أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية

الدرس (الفصل) الأول : نظرية التيار المستمر DC Theory

1- الجهد والتيار والمقاومة Voltage, Current and Resistance

أ‌- تمهيد : الارتباط بين الجهد والتيار والمقاومة
تتكون جميع المواد من ذرات , وتتكون جميع الذرات من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات . البروتونات بها شحنة كهربائية موجبة , والنيترونات ليس بها شحنة بينما الألكترونات بها شحنة سالبة . ترتبط مكونات الذرات معا بواسطة قوى التجاذب القوية الموجودة بين البروتونات الموجودة فى النواة والإلكترونات الموجودة بالغلاف الخارجى . عندما تكون تلك البروتونات والنيوترونات والإلكترونات معا داخل الذرة تكون فى حالة إستقرار stable. فى حين إذا فصلناها ( عن طريق بذل شغل أى طاقة خارجية للتغلب على قوى التجاذب ) يصبح بها طاقة كامنة تسمى "فرق الجهد" potential difference . فإذا أنشأنا دائرة أو موصل للإلكترونات لتنجرف عائدة للبروتونات عندئذ يسمى سريان ( مرور – تدفق ) الإلكترونات "التيار" current . الإلكترونات لا تتحرك بحرية خلال الدائرة , وتقييد هذه الحركة أو السريان يسمى "المقاومة" resistance . جميع الدوائر الأساسية فى الكهرباء والإلكترونيات مكونة من ثلاثة كميات منفصلة ولكنها مرتبطة أرتباطا وثيقا وهى : الجهد Voltage ( v ) و التيار Current ( i ) والمقاومة
Resistance ( Ω ) .

ب‌- الجهد Voltage
هو الطاقة الكامنة لمصدر الكهرباء والمخزنة على شكل شحنة كهربائية . يمكن النظر للجهد كقوة تدفع الإلكترونات خلال الموصل وكلما زاد الجهد زادت القدرة على دفع الإلكترونات خلال دائرة معينة . ولأن الطاقة لها القدرة على بذل الشغل فأن طاقة الكمون هذه يمكن وصفها على أنها الشغل المطلوب بالجول لتحريك الإلكترونات على شكل تيار كهربائى حول الدائرة من نقطة أو عقدة (ملتقى عدة مسارات) إلى أخرى . الفرق فى الجهد بين أى عقدتين فى دائرة يعرف " بفرق الجهد " Potential Difference واختصارا P.D. وأحيانا يسمى "هبوط الجهد" Voltage Drop .

يقاس فرق الجهد بين نقطتين بالفولت Volts ويرمز له بالحرف V وأحيانا يستخدم رمز الطاقة E للدلالة على فرق الجهد . كما ذكرنا كلما زاد الجهد كلما زاد الضغط ( أو قوة الدفع) وكلما زادت القدرة على بذل الشغل .
مصدر الجهد الثابت يسمى " جهد مستمر " DC voltage , بينما الجهد الذى يتغير دوريا مع الزمن يسمى "جهد متردد أو متغير " AC voltage .

يقاس الجهد بالفولت ويعرف الفولت الواحد بأنه الضغط الكهربائى المطلوب لدفع تيار كهربائى قدرة واحد أمبير خلال مقاومة قدرها واحد أوم . عامة يعبر عن الجهد بالفولت ويمكن وضع لاحقة للدلالة على أجزاء و مضاعفات الفولت مثل الميكروفولت ( μV = 10-6 V ) والملى فولت ( mV = 10-3 V ) أو الكيلوفولت
]size=18]( kV = 103 V ) . الجهد يمكن أن يكون أما موجب أو سالب .[/size]

غالبا ما تستخدم البطاريات أو وحدات الإمداد بالقدرة لإنتاج تيار مستمر DC كمصدر للجهد مثل
5v, 12v, 24v فى الدوائر والأنظمة الإلكترونية . فى حين مصادر التيار المتردد AC تكون متاحة الأجهزةالمنزلية وفى الصناعة وفى الإضاءة علاوة على عملية نقل القدرة . جهد الشبكة mains فى بعد الدول
230 volts a.c. وفى دول أخرى 110 volts . عادة ما تعمل الدوائر الإلكترونية على جهد مستمر منخفض يتراوح بين 1.5v و 24v .
رمز الدائرة الكهربية لمصدر الجهد الثابت عادة ما يعطى كرمز البطارية مع وجود إشارة الموجب ""+ والسالب –"" لبيان إتجاه القطبية .
رمز الدائرة الكهربية لمصدر الجهد المتردد عبارة عن دائرة بداخلها موجة جيب الزاوية .

يمكن تصور وجود علاقة تشابه (تماثل – تناظر ) بين خزان من الماء ومصدر الجهد . فكلما زاد إرتفاع الماء فى الخزان عن مخرج (مأخذ) الماء كلما إزداد ضغط الماء حيث يتم إطلاق طاقة أكبر وأيضا كلما إزداد الجهد كلما زادت طاقة الكمون وكلما زادت الإلكترونات المنطلقة .
دائما ما يقاس الجهد كفرق بين أى بين نقطتين بالدائرة ويعرف فرق الجهد بين هاتان النقطتان "بهبوط الجهد" "Voltage drop"

مصدر جهد سواء مستمر DC أو متردد AC يجب عدم توصيله بدائرة مقصورة short circuit لأنها يمكن أن تتسبب فى تدميره.

ت‌- التيار الكهربائى Electrical Current

التيار الكهربائى هو تحرك أو سريان الشحنة الكهربائية ويقاس بالأمبير ويرمز له بالرمز i ( من "شدة" intensity لذلك يمكن القول "شدة التيار" ) . وهو السريان المستمر والمنتظم (يسمى إنجراف أو إندفاع) للإلكترزنات ( الجزيئات السالبة بالذرة) حول دائرة حيث يتم دفعه بمصدر جهد . فى الحقيقة تسرى الإلكترونات من الطرف السالب (-ve) إلى الطرف الموجب (+ve) لمصدر القدرة ولتسهيل فهم الدائرة أصطلح على إفتراض أن " التيار يسرى من الطرف الموجب إلى الطرف السالب " . عامة فى مخططات الدوائر يعبر عن سريان التيار بسهم مصحوب بالرمز I أو i لبيان الاتجاه الفعلى لسريان التيار . مع ذلك فإن هذا السهم عادة يبين الاتجاه الاصطلاحى لسريان التيار ولا نحتاج للاتجاه الفعلى .

سريان التيار الاصطلاحى Conventional Current Flow

تم الاتفاق (الاصطلاح) على أن هذا التيار هو سريان الشحنة الموجبة حول الدائرة . الشكل التالى يبين حركة الشحنة الموجبة ( تسمى فتحات holes ) والتى تسرى من الطرف الموجب للبطارية وخلال الدائرة وتعود إلى الطرف السالب للبطارية .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية DCr63553

فى مخططالت الدوائر الكهربية الأسهم الموجودة فى بعض العناصر (المكونات) مثل الدايودات والترانزستورات تشير إلى اتجاه سريات التيار الاصطلاحى . التيار الاصطلاحى يسرى عكس اتجاه سريان الإلكترونات .

سريان الإلكترون Electron Flow

سريان الإلكترونات حول الدائرة يكون عكس اتجاه سريان التيار الاصطلاحى .التيار المار فى الدائرة مكون من إلكترونات تسرى من القطب السالب للبطارية ( الكاثود ) ويعود للقطب الموجب للبطارية (الأنود) . وذلك لأن شحنة الإلكترون سالبة ومن ثم تنجذب إلى الطرف الموجب . سريان الإلكترونات يسمى "سريان التيار الإلكترونى " . نتئجة لذلك تسرى الإلكترونات من الطرف السالب إلى الطرف الموجب .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية GfR63627

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية GfR63627

عامة من الأسهل كثيرا فهم سريان التيار الاصطلاحى (من الطرف الموجب إلى الطرف السالب ) .
فى الدوائر الإلكترونية , مصدر التيار current source هوعنصر من عناصر الدائرة والذى يوفر مقدار محدد من التيار , على سبيل المثال 1A, 5A 10 Amps ألخ . رمز الدائرة لمصدر التيار الثابت يعطى كدائرة بداخلها سهم لبيان اتجاهه . يقاس التيار بالأمبير ويعرف الأمبير " بعدد الإلكترونات أو الشحنة ( Q بالكولوم) التى تمر خلال نقطة محددة بالدائرة فى الثانية الواحدة (t بالثوانى ) " . عامة يعبر عن التيار بالأمبير وسابقةprefixes لبيان الميكروأمبير (μA = 10-6A) أو الملى أمبير (mA = 10-3A) . يمكن للتيار أن يكون موجب أو سالب .

التيار الذى يسرى فى اتجاه واحد يسمى تيار مستمر Direct Current, or D.C . والتيار الذى يتغير (يتردد) ذهابا وإيابا خلال الدائرة يعرف بالتيار المتغير أو المتردد Alternating Current, or A.C. وسواء أكان التيار مستمر أو متردد فأنه يسرى فى الدائرة فقط عندما يتم توصيل مصدر جهد بالدائرة ويتحدد سريان التيار بكل من مقاومة الدائرة وبمصدر الجهد الذى يدفعه . وأيضا , لأن التيارات المترددة (والجهود) تكون دورية وتتغير مع الزمن يتم التعبيير عنها بالقيمة "التأثيرية" أو "الفعالة" "effective" (وهى "قيمة الجذر التربيعى لمتوسط المربعات " "RMS",(Root Mean Squared) يرمز لها بالرمز Irms) والتى تنتج نفس متوسط القدرة المفقودة والذى يكافىء التيار المستمر Iaverage . مصادر التيار على عكس مصادر الجهد فى أنها تفضل الدوائر المغلقة ولكن الدوائر المفتوحة لا يمر بها تيار .

المقاومة Resistance

مقاومة الدائرة هى القدرة على مقاومة أو منع سريان (تدفق) التيار (سريان الإلكترونات) خلال هذه الدائرة مما يجعل من الضرورى تطبيق جهد أكبير بالدائرة لكى يسبب سريان التيار مرة أخرى . تقاس المقاومة بالأوم , ويرمز لها بالرمز اللاتينى "أوميجا" ( Ω, Omega ) , مع استخدام سابقات prefixes للدلالة على "الكيلو أوم " Kilo-ohms (kΩ = 103Ω) و "الميجا أوم " Mega-ohms (MΩ = 106Ω) . المقاومة دائما موجبة ولا يمكن أن تكون سالبة .

رموز المقاومة Resistor Symbols:

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية 0Ij63685

قيمة المقاومة تحدد كون الدائرة "موصل جيد للكهرباء " (مقاومة منخفضة) أو "موصل ردىء" (مقاومة مرتفعة) . المقاومة المنخفضة , على سبيل المثال واحد أوم 1Ω أو أقل تعنى أن الدائرة موصل جيد وهى تصنع من المواد جيدة التوصيل للكهرباء مثل النحاس أوالألمنيوم أو الكربون , بينما المقاومة المرتفعة , على سبيل المثال واحد ميجا أوم 1MΩ أو أكثر تعنى أن الدائرة رديئة التوصيل للكهرباء وهى تصنع من المواد العازلة مثل الزجاج أو البورسلين أو البلاستيك . من جهة أخرى فإن مواد "أشباه الموصلات" "semiconductor" مثل السليكون والجرمانيوم هى مواد لها مقاومة فى المنتصف ما بين الموصضل الجيد والعازل الجيد . تستخدم أشباه الموصلات فى صناعة الدايودات والترانزستورات ..ألخ .

يمكن للمقاومة أن تكون ذات طبيعة "خطية" linear أو ذات طبيعة غير "خطية" non-linear . المقاومة الخطية تتبع (تطيع) "قانون أوم" Ohm's Law حيث تقوم بالتحكم أو تحديد قيمة التيار الذى يمر بالدائرة بما يتناسب مع مصدر الجهد الموصل بهذه الدائرة وبالتالى نقل القدرة إلى الحمل . المقاومات الغير خطية لا تتبع قانون أوم ولكن يكون عليها هبوط فى الجهد والذى يرتبط بالتيار بعلاقة رياضية غير خطية . المقاومة "نقية" pure ( مقاومة فقط) ولا تتأثر بالتردد أى أن "معاوقة" المقاومة للتيار المتردد تساوى "مقاومة" المقاومة للتيار المستمر ولذلك فهى لا يمكن أن تكون سالبة بل المقاومة دائما موجبة . أيضا المقاومة هى "موهن" attenuator أى لها القدرة على تغيير خواص الدائرة بالتأثير على مقاومة الحمل أو بالحرارة والتى تغير من قيمة المقاومة النوعية للمقاومة resistivity .

للقيم الصغيرة جدا من المقاومة , على سبيل المثال "الملى أوم" milli-ohms, (mΩ´s) أحيانا يكون من الأسهل كثيرا أستخدام مقلوب المقاومة (1/R) عن استخدام المقاومة (R) نفسها . مقلوب المقاومة يسمى "الموصلية" Conductance ويرمز لها بالرمز (G) وهى قدرة الموصل أو الجهاز على توصيل الكهرباء والقيمة الكبيرة للموصلية تعنى موصل جيد للكهرباء والقيمة المنخفضة لها تعنى موصل ردىء . وحدة الموصلية هى "السيمن" Siemen ورمزها (S) .

عند استخدام التناظر بعلاقات الماء : المقاومة تناظر قطر أو طول الإنبوبة (الماسورة) التى يتدفق الماء خلالها. كلما صغر قطر الإنبوبة كلما إزدادت المقاومة لتدفق الماء .

العلاقة بين الجهد والتيار فى دائرة ذات مقاومة ثابتة :

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Oc763745

العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة تشكل أساس قانون أوم والذى ينص على أنه فى أى دائرة خطية " إذا تم زيادة الجهد فإن التيار يزداد ، وإذا تم زيادة المقاومة فإن التيار يتخفض ".

الخلاصة :

الجهد أو فرق الجهد هو مقياس لطاقة كامنة بين نقطتين فى الدائرة وغالبا ما يشار إليه "بهبوط الجهد" "volt drop" .

عند توصيل مصدر جهد بدائرة مغلقة فإن الجهد سوف ينتج سريان تيار حول الدائرة .
فى مصادر الجهد المستمر يستخدم الرمز +ve (positive) والرمز -ve (negative) للدلالة على قطبية مصدر القدرة .
يقاس الجهد بالفولت "Volts" ويرمز له بالرمز "V" للجهد أو الرمز "E" للطاقة .
سريان التيار هو دمج بين سريان الإلكترون وسريان الفتحة خلال الدائرة .
التيار هو السريان المستمر والمنتظم للشحنة حول الدائرة ويقاس بالأمبير ويرمز له بالرمز "I" .
القيمة الفعالة (rms) للتيار المتردد لها نفس متوسط فقط القدرة المكافىء لسريان تيار مستمر خلال عنصر ذات مقاومة .
المقاومة هى إعاقة سريان التيار حول الدائرة .
القيم المنخفضة للمقاومة تعنى موصل والقيم المرتفعة للمقاومة تعنى عازل .
تقاس المقاومة بالأوم ويرمز لها بالرمز "Ω" .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية TIC63838

ما شاء الله عليك اخى عبودى .. الموضوع مهم ولا غنى عنه للمبتدئين والمحترفين
اتمنى لك التوفيق والاستمرار ونحن نتابع معك
تحياتى

Admin كتب:: ما شاء الله عليك اخى عبودى .. الموضوع مهم ولا غنى عنه للمبتدئين والمحترفين
اتمنى لك التوفيق والاستمرار ونحن نتابع معك
تحياتى

شكرا جزيلا استاذى واخى العزيز على تشجيعك المستمر ونورت الموضوع بمرورك

ان شاء الله اكمل ما الموضوع

الدرس الثانى : قانون أوم – القدرة والطاقة فى الدوائر الكهربائية

قانون أوم Ohms Law

العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة فى أى دائرة كهربائية للتيار المستمر أكتشفت فى البداية بواسطة عالم الفيزياء الألمانى "جورج أوم " . وجد جورج أوم أنه : عند ثبوت درجة الحرارة يتناسب التيار الكهربائى المار خلال مقاومة ثابتة خطية تناسبا مباشرا للجهد المطبق عبرها وأيضا يتناسب عكسيا مع المقاومة . هذه العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة تشكل أساس قانون أوم فى صورة المعادلة التالية :

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية TaA73027

بمعرفة أى قيمتين من الكميات " الجهد والتيار والمقاومة " يمكننا استخدام قانون أوم لإيجاد قيمة الكمية الثالثة المجهولة . يستخدم قانون أوم على نطاق واسع فى صيغ الإلكترونيات وحسباتها ولذلك فمن المهم فهم وتذكر الصيغ التالية بدقة :

· لإيجاد الجهد V :

[V = I x R] V (volts) = I (amps) x R (Ω)

· ولإيجاد التيار I :

[I = V ÷ R] I (amps) = V (volts) ÷ R (Ω)

· ولإيجاد المقاومة R :

[R = V ÷ I] R (Ω) = V (volts) ÷ I (amps)

أحيانا يكون من السهل تذكر علاقة قانون أوم باستخدام الصور . يوجد لدينا ثلاثة كميات V , I , R تركب فى مثلث (يسمى مثلث قانون أوم ) مع جعل الجهد بأعلى والتيار والمقاومة بالأسفل . هذا الترتيب يمثل الموقع الفعلى لكل كمية فى صيغ قانون أوم .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Zml73115

باستخدام قانون أوم يمكننا أن نرى أن جهد قيمته واحد فولت 1V عندما يطبق على مقاومة قيمتها واحد أوم 1Ω سوف يسبب سريان تيار قيمته واحد أمبير 1A , وكلما زادت المقاومة كلما قل سريان التيار عند تطبيق جهد محدد . أى جهاز كهربائى أو عنصر ينطبق علية قانون أوم أى أن التيار المار خلالة يتناسب مع الجهد عبره (I α V) , مثل المقاومات والكابلات , يطلق عليها ذات طبيعة "أومية" "Ohmic" بينما الأجهزة التى لا ينطبق عليها قانون أوم , مثل الترانزستورات والدايودات يطلق عليها أجهزة "غير أومية" "Non-ohmic" .

القدرة فى الدوائر الكهربائية Power in Electrical Circuits

القدرة الكهربائيةPower(P) فى دائرة هى كمية الطاقة energy التى تمتص أو تنتج بهذه الدائرة . مصدر الطاقة , مثل الجهد , سوف ينتج أو يمد بالقدرة بينما الحمل المتصل بالدائرة يمتصها . رمز كمية الطاقة هو P وهو حاصل ضرب الجهد فى التيار ووحدات قياسه هى "الوات" Watt (W) ويمكن استخدام سابقة للدلالة على "الملى وات" milliwatts (mW = 10-3W) أو"الكيلو وات" kilowatts (kW = 103W . باستخدام قانون أو وبالتعويض عن V, I ,R يمكن الحصول على صيغة القدرة الكهربائية كما يلى :

[P = V x I] P (watts) = V (volts) x I (amps)

أيضا :

[P = V2 ÷ R] P (watts) = V2 (volts) ÷ R (Ω)

أيضا :

[P = I2 x R] P (watts) = I2 (amps) x R (Ω)

مرة أخرى يمكن تركيب الكميات الثلاثة فى مثلث ولكن هذه المرة يسمى "مثلث القدرة" بوضع القدرة بالأعلى والتيار والجهد بالأسفل . هذا الترتيب يمثل الوضع الفعلى لكل كمية كما فى الشكل التالى :

[b]نقطة أخرى حول القدرة
إذا كانت القدرة المحسوبة من أى صيغة موجبة القيمة فهذا يعنى أن العنصر يمتص القدرة , ولكن إذا كانت القدرة المحسوبة سالبة القيمة فهذا يعنى أن العنصر ينتج قدرة , وبمعنى آخر يكون مصدر للطاقة الكهربائية . أيضا عرفنا أن وحدة القدرة هى الوات ولكن بعض الأجهزة الكهربية مثل المحركات لها معدل قدرة "بالحصان" Horsepower or hp . العلاقة بين الحصان والوات تعطى بالمعادلة التالية :

1hp = 746W.

خريطة "فطيرة قانون أوم" Ohms Law Pie Chart :

الآن يمكننا أخذ جميع الكميات : الجهد والتيار والمقاومة والقدرة ونركزها فى خريطة بسيطة تسمى "خريطة فطيرة قانون أوم " والتى تستخدم فى دوائر وحسابات التيار المستمر DC .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية YQF73557

مثال :
فى الدائرة المبينة بالشكل التالى أوجد الجهد V والتيار I والمقاومة R والقدرة P .

Voltage [ V = I x R ] = 2 x 12Ω = 24V
Current [ I = V ÷ R ] = 24 ÷ 12Ω = 2A
Resistance [ R = V ÷ I ] = 24 ÷ 2 = 12 Ω
Power [ P = V x I ] = 24 x 2 = 48W

تتواجد القدرة بالدائرة الكهربائية فقط عند تواجد كل من الجهد والتيار , على سبيل المثال : فى حالة الدائرة المفتوحة Open-circuit يوجد جهدولكن لا يوجد سريان للتيار I = 0 (zero) لذلك V x 0 = 0 أى أن القدرة المشتتة بالدائرة فى هذه الحالة تكون أيضا بصفر . وبطريقة مماثلة , إذا كان لدينا حالة دائرة قصر
Short-circuit , يوجد سريان للتيار ولكن لا يوجد جهد V = 0 لذلك 0 x I = 0 أى مرة أخرى القدرة المشتتة بالدائرة فى هذه الحالة بصفر .

القدرة الكهربائية هى حاصل الضرب V x I , القدرة المشتتة بالدائرة هى نفسها سواء أكانت الدائرة تحتوى على جهد مرتفع وتيار منخفض أو جهد منخفض وتيار مرتفع . عامة يتم تشتيت (تبديد) القدرة على شكل طاقة حرارة Heat (فى السخانات) أو شغل ميكانيكى (المحركات) أو ..ألخ.

الطاقة فى الدوائر الكهربائية Energy in Electrical Circuits

الطاقة الكهربائية التى تمتص أو تنتج هى حاصل ضرب القدرة الكهربائية مقاسة بالوات والزمن بالثوانى . وحدات قياس الطاقة الناتجة تكون " بالوات – ثانية" Watt-seconds أو "بالجول" Joules .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Bij74369

على الرغم من أن الطاقة الكهربائية تقاس بالجول فيمكن أن تكون قيمها كبيرة جدا عند استخدامها فى حساب الطاقة المستهلكة بالمكونات . على سبيل المثال , مصباح واحد قدرته 100 وات موصل لمدة ساعة واحدة سوف يستهلك إجمالى : 100 watts x 3600 sec = 360,000 Joules . لذلك يمكن استخدام سابقة مثل "الكيلو جول " (kJ = 103J) أو "الميجا جول " (MJ = 106J) .
إذا قيست القدرة بالكيلووات والزمن بالساعات عندئذ تكون وحدات الطاقة "كيلووات ساعة " kWh وهى شائعة الاستخدالم باسم "وحدة الكهرباء" وهى التى يقوم المستهلك بشرائها من شركات الإمداد بالكهرباء .

الدرس الثالث : وحدات القياس الكهربائية Electrical Units of Measure

الوحدات القياسية SI المستخدمة لقياس الجهد والتيار والمقاومة هى :الفولت Volt [ V ] و الأمبير Ampere [ A ] والأوم Ohms [ Ω ] على الترتيب . أحيانا فى الدوائر الكهربائية والإلكترونية وفى الأنظمة يكون من الضرورى استخدام مضاعفات أو أجزاء من هذه الوحدات القياسية عندما تكون الكميات المقاسة كبيرة جدا أو صغيرة جدا .
الجدول التالى يعطى قائمة ببعض الوحدات القياسية المستخدمة :

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية QDj74777

المضاعفات والأجزاء Multiples and Sub-multiples
يوجد مدى واسع من القيم التى نواجهها فى الهمدسة الكهربائية والإلكترونية تقع بين قيم حدود عظمى وقيم حدود دنيا من الوحدات القياسية الكهربائية . على سبيل المثال , المقاومة يمكن أن تكون منخفضة عن 0.01Ω's أو مرتفعة عن 1,000,000Ω's . باستخدام مضاعفات وأجزاء الوحدات القياسية يمكن تجنب كتابة أصفار كثيرة .
الجدول التالى يعطى المضاعفات والأجزاء :

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Kun74848

لبيان الوحدات أو مضاعفات الوحدات لكل من الجهد والتيار والمقاومة نستعرض المثال التالى :

.

ما هذا الجمال اخى عبودى ، اساسيات لا غنى عنها

بارك الله فيك .. واستمر ونحن معك

بارك الله فيك اخى عبودى
موضوع رائع ومفيد

الدرس الرابع: المقاومات Resistors : أنواعها – شفرة الألوان – التوصيلات المختلفة – فرق الجهد – مقسم الجهد – معدل القدرة

الأنواع المختلفة من المقاومات :

المقاومات هى أكثر المكونات شيوعا وتعتبر أساسا لجميع الدوائر الإليكترونية . توجد أنواع متعددة من المقاومات متاحة لمن يقوم ببناء دائرة إلكترونية وتتراوح ما بين المقاومات الصغيرة جدا التى على شكل "شرائح تركب على السطح" وحتى المقاومات الكبيرة ذات القدرة المرتفعة والتى على شكل "سلك ملفوف" . الوظيفة الأساسية للمقاومة بالدائرة الكهربائية أو الإلكترونية هى أنها "تقاوم" "resist" (ومنها اشتق اسمها) أو "تعيق" أو "تحدد" سريان الإلكترونات خلالها باستخدام نوع المادة المكونة لها . يمكن للمقاومة أيضا أن تقوم بالعمل " كخافض للجهد " أو "كمقسم للجهد" بالدائرة .

المقاومات من الأجهزة "الغير فعالة" [b]Passive أى أنها لا تحتوى على مصدر للقدرة ولا تقوم بالتكبير ولكن فقط تقوم بتوهين أو تخفيض إشارة الجهد التى تمر خلالها .

لكى يسرى تيار بالمقاومات يتطلب ذلك وجود فرق فى الجهد بين طرفيها . هذا الفرق فى الجهد (الطاقة الكامنة) يعادل الطاقة المفقودة . عند استخدام المقاومات فى دوائر التيار المستمر DC يعرف فرق الجهد أيضا باسم "هبوط الجهد" على المقاومة voltage drop ويقاس عبر طرفيها أثناء سريان التيار خلالها .

معظم المقاومات أجهزة "خطية" [b]linear أى أنها تنتج هبوط فى الجهد بين طرفيها عند سريان تيار خلالها طبقا لقانون أوم .القيم المختلفة من المقاومة تنتج قيم مختلفة من التيار أو الجهد . وهو يمكن أن يكون مفيد جدا فى الدوائر الإلكترونية عن طريق التحكم أو تخفيض أى من سريان التيار أو الجهد عبرها .
يوجد عدة ألاف من أنواع المقاومات المختلفة ويتم إنتاجها فى أشكال متنوعة وخواص معينة وبدقة تناسب مجال التطبيق مثل الاستقرار المرتفع و الجهد المرتفع والتيار المرتفع ..ألخ أو قد تستخدم كمقاومات ذات أغراض عامة حيث لا تشكل خواصها أى مشكلة . بعض الخواص المشتركة فى المقاومات المتواضعة هى :
معامل درجة الحرارة ومعامل الجهد والضوضاء والاستجابة للتردد والقدرة علاوة على معدل درجة الحرارة والحجم الطبيعى والدقة (الوثوقية ) .

الرمز الشائع الاستخدام فى جميع الدوائر الكهربائية والإلكترونية هو شكل خطوط "الزج زاج" "zig-zag" مع وجود قيم المقاومة بالأوم Ω . تتراوح قيم المقاومات الثابتة من أقل من الواحد أوم إلى ما فوق عشرات الملايين من الأوم . المقاومات الثابتة لها قيمة مقاومة واحدة , على سبيل المثال 100Ω ولكن المقاومات المتغيرة (البوتنشوميتر) (potentiometers) يمكن أن توفر عدد لانهائى من قيم المقاومات بين الصفر وقيمتها العظمى .

رمز المقاومة المستخدم فى المخططات والرسومات الكهربائية يمكن أن يكون بشكل خطوط زج زاج أو بشكل صندوق مستطيل .

يمكن تصنيف جميع المقاومات الحديثة إلى أربعة مجاميع :

· مقاومات تعتمد فى بنائها على الكربون ضمن مركب Carbon Composition: تصنع من رماد الكربون أو عجينة الجرافيت ، للمقومات ذات القدرة المنخفضة .

· المقاومات الغشائية أو السيرميت Film or Cermet: تصنع من عجينة أكسيد مادة موصلة ، للمقومات ذات القدرة المنخفضة .

· مقاومات السلك الملفوف Wire-wound : تحتوى على جسم معدنى يعمل كمشتت (مبدد) للحرارة heat-sink , للمقومات ذات القدرة المرتفعة .

· مقاومات أشباه الموصلات Semiconductor : للترددات والدقة المرتفعة , بتقنية الغشاء وتركب على السطح .

يوجد أنواع كبيرة ومتنوعة من المقاومات الثابتة والمتغيرة وبأساليب بناء مختلفة متاحة فى كل مجموعة وكل واحدة لها خواصها الخاصة بها وميزاتها وعيوبها بالمقارنة مع الأخرى . سوف نركز على تناول أكثر الأنواع شيوعا والمتوفرة بسهولة ذات الأغراض العامة .

مقاومات نوع "المركب" Composition Type Resistors

المقاومات الكربونية هى النوع الشائع من هذا النوع لأنها رخيصة الثمن وتستخدم فى الأغراض العامة بالدوائر الكهربائية والإلكترونية . يصنع العنصر المقاوم من خليط من رماد الكربون (حبيبات دقيقة) أو الجرافيت (مادة سن القلم الرصاص) ومسحوق السيراميك (نوع من الطين ) الغير موصل ويتم خلطهما معا .

نسبة رماد الكربون إلى مسحوق السيراميك (أى المادة الموصلة إلى المادة العازلة) تحدد قيمة المقاومة الكلية للخليط وكلما إرتفعت نسبة الكربون كلما إنخفضت المقاومة الكلية . يصب الخليط على شكل إسطوانة مع توصيل أسلاك معدنية تسمى "الأطراف" بكل نهاية لتوفير التوصيل الكهربائى , وقبل تغطيتها بمادة عازلة خارجية ووضع علامات شفرة الألوان للدلالة على قيمة المقاومة كما فى الشكل التالى :

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية 1GP26999

مقاومات مركب الكربون من النوع منخفض أو متوسط القدرة ولها معامل حث [b]inductance منخفض مما يجعلها مثالية لتطبيقثات الترددات المرتفعة ولكنها أيضا تعانى من الضوضاء والاستقرار عندما تصبح ساخنة.

مقاومات مركب الكربون عامة تعطى السابقة "CR" ( مثال CR10kΩ ) وهى متاحة بدقة (سماح) : ±20% ( فى نظام معيارى أو قياسى يسمى E6 ) أو ±10% ( فى النظام E12 ) أو ±5% (النظام E24 ) وبمعدل قدرة من 1/8أو 1/4 الوات وحتى 2 وات .
مقاومات مركب الكربون رخيصة جدا لذلك فهى شائعة الاستخدام فى الدوائر الكهربائية .ومع ذلك , ونظرا لوجود قيمة سماح كبيرة بها فعند طلب طلب أكبر وقيم مقاومة مرتفعة يستخدم بدلا منها مقاومات من نوع الغشاء (طبقة رقيقة) film .

المقاومات من نوع الغشاء Film Type Resistors

المصطلح" مقاومة غشائية" يشمل أنواع المقاومات ذات الغشاء المعدنى والغشاء الكربونى وغشاء أكسد المعدن والتى تصنع بترسيب معادن نقية (مثل النيكل) أو الأوكسيد (مثل أوكسيد القصدير ) فوق عامود أو ركيزة من السيراميك العازل

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Qm027386

قيمة المقاومة يتم التحكم فيها بزيادة السمك المطلوب للغشاء المرسب ومن ثم يكون لدينا مقاومات باسم "مقومات ذات غشاء سميك" "thick-film resistors" أو "مقاومات ذات غشاء دقيق " "thin-film resistors". بمجرد الترسيب يستخدم الليزر فى قطع تجويف (مجرى) حلزونية دقيقة بهذا الغشاء . قطع الغشاء له تأثير زيادة طول المسار الموصل وهو يشبه كما لو أخذنا سلك طويل مستقيم وشكلناه فى شكل ملف . هذه الطريقة فى التصنيع تسمح بالحصول على مقاومات أكثر دقة (1% أو أقل) بالنسبة للمقاومات الكربونية البسيطة .

مقاومات الغشاء المعدنى لها أستقرار لدرحة الحرارة أفضل من المقاومات الكربونية المكافئة وأقل فى الضوضاء وهى عامة أفضل فى تطبيقات التردد المرتفع وتردد الراديو . مقاومات أكسيد المعدن لها قدرة أفضل فى تحمل إندفاع التيار مع معدل حرارة أعلى من نظيرتها من مقاومات الغشاء المعدنى .

النوع الأخر من مقاومة الغشاء والمعروفة باسم "مقاومة الغشاء السميك" تصنع بترسيب عجينة موصلة مكونة من "السيراميك أو الخزف " CERamic والمعدن METal وتسمى "سيرميت"Cermet فوق ركيزة من "ألومينا السيراميك" . مقاومات السيرميت لها خواص مماثلة لمقاومات الغشاء المعدنى وعامة تستخدم فى تصنيع شرائح المقاومات التى تركب على السطح و المقاومات المتعددة (الشبكات networks ) المشكلة داخل غلاف واحد وفى مقاومات التردد المرتفع . هذا النوع من المقاومات له إستقرار حرارى جيد وضوضاء منخفضة ومعدل جهد جيد ولكن قدرتها على تحمل إندفاع التيار منخفضة .

مقاومات الغشاء المعدنى يسبقها الحروف "MFR" للدلالة عنها (مثال MFR100KΩ ) أما أنواع الغشاء الكربونى فيسبقها الحروفCF . مقاومات الغشاء المعدنى متوفرة بدقة E24 (±5% & ±2%) وبدقة E96 (±1%) وبدقة E192 (±0.5%, ±0.25% & ±0.1%) . وبمعدل قدرة 0.05 (1/20th) من الوات حتى 1/2 وات . عامة يمكن القول أن المقاومات الغشائية "عناصر دقيقة وذات قدرة منخفضة" .

أنواع مقاومات السلك الملفوفWire-wound Type Resistors

نوع آخر من المقاومات , يسمى "مقاومات السلك الملفوف" , وتصنع بلف سلك رفيع من سبيكة المعادن (مثل النيكل كروم) فوق قلب (هيكل - فورمة) من السيراميك العازل على شكل حلزون مثل مقاومة الغشاء المذكورة أعلاه .
هذا النوع من المقاومات عامة يتوفر فقط بقيم مقاومة منخفضة وبقدرة مرتفعة ( من 0.01 إلى 100kΩ ) نتيجة لدقة مقاس السلك ولعدد لفاته على القلب مما يجعلها مثالية للاستخدام فى تطبيقات دوائر القياس وقنطرة هويستون Whetstone bridge . كما أن لها القدرة على تناول تيارات أكبر بكثير من باقى المقاومات ومعدلات قدرة تزيد عن 300 وات .
هذه المقاومات ذات القدرة المرتفعة يتم صبها أو ضغطها فى مشتت حرارى من الألمنيوم مع وجود تلامس جيد لزيادة سطحها الكلى ومن ثم سرعة التبريد . هذا النوع من المقاومات يسمى " مقاومات تركب على شاسيه" للأنها مصممة للتركيب فى الطبيعة على مشتت حرارة أو ألواح معدنية لزيادة قدرتها على تحمل تيارات أكبر كما فى الشكل التالى .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية FtV28119

نوع آخر من مقاومات السلك الملفوف هو " مقاومة القدرة ذات السلك الملفوف" . وهى ذات درجة حرارة مرتفعة وقدرة مرتفعة وليس لها معامل حث وغالبا ما تغطى بالإيبوكسى الزجاجى للاستخدام فى مجاميع المقاومات وتستخدم فى تطبيقات التحكم فى محركات التيار المستمر DC motor وفى الفرامل الديناميكية كما أنها تستخدم كسخانات للحيز الداخلى للوح (كبائن) التحكم الكهربائى .
هذا النوع من المقاومات يلف حول أنبوبة من السيراميك أو البورسلين المغطاة بالميكا لمنع سبيكة السلك من التحرك عندما تسخن .
مقاومات السلك الملفوف متوفرة بقيم مقاومة متعدد وبمعدلات قدرة مختلفة حيث تستخدم كسخانات (شمعات) للتدفئة حيث يتحول سريان التيار الكهربائى خلالها إلى حرارة وكل عنصر (شمعة) يمكن أن يشتت قدرة تصل إلى 1000 وات .
نظرا لأن السلك ملفوف على شكل ملف فهو يعمل كمحاثة inductor تسبب وجود معامل حث بالإضافة إلى المقاومة وعندما تستخدم فى دوائر التيار المتردد تسبب إزاحة فى الوجه عند الترددات المرتفعة وخاصة للمقاومات ذات الأجحام الكبيرة . لذلك يجب عدم استخدام مقاومات السلك الملفوف فى تصميم دوائر التيار المتردد أو دوائر المكبرات عند ترددات تغير من المقاومة . مع ذلك توجد مقاومات سلك ملفوف بدون معامل حث خاصة .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Vu528176

للدلالة على أنواع مقاومات السلك الملفوف يسبق قيمتها الحروف "WH" مثل WH10Ω وهى متوفرة بنوع ذات كسوة من الألمنيوم (بدقة (±1%, ±2%, ±5% & ±10% وبنوع مغطى بمينا زجاجى (بدقة (±1%, ±2% & ±5% وبمعدل قدرة من 1 وات حتى 300 وات وأكثر .

الدرس الخامس: قانونى كيرشوف للدائرة الكهربية Kirchoff's Circuit Law

رأينا فى درس المقاومات أنه يمكن إيجاد مقاومة واحدة مكافئى Rt عندما يتم توصيل مقاومتين أو أكثر على التوالى أو على التوازى أو فى توليفة منهما وأن هذه الدوائر ينطبق عليها قانون أوم . ومع ذلك , أحيانل فى الدوائر المعقدة مثل التى على شكل "قنطرة" bridge أو التى على شكل حرف T , لا يمكننا ببساطة استخدام قانون أوم بمفرده لإيجاد الجهود والتيارات المنتشرة داخل الدائرة . لهذه الأنواع من الحسابات نحتاح لبعض القواعد التى تسمح لنا بالحصول على معادلات الدوائر ولهذا الغرض يمكننا استخدام قوانين كيرشوف .
في عام 1845 وضع الفيزيائي الألماني غوستاف كيرشوف زوجا أو مجموعة من القواعد أو القوانين التي تتعامل مع الحفاظ على التيار والقدرة داخل الدوائر الكهربائية ، واحد من هذه القوانين يتناول مرور التيار، يسمى قانون كيرشوف للتيار (KCL) والآخر يتناول الجهد ،قانون كيرتشوف للجهد (KVL)

قانون كيرشوف الأول – قانون التيار

ينص قانون كيرشوف للتيار على أن "التيار الكلي أو الشحنة التى تدخل إلى وصلة [/junction أو عقدة node يساوى بالضبط الشحنة التى تخرج من العقدة حيث لا يوجد لها مكان آخر تذهب إليه إلا الخروج وبالتالى لا يوجد فقد فى الشحنة داخل العقدة . وبعبارة أخرى المجموع الجبري لجميع التيارات الداخلة إلى والخارجة من عقدة يجب أن يساوى الصفر :

I(exiting) + I(entering) = 0

هذه الفكرة عرفها كيرشوف بالحفاظ على الشحنة Conservation of Charge.

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Yvf28517

فى الشكل السابق 3 تيارات تدخل إلى العقدة هى I1, I2, I3 وجميعها ذات قيمة موجبة و2 تيار تخرج من العقدة هما I4 , I5 وهى ذات قيمة سالبة . هذا يعنى أننا يمكن أن نكتب المعادلة كما يلى

I1 + I2 + I3 - I4 - I5 = 0

المصطلح "عقدة" Node فى الدوائر الكهربية عامة يشير إلى وصلة تلاقى مساران (أو عنصران) أو أكثر تحمل التيار مثل الكابلات والمكونات . أيضا لكى يمر تيار داخل أو خارج العقدة يجب تواجد ممر لدائرة مغلقة . يمكننا استخدام قانون أو للتيار عند تحليل دوائر التوازى .

قانون كيرشوف الثانى – قانون الجهد (KVL)

ينص قانون كيرشوف للجهد على أنه " فى أى حلقة لدائرة مغلقة , الجهد الكلى حول الحلقة يساوى مجموع جميع الهبوطات فى الجهد بنفس هذه الحلقة " ويساوى صفر أيضا . بعبارة أخرى المجموع الجبرى لجميع الجهود بالحلقة يجب أن يساوى صفر . فكرة كيرشوف هذه تعرف بفكرة الحفاظ على الطاقة

Conservation of Energy.

نبدأ من أى نقطة فى الحلقة ونستمر فى نفس الاتجاه ملاحظا اتجاه جميع هبوطات الجهد , موجبة أو سالبة ونعود مرة أخرى إلى نفس النقطة . من المهم الحفاظ على نفس الاتجاه سواء فى اتجاه عقارب السشاعة أو فى اتجاه عكس عقارب الساعة وإلا فإن الجهد المجموع سوف لا يساوى الصفر . يمكننا استخدام قانون كيرشوف للجهد عند تحليل دوائر التوالى .

تحليل الدوائر :

عند تحليل سواء دوائر التيار المستمر أو دوائر التيار المتردد باستخدام قانونى كيرشوف يستخدم عدد من التعاريف والمصطلحات لوصف أجزاء الدائرة التى يتم تحليلها مثل : العقدة node والمسارات أو الممرات paths و الفروع branches والحلقات loops والشبكات meshes . تستخدم هذه المصطلحات كثيرا فى تحليل الدوائر ولذلك فمن المهم أن نفهمها .
· الدائرة Circuit : الدائرة هى حلقة مغلقة لمسار توصيل حيث يمر التيار الكهربى .
· المسار أو الممر Path :هو خط من العناصر الموصلة أو مصادر القدرة والذى لا يحتوى على أى عنصر أو مصدر أكثر من مرة واحدة .
· العقدة Node : العقدة هى وصلة بالدائرة حيث يتم توصيل عنصرين أو أكثر معا لتعطى نقطة توصيل بين فرعين أو أكثر . يتم بيان العقدة بنقطة dot .
· الفرع Branch : الفرع هو عنصر أو مجموعة من العناصر أو المكونات components مثل مقاومات أو مصدر يوصل بين عقدتين .
· الحلقة Loop : الحلقة هى مسار مغلق بسيط بالدائرة والتى لا يتواجد فيها أى عنصر أو عقدة أكثر من مرة واحدة .
· الشبكة Mesh : الشبكة هى حلقة مفتوحة مفردة والتى ليس بها مسار مغلق . لا يوجد مكونات داخل الشبكة .
· تتصل المكونات على التوالى إذا كانت تحمل نفس التيار .
· تتصل المكونات علة التوازى إذا له نفس الجهد عبرها .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية IAc30046

مثال :
أوجد التيار المار فى المقاومة 40Ω - R3 .

أساسيات فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية Zw230074

الدائرة بها 3 فروع و 2 عقدة A و B و 2 حلقة مستقلة .
باستخدام قانون كيرشوف للتيار على العقد نحصل على :

At node A : I1 + I2 = I3
At node B : I3 = I1 + I2

وباستخدام قانون كيرشوف للجهد على الحلقات نحصل على

Loop 1 is given as : 10 = R1 x I1 + R3 x I3 = 10I1 + 40I3
Loop 2 is given as : 20 = R2 x I2 + R3 x I3 = 20I2 + 40I3
Loop 3 is given as : 10 - 20 = 10I1 - 20I2

ونظرا لأن I3 هو مجموع التيارين I1 + I2 يمكن إعادة كتابة المعادلات كما يلى :

Eq. No 1 : 10 = 10I1 + 40(I1 + I2) = 50I1 + 40I2
Eq. No 2 : 20 = 20I2 + 40(I1 + I2) = 40I1 + 60I2

الآن لدينا معادلتين آنيتين يمكن منهما الحصول على التيار I1 والتيار I2 :

I1 = -0.143 Amps
I2 = +0.429 Amps

التيار المار فى المقاومة R3 يعطى بالعلاقة :

-0.143 + 0.429 = 0.286 Amps

والجهد عبر طرفى المقاومة R3 هو :

0.286 x 40 = 11.44 volts

الإشارة السالبة للتيار I1 تعنى أن اتجاه مرور التيار الذى تم اختياره وفرضه فى البداية كان غير صواب .

ما هذا الجمال اخى العزيز عبودى

موضوعك غاية فى الروعة

أكرمك الله

amr كتب:: ما هذا الجمال اخى العزيز عبودى

موضوعك غاية فى الروعة

أكرمك الله

فعلا كلامك مضبوط الموضوع رائع

شكرا على هذا الموضوع الرائع

» دروس فى الهندسة الكهربائية والإلكترونية
» أساسيات طاقة الرياح
» أساسيات التصميم المنطقي
» بنية المادة والمفاهيم الأساسية في الهندسة الإلكترونية
» المصهرات الكهربائية