده‌تر، موج سینوسی بین مقادیر مثبت و منفی تناوب می‌کند.

مجموعۀ یک تناوب مثبت و منفی را یک سیکل یا دوره تناوب (Period) گویند. شکل 5-1 

در جدول زیر تعدادی از اصطلاحات مرتبط با موج‌های تناوبی آورده شده است.

جدول 1-1- اصطلاحات مرتبط با منبع متناوب

ردیف	نام	مقادیر مهم ولتاژ متناوب	تشریح	رابطه	تصویر
1	ولتاژ پیک	${V_p}$	فاصله بین صفر (محور افقی زمان) تا مثبت‌ترین نقطه شکل موج	${V_P} = {V_{\max }}$
	ولتاژ ماکزیمم	${V_{\max }}$
2	ولتاژ پیک تا پیک	${V_{P - P}}$	فاصله بالاترین نقطه پیک مثبت تا پایین‌ترین نقطه پیک منفی موج	${V_{P - P}} = 2{V_P}$
3	ولتاژ لحظه‌ای	V	مقدار ولتاژ در هر لحظه از زمان	$V = {V_m}\sin \omega t$
4	ولتاژ متوسط	${V_{ave}}$	میانگین مقادیر لحظه‌ای یک موج در یک دوره تناوب است	${V_{ave}} = \frac{{{V_m}}}{\pi } = 0/318{V_p}$
5	ولتاژ موثر	${V_{rms}} = {V_e}$	مقدار ولتاژ مستقیم که در یک مصرف‌کننده معین همان مقدار کار یا حرارت تولید می‌کند.	${V_e} = {V_{rms}} = \frac{{{V_m}}}{{\sqrt 2 }} = 0/707{V_m}$

همان‌طور که دیدید، موج‌سینوسی با زمان (t) تغییر می‌کند. بنا به تعریف مدت زمانی را که طول می‌کشد تا یک سیکل کامل به‌وجود آید، زمان تناوب یا پریود می‌گویند و آن را با حرف T نمایش می‌دهند (شکل 6-1)

فرکانس

بنا به تعریف، تعداد سیکل‌هایی را که در یک ثانیه پیموده می‌شود، فرکانس گویند و آن را با حرف f نشان می‌دهند. واحد فرکانس را سیکل بر ثانیه (cps) یا اصطلاحا هرتز (Hz) می‌نامند. هر چه تعداد سیکل‌ها در ثانیه بیشتر باشد، فرکانس بیشتر است. شکل 7-1 دو موج سینوسی را نشان می‌دهد که موج (الف)، دو سیکل و موج (ب)، چهار سیکل را در ثانیه طی می‌کنند. یعنی، فرکانس موج (الف)، دو هرتز و فرکانس موج (ب)، چهار هرتز است. 

الف) فرکانس کمتر

ب) فرکانس بیشتر

مقدار فرکانس با توجه به کاربرد موج‌متناوب مشخص می‌شود؛ مثلا فرکانس برق شهر در ایران 50Hz یا 50cps است. یعنی برق شهر در ایران 50 سیکل کامل را در یک ثانیه طی می‌کند. 

فرکانس برق در بعضی از کشورها (60Hz(60cps است. فرکانس جریان یا ولتاژ متناوب را می‌توان با فرکانس‌متر (دستگاه اندازه‌گیری فرکانس) یا اسیلوسکوپ (دستگاه نمایش شکل زمانی موج) اندازه گرفت. با توجه به مطالب گفته شده، رابطۀ بین فرکانس و زمان تناوب را می‌توان به‌صورت زیر نوشت:

$f = \frac{1}{T}$
$T = \frac{1}{f}$

با توجه به این روابط، هر قدر فرکانس زیادتر شود، به همان اندازه زمان تناوب کاهش پیدا می‌کند؛ مثلاً اگر زمان تناوب یک موج، یک ثانیه باشد فرکانس آن یک هرتز و اگر زمان تناوب، 2 ثانیه شود، فرکانس آن نصف خواهد شد.

مقاومت الکتریکی

اجسام مختلف در مقابل حرکت جریان الکتریسیته از خود مقاومت‌های مختلفی نشان می‌دهند. میزان عایق بودن و یا هادی بودن اجسام را با کمیتی به‌نام مقاومت‌الکتریکی (Electric Resistance) نشان می‌دهند. هرچه مقاومت جسم در برابر عبور جریان بیشتر باشد جسم عایق‌تر، و هرچه مقاومت آن در برابر عبور جریان کمتر باشد جسم هادی‌تر است. فلزاتی مانند مس، طلا، آهن، آلومینیوم، و نقره هادی‌های خوبی هستند. در مقابل شیشه، میکا و مواد پلاستیکی مقاومت‌الکتریکی زیادی دارند. مقاومت را با علامت R نشان می‌دهند و واحد آن اهم $(\Omega )$ است. در مدارات الکتریکی مقاومت را به‌صورت زیر نمایش می‌دهند:

قانون اهم رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت الکتریکی را بیان می‌کند.

$U = R.I$
$R = \frac{U}{I}$

یک اهم مقاومت هادی است که تحت اختلاف‌پتانسیل یک ولت، شدت جریانی معادل یک آمپر از آن عبور کند.

وقتی از یک مقاومت جریانی عبور می‌کند طبق قانون اهم اختلاف‌پتانسیلی در آن به وجود می‌آید. علاوه بر این، مقداری از انرژی الکتریکی به‌صورت گرما در مقاومت تلف می‌شود. انرژی تلف شده از رابطه زیر به‌دست می‌آید.

$E = R{I^2}t$

که در آن t زمان روشن بودن مقاومت بر حسب ثانیه است. E انرژی تلف شده و با واحد ژول (J) است. مقدار انرژی که در یک ثانیه در مقاومت تلف می‌شود را توان مقاومت یا توان تلف شده می‌نامند و با P نشان می‌دهند.

$P = R{I^2} = VI$

واحد توان وات (W) است.

اتصال سری مقاومت‌های اهمی

اگر با قطار مسافرت کرده باشید، دیده‌اید که قطار از تعدادی واگن و یک لوکوموتیو تشکیل می‌شود. واگن‌ها می‌توانند مشابه یا بزرگ و کوچک باشند. درصورت نامساوی‌بودن، هر واگن گنجایش حمل بار یا مسافر خاص خود را دارد. اتصال واگن‌ها به یکدیگر به‌صورت پشت‌سرهم (اتصال سری) است؛ یعنی، ابتدای یک واگن به انتهای واگن دیگر وصل است. هنگام حرکت، سرعت در همۀ واگن‌ها یکسان است.

نتیجه گیری:

جریان در مدار سری

در یک مدار سری شدت جریان در همۀ نقاط مدار یکسان است؛ یعنی، جریان وارد شده در هر نقطه از مدار با جریان خارج شده از همان نقطه برابر است.

$I = {I_{R1}} = {I_{R2}} = {I_{R3}}$ جریان آمپرمتر

ولتاژ در مدار سری

اگر به دو سر یک مقاومت، ولتاژ مشخصی داده شود تمام آن ولتاژ در دو سر مقاومت افت می‌کند. مقدار ولتاژ دو سر مقاومت را به‌ کمک ولت‌متر می‌توان اندازه گرفت. چنانچه تعداد مقاومت‌ها بیشتر شود، ولتاژ منبع روی همۀ آن‌ها تقسیم می‌شود. به‌طوری که اگر با ولت‌متر افت (یا اختلاف) ولتاژهای دو سر مقاومت‌ها را اندازه بگیریم و با هم جمع کنیم، ولتاژ منبع به‌دست می‌آید.

$E = {V_1} + {V_2} + {V_3}$ ولتاژ منبع
$E = {V_{R1}} + {V_{R2}} + {V_{R3}}$ ولتاژ منبع
$E = ({V_a} - {V_b}) + ({V_c} - {V_d}) + ({V_e} - {V_f})$ ولتاژ منبع

مقاومت در مدار سری

به جای چند مقاومت سری می‌توان یک مقاومتی را انتخاب کرد که مقدار مقاومت آن با مجموع مقاومت چند مقاومت سری برابر باشد. مقاومتی که به جای چند مقاومت سری قرار می‌گیرد، مقاومت کل یا مقاومت معادل آن چند مقاومت نامیده می‌شود و آن را با ${R_T}$ نمایش می‌دهند. چنانچه مقاومت ${R_T}$ جایگزین مقاومت‌های مدار شود، جریان مدار تغییری نخواهد کرد.

${R_T} = {R_1} + {R_2} + {R_3}$ مقاومت کل

اتصال مقاومت‌ها به‌صورت موازی

اگر بخواهیم سیم‌کشی یک لوستر را انجام دهیم، می‌بایست لامپ‌ها را با هم موازی نماییم. یعنی یک طرف همه لامپ‌ها به یک قطب منبع و طرف دیگر همه آن‌ها به قطب دیگر منبع وصل می‌شود.

نتیجه‌گیری:

ولتاژ در مدار موازی

ولتاژ دو سر همۀ مصرف‌کننده‌ها در اتصال موازی، یکسان و برابر ولتاژ منبع تغذیه است ولی در صورت متفاوت بودن مقاومت آن‌ها جریان مصرف‌ کننده‌ها نیز متفاوت هستند.

 $E = {V_1} + {V_2} + {V_3}$ ولتاژ منبع

جریان در مدار موازی

در فعالیت 6، شدت جریان کل، با مجموع شدت جریان‌های شاخه‌های موازی برابر است. درصورتی‌که ولتاژ دو سر هر شاخه با شاخه‌های دیگر و با دو سر منبع برابر می‌باشد. از این رو، با استفاده از روابط قانون اهم، شدت جریان هر شاخه و شدت جریان کل را می‌توان به‌صورت زیر به‌دست آورد.

 ${I_n} = \frac{E}{{{R_n}}}$ شدت جریان شاخۀ n ام 

 $I = {I_1} + {I_2} + {I_3}$ شدت جریان کل مدار

یا

$I = {I_{{R_1}}} + {I_{{R_2}}} + {I_{{R_3}}}$

در صورت مساوی بودن مقاومت‌های شاخه‌های مدار، از هر شاخه شدت جریان مساوی با دیگر شاخه‌ها می‌گذرد اما اگر مقدار مقاومت‌های هر شاخه متفاوت باشد، هر شاخه‌ای که مقاومت کمتری دارد، شدت جریان بیشتری را عبور می‌دهد.

مقاومت (کل معادل) در مدار موازی

در مدار موازی، مقاومتی است که اگر به جای مقاومت‌های موازی قرار گیرد، شدت جریان کل مدار را تغییر ندهد. در مدار موازی، با افزایش شاخه‌های مدار تعداد مسیرهای جریان زیادتر می‌شود و شدت جریان کل افزایش می‌یابد. افزایش شدت جریان بدین معناست که مقاومت معادل، کاهش یافته است.

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

یا 

${R_T} = \frac{{{R_1} \times {R_2}}}{{{R_1} + {R_2}}}$

در مدار موازی ولتاژ منبع با ولتاژ دو سر شاخه‌ها برابر است و جریان کل از مجموع جریان‌های شاخه‌ها به‌دست می‌آید.

$E = {V_1} = {V_2} = {V_3}$
$I = {I_1} + {I_2} + {I_3}$

طبق قانون اهم می‌توان نوشت:

$I = \frac{E}{{{R_t}}},{I_1} = \frac{{{V_1}}}{{{R_1}}},{I_2} = \frac{{{V_2}}}{{{R_2}}},{I_3} = \frac{{{V_3}}}{{{R_3}}}$

مقادیر مساوی جریان‌ها را در رابطۀ بالا قرار می‌دهیم.

$\frac{E}{{{R_T}}} = \frac{E}{{{R_1}}} + \frac{E}{{{R_2}}} + \frac{E}{{{R_3}}}$

با فاکتورگیری و حذف مقادیر مساوی E از طرفین تساوی

$\frac{E}{{{R_T}}} = E(\frac{1}{{{R_1}}} + \frac{1}{{{R_2}}} + \frac{1}{{{R_3}}})$

به رابطۀ مقاومت کل در مدار موازی می‌رسیم.

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

خواص مغناطیسی اجسام

اجسام در طبیعت از نظر خواص مغناطیسی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

الف) اجسام مغناطیسی،
ب) اجسام غیرمغناطیسی.

اجسام مغناطیسی مولکول‌های مغناطیسی دارند. پس ظاهراً باید همیشه مانند مغناطیس عمل کنند ولی چنین نیست. این بدان علت است که در شرایط عادی، مولکول‌های مغناطیسی به‌طور پراکنده و نامرتب در جسم قرار دارند و درنتیجه، میدان‌های مغناطیسی مولکول‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ بنابراین، فلز خاصیت مغناطیسی ندارد. در شکل زیر مولکول‌های مغناطیسی یک فلز مغناطیس نشده را مشاهده می‌کنید.

اگر همۀ مولکول‌های مغناطیسی به‌طور هم‌جهت قرار بگیرند، میدان‌های مغناطیسی آن‌ها با یکدیگر جمع شده و در این صورت فلز مغناطیس می‌شود. اگر فقط بعضی از مولکول‌ها هم‌جهت باشند، میدان مغناطیسی ضعیفی تولید می‌شود. بنابراین، میزان مغناطیس شدن یک جسم مغناطیسی را می‌توان کم و زیاد کرد. شکل زیر مولکول‌های مغناطیسی منظم شده در یک فلز مغناطیس شده را نشان می‌دهد.

اثر الکترومغناطیس بر یک سیم

جهت میدان‌مغناطیسی همواره به جهت جریانی که از سیم می‌گذرد، بستگی دارد. برای تعیین جهت میدان‌مغناطیسی، می‌توان از قطب‌نما و قانون دست راست استفاده کرد. طبق شکل صفحۀ بعد چنانچه قطب‌نما را در اطراف سیم حرکت دهیم، همیشه قطب N عقربۀ قطب‌نما جهت میدان‌مغناطیسی را نشان می‌دهد. 

تولید میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی

اگر سیمی را به دور یک قطعه آهن مغناطیس‌نشده بپیچیم و دو سر آن را به یک منبع ولتاژ DC وصل کنیم، جریان الکتریکی میدان‌مغناطیسی تولید می‌کند و باعث منظم شدن مولکول‌های مغناطیسی آهن می‌شود. شکل روبه‌رو چگونگی تولید قطعۀ مغناطیسی به‌وسیلۀ جریان الکتریکی DC را نمایش می‌دهد. 

اگر یک جسم مغناطیس‌شده خاصیت مغناطیسی خود را برای مدت طولانی حفظ کند، به آن مغناطیس دائمی می‌گویند و اگر خاصیت مغناطیسی خود را به سرعت از دست بدهد، مغناطیس موقتی نام دارد. آهن سخت و فولاد مغناطیس‌های دائمی خوبی هستند. آهن نرم برای مغناطیس‌های موقتی به‌کار برده می‌شود.

یکی از کاربردهای دیگر مغناطیس می‌توان آهن‌ربای صنعتی را نام برد. شکل زیر یک نمونه آهن‌ربای صنعتی را نشان می‌دهد.

ژنراتور ساده

طبق شکل زیر اگر یک هادی را در داخل میدان‌مغناطیس آهن‌ربا حرکت دهیم، انرژی مغناطیسی آهن‌ربا باعث حرکت الکترون‌ها در یک جهت و تجمع آن‌ها در یک‌طرف هادی می‌شود. این روند را تولید نیروی‌محرکۀ‌القایی می‌گویند. حال اگر به دو سر سیم میلی‌ولت‌متری را وصل کنیم، مشاهده می‌شود که با حرکت سیم به‌طرف پایین، عقربۀ میلی‌ولت‌متر در یک جهت و با حرکت سیم به‌طرف بالا، عقربه در جهت مخالف حرکت می‌کند. نتیجه می‌گیریم که با تغییر جهت حرکت سیم، جهت نیروی محرکۀ القایی تغییر می‌کند. این مطلب در مورد تغییر جهت خطوط نیرو نیز صادق است.

برای به‌دست آوردن جهت نیروی‌محرکۀ‌القایی از قانون دست راست استفاده می‌شود. طبق شکل زیر اگر کف دست راست را طوری باز کنیم که خطوط نیرو به کف دست بریزند، در صورتی که جهت حرکت سیم در جهت انگشت شست باشد، جهت نیروی محرکۀ القایی در جهت سایر انگشتان خواهد بود.

قانون دست چپ

اگر دست چپ را طوری باز کنیم که خطوط نیرو به کف دست بریزند (B) و جهت جریان در سیم حامل جریان (I) در جهت سایر انگشتان باشد، جهت نیروی وارد شده (F) در جهت انگشت شست خواهد بود.

اگر طبق شکل 10-1 سیم را به‌صورت کلاف درآوریم و آن را درون میدان‌مغناطیسی قرار دهیم، وقتی از کلاف جریان عبور کند اثر متقابل میدان‌های مغناطیسی باعث می‌شود که یک سمت آن به‌طرف بالا و سمت دیگر به‌طرف پایین حرکت کند؛ به عبارت دیگر، به کلاف جفت نیرو وارد می‌شود و تولید گشتاور می‌کند. این فرایند، اساس کار موتورهای الکتریکی است که در درس ماشین‌های الکتریکی به‌طور مفصل دربارۀ آن توضیح خواهیم داد.

میدان مغناطیسی حاصل از یک جریان مستقیم و متناوب

اگر دو سر یک هادی را مطابق شکل زیر به جریان‌مستقیم وصل کنیم، شدت جریان به‌طور ناگهانی از صفر به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد و میدان مغناطیسی در اطراف هادی نیز به ناگاه از صفر به مقدار ماکزیمم خود افزایش می‌یابد. تا موقعی که جریان در هادی است، میدان در ماکزیمم مقدار خود باقی می‌ماند. چنانچه مدار باز شود جریان، صفر شده و میدان نیز به صفر کاهش می‌یابد.

اگر دو سر یک هادی را مطابق شکل زیر به یک جریان متناوب وصل کنیم، مقدار جریان و درنتیجه، شدت میدان‌مغناطیسی در اطراف هادی پیوسته تغییر می‌کند. با اضافه‌شدن تدریجی جریان، میدان حاصل نیز قوی‌تر می‌شود و برعکس، با کم شدن جریان میدان نیز کمتر خواهد شد. از آنجا که جریان متناوب در هر نیم سیکل تغییر جهت می‌دهد، جهت میدان نیز معکوس می‌شود. بنابراین، جهت میدان‌مغناطیسی در هر لحظه به وسیلۀ جهت جریان مشخص می‌شود.

خود القایی

با طی نیم پریود از جریان متناوب عبوری از یک هادی، میدان‌مغناطیسی ایجاد می‌شود و سپس به تدریج از بین می‌رود. در نیم‌سیکل بعدی نیز میدان در جهت مخالف ایجاد می‌شود و به‌تدریج از بین می‌رود. زمانی که میدان‌مغناطیسی در حال ایجاد شدن است، خطوط قوای مغناطیسی از مرکز هادی به‌طرف خارج گسترش می‌یابند. میدان در حال گسترش به‌وسیلۀ هادی قطع می‌شود و یک نیروی محرکۀ الکتریکی (emf) در هادی تولید می‌گردد.

با کم شدن میدان و قطع خطوط قوا به‌وسیلۀ هادی، باز هم یک نیروی محرکۀ الکتریکی در هادی القا می‌شود. بنابراین، افزایش یا کاهش جریان در هادی سبب گسترش یا فروکش‌کردن میدان مغناطیسی در اطراف آن می‌شود و نیروی محرکه‌ای متناسب با تغییرات میدان در هادی القا می‌گردد. این خاصیت را خودالقایی می‌گویند. توجه داشته باشید که اگر جریان عبوری از هادی ثابت باشد، میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز ثابت خواهد بود و لذا نیروی محرکه‌ای در هادی القا نمی‌شود. شکل صفحۀ بعد القای نیروی محرکه را در زمان تغییر جریان نشان می‌دهد.

همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، سیم‌پیچ با تغییرات جریان عبوری از خودش مخالفت می‌کند و با ایجاد یک ولتاژ در جهت مخالف VL سعی در جبران این تغییرات می‌کند.

مقدار نیروی محرکۀ الکتریکی خود القا

نیروی محرکۀ الکتریکی القا‌ شده در یک هادی به‌وسیلۀ تغییر در شدت جریان عبوری از آن، همانند هر نیروی محرکه‌ای دارای مقدار و جهت است. از جمله عواملی که مقدار نیروی محرکۀ القا شده را معین می‌کنند، میزان تغییرات شدت میدان مغناطیسی است. به‌طوری که می‌توان نوشت:

$\frac{{\Delta \varphi }}{{\Delta T}}$ =مقدار emf

در این رابطه ${\Delta \varphi }$ تغییرات شار مغناطیسی و ${\Delta T}$ تغییرات زمان را نشان می‌دهد. شدت میدان‌مغناطیسی به‌سرعت تغییرات جریان یا تغییرات فرکانس بستگی دارد. بنابراین، مقدار نیروی محرکۀ القاشده، با فرکانس جریان متناسب است. با افزایش فرکانس، نیروی محرکۀ القاشده افزایش و با کاهش فرکانس نیروی‌محرکه القاشده، کاهش می‌یابد.

مقدار جریان نیز از عوامل دیگری است که مقدار نیروی محرکۀ القا‌شده را معین می‌کند. یعنی، هرچه شدت جریان عبوری از هادی بیشتر باشد، میدان ایجادشده قوی‌تر و هرچه جریان کمتر باشد، میدان ایجادشده ضعیف‌تر می‌شود. پس به‌طور کلی می‌توان گفت که مقدار نیروی‌محرکۀ القاشده (خودالقا) به دامنه و فرکانس جریان عبوری از هادی بستگی دارد. شکل زیر عوامل ذکر شده را به خوبی نشان می‌دهد.

تأثیر دامنه و فرکانس جریان بر مقدار emf القایی

جریان با فرکانس پایین و دامنۀ زیاد	جریان با فرکانس زیاد و دامنۀ کم
جریان‌های فرکانس پایین اگر دامنه‌شان زیاد باشد، می‌توانند emf قوی ایجاد کنند.	جریان‌های فرکانس بالا می‌توانند emfهای قوی ایجاد کنند، علی‌رغم اینکه دامنه‌شان نسبتاً کم است.

قانون لنز

در سال 1834 یک فیزیکدان آلمانی به نام لنز قانونی را به جهانیان ارائه داد که بیانگر جهت نیروی محرکۀالقایی در یک هادی بود و ما اکنون آن را به نام قانون لنز می‌شناسیم.

براساس قانون لنز، هر تغییر در جریان عبوری از یک هادی باعث ایجاد نیروی محرکۀ خودالقایی می‌شود که اثر آن با جهت تغییرات جریان مخالفت می‌کند. به عبارت دیگر، هنگامی‌که جریان کاهش می‌یابد، نیروی‌محرکۀ‌القایی در جهتی است که با کاهش جریان مخالفت می‌کند و هنگامی‌که جریان افزایش می‌یابد، باز جهت نیروی‌محرکۀ خودالقایی طوری است که با افزایش جریان مخالفت می‌کند. شکل زیر، رابطۀ بین ولتاژ یا نیروی محرکۀالقا شده را با ولتاژی که باعث ایجاد جریان می‌شود (ولتاژ داده شده)، با اختلاف فاز 180 درجه نشان می‌دهد.

با زیاد یا کم شدن ولتاژ داده شده در یک جهت، نیروی‌محرکۀ القاشده در جهت مخالف آن زیاد یا کم می‌شود از آنجا که عمل نیروی محرکۀالقایی مخالف با ولتاژ داده شده است، آن را نیروی ضدمحرکۀالقایی مخالف می‌نامند و با cemf نمایش می‌دهند. مقدار آن را از رابطۀ ${\text{Cemf}} =  - \frac{{\Delta \varphi }}{{\Delta T}}$ محاسبه می‌کنند.

سلف

اگر مقداری سیم به دور محور یا هسته‌ای پیچانده شود، بوبین یا سیم‌پیچ یا سلف به‌وجود می‌آید. از هسته علاوه بر اثرات القایی، به عنوان تکیه‌گاه جهت پیچاندن و نگهداری سیم استفاده می‌شود. در شکل زیر تعدادی بوبین با هستۀ هوایی و فلزی را مشاهده می‌کنید.

بوبین‌هایی را که هستۀ فلزی دارند و اغلب دارای تعداد دور استاندارد هستند، در اصطلاح چوک (Choke) می‌گویند. چوک‌ها مانند چوک مهتابی و چوک بلندگو معمولاً حفاظ خارجی دارند. از چوک مهتابی در مصارف برقی و از چوک بلندگو در مصارف الکترونیکی استفاده می‌شود. 

اندوکتانس (ضریب خود القا) سلف

واحد اندوکتانس هانری است که از نام دانشمند کاشف آن گرفته شده است. هانری مقدار اندوکتانس یک هادی است، اگر تغییر جریان یک آمپر در ثانیه در آن نیروی ضدمحرکه یک ولت ایجاد کند. چون هانری واحد نسبتاً بزرگی است، غالباً اندوکتانس را بر حسب واحدهای کوچک‌تری چون میلی‌هانری $({10^{ - 3}}H)$ و میکروهانری $({10^{ - 6}}H)$ به‌کار می‌برند.

انرژی ذخیره شده در سلف:

همان‌طور که گفته شد اگر جریان i از یک سلف عبور کند در اطراف آن میدان‌مغناطیسی به‌وجود می‌آید. در این میدان مغناطیسی انرژی مغناطیسی $({E_M})$ ذخیره می‌شود که مقدار آن از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

${E_M} = \frac{1}{2}L{i^2}$

واحد ${E_M}$ ژول است. اگر جریان با زمان تغییر کند انرژی مغناطیسی ذخیره‌شده هم با زمان تغییر می‌کند. در رابطه بالا اندوکتانس و واحد آن هانری (H) است. هرچه اندوکتانس بوبین بیشتر باشد انرژی بیشتری را در خود ذخیره می‌کند.

اتصال بوبین‌ها

برای دستیابی به اندوکتانس مناسب، اغلب مجبوریم بوبین‌ها را به‌طور سری یا موازی وصل نماییم. در چنین مواردی، بدون در نظر گرفتن اثر متقابل میدان‌ها بر یکدیگر، اندوکتانس کل، عیناً شبیه مقاومت معادل در مدارهای سری و موازی به‌دست می‌آید.

الف) اتصال سری بوبین‌ها: 

با اتصال سری (متوالی) بوبین‌ها، اندوکتانس کل برابر مجموع تک‌تک اندوکتانس‌های موجود در مدار است که از رابطۀ زیر به‌دست می‌آید.

${L_t} = {L_1} + {L_2} + ... + {L_n}$

در صورت مساوی بودن اندوکتانس‌ها، اندوکتانس کل برای n بوبین برابر است با:

${L_t} = nL$

ب) اتصال موازی بوبین‌ها:

در اتصال موازی بوبین‌ها اندوکتانس کل از رابطۀ زیر به‌دست می‌آید. 

$\frac{1}{{{L_t}}} = \frac{1}{{{L_1}}} + \frac{1}{{{L_2}}} + ... + \frac{1}{{{L_n}}}$

در صورت مساوی بودن بوبین‌ها اندوکتانس کل برای n بوبین، برابر است با:

${L_t} = \frac{L}{n}$

در شکل زیر اتصال سری و موازی را برای سه بوبین که با فاصلۀ زیاد از یکدیگر قرار دارند (بدون داشتن ارتباط مغناطیسی) نشان می‌دهد.

امپدانس سلفی

سلف در برابر جریان متناوب از خود مقاومت نشان می‌دهد. مقدار این مقاومت به اندوکتانس و فرکانس جریان متناوب بستگی دارد که به آن مقاومت‌القایی یا امپدانس سلفی می‌گویند و با ${X_L}$ نشان می‌دهند. واحد مقاومت‌القایی اهم بوده و با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

${X_L} = 2\pi fL$

برای محاسبۀ مقاومت‌القایی معادل در مدارهای سری و موازی سلف‌ها نیز می‌توان مشابه محاسبۀ اندوکتانس معادل بوبین‌ها عمل کرد. روابط محاسبۀ مقاومت‌القایی معادل، در مدار سری و موازی به‌صورت زیر است:

مدار سری:

${X_{{L_T}}} = {X_{{L_1}}} + {X_{{L_2}}} + ...{X_{{L_n}}}$

مدار موازی:

$\frac{1}{{{X_{{L_T}}}}} = \frac{1}{{{X_{{L_1}}}}} + \frac{1}{{{X_{{L_2}}}}} + ... + \frac{1}{{{X_{{L_n}}}}}$

خازن

خازن‌ها عناصری هستند که می‌توانند مقداری الکتریسیته را به‌صورت یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره کنند. همان‌گونه که یک مخزن آب برای ذخیره‌کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می‌گیرد از خازن برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.

خازن‌ها به اشکال گوناگون ساخته می‌شوند و متداول‌ترین آن‌ها خازن‌های مسطح هستند. این نوع خازن‌ها از دو صفحۀ هادی که بین آن‌ها عایق یا دی‌الکتریک قرار دارد، تشکیل می‌شوند. شکل زیر، طرح سادۀ یک خازن مسطح و نمای‌الکتریکی آن را نشان می‌دهد.

صفحات هادی نسبتاً پهن هستند و در فاصله‌ای بسیار نزدیک به هم قرار می‌گیرند. دی‌الکتریک انواع مختلفی دارد و با ضریب مخصوصی که نسبت به هوا سنجیده می‌شود، معرفی می‌گردد. این ضریب را ضریب دی الکتریکی می‌گویند و آن را با حرف $\varepsilon $ نمایش می‌دهند. داریم:

$\varepsilon = {\varepsilon _0}{\varepsilon _r}$

که در آن ${\varepsilon _0} = 8/854 \times {10^{ - 12}}$ ضریب گذردهی الکتریکی هوا و ${\varepsilon _r}$ ضریب گذردهی الکتریکی نسبی است.

شارژ خازن با ولتاژ DC

برای اینکه یک خازن شارژ شود، یعنی انرژی الکتریکی را ذخیره کند، باید آن را به یک اختلاف‌پتانسیل (ولتاژ) وصل کرد. این ولتاژ به‌وسیلۀ یک باتری تأمین می‌شود. قطب مثبت باتری، به یک طرف و قطب منفی آن به‌طرف دیگر خازن، مانند شکل 11-1 وصل می‌شود.

قبل از بستن کلید، صفحات خازن خنثی هستند و هیچ انرژی‌ای در آن‌ها ذخیره نخواهد شد. با بستن کلید، الکترون‌ها از قطب منفی باتری به‌طرف صفحه‌ای که به این قطب متصل است جاری می‌شوند و در آن تراکم الکترون یا بار منفی ایجاد می‌کنند. در همین لحظه، قطب مثبت باتری همان تعداد الکترون را از صفحه‌ای که به این قطب متصل است جذب می‌کند و این صفحه را دچار کمبود الکترون می‌کند و دارای بار مثبت می‌شود. در لحظاتی که خازن شارژ می‌شود، الکترون‌ها ازطریق سیم‌های رابط به‌طرف قطب مثبت باتری حرکت می‌کنند، وارد باتری می‌شوند و از قطب منفی خارج می‌گردند. همان‌طور که می‌دانید حرکت الکترون‌ها را در مدار، عبور جریان در مدار می‌گویند.

وارد و خارج شدن الکترون‌ها از صفحات خازن، میدان الکتریکی ساکن را بالا می‌برد و ولتاژی در خلاف جهت ولتاژ اعمال شده به دو سر خازن ایجاد می‌کند. ولتاژ ایجاد شده در خازن، با جاری شدن جریان در مدار مخالفت می‌کند. به تعبیر دیگر، ولتاژ خازن با ولتاژ باتری مخالفت می‌کند. هر چه ولتاژ دو سر خازن بیشتر می‌شود، ولتاژ مؤثر مدار، که تفاوت بین ولتاژ باتری و ولتاژ خازن است، کمتر می‌شود و در نتیجه، شدت جریان مدار کاهش می‌یابد. هرگاه ولتاژ خازن با ولتاژ باتری برابر شود، جریان در مدار متوقف می‌گردد. صفر شدن جریان در مدار، نشانۀ شارژ کامل خازن است. خازن هیچ‌گاه با ولتاژی بیشتر از ولتاژ منبع شارژ نمی‌شود.

شکل 11-1 اتصال باتری و شارژ خازن

	وقتی کلید باز است، هیچ جریانی از مدار نمی‌گذرد و خازن شارژ نمی‌شود.
	وقتی کلید بسته است، جریان از مدار می‌گذرد و خازن را شارژ می‌کند.

باید به این نکته توجه کرد که جریان شارژ و ولتاژ خازن مخالف یکدیگر عمل می‌کنند. یعنی، در ابتدای شارژ، جریان ماکزیمم و ولتاژ خازن صفر است. هر چه به ولتاژ خازن اضافه و خازن شارژ می‌شود، شدت جریان کاهش می‌یابد. وقتی ولتاژ خازن به مقدار ماکزیمم خود می‌رسد، جریان صفر می‌شود. شکل 12-1 این مطلب را به روشنی نشان می‌دهد.

شکل 12-1 شارژ شدن خازن به اندازۀ ولتاژ باتری

	مدار باز بوده و جریان نمی‌گذرد
	خازن در حال شارژ
	خازن کاملاً شارژ شده و جریان نمی‌گذرد

دشارژ (تخلیه) خازن

در تئوری یک خازن شارژشده باید شارژ خود را به مدت زمان نامحدودی نگاه دارد. درحالی که این امر عملی نیست. با جدا شدن منبع شارژ از خازن، دیر یا زود خازن شارژ (بار) خود را از دست می‌دهد.

عمل از دست دادن شارژ را دشارژ شدن می‌نامند. برای دشارژ خازن تنها لازم است یک مسیر هادی بین دو صفحه ایجاد شود. با ایجاد مسیر، الکترون‌های صفحۀ منفی به طرف پتانسیل مثبت در صفحۀ مثبت جاری می‌شوند. تبادل الکترون بین صفحات آن قدر ادامه پیدا می‌کند تا صفحات خنثی شوند. در این موقع، خازن هیچ‌گونه ولتاژی ندارد و اصطلاحاً می‌گویند خازن دشارژ شده است. حرکت الکترون‌ها در مسیر ایجاد شده، جریان دشارژ نامیده می‌شود. در شکل زیر شارژ و دشارژ خازن را مشاهده می‌کنید.

ظرفیت خازن

ظرفیت یک خازن-که آن را با حرف C نمایش می‌دهند- نمودار میزان توانایی ذخیره‌کردن شارژ (بار) الکتریکی (Q) است.

بنا به تعریف، ظرفیت خازن برابر است با مقدار بار الکتریکی که باید روی یکی از صفحات خازن جمع شود تا پتانسیل آن نسبت به صفحۀ دیگر به اندازۀ یک ولت افزایش یابد. به عبارت دیگر، خارج قسمت بارالکتریکی (Q) ذخیره‌شده روی هر یک از صفحات خازن بر اختلاف‌پتانسیل (V) میان دو صفحه را ظرفیت آن خازن گویند. می‌توان گفت که میزان ذخیره‌شدن شارژ الکتریکی به ظرفیت خازن‌ها بستگی دارد. در یک ولتاژ برابر خازنی که ظرفیت کمتری دارد، بار کمتر و آنکه ظرفیت بیشتری دارد، بار بیشتری را در خود ذخیره می‌کند. واحد ظرفیت فاراد (F) است که از نام مایکل فاراده گرفته شده و آن عبارت است از نسبت یک کولن بار ذخیره شده در هر یک از صفحات خازنی که به اختلاف‌پتانسیل یک ولت اتصال داده شده باشد. با توجه به تعریف ارائه شده، رابطۀ ظرفیت خازن به‌صورت زیر است:

$Q = CV$

C ظرفیت خازن به فاراد Q بار یک صفحه بر حسب کولن، و V ولتاژ دو سر خازن است. فاراد واحد بسیار بزرگی است و در کارهای عملی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. در عمل از واحدهای کوچک‌تری استفاده می‌شود.

مهم‌ترین عوامل مؤثر در تعیین ظرفیت خازن عبارت‌اند از:

- مساحت صفحات
- فاصلۀ بین صفحات
- دی‌الکتریک به‌کار رفته بین صفحات

ظرفیت یک خازن فقط به ابعاد و نوع عایق بستگی داشته و از مقدار ولتاژ و بار ذخیره‌شده در آن مستقل است. شکل صفحه 32 عوامل مؤثر در ظرفیت را نشان می‌دهد. فرمول ظرفیت خازن مسطح به‌صورت زیر است:

$C = \varepsilon \frac{A}{d}$

A سطح مقطع صفحات بر حسب مترمربع و d فاصله صفحات برحسب متر است. انرژی الکتریکی ذخیره‌شده $({E_C})$ در خازن از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

${E_C} = \frac{1}{2}C{V^2} = \frac{1}{2}QV$

واحد ${E_C}$ ژول است.

اتصال خازن‌ها

خازن‌ها را بسته به نوع استفاده از آن‌ها می‌توان به سه طریق سری و موازی متصل کرد.

الف) اتصال سری خازن‌ها:

در شکل 13-1 طرز به‌هم بستن سری خازن‌ها را مشاهده می‌کنید. در اتصال سری، فاصلۀ مؤثر بین صفحات بیشتر می‌شود و ظرفیت معادل مجموعۀ خازنی کاهش می‌یابد. همان‌گونه که در شکل می‌بینید، تنها دو صفحۀ ابتدا و انتهای مجموعۀ خازنی که به منبع بسته شده‌اند از منبع بار الکتریکی دریافت می‌کنند، و صفحه‌های دیگر از طریق القا دارای بارالکتریکی می‌شوند. بنابراین، اندازۀ بارالکتریکی همۀ خازن‌ها یکسان است ولی اختلاف‌پتانسیل دو سر مجموعه برابر حاصل جمع اختلاف‌پتانسیل‌های دو سر خازن است. یعنی:

$Q = {Q_1} = {Q_2} = {Q_3}$
$V = {V_1} = {V_2} + {V_3}$

ظرفیت خازن معادل

$\frac{1}{{{C_t}}} = \frac{1}{{{C_1}}} + \frac{1}{{{C_2}}} + \frac{1}{{{C_3}}}$

با رابطۀ بالا ظرفیت خازن معادل را می‌توان محاسبه کرد. در صورتی‌که خازن‌ها با هم مساوی باشند، رابطۀ ظرفیت خازن معادل برای n خازن چنین است:

${C_t} = \frac{C}{n}$

افت ولتاژ دو سر خازن‌ها در مدارسری با ظرفیت هر خازن نسبت معکوس دارد. یعنی، هرچه ظرفیت خازن کمتر باشد، مقدار ولتاژ شارژ روی آن بیشتر خواهد بود. به تعبیر دیگر، در مدار دو سر خازن‌های با ظرفیت کمتر، ولتاژ بیشتری نسبت به خازن‌های با ظرفیت بیشتر افت می‌کند.

ب) اتصال موازی خازن‌ها:

شکل 14-1 اتصال چند خازن را به‌طور موازی نشان می‌دهد. در اتصال موازی خازن‌ها سطح مؤثر صفحات زیادتر می‌شود و ظرفیت معادل افزایش می‌یابد.

در اتصال موازی خازن‌ها اختلاف‌پتانسیل بین دو صفحۀ همۀ آن‌ها برابر ولتاژ منبع است ولی بارالکتریکی هر خازن با ظرفیت آن متناسب است. یعنی:

${Q_t} = {Q_1} = {Q_2} = {Q_3}$
$V = {V_1} = {V_2} + {V_3}$
${C_t} = {C_1} + {C_2} + {C_3}$

ظرفیت خازن معادل:

در صورتی که خازن‌های موازی یکسان باشند، ظرفیت برای n خازن برابر است با:

${C_t} = nC$

در جدول زیر خلاصۀ ویژگی‌های خازن‌ها آورده شده است.

مدار سری	- بار ذخیره‌شده در هر خازن با بار کل برابر است. - ولتاژ کل با مجموع ولتاژهای جزء برابر است. - ظرفیت کل کاهش می‌یابد.
مدار موازی	- ولتاژ کل با ولتاژ دو سر هر خازن برابر است. - بار کل با مجموع بارهای جزء برابر است. - ظرفیت کل افزایش می‌یابد.

امپدانس خازنی

خازن در برابر جریان متناوب از خود مقاومت نشان می‌دهد. مقدار این مقاومت به ظرفیت و فرکانس جریان متناوب بستگی دارد که به آن مقاومت خازنی یا امپدانس خازنی می‌گویند و با ${X_C}$ نشان می‌دهند. واحد مقاومت خازنی اهم بوده و با فرمول صفحۀ بعد محاسبه می‌شود. 

${X_C} = \frac{1}{{2\pi fC}}$

برای محاسبۀ مقاومت خازنی معادل در مدارهای سری و موازی نیز می‌توان مشابه محاسبۀ ظرفیت معادل خازن‌ها عمل کرد. روابط محاسبۀ مقاومت‌خازنی معادل، در مدار سری و موازی به‌صورت زیر است:

مدار سری

${X_{{C_T}}} = {X_{{C_1}}} + {X_{{C_2}}} + ... + {X_{{C_n}}}$

مدار موازی

$\frac{1}{{{X_{{C_T}}}}} = \frac{1}{{{X_{{C_1}}}}} + \frac{1}{{{X_{{C_2}}}}} + ... + \frac{1}{{{X_{{C_n}}}}}$

دیود

دیودهای معمولی، از نظر ظاهری به شکل‌های مختلفی ساخته می‌شوند ولی علامت اختصاری همه یکسان است. در شکل 15-1 ساختمان کریستالی و نماد مداری دیود نشان داده شده است.

در نماد مداری، علامت مثلث، جهت قراردادی جریان را نشان می‌دهد. نیمه‌هادی نوع P را آند و نیمه‌هادی نوع N را کاتد، نام‌گذاری می‌نمایند. پایه‌های آند و کاتد روی دیودها مشخص‌شده‌اند. معمولاً کاتد را با یک نوار یا علامت K یا سایر علایم مشخص می‌کنند.

دیود در بایاس مستقیم (Forward Bias) و بایاس معکوس (Reverse Bias)

وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس‌کردن دیود می‌نامند. اتصال ولتاژ به دیود به دو صورت امکان‌پذیر است.

الف) بایاس مستقیم:

اگر آند یک دیود را به قطب مثبت باتری و کاتد آن دیود را به قطب منفی باتری متصل کنیم، این حالت را بایاس مستقیم می‌گویند.

ب) بایاس معکوس:

در صورتی که نیمه‌هادی نوع P را به قطب منفی باتری و نیمه‌هادی نوع N را به قطب مثبت آن وصل نماییم، این حالت را بایاس معکوس می‌نامند.

منحنی مشخّصۀ ولت- آمپر دیود

در مدار شکل صفحه 43 دیود در بایاس مستقیم قرار دارد. در این مدار یک میلی‌آمپرمتر با دیودسری شده است. در ولتاژ صفر، مقدار جریان عبوری از دیود صفر است. چنانچه ولتاژ تغذیه را تا 0/7 ولت زیاد کنیم میلی‌آمپرمتر جریان کمی را نشان می‌دهد. زمانی که ولتاژ از 0/7 ولت بیشتر می‌شود، چون جنس دیود از سیلیسیوم است، جریان بسیار ضعیفی در مدار برقرار می‌گردد.

هنگامی‌که ولتاژ دیود به حدود 0/7 می‌رسد، جریان به‌طور ناگهانی افزایش می‌یابد. زیاد شدن ناگهانی جریان، به دلیل غلبۀ ولتاژ خارجی بر پتانسیل سد است. هنگامی‌که ولتاژ خارجی، از ولتاژ سد بیشتر شد، مقاومت دیود کم و جریان زیاد می‌شود. اگر این جریان محدود نشود، به سوختن دیود منجر می‌گردد. حداکثر این جریان را که به ازای آن دیود نمی‌سوزد، کارخانجات سازنده مشخص‌ می‌نمایند. برای محدود کردن جریان عبوری از دیود، لازم است مقاومتی را با دیود سری کنیم. شکل بالا نشان می‌دهد که اگر ولتاژ بایاس از 0/7 ولت بیشتر باشد، جریان عبوری از دیود بسیار افزایش می‌یابد. 

اگر دیود را در بایاس‌معکوس اتصال دهیم و ولتاژ خارجی را زیاد کنیم، جریان بسیار ضعیفی از مدار می‌گذرد. این جریان همان جریان اشباع‌معکوس یا جریان نشتی دیود است.

کارخانه‌های سازنده مقدار ولتاژ بیشینه قابل تحمل توسط دیود در بایاس معکوس را مشخص می‌کنند. این ولتاژ به عنوان یک مشخصۀ مهم در دیود معمولی به‌کار می‌رود. شکل 16-1 دیود را در حالتی نشان می‌دهد که مقدار ولتاژ‌ معکوس آن به حد شکست رسیده است. در دیود معمولی اگر مقدار ولتاژ معکوس به حد شکست برسد دیود می‌سوزد.

در شکل 16-1 منحنی مشخصۀ ولت‌آمپر دیود معمولی در گرایش معکوس نشان داده شده است.

بررسی دیود در حالت ایده‌آل

یک دیود در حالت ایده‌آل مانند کلیدی است که در بایاس مستقیم به‌صورت کلید بسته و در بایاس معکوس به‌صورت کلید باز عمل می‌کند. شکل زیر دیود در بایاس‌مستقیم و معکوس و معادل کلیدی آن را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر در دیود ایده‌آل از ولتاژ هدایت دیود یعنی 0/7 ولت صرف‌نظر می‌کنیم.

اگرچه دیود ایده‌آل در عمل وجود ندارد ولی می‌توان برای ساده‌تر شدن محاسبات در تشریح مدارهای الکترونیکی دیود ایده‌آل را به‌کار برد. همواره در دیود واقعی هنگامی‌که دیود در بایاس موافق قرار دارد، از آن جریان عبور می‌کند و در دو سر آن افت ولتاژی در حدود 0/7 تا 1/5 ولت به‌وجود می‌آید. مقدار دقیق افت ولتاژ را کارخانه‌های سازندۀ دیود به ازای یک جریان معین، مشخص می‌کنند.

مدار معادل دیود معمولی

همان‌طور که دیدیم، یک دیود دارای یک مقاومت دینامیکی و یک پتانسیل سد حدود 0/6 ولت برای نیمه‌هادی نوع سیلیسیومی و 0/2 ولت برای نیمه‌هادی نوع ژرمانیمی است. در ضمن، دیود می‌تواند فقط در یک جهت، جریان را عبور دهد. لذا با توجه به مطالب بالا می‌توان مدار معادل دیود را به‌صورت شکل زیر نشان داد.

ترانزیستور

ترانزیستور (Transistor) معمولی از سه نیمه‌هادی نوع N و P تشکیل یافته است. ترتیب قرار گرفتن نیمه‌هادی‌های N و P در کنار هم به‌صورت یکی از حالت‌های زیر است:

با توجه به شکل مشاهده می‌شود دو نوع ترانزیستور وجود دارد که به یکی «NPN» و دیگری «PNP» گفته می‌شود. سه پایۀ ترانزیستور نیز امیتر (Emitter) یعنی منتشرکننده، بیس (Base) یعنی پایه و کلکتور (Collector) یعنی جمع‌کننده نام‌گذاری شده‌اند. هر ترانزیستور در دو محل دارای پیوند P-N است.

نمای مداری و معادل دیودی ترانزیستور

هر اتصال P-N معادل یک دیود بوده، از این‌رو می‌توان یک ترانزیستور را معادل 2 دیود نشان داد. 

نمای مداری ترانزیستورهای PNP و NPN در شکل صفحۀ بعد مشخص شده است.

بایاس کردن ترانزیستور

برای اینکه بتوانیم از ترانزیستور به‌صورت تقویت‌کننده یا کلید و نظایر آن استفاده کنیم باید ابتدا ترانزیستور را با ولتاژ DC تغذیه کنیم. تغذیه نمودن پایه‌های ترانزیستور را بایاس کردن «ترانزیستور» گویند. برای بایاس کردن ترانزیستور به دو پیوند امیتر-بیس و کلکتور-بیس ولتاژ DC اعمال می‌شود. چون ترانزیستور سه پایه دارد، یکی از پایه‌ها را مشترک و دو پایۀ دیگر را یکی ورودی و دیگری خروجی در نظر می‌گیریم. در شکل 17-1 این حالت برای دو نوع ترانزیستور NPN و PNP نشان داده شده است.

با توجه به شکل مشاهده می‌شود پیکان روی امیتر معروف جهت قراردادی جریان است که با استفاده از آن می‌توان نوع تراتزیستور را تشخیص داد. حامل‌های باری که از امیتر حرکت می‌کنند مقدار ناچیزی از آن‌ها در بیس، جریان بیس $({I_B})$ را می‌سازند و بقیۀ حامل‌ها به کلکتور رسیده، جریان کلکتور $({I_C})$ را تشکیل می‌دهند. از این‌رو، می‌توان بیان نمود: جریان امیتر $({I_E})$ برابر با مجموع جریان بیس و جریان کلکتور است (یعنی ${I_E} = {I_B} + {I_C}$). این رابطه از روابط اساسی در حل مدارهای ترانزیستوری می‌باشد که از قانون KCL هم قابل استنتاج است.

در شکل‌های زیر دو حالت از اعمال ولتاژ به پایه‌های ترانزیستور برای استفاده به‌صورت تقویت‌کننده و یا کلید آمده است:

اتصال امیتر بیس در بایاس موافق و اتصال کلکتور بیس در بایاس مخالف، که در شکل (الف) برای ترانزیستور NPN و در شکل (ب) برای یک ترانزیستور PNP این حالت بایاس نشان داده شده است.

نواحی کاری در ترانزیستور

اعمال ولتاژ DC به ترانزیستور برای بایاس‌نمودن آن، روی پایه‌های ترانزیستور افت ولتاژی ایجاد می‌کند. ولتاژی که بین پایه‌های بیس-امیتر ترانزیستور قرار می‌گیرد با ${V_{BE}}$ نشان داده می‌شود. همچنین، بین کلکتور-امیتر با ${V_{CE}}$ و ولتاژ بین کلکتور بیس با ${V_{CB}}$ مشخص می‌گردد. در شکل 18-1 این حالت نشان داده شده است. 

${V_{CE}} = {V_{CB}} + {V_{BE}}$

انواع نواحی‌کاری در ترانزیستور عبارت‌اند از:

ناحیه قطع:

در ناحیه قطع جریان بیس صفر بوده و جریان کلکتور نیز تقریباً صفر است، در این حالت ترانزیستور مانند کلید قطع عمل می‌نماید.

ناحیه فعال:

در این ناحیه اتصال امیتر بیس، در بایاس موافق و اتصال کلکتور بیس در بایاس مخالف قرار دارد. ناحیه فعال، محدوده کار عادی ترانزیستور است، یعنی ترانزیستور مانند تقویت‌کننده جریان عمل می‌کند که جریان بیس را تقویت می‌کند و در آن ${I_C} = \beta {I_B}$ برقرار است. $\beta $ ضریب تقویت جریان است که عموماً عدد بسیار بزرگی می‌باشد. به‌عنوان مثال در ترانزیستور $\beta  = 50,2N2222$ است.

ناحیه اشباع:

این ناحیه مانند ناحیه فعال می‌باشد، یعنی زمانی که بیس امیتر ترانزیستور را در بایاس موافق قرار دهیم و جریان بیس را افزایش دهیم، جریان کلکتور نیز افزایش می‌یابد، ولتاژ کلکتور امیتر صفر و ترانزیستور در حالت اشباع است. ترانزیستور در حالت اشباع به‌صورت کلید بسته عمل می‌کند.

با توجه به اینکه در هر ترانزیستور دو پیوند بیس-امیتر و بیس-کلکتور وجود دارد، و هر پیوند می‌تواند قطع یا وصل باشد، چهار حالت کاری مختلف به وجود می‌آید. این حالت‌ها در جدول زیر خلاصه شده‌اند.

جدول 2-1 نواحی کاری ترانزیستورها

پیوند بیس-امیتر	پیوند بیس-کلکتور	حالت ترانزیستور	کاربرد
قطع	قطع	ناحیه قطع	کلید قطع شده
وصل	قطع	ناحیه فعال	تقویت‌کننده جریان
وصل	وصل	ناحیه اشباع	کلید وصل شده

کاربرد سادۀ ترانزیستور به عنوان کلید

در شکل 19-1 یک کاربرد سادۀ ترانزیستور به منزلۀ کلید نشان داده شده است. اگر موج ورودی صفر باشد ترانزیستور قطع است. از این رو، جریان کلکتور صفر و LED خاموش می‌شود. زمانی که موج ورودی دارای ولتاژ غیر صفر (و به اندازه کافی بزرگ) باشد ترانزیستور وصل می‌شود و جریان کلکتور از LED عبور نموده، آن را روشن می‌کند. بدین ترتیب، LED با تغییر ولتاژ روشن و خاموش شده چشمک می‌زند. 

برخی کاربردهای عملی مدارات ترانزیستوری

در شکل 20-1 الف مدار یک سیستم اعلام حریق ساده رسم شده است. با افزایش حرارت مقاومت ترمیستور NTC کاهش می‌یابد و جریان عبوری از آن زیاد شده و در نتیجه جریان‌های ${I_1}$ و $I$ افزایش می‌یابند که این امر سبب هدایت ترانزیستورهای $T{r_1}$ و $T{r_2}$ می‌شود و لامپ ${L_1}$ را روشن می‌کنند. اتصال دو ترانزیستور به‌صورت:

ضریب بهره جریان بزرگی را ایجاد می‌کند و سبب می‌شود جریان کم در بیس ترانزیستور $T{r_1}$ به جریان بزرگی در کلکتور ترانزیستور $T{r_2}$ تبدیل شود و به این ترتیب می‌توان لامپ‌های با توان بیشتر یا موتورهای با توان متوسط را نیز روشن نمود. به این نحوه اتصال ترانزیستورها زوج دارلینگتون می‌گویند.

اگر بخواهیم از این مدار به‌عنوان راه‌انداز یک مدار دیگر استفاده کنیم باید از یک رله به جای لامپ ${I_1}$ مطابق شکل 20-1 ب، بهره بگیریم. 

$T{r_1} = T{r_2} = 2N3053$

یا 

$BC140$