מדריך אלקטרוניקה למתחילים

מדריך אלקטרוניקה למתחילים

לתת לאלקטרונים לרקוד

סופת ברקים

פרקים:

  1. עקרונות האלקטרוניקה
  2. חוק אוהם
  3. רב מודד
  4. מפל מתח
  5. מעגלים בטור ובמקביל
  6. לחצנים ומתגים
  7. מקורות כח
  8. מחלק מתח ומייצבי מתח
  9. רכיבי אלקטרוניקה
  10. מעגלים משולבים
  11. רמקולים ומגברים
  12. מנועים
  13. לוחות הלחמה
  14. פרויקט מערכת אזעקה
  15. שרטוט חשמלי
  16. מעגל מודפס ומארזים
  17. פרויקט מגבר ורמקולים

 

מומלץ לצפות בדפדפן כרום.

עקרונות האלקטרוניקה

חשמל הוא פראי!!! כדי להבין עד כמה הוא פראי אפשר להסתכל על ברק שהוא התפרצות של מטען חשמלי בין העננים לבין האדמה דרך האוויר.

בענף האלקטרוניקה אנחנו מנסים לרסן את הפראיות של החשמל ולשלוט במהירות, בכיוון, בעצמה ובצורה שלו.

אלקטרוניקה היא ענף שמתרכז בשליטה של חשמל בתוך מעגלים שמיועדים לבצע תפקיד כלשהו. מעגלים אלקטרונים כוללים רכיבים כמו נגדים קבלים וטרנזיסטורים, והם מבצעים פונקציה מסויימת ומפעילים מטענים כמו נורות, מנועים או רמקולים לדוגמה, והם בדרך כלל נמצאים בצורתם הסופית על מעגל מודפס(PCB).

מעגל מודפס
מעגל מודפס

ישנה חוקיות מסוימת להתנהגות של חשמל בתוך מעגל כשהחוק המפורסם ביותר הוא חוק אוהם, ועל ידי שימוש ברכיבים הנכונים וסידור שלהם בצורה מסוימת אנחנו יכולים לשלוט במהירות בכיוון ובצורה שבה חשמל מתנהג.

כולנו מכירים את הנורה החשמלית שנמצאת על התקרה אצלנו בבית. היא מקבלת את הכוח שלה מתחנת כוח שמייצרת חשמל נגיד ברדינג או אשקלון, החשמל מועבר לבתים ועסקים פרטיים, ומשם מגיע לנורה דרך ארון החשמל הביתי.

הפעלת הנורה היא פשוטה: אפשר להדליק או לכבות אותה על ידי לחיצה על מתג שנמצא על הקיר. אם רוצים קצת להתחכם אפשר לשים דימר (עמעום) או טיימר שעון שבת, אבל זה בגדול מה שאפשר לעשות עם הנורה. זהו ענף הנקרא חשמל , והוא עוסק בהעברה של חשמל על ידי חוטים מתחנות כוח אל בתים פרטיים ובשימוש פשוט בנורות או חיבור של מכשירים ביתיים אל השקע.

אלקטרוניקה לעומת זאת לוקחת את זה כמה צעדים קדימה – באמצעות שימוש ברכיבים אלקטרוניים פסיביים ואקטיביים אפשר ליצור אלפי קומבינציות שבהם החשמל מתנהג על ידי שליטה בכיוון במהירות ובתזמון שלו.
תסתכלו מסביבכם בחדר ושימו לב למוצרי האלקטרוניקה- טלויזיה, סמארטפון, שלט רחוק, מחשב, מיקרוגל – בכולם ישנו מעגל אלקטרוני שמבצע פונקציות מסוימות.

זרם חשמלי

זרם חשמלי הוא התנועה של אלקטרונים בתוך האטומים של חומר מוליך. לכל אטום בטבע יש מספר מסויים של אלקטרונים לפי הסוג שלו והם נמשכים אל הפרוטונים באטום על ידי כח בלתי נראה שנקרא הכח האלקטרומגנטי.

 

תנועת אלקטרונים באטום
תנועת אלקטרונים באטום

בחלק מהחומרים בטבע כמו למשל מתכות האלקטרונים קצת יותר רופפים מבאטומים אחרים, וכשנותנים להם דחיפה הם זזים בכיוון מסויים בין אטום לאטום. התנועה הזו של מיליארדים של אלקטרונים בתוך האטומים היא מה שאנחנו קוראים זרם חשמלי.

מוליכים ומבודדים

לכל חומר בטבע יש אינדקס של מוליכות ישנם חומרים שמוליכים יותר טוב, כלומר שהאלקטרונים סביב הגלעין הם יותר רופפים ויש כאלה שפחות.

נחושת היא מתכת מוליכה מאוד וגם זולה יחסית שבה משתמשים ברוב החוטים במעגלים חשמליים.

למזלנו, האוויר הוא אינו חומר מוליך אחרת היינו מתחשמלים כל הזמן, אבל כשהמתח גבוה מספיק גם האוויר יכול להוליך זרם כמו במקרה של ברק.

ההפך של מוליכות הוא מקדם ההתנגדות של חומר מסויים – זכוכית, פלסטיק וטפלון לדוגמה הם חומרים עם מקדם התנגדות גבוה ולכן נקראים מבודדים כי הם לא מעבירים חשמל.

המעגל החשמלי

כל מעגל חשמלי מתחיל ממקור כח מסוים (בטריה, פנל סולרי או שקע החשמל בבית), החשמל זז בנתיב של המוליך, מפעיל מטען שיכול להיות רמקול נורה או מנוע למשל, וחוזר חזרה אל המוצא. התנועה של האלקטרונים היא מעגלית כלומר הם ממשיכים לזוז מהפלוס אל המינוס בצורה מתמדת כל עוד יש כח שמזיז אותם.

 

מעגל פשוט
מעגל פשוט

ככל שדוחפים יותר אלקטרונים ובעצמה רבה יותר כמות העבודה שהם מסוגלים לבצע היא גדולה יותר. בתמונה למעלה האנרגיה החשמלית נתקלת בהתנגדות של החומר הנמצא בנורה ולכן היא מתחממת ומפיקה אור.

ישנם אינספור שימושים לאנרגיה חשמלית –

  • במערכות אודיו ורמקולים הם יוצרים תנודה ברמקולים על ידי המרה של אנרגיה חשמלית לאנרגיית קול.
  • במנועים האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיה מכנית שיכולה להזיז את המנועים בכיוונים ובמהירויות שונות.
  • בטלוויזיה רכיבים אלקטרוניים שולטים בתזמון ובעצמה של פליטת אור. בשלט של הטלוויזיה ישנה נורה שפולטת אור אינפרה אדום אל עבר המקלט ומתקשרת איתו.
  • חיישנים אלקטרוניים יכולים לתת מידע על העולם הפיזי בצורה של זרם חשמלי בתגובה לשינוי בחום, אור, קול או תנועה.
  • אלקטרונים גם משמשים למחשוב – על ידי אותות חשמליים אפשר לייצג אותיות ומספרים וגם ליצור לוגיקה מסויימת.
  • מעגלים אלקטרונים גם משמשים לתקשורת חוטית ואלחוטית על ידי פענוח של טקסט קול ותמונה, במערכות רדיו מעגלים אלקטרונים קולטים תדרים מסויימים ומפענחים את האותות שמועברים בו.

 

לתת לאלקטרונים לעבוד

אלקטרוניקה מתעסקת בזרימה של אלקטרונים דרך מוליך במעגל חשמלי אל מטען, כדי לבצע פעולה מסויימת שאנחנו רוצים לעשות.

כדי לגרום לאלקטרונים להתחיל לזוז אנחנו צריכים לדחוף אותם ופה נתעסק בשתי צורות שאפשר לעשות זאת למרות שיש עוד.

דרך אחת לדחוף אותם היא על ידי סוללה… סוללה היא מתקן לייצור חשמל בזרם ישר שמורכבת מתאים אלקטרוכימיים. היא מורכבת משני סוגים של מתכות שנמצאות אחת על יד השנייה וביניהם ישנו אלקטרוליט המכיל נוזל כימי.

מטען שלילי מצטבר על אחד הטרמינלים של הבטרייה שנקרא אנודה, ומטען חיובי בטרמינל השני שנקרא קתודה. ההבדל במטענים החשמליים בין הטרמינלים יוצר פוטנציאל חשמלי ולפוטנציאל הזה אנחנו קוראים מתח. מתח נמדד ביחידות שנקראות וולט ומסומן כך -V .

הבטריה בתמונה יכולה לספק 9V.

בטריה 9 וולט

מתח

המתח הוא המדד של כמה האלקטרונים רוצים לזוז מנקודה אחת לנקודה אחרת ואפשר גם להסתכל עליו בתור לחץ אם נשתמש באנלוגיה של מים. מתח תמיד נמדד בין שתי נקודות , לדוגמה במעגל חשמלי המתח מתחלק בין כמה רכיבים לכן אין מתח אחד למעגל אלא תמיד מודדים אותו בין שתי נקודות ייחוס כלשהן.

מתח הוא פוטנציאל של אנרגיה וללא חומר מוליך לא ניתן לממש את הפוטנציאל הזה. במקרה של הבטריה למעלה כל מה שצריך לעשות זה לחבר נתיב מוליך בין שני הטרמינלים כדי לגרום לאלקטרונים ביניהם לזוז(לא לחבר ישירות אחרת אנחנו מקצרים את הבטרייה והיא תתחמם).

מתח קיים גם בטבע כמובן בלי קשר לבני אדם, הוא נבנה ונפרק כל הזמן בצורה של חשמל סטטי וגם בצורה של ברקים. הטבע שואף לאיזון לכן הוא תמיד ירצה להשוות מתחים, אם נוצר מתח כלשהו זאת אומרת מטען עודף של אלקטרונים במקום מסוים הוא ינסה לפרוק אותו.

מה שהאדם עשה זה להצליח ליצור את המתח הזה בצורה מלאכותית ולהשתמש בו.

בטריות נפוצות הן של 1.5 וולט ו- 9 וולט.

עוד דרך לספק מתח למעגל חשמלי היא דרך השקע שבקיר. חשמל המופק מתחנת הכח הארצית מובל אל עבר בתים פרטיים ואל השקעים בבית דרך ארון החשמל. החשמל בישראל הוא בעצמת מתח של 220 וולט, עצמה גבוהה ומסוכנת . במעגלים אלקטרוניים אנחנו נעבוד עם עוצמות מתח של 3 עד 12 וולט.

על ידי שנאי ניתן להוריד את המתח אל המתח הרצוי…

ספק כח 9 וולט 1 אמפר

 

בתמונה זהו שנאי קיר שמוריד את המתח מ- 220 וולט אל 9 וולט.

עוד עובדה חשובה היא הצורה שבה החשמל מופק. בתחנות כח קיימת הפקת חשמל בצורה אלקטרומגנטית, שבה החשמל שמיוצר הוא חשמל בזרם חליפי – AC. לא נכנס פה בדיוק להבדלים בין זרם ישר לזרם חליפי רק נגיד שבספר זה נתעסק במעגלים של זרם ישר – DC.

השנאי שאנחנו רואים למעלה בנוסף להורדת המתח דואג גם ליישר את הזרם לזרם ישר שזה בדיוק מה שאנחנו צריכים. רוב שנאי הקיר הביתיים הם AC-DC כך שאפשר להשתמש בהם. בבטריה גם אין מה לדאוג כי היא מייצרת זרם ישר DC.

להזיז אלקטרונים

או קיי אז יש לנו מקור מתח של 9 וולט ועכשיו מה שנשאר זה לדחוף את האלקטרונים. ניצור מעגל בין טרמינל אחד של הבטריה אל הטרמינל השני ונחבר ביניהם נורה ונגד.

 

מעגל עם בטריה ונורה
מעגל עם בטריה ונורה

הנגד פה הוא חשוב מאוד כי הוא מאט את תנועת האלקטרונים ושומר שהנורה לא תשרף כי לנורת לד יש נטייה לצרוך כמה שיותר זרם. הערך של הנגד הוא 1000 אוהם או במדד של אלפים 1 קילו-אוהם – 1K.

נורת לד היא למעשה דיודה(עליה נלמד בהמשך) שהיא רכיב בה הזרם עובר רק בכיון אחד. נורת לד טיפוסית צורכת 2 וולט וכשעובר בה זרם היא מפיקה אור. טווח העבודה שלה הוא בין 2-30 מיליאמפר בערך לכן חשוב לא לתת לה יותר מ- 30 מיליאמפר.

לנורת לד יש רגל ארוכה וקצרה וכדי שהיא תעבוד צריך לחבר אותה בכיוון הנכון במעגל. מהפלוס בבטריה(+) אנחנו מושכים חוט אל הנגד, ומשם אל הרגל הארוכה בנורה, ומושכים חוט נוסף אל המינוס בבטריה(-). חוט של פלוס נהוג להיות בצבע אדום וחוט של מינוס בצבע שחור(או לפעמים כחול).

 

 

מעגל עם בטריה נגד ונורת לד
מעגל עם בטריה נגד ונורת לד
מעגל עם בטריה נגד ונורת לד
מעגל עם בטריה נגד ונורת לד

יש תוכנה נחמדה מאוד שנותנת לשרטט מעגלים ולראות אותם בסימולצית זמן אמת:

 

כפי שאפשר לראות הזרם במעגל הוא 7mA מה שמספיק כדי להדליק את הנורה.

קצר ונתק

עוד שני מושגים חשובים הם קצר ונתק. אם ישנו נתק במעגל לא תהיה בו זרימה של אלקטרונים אפילו אם פוטנציאל המתח הוא גבוה:

 

לעומת זאת קצר (short circuit) הוא מקרה בו אין שום מטען בין הטרמינלים לדוגמה נגד, נורה או מנוע וזהו דבר שאנחנו רוצים להמנע ממנו. זה גורם לבטריה להתחמם במהירות והיא יכולה אף להתפוצץ!

זרם

הזכרנו קודם מתח שהוא הפוטנציאל של כמה אלקטרונים רוצים לזוז מנקודה מסוימת לנקודה אחרת. יש עוד שני אלמנטים חשובים באלקטרוניקה והם זרם והתנגדות.

כשיש מתח בין שתי נקודות ואנחנו מחברים ביניהם חומר מוליך (חוט נחושת) עובר בחוט זרם. זרם הוא המדד של מהירות האלקטרונים במעגל או במילים אחרות כמה אלקטרונים עוברים בפרק זמן מסויים.

זרם נמדד באמפר ומסומן באות i. במעגל למעלה זורם 0.007 אמפר וכשממירים את זה לאלפיות זה יוצא 7 מיליאמפר. כדי שהנורה תעבוד בשיא העוצמה שלה אנחנו רוצים שיעברו בה 20 מיליאפר. יש שתי דרכים לעשות את זה – להגדיל את המתח הניתן בעזרת בטריה עם מתח גבוה יותר, או להקטין את ההתנגדות עם נגד בערך נמוך יותר.

התנגדות

האלמנט השלישי באלקטרוניקה נקרא התנגדות. התנגדות היא מדד החיכוך או ההאטה של האלקטרונים במעגל, ונגד הוא רכיב שעשוי מחומר מסויים שמאט את מהירות האלקטרונים במעגל. התנגדות נמדדת באוהם ומסומנת באות R וגם בסימן Ω.  לכל חומר בטבע ישנה התנגדות כלשהי וסוג החומר וצפיפותו משפיעים על ערך ההתנגדות של נגדים שונים.

צריך להבין שהתנגדות מאיטה את זרם האלקטרונים אך האנרגיה של האלקטרונים שנובעת מפוטנציאל המתח ובאה לביטוי על ידי הזרם לא נעלמת אלא מתפזרת באמצעות חום. זו הסיבה שנגדים מתחממים ברגע שנוצר חיכוך ביניהם לבין האלקטרונים.

לנגדים כמו לכל רכיב אחר יש טווח סיבולת מסויים שהם יכולים לעבוד בו והנגדים שנשתמש בהם מסוגלים לעבוד בהספק של עד 1/4 וואט ובטווח טמפרטורה שבין 50 עד 150 מעלות צלזיוס.

הספק

לא פחות חשוב הוא המדד הרביעי במעגל אלקטרוני והוא נקרא הספק. כפי שראינו מתח לבד לא מסוגל לבצע עבודה כי הוא צריך מוליך שיוביל את האלקטרונים, וזרם לבד גם הוא לא מסוגל לבצע עבודה כי הוא צריך פוטנציאל מתח.

הספק הוא המכפלה של המתח והזרם במעגל והוא מדד של כמה עבודה מתבצעת בפרק זמן מסויים והוא מסומן באות W שהיא קיצור של watt.

במעגל למעלה יש לנו בטריה של 9V וזרם במעגל של 7mA וכשאנחנו מכפילים ביניהם אנחנו מקבלים: 0.063W. החישוב הוא כזה:

9V*0.007A = 0.063W

זהו ההספק שהמעגל בכללותו צורך והוא מתכלה כחום ואור דרך הנגד והנורה. הנורה במעגל מכלה 0.014w בצורה של אור וחום, והנגד מכלה את השאר שזה 0.049W. זכרו שהנורה צורכת 2V והנגד את 7V הנותרים במעגל.

המדד הזה חשוב לנו מהרבה בחינות כמו למשל שאנחנו רוצים לדעת מהי הסיבולת של רכיבים במעגל – הסיבולת של הנגדים שאנחנו משתמשים בהם היא 1/4 וואט שזה הרבה מעל הכח שאנחנו מפעילים במעגל.

 

חוק אוהם

זהו החוק החשוב ביותר בספר ובענף האלקטרוניקה. ישנו קשר ישיר בין הערכים של מתח, זרם והתנגדות במעגל.

  • במעגל שאנחנו רואים למעלה אם נגביר את המתח הזרם יגבר.
  • אם נפחית את המתח הזרם יפחת.
  • אם נגדיל את ההתנגדות הזרם יפחת.
  • אם נפחית את ההתנגדות הזרם יגבר.

את כל זה אפשר להכניס לנוסחה אחת והיא חוק אוהם: V=I*R . מתח = זרם כפול התנגדות.

עכשיו נשתמש בנוסחה כדי להגדיל את הזרם בנורה מ- 7 מיליאמפר ל- 20 מיליאמפר. כפי שהחלטנו קודם הדרך הפשוטה ביותר לעשות זאת היא להקטין את ההתנגדות אבל איך נדע באיזה נגד להשתמש?

נציב בנוסחה: המתח הוא קבוע ויושב על 9 וולט והזרם הרצוי הוא 20 מיליאמפר. כשמשתמשים בנוסחה צריך להמיר את הערכים לערכים של הנוסחה אז נמיר 20mA/1000=0.02A .

עכשיו נחלק את המתח בזרם הרצוי ונקבל את ההתנגדות:

9V / 0.02i  = 450Ω

 

אופס!!! למה אנחנו מקבלים זרם רק של 15.6mA ולא 20mA כפי שחישבנו? שכחנו להכניס את הנורה בחישוב… נורת הלד צורכת 2 וולט בעצמה אז צריך להכניס אותה אל החישוב. בואו ננסה שוב:

9 וולט מתח כללי פחות 2 וולט של הנורה יוצא 7 וולט. 7 לחלק ל- 0.02 שווה 350 אוהם. אנחנו צריכים להחליף את הנגד לנגד של 350 אוהם.

 

 

לד 20 מיליאמפר
לד 20 מיליאמפר

חברו נגד של 330 אוהם…  קשה לראות בתמונה אבל עוצמת הנורה חזקה יותר מקודם.

הערה קטנה לגבי ערכי נגדים – לא תמיד תמצאו נגד עם ערך מתאים בדיוק למעגל שאתם צריכים. הספר הזה הוא ספר לחובבי אלקטרוניקה אז אפשר להסתפק בנגד עם ערך דומה לערך הרצוי. הנדסת אלקטרוניקה היא מדע מדויק אבל תחביב אלקטרוניקה הוא יותר אומנות מאשר מדע… מיליאמפר לפה אוהם לשם העיקר שהמעגל עובד 🙂 .

עוד על מתח זרם והתנגדות

אפשר לדבר שעות על מתח זרם והתנגדות אבל זה לוקח הרבה זמן עד שמקבלים הבנה אינטואיטיבית על היחס ביניהם. ננסה להסביר את זה גם בדרך שונה כאנלוגיה לזרימת מים:

מתח זרם התנגדות
מתח זרם התנגדות

משאבת המים מצד שמאל היא זו שיוצרת את הלחץ של המים וככל שהלחץ גבוה יותר כך גם הזרימה תהיה גבוהה. במעגל שבנינו קודם היא מיוצגת על ידי הבטריה.

ההתנגדות בתמונה מיוצגת על ידי עובי הצינור ומאיטה את הזרימה של המים באותו אופן שהנגד מאט את זרימת האלקטרונים. בנגדים יש חשיבות גם לעובי שלהם אבל יותר מכך לחומר שממנו הם עשויים.

זרימת המים הנקראת גם שטף היא אנלוגיה לזרימת האלקטרונים במעגל האלקטרוני בפרק זמן מסויים.

דבר אחד חסר באיור והוא המטען שאנחנו מפעילים וההספק שהוא צורך. ההספק כאמור הוא המכפלה של המתח והזרם העוברים במעגל. הנה עוד איור נחמד שמציג את האנלוגיה:

מתח זרם התנגדות
מתח זרם התנגדות

 

רב מודד

כדי לוודא שהחישובים שלנו נכונים ולנתח מעגלים נשתמש ברב מודד. רב מודד יכול למדוד את המתח, ההתנגדות והזרם במעגל.

בואו נמדוד את המתח הקיים בבטריה מסוימת. חברו את החוט האדום ל- v ואת החוט השחור ל- com. שנו את הידית ברב מודד ל- 20V והצמידו את הזרוע האדומה לפלוס בבטריה ואת השחורה למינוס:

book-arduino_multimeter

מדידת מתח היא תמיד בין שתי נקודות יחסיות, וכשאנו מודדים מתח במעגל חשמלי חשוב לזכור בין איזה נקודות אנחנו מודדים.
כדי למדוד התנגדות נעביר את המודד למצב של התנגדות. נציב את הידית על הערך הגדול מההתנגדות שאנחנו מודדים, לדוגמה הנגד בתמונה הוא של 1 קילו אוהם אז נציב את הידית על 2K אוהם.

נצמיד את הזרועות לקצוות של נגד מסוים וההתנגדות תופיע על הצג:

מדידת התנגדות
מדידת התנגדות

לכל נגד ישנה סטייה קטנה לכן הערך פה קטן בשתי אלפיות אוהם מהערך הנקוב בנגד.

כדי למדוד זרם אנחנו צריכים להכניס את הרב מודד אל תוך המעגל כי צריך לעבור בו זרם כדי שיוכל למדוד אותו. זה לא משנה איפה מודדים פשוט צריך לפתוח את המעגל ולהכניס באמצע את שתי הזרועות של הרב מודד:

 

רב מודד זרם
רב מודד זרם

יפה מאוד החישובים שלנו היו נכונים(פחות או יותר) ואנחנו מקבלים 21.7mA . כפי שראינו המתח שהבטריה נותנת הוא קצת יותר מ-9 וולט ולכן ישנה סטייה קטנה ובנוסף לרב המודד עצמו יש גם התנגדות קטנה.

זה המקום לומר שיש תמיד הבדל מסויים בין החישובים שאנחנו עושים על הנייר לבין העולם הפיזי האמיתי. אין שום סביבה שהיא הרמטית לחלוטין לכן תמיד יהיו כל מיני השפעות קטנות על המעגל כמו התנגדות של חוטים, טמפרטורת החדר וסטייה של הרכיבים.

קריאה של נגדים

ניתן לקרוא את הערך של נגד בשתי צורות – ע”י מדידת התנגדות ברב מודד או על פי פסי הצבע המצוירים עליו.

קריאה של נגדים
קריאה של נגדים

ישנם כמה טבלאות של קריאת נגדים – 4 פסים ו- 5 פסים.

הנגדים שאנחנו עובדים איתם הם 4 פסים אז נעבוד עם הטבלה הזו.

קחו נגד אחד מהערכה והציבו אותו כשפס הכסף או הזהב נמצא מצד ימין. פס זה הוא אחוז הסטייה של הנגד. עכשיו התחילו לקרוא את שלושת הפסים משמאל לימין. שני הפסים הראשונים משמאל הם מספרים שמיוצגים על ידי צבע והפס השלישי הוא המכפיל.

בתמונה למעלה הפס הראשון הוא אדום(2) השני הוא שחור(0) והמכפיל הוא אדום(x100) לכן הנגד בתמונה שווה 20×100 שזה 2000 אוהם או 2K אוהם.

נגד של 1000 אוהם הפסים שלו משמאל לימין יהיו חום שחור ואדום.

נגד של 330 אוהם הפסים שלו יהיו משמאל לימין כתום כתום וחום וכן הלאה….

מפל מתח

בואו נסתכל שוב על המעגל שיצרנו:

נתחיל לנתח את המעגל מהפלוס בבטריה אל האדמה(GND) או מהפלוס אל המינוס.

המתח שיוצא מהבטריה הוא כאמור 9V והוא נשאר ככה עד שהוא מגיע אל הנגד. הנגד מפיל את המתח במעגל ל-2 וולט בגלל שהוא לוקח בעצמו 7 וולט. למה 7 וולט? 350Ω *0.02i = 7V . צריך לזכור שאם משנים את הערך של הנגד אז גם הזרם הכללי של המעגל משתנה ואז המתח שהוא מפיל הוא גם שונה.

בכל אופן אם נמדוד את המתח בין שתי נקודות שאחת מהן היא מעל הבטריה והשניה משמאל לנגד נקבל 9V.

אם נמדוד מתח בין שתי נקודות שאחת מהן היא מימין לנגד והשניה היא במעלה הנורה נקבל 2V.

ואם נמדוד בין הנקודות שבתחתית הנורה ועד המינוס(אדמה) נקבל אפס וולט.

אתם יכולים למדוד עם רב מודד את הנקודות האלו במעגל כדי לוודא שזה נכון.

לתופעה הזו אנחנו קוראים מפל מתח כי המתח מתחיל מהשיא שלו ויורד כשהוא נפגש ברכיבים עד שהוא מגיע לאפס.

המתח המלא(במקרה שלנו 9V) מתחלק בין הרכיבים שכל אחד מהם לוקח חלק ממנו, לא בהכרח בצורה שווה. במעגל למעלה הנורה לוקחת 2 וולט והנגד לוקח 7 וולט שזה סה"כ 9V.

חוק זה נקרא גם חוק המתחים של קירכוף.

פה חשוב להסביר שבמעגלים פשוטים טוריים המתח מתחלק בין הרכיבים והזרם הוא קבוע בכל המעגל. כלומר הזרם שיעבור בכל הרכיבים במעגל כולל החוטים יהיה זהה.

עכשיו נשאלת השאלה – מה יקרה אם נוסיף עוד נגד אחרי הנורה? בואו ננסה.

 

כמו שאפשר לראות כל החישוב השתנה ועכשיו הנגד הראשון מפיל 5.46V, הנורה מפילה 1.98V והנגד השלישי מפיל 1.56V. סך הכול כמובן 9V. הזרם הכולל במעגל הוא כעת 15.6mA בדיוק כמו שהכנסנו למעגל מקודם נגד של 450Ω.

מכאן אפשר להסיק שאין חשיבות לסדר בו נמצאים הנגדים ביחס לנורה – הנגד יכול להיות לפני הנורה או אחרי הנורה, אפשר להכניס אחד לפני ועוד אחד אחרי אבל בסופו של דבר מה שחשוב זוהי ההתנגדות הכוללת של הנגדים במעגל שבמקרה למעלה היא 450Ω.

הקטע הזה יכול קצת לבלבל כי אנחנו יודעים שיש חשיבות לכיוון שבו זורמים האלקטרונים , לדוגמה אם נחבר את נורת הלד הפוך אז היא לא תעבוד(בגלל שהיא דיודה שהיא מעין שסתום). לכן היינו מצפים שהאלקטרונים ינועו במהירות שונה כל פעם שהם פוגשים רכיב מסויים, אבל לא כך הדבר. כל עוד יש לאלקטרונים נתיב לרוץ אז הם רצים במהירות שהם יכולים בכל המעגל מתחילתו ועד סופו ללא קשר למיקום הנגדים.

מעגלים בטור ובמקביל

האלקטרונים במעגל מתנהגים בצורה שונה כשרכיבים נמצאים אחד אחרי השני או אחד במקביל לשני.

book-series-parallel-circuit

את נורת הלד חיברנו קודם בטור עם הנגד ובחיבור בטור המתח מתחלק בין הרכיבים והזרם שווה בכל המעגל.

לעומת זאת בחיבור במקביל המתח שווה בכל המעגל והזרם מתחלק בין הרכיבים.

גם חישוב ההתנגדות משתנה בין חיבור טורי למקביל –

בחיבור בטור נגדים שנמצאים אחד אחרי השני מוסיפים התנגדות לדוגמה שני נגדים של 220 אוהם יתנו לנו התנגדות כללית של 440 אוהם.

בחיבור במקביל לעומת זאת שני הנגדים יפחיתו את ההתנגדות הכללית והיא תהיה 110 אוהם.

 

בואו נסתכל על המעגלים למעלה. במעגל העליון אנחנו מחברים נגד של 1K ואחריו עוד נגד של 330 בטור אז ההתנגדות הכללית שלהם היא 1.3K או 1300 אוהם.

לפי חוק אוהם: 9V / 1300Ω = 6.77mA … אז הזרם בכל המעגל הוא 6.77mA. ההתנגדות הכוללת במעגל היא 1300 אוהם, והמתח מתחלק בין הנגדים כשהראשון משמאל לוקח 6.77V והשני אחריו לוקח 2.23V.

עכשיו ננסה להבין את המעגל התחתון שמחובר במקביל….

החוק אומר שרכיבים שמחוברים במקביל המתח בהם שווה בכל המעגל , זאת אומרת שהמתח בשני הנגדים הוא 9V. חשוב להבין שגם אם היינו מחברים עוד 10 או 100 רכיבים במקביל המתח בכולם היה שווה 9V.

מכאן אנחנו יכולים לחשב את הזרם בכל נגד: בנגד השמאלי הזרם הוא 9V / 1000 = 0.009 . כלומר 9mA. בנגד הימני זה 9V / 330 = 0.027. כלומר 27mA לערך.

עכשיו חסרים לנו עוד שני נתונים כדי לדעת את כל המידע על המעגל והם הזרם הכולל וההתנגדות הכוללת. כדי לחשב את ההתנגדות הכוללת במעגל שמחובר במקביל נשתמש בנוסחה הבאה :

חישוב נגדים במקביל
חישוב נגדים במקביל

הנה החישוב של ההתנגדות הכללית במעגל התחתון :

1 / (1 / 1000 + 1 / 330) = 248Ω

זה נראה מאוד מוזר בהתחלה איך ההתנגדות הכללית במעגל היא נמוכה מערך שני הנגדים בנפרד, אבל הסיבה לכך היא שיש לאלקטרונים יותר נתיבים לעבור בהם.

בחיבור בטור האלקטרונים נתקלים בנגד הראשון ומאיטים ואז בנגד השני והם ממשיכים להאט.

לעומת זאת בחיבור במקביל לאלקטרונים יש כמה נתיבים לעבור בהם דבר שמקטין את ההתנגדות הכוללת של המעגל.

עוד נתון אחרון חסר לנו והוא הזרם הכולל במעגל. פה זה קצת יותר פשוט אנחנו פשוט מחברים את הזרם שעובר בכל נגד ומגיעים ל- 36.3mA.

עכשיו כדי לוודא שהחישובים נכונים נעשה חישוב כללי למעגל –

9V / 248 =  0.036 = 36mA

כפי שניתן לראות חוק אוהם הוא שימושי מאוד ואפשר בעזרתו למצוא נתונים חסרים, לפעמים צריך לחשב רכיבים נפרדים כדי להגיע לתוצאה ולפעמים לעשות חישוב כללי למעגל כדי לקבל מידע על רכיבים נפרדים.

לסיום אתם יכולים לחשב את ההספק של שני המעגלים בוואט.

ניתוח מעגלים בטור ובמקביל

בעולם האמיתי רוב המעגלים כוללים שילוב של חיבור בטור ובמקביל וכדי לנתח אותם צריך ללכת מבפנים החוצה ולנתח כל מעגל פנימי עד שמסיימים.

הנה כמה דוגמאות:

דיאגרמה בטור ובמקביל
דיאגרמה בטור ובמקביל

איך ננתח מעגל כזה ונמצא את הנתונים החסרים?

קודם כל נזהה איזה נגדים נמצאים במקביל אחד לשני : R1 ו- R2 נמצאים במקביל אז נחשב את ההתנגדות הכוללת שלהם:

1 / (1 / 220 + 1 / 330) = 132Ω

ונעשה אותו דבר ל-R3 ו-R4:

1 / (1 / 1000 + 1 / 470) = 319Ω

ניתוח מעגל
ניתוח מעגל

עכשיו יש לנו את ההתנגדות הכוללת במעגל אז אפשר לחשב את הזרם הכללי במעגל:

9 / 451 = 20mA

עכשיו נחשב את נפילת המתח של כל זוג נגדים בנפרד:

R1,R2 = 132R * 0.02A = 2.64V

R3,R4 = 319R * 0.02A = 6.38V

ולבסוף את הזרם בכל נגד:

R1 = 2.64V / 220R = 12mA

R2 = 2.64V / 330R = 8mA

R3 = 6.38V / 470R = 13.5mA

R4 = 6.38V / 1000 = 6.5mA

ניתוח מעגל
ניתוח מעגל

בדרך כלל יותר נוח להתחיל מטבלה שיש בה את הנתונים הקיימים ולהתחיל לפתור את הנעלמים אחד אחרי השני.

 R1R2R3R4R1,R2R3,R4סה"כ
מתח------9V
זרם-------
התנגדות220R330R470R1K---

שימו לב איך מכמה נתונים בודדים הצלחנו להוציא את כל שאר הנתונים וכל זאת על ידי חוק אוהם וחוקי מתח וזרם במעגל. אז נחזור על החוקים:

  • חוק אוהם: מתח = זרם כפול התנגדות 

V = R * I

  • בחיבור בטור הזרם שווה בכל המעגל והמתח מתחלק בין הרכיבים בצורה פרופורציונלית להתנגדות שלהם.
  • בחיבור במקביל המתח שווה בכל הרכיבים והזרם מתחלק בצורה פרופוציונלית בהתאם להתנגדות שלהם.

זו הטבלה אחרי שפתרנו אותה:

 R1R2R3R4R1,R2R3,R4סה"כ
מתח2.64V2.64V6.38V6.38V2.64V6.38V9V
זרם12mA8mA13.5mA6.5mA20mA20mA20mA
התנגדות220R330R470R1K132R319R451R

עכשיו נשאר לבדוק בסימולציה אם החישובים שלנו נכונים:

 

עכשיו נתחיל לעבוד עם מטריצת חיבורים שהיא מתקן נוח לחבר בין רכיבים בלי צורך להשתמש בתניני חיבורים.

 

book-arduino_breadboard-2

כפי שניתן לראות החיבורים בקצוות שנמצאים במאונך הם חיבורי הכח פלוס ומינוס וכולם מחוברים בטור אחד. שאר החיבורים באמצע הם השורות וכל 5 חיבורים מחוברים ביחד בשורה סך הכל 60 שורות.

לוקח קצת זמן להבין את היחס בין מתח זרם והתנגדות ולכן נמשיך לבנות מעגלים פשוטים עד שיפול האסימון.

חיבור נורות בטור

קודם כל נחבר שלוש נורות בטור על מטריצה. פה צריך להדגיש שלא כל הנורות צורכות את אותו מתח:

  • נורה אדומה – 2.07V
  • נורה צהובה – 2.02V
  • נורה ירוקה – 2.07V
  • נורה כחולה 2.83V

אלה הן הנורות בערכה ונורות לד אחרות עלולות לצרוך פחות מתח או יותר מתח כפי שרשום בגליון הנתונים שלהם.

עכשיו אנחנו מחברים שלוש נורות אדומות בטור שזה ביחד 6V ומשתמשים במקור כח של 9V. כאמור נורות לד הן זללניות ומנסות למשוך כמה שיותר זרם לכן אם נחבר ללא נגד הן ישרפו. עכשיו נחשב איזה נגד לחבר. 3V נשארים לנגד לקחת מתוך ה- 9V ואנחנו רוצים לקבל זרם של בין 10mA-20mA לכל נורה. נגד של 220Ω יתן לנו מתח של 13mA בערך לכל נורה.

3 / 220 = 0.013  0.013 *1000 = 13mA

כאמור כשמשתמשים בחוק אוהם צריך לשים לב ליחידות – התוצאה הביאה אותנו ל-0.013 אמפר ואז המרנו את זה למיליאמפר על ידי הכפלה באלף.

 

או קיי, 13.3 מיליאמפר כפי שחישבנו.

 

3 נורות לד
3 נורות לד

דרך טובה לחשב את כל הנתונים במעגל היא על ידי טבלה:

 נורה 1נורה 2נורה 3נגד סך הכל
מתח2.07V2.07V2.07V2.79V9V
זרם13.3mA13.3mA13.3mA13.3mA13.3mA
התנגדות155155155220R676R

אפשר לראות שהמתח מתחלק בין הרכיבים והזרם הוא קבוע בכל המעגל כי הם נמצאים בטור אחד אחרי השני.

 

עכשיו בשביל הכיף בואו נחבר את שלוש הנורות בטור ללא נגד ובשביל זה צריך לספק 6V .

חייבים לוודא עם רב מודד שהמתח לא עולה על 6.3V אחרת הנורות ישרפו!! שימו לב ש-4 בטריות של 1.5V חדשות בדרך כלל נותנות קצת יותר מ-6V.

3 נורות בטור 6 וולט
3 נורות בטור 6 וולט

יפה מאוד, הזרם במעגל הוא בערך 20mA.

חיבור נורות במקביל

בדרך כלל נהוג לחבר במעגל נורות במקביל ולא בטור משתי סיבות עיקריות:

  • בחיבור במקביל המתח הוא אותו דבר בכל הרכיבים
  • בחיבור במקביל אם נורה אחת נשרפת או ניתקת כל שאר הנורות ממשיכות לעבוד ללא תלות בנורה

עכשיו נשאלת השאלה איך נחבר שלוש נורות במקביל במעגל עם מקור מתח של 9V?

ניזכר בחוק: בחיבור במקביל המתח בכל הרכיבים הוא שווה . אז יש שתי דרכים לתת לנורות את המתח הרצוי, אפשר לחבר נגד אחד בטור עם הבטריה שיוריד את המתח במעגל אל 2V ,אבל הדרך הנכונה יותר לעשות את זה היא לחבר בסמוך לכל נורה נגד מתאים.

בואו נחשב איזה נגד לשים – יש לנו 9V מהבטריה וכל נורה מחוברת במקביל עם נגד, הנורה לוקחת עוד 2V אז מה שנותר הוא 7V לחלק ל-0.02 שווה 350Ω.

נחבר שלושה נגדים של 330Ω בטור עם שלושת הנורות.

הדבר הראשון שקופץ לעין הוא שבחיבור במקביל הזרם אינו שווה בכל המעגל אלא מתחלק בין הרכיבים. המתח לעומת זאת שווה בין כל הרכיבים.  בדיוק ההיפך מחיבור בטור שעשינו קודם.

עכשיו אנחנו יכולים לתת איזה זרם שאנחנו רוצים בכל נורה על ידי שינוי הנגדים:


 

נורות לד במקביל
נורות לד במקביל
 נורה 1 נורה 2נורה 3סך הכל
מתח6.92V6.96V7V9V
זרם 21mA14.8mA7mA42.8mA
התנגדות330R470R1K210R

בטבלה למעלה נמצאים כל הנתונים של המעגל.

לחצנים ומתגים

אחד הרעיונות החשובים באלקטרוניקה הוא הרעיון של מיתוג (באנגלית switching) . ישנו מיתוג מכני שהוא לחיצה פיזית על כפתור, מיתוג אלקטרו-מכני שבו כמות קטנה של זרם מפעילה סליל באופן מכני(ממסר, סולנואיד) , וישנו מיתוג אלקטרוני שבו כמות קטנה של זרם נותנת לכמות גדולה של זרם לעבור(טרנזיסטור) .

ישנם סוגים רבים של כפתורים, לחצנים ומתגים:

כפתורים ומתגים
כפתורים ומתגים

באופן כללי כפתורים ומתגים הם אמצעי למשתמש לבחור בין מעגל פתוח וסגור.

ישנם שני סוגים עיקריים והם לחצן וכפתור:

  • לחצן סוגר מעגל באופן זמני כל עוד הוא נלחץ
  • כפתור פותח או סוגר מעגל באופן קבוע עד שלוחצים עליו עוד פעם ואז הוא משנה מצב

כפתור נקרא גם הופך מצב או TOGGLE  והוא נפוץ יותר ונמצא בשימוש לדוגמה כדי להדליק אור בחדר.

דוגמה לשימוש בלחצן היא בחדר מדרגות בדירת קומות.

לחצנים

בוא נפעיל לחצן ונורת לד. ללחצן ארבע רגליים והוא אמור לשבת באמצע המטריצה באיזור של החריץ האמצעי. לחיצה עליו מחברת את הרגל השמאלית והימנית וסוגרת מעגל, ואפשר גם להשתמש ברגליים העליונות שלו אם יש צורך.

נורת לד ולחצן
נורת לד ולחצן

למטה אנחנו מחברים שתי נורות ולחיצה על הכפתור מדליקה את שתיהם:

שתי נורות וכפתור
שתי נורות וכפתור

 

בסימולציה אתם יכולים ללחוץ על הלחצן כדי לסגור מעגל….

יפה מאוד, עכשיו נחבר שלושה כפתורים עם שלוש נורות על המטריצה כשכל לחיצה על כפתור מדליקה נורה אחת.

3 נורות לד 3 כפתורים
3 נורות לד 3 כפתורים

כפתורים

עכשיו נשתמש בכפתור פשוט שמשנה מצב ונקרא TOGGLE.

מפסק טוגל

יש לו שלוש רגליים שהרגל האמצעית היא רגל משותפת , והזזה של הידית מחברת אותה אל אחת הרגליים שבצדדים.  שימו לב לתמונה:

משנה מצב
משנה מצב

לא חייבים להשתמש בשני המצבים, אפשר להשאיר חיבור אחד ריק ואז זהו יהיה כפתור שמשנה מצב מפועל למופסק.

דיפ סוויץ'

יש עוד המון סוגים שונים של כפתורים ולחצנים והאחרון שנתעסק איתו הוא דיפ סוויץ' שהוא מתג כיבוי הדלקה מרובה כפתורים שמגיע עם מספר כפתורים שונה, ואנחנו נפעיל דיפ 8 מצבים.

בגדול כפתורי דיפ נותנים למשתמש להגדיר תצורה בחומרה על ידי הדלקה וכיבוי של מתגים. זהו סוג של מוח קטן שאפשר לעשות איתו דברים מעניינים מאוד, ולפני המצאת הטרנזיסטור השתמשו בו למחשוב.

בתמונה למטה אפשר לראות איך קובעים איתו קוד אבטחה במפתח שלט רחוק של אוטו:

דיפ הגדרת תצורה
דיפ הגדרת תצורה

 

דיפ 8 מצבים
דיפ 8 מצבים

פוטנציומטר

פוטנציומטר הוא נגד משתנה שאפשר באמצעות סיבוב לשלוט בערך ההתנגדות שלו. לכל פוטנציומטר יש ערך מקסימלי לדוגמה 10KΩ וכך ערך ההתנגדות זז בין 0 ל- 10000Ω. נהוג לחבר אותו לפחות עם עוד נגד אחד בטור כדי למנוע מצב של 0 התנגדות (קצר) . יש בתוכו מחוג שנע בסיבוב ושלוש רגליים שמתוכם השמאלית והימנית הם מקור הכח ואדמה(אין חשיבות לכיוון) והאמצעית היא התוצאה של המתח היוצא בהתאם לסיבוב הפוטנציומטר.

פוטנציומטר ונורת לד
פוטנציומטר ונורת לד

כשאנחנו מסובבים את המחוג שמאלה ההתנגדות יורדת והזרם בנורה עולה ואם נסובב שמאלה עד הסוף ההתנגדות היחידה שתשאר היא של הנגד – 220Ω.

אתם יכולים לשחק עם המחוג מימין למטה ולראות את ההשפעה שלו על הזרם של הנורה.

אז אפשר לראות שהשתמשנו בנגד בתור מחלק מתח כשסיבוב שלו משנה את המתח היוצא מהרגל האמצעית. אפשר גם להשתמש בפוטנציומטר בתור נגד משתנה פשוט על ידי שימוש רק ברגל האמצעית ואחת מהרגליים הקיצוניות.

מקורות כח

הגיע הזמן לחזור קצת אחורה ולדבר על מקורות מתח וזרם.

בטריה

בטריה היא מתקן לייצור חשמל בזרם ישר על ידי  תהליך כימי.

תא בטריה
תא בטריה

בסוללה יש שלושה מרכיבים עיקריים:

  1. קתודה – (קוטב חיובי) שבה מתרחש תהליך חיזור, שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני (צרכן החשמל).
  2. אנודה – (קוטב שלילי) שבה מתרחש תהליך חמצון, שבו נמסרים אלקטרונים למעגל החיצוני.
  3. אלקטרוליט – תווך המפריד בין האנודה לקתודה ומאפשר את יצירת הפרש הפוטנציאלים ביניהן. הוא מכיל בסיס או חומצה או סוג של מלח.

המגע בין האלקטרוליט לבין שתי המתכות השונות גורם לתגובה כימית המתבטאת בנדידת יונים דרך תמיסת האלקטרוליט. אם מחברים את שני הלוחות החיצוניים זה לזה בחוט ממתכת המוליכה חשמל, יתהווה בסוללה זרם חשמלי.

המטענים החשמלים שנושאים איתם האלקטרונים הנודדים מלוח ללוח בתוך הסוללה יזרמו דרך חוט המתכת. את החוט הזה המכוסה שכבה של חומר מבודד מחברים למכשיר שרוצים להפעילו בזרם החשמלי.

המתח של הסוללה נקבע על ידי שתי המתכות המרכיבות את התא, ובדרך כלל כדי לקבל מתח גבוה ישר אנחנו מחברים כמה תאים בטור.

לדוגמה בטריה עופרת-חומצה של 12V היא למעשה שישה תאים של 2V כל אחד.

ישנם סוגים רבים של חומרים מהם ניתן להרכיב בטריה: ניקל-קדמיום, מרקורי-קדמיום, ליתיום-איון ועוד…

התהליך שבו אנחנו מחברים מטען אל הפלוס והמינוס של הבטריה דרך מוליך נקרא פריקה והוא כמובן מוגבל על פי כמות האלקטרונים הנודדים בבטריה. בסופו של דבר יגמרו האלקטרונים והבטריה תצא משימוש.

ישנם סוגים של בטריות שמאפשרות תהליך הפוך של טעינה ובהם אנחנו יכולים לספק זרם בכיוון ההפוך ועל ידי כך לטעון את הבטריה עם אלקטרונים חדשים. תהליך זה הוא די מסובך ועדיף לא לנסות לבד לעשות את זה.

לכל בטריה יש מדרג של זמן עבודה והוא מבוטא באמפר-שעה, בטריה נורמלית של 9V יכולה להספיק ל-500 מילי-אמפר שעה, כך שאם נצרוך ממנה 500mA היא תספיק לשעה.

אם נשתמש בה להדליק נורת לד שצורכת 20mA הבטריה תספיק ל-25 שעות שהם קצת יותר מיממה.

הזרם שהבטריה יכולה לספק תלוי בהתנגדות של המעגל החשמלי אליו היא מחוברת, לדוגמה אם נחבר בטריה 9V עם נגד 1Ω הבטריה תספק 9 אמפר… את זה צריך לקחת בערבון מוגבל כי יש פה עוד גורמים כמו התנגדות פנימית של הבטריה, חום הבטריה ועוד.

חיבור בטריות בטור ובמקביל

בטריות גם פועלות על פי חוקי האלקטרוניקה שדיברנו עליהם מקודם ולכן בבטריות שמחוברות בטור המתח מתווסף והזרם נשאר אותו דבר.

חיבור בטריות בטור
חיבור בטריות בטור
חיבור בטריות במקביל
חיבור בטריות במקביל

בבטריות שמחוברות במקביל המתח נשאר אותו דבר והזרם/שעה מתווסף. זו הסיבה שיש גדלים שונים לבטריות לדוגמה לבטריה קטנה של 1.5V יש אורך חיים קצר מלבטריה גדולה של 1.5V.

טוב הגיע הזמן לרדת לשטח ולעשות כמה ניסויים.

מחזיק בטריה
מחזיק בטריה

שימו לב איך מחזיק הבטריות הזה בנוי, זהו מתקן לשרשר 4 בטריות בטור שהפלוס של כולם הוא החוט האדום והמינוס שלהם הוא החוט השחור.

קודם כל נחבר את הבטריות אחת אחרי השניה בטור:

בטריה אחת בטור
בטריה אחת בטור
שתי בטריות בטור
שתי בטריות בטור
שלוש בטריות בטור
שלוש בטריות בטור
ארבע בטריות בטור
ארבע בטריות בטור

שימו לב איך כל פעם המתח גדל ב-1.5 וולט.

עכשיו נחבר שתי בטריות במקביל והתוצאה תהיה 1.5V מתח , ואספקת זרם/שעה (אורך חיים) כפולה:

שתי בטריות במקביל
שתי בטריות במקביל

עכשיו המטען שלנו יוכל לעבוד כפול מהזמן שהוא עבד עם בטריה 1.5V אחת.

ספקי כח

ישנם שתי בעיות עם אספקת חשמל על ידי בטריה. קודם כל בטריות נגמרות כפי שהזכרנו קודם, אבל זו בעייה שאפשר לפתור על ידי בטריות נטענות.

בעייה אחרת היא שיש גבול לכמה מתח וזרם הן יכולות לספק לכן בהרבה מאוד מכשירים אלקטרוניים ישנו שימוש בספקי כח.

ספק כח הוא שנאי שמקבל מתח מקווי החשמל הביתיים ומוריד אותו לרמות מתח נמוכות יותר שנמצאות בשימוש במכשירים חשמליים. החשמל המגיע אל בתים פרטיים הוא 220V בעוד רוב המכשירים פועלים על 5V, 12V ,24V או 9V.

עוד עובדה מעניינת על החשמל המגיע אל הבית דרך רשת החשמל הוא שהוא מופק בזרם חליפי!! ולא בזרם ישר.

לכן פעולה נוספת שספק הכח עושה הוא ליישר את הזרם המתקבל בנוסף להורדת המתח שלו.

משמאל זהו זרם חליפי שהקוטביות שלו משתנה במהירות והוא מספק זרם לנורה ביתית שנמצאית בבתים פרטיים.

מימין אנחנו מיישרים את הזרם על ידי דיודה כדי שהזרם במעגל האלקטרוני יהיה ישר. כמעט כל המעגלים האלקטרוניים עובדים על זרם ישר ולא זרם חליפי.

כשמשתמשים בספק כח צריך לקרוא את הנתונים שהוא מספק:

ספק כח
ספק כח

הספק בתמונה מוריד את המתח מ-220V שמגיע מהקיר ל-12V ויכול לספק 2 אמפר. בנוסף הוא גם מיישר את הזרם מזרם חליפי לזרם ישר לכן השם AC/DC.

חשוב להדגיש שאפשר לחבר אליו כל מעגל אלקטרוני שצורך 12V ועד 2 אמפר. אם נחבר מעגל 12V שצורך 200mA או 1A זה בסדר גמור כי המעגל לוקח רק כמה שהוא צריך.

עכשיו אפשר לדבר קצת על הקשר בין מתח וזרם בעולם האמיתי. לכל מטען יש טווח מתח שהוא יכול לפעול בו והוא נקבע על ידי ההנדסה שלו, לדוגמה יש מנועים שפועלים במתח של 5 וולט, יש מנועים שפועלים במתח של 12V וכל מה שזה אומר זה איזה מתח אנחנו צריכים לתת למנוע כדי שיעבוד בצורה תקינה. צריכת הזרם של המנוע גם נקבעת לפי הדרך שבנו אותו ולא בהכרח קשורה למתח הניתן – לדוגמה מנוע שעובד על 3V וצורך 1A יש לו הספק של 3 וואט. מנוע 12 וולט עם צריכת זרם של 100mA יש לו הספק של 1.2 וואט.

אפשר לחשוב על המנוע כמו על טורבינה שצריכה איזשהו לחץ מים כדי לעבוד ואיזשהו זרם מים מסוים אותו היא צורכת כדי לעבוד. את הזרם היא "מבקשת" ממקור המים לפי כמה שהיא צריכה, אם יש לו יותר לספק זה בסדר כי היא לוקחת רק כמה שהיא צריכה.

את כל הנתונים האלו של המנוע ומטענים אחרים אפשר למצוא בגליונות הנתונים שלהם. הנה דוגמה לנתונים העיקריים של מנוע DC , אנחנו רואים מתח עבודה של 6V וצריכת זרם מקסימום של 250mA ויש עוד נתונים כמו מומנט מירבי לדוגמה שאומר לנו מה הכח של המנוע וגם מספר סיבובים לדקה שזה המהירות שלו.

מחלק מתח ומייצבי מתח

ראינו קודם שאפשר לשלוט בעוצמת הזרם במעגל על ידי שינוי ערך הנגד במעגל וזוהי הדרך הנפוצה ביותר לעשות זאת. עד עתה התייחסנו למקור מתח ההזנה כקבוע אך יש דרך לייצב את המתח במקור.

קודם כל נראה איך להוריד מתח דרך שני נגדים וגם דרך פוטנציומטר שהוא מחלק מתח. זוהי לא הדרך הנכונה לייצב מתח אך חשוב ללמוד עליה.

זוהי הנוסחה למעגל מחלק מתח:

Vout = Vin * (R2 / (R1 + R2))

יש לנו פה שני נגדים , מתח נכנס ומתח יוצא. היחס בין שני הנגדים במעגל הוא שיקבע את המתח היוצא.

מעגל מחלק מתח
מעגל מחלק מתח

אם ערך שני הנגדים יהיה שווה המתח ירד בחצי…

אתם יכולים לשנות את הערכים של הנגדים כדי לראות איך המתח היוצא משתנה.

למעגל מחלק מתח כמו שמופיע למעלה יש כל מיני שימושים אבל הוא לא יעיל ואפקטיבי להפעלת מטען ולייצוב מתח קבוע.

כדי לייצב מתח במעגל נשתמש במייצב מתח שנועד במיוחד בשביל זה – LM7805 שמוריד מתח אל 5V.

מייצב מתח LM7805
מייצב מתח LM7805
  • אל הרגל השמאלית אנחנו מכניסים את הפלוס של מקור המתח. הטווח של המתח הנכנס צריך להיות בין 7V ל-35V
  • אל הרגל האמצעית מכניסים את המינוס של מקור המתח
  • הרגל הימנית היא מקור המתח החדש שלנו ששווה עכשיו 5 וולט

אפשר בכיף לחבר שתי נורות כחולות ולמדוד בהן את המתח, המתח בכל אחת מהן יהיה 2.5V.

lm7805-regulator
lm7805-regulator

הערך של 5V הוא ערך סטנדרטי שהרבה רכיבים פועלים בו לכן מייצב מתח שמוריד ל-5V הוא נפוץ.

ישנם גם מייצבי מתח משתנים שבאמצעות פוטנציומטר אפשר לקבוע את הערך היוצא:

מודול מוריד מתח

ישנם מייצבי מתח שמעלים את המתח והם בדרך כלל נקראים DC-BOOST. חשוב להזכר בחוק אוהם ולהבין שאם מעלים את המתח שמגיע מהמקור אז כמות הזרם הזמינה יורדת בהתאם – אין יש מאין.

וישנם ספקי כח מקצועיים למעבדות אלקטרוניקה:

dc-voltage-source
dc-voltage-source

דיברנו על זרם ישר שמופק בתהליך כימי בבטריה, על זרם חליפי שמופק באמצעות גנרטור ומגיע אל השקעים בבית ואפשר לציין עוד צורה להפיק חשמל באמצעות אנרגיה סולרית.

תא סולרי משתמש באנרגיה של השמש כדי לייצר זרם ישר ויש לו יתרונות וחסרונות. היתרונות הם שהאנרגיה שלו היא אינסופית כלומר אינה מתכלה, כל עוד השמש זורחת הוא יעבוד. האנרגיה היא גם נקייה ואינה מזהמת.

החסרונות שלו הם שבשעות החשכה הוא לא מייצר חשמל, וגם שהיעילות שלו היא נמוכה ביחס למקורות אנרגיה אחרים.

רכיבי אלקטרוניקה

נגדים והתנגדות

נרחיב קצת על נגדים. נגדים נותנים לנו לתת ברקס לזרם במעגל והם מאיטים אותו, ישנם נגדים עם התנגדות מובנית שנקבעת על פי החומר והעובי שלהם ויש נגדים משתנים שנקראים פוטנציומטר.

לכל נגד יש אחוז סטייה מסויים, לנגדים נורמלים יש 5% סטייה ונגדים מדויקים יותר 1% סטייה. לנגדים יש גם גבול של הספק שיכול לעבור בהם יש נגדים של 1/4 וואט, 1/2 וואט 1 וואט וגם יותר.

לגבי התנגדות במעגל יש מספר גורמים שמשפיעים עליה:

  • החומר של המוליך – יש חומרים מוליכים יותר ויש חומרים מוליכים פחות כפי שהזכרנו
  • העובי של המוליך – ככל שהוא יותר עבה יותר אלקטרונים יכולים לעבור וההתנגדות יורדת. לחוט צר תהיה יותר התנגדות
  • אורך המוליך – ככל שהחוט ארוך יותר תהיה לו יותר התנגדות כי בסך הכל יש לאלקטרונים יותר סיכוי להתקל אחד בשני ולהאט
  • טמפרטורה – ברוב החומרים ככל שהטמפרטורה עולה כך ההתנגדות גדולה יותר, כי שחם האלקטרונים אנרגטיים יותר וקשה לאלקטרונים אחרים לעבור דרך המוליך. בהרבה מוצרי אלקטרוניקה יש מאוורר או מפזר חום כדי להקטין את הטמפרטורה במעגל, בעקרון טמפרטורה גבוהה זה מקור לבעיות.

קבלים

אחד מרכיבי האלקטרוניקה החשובים ביותר הם קבלים. קבל הוא בעקרון כמו בטריה זמנית והוא אוגר בתוכו אנרגיה חשמלית ומסוגל לספק אותה חזרה למעגל כשיש צורך.

סוגי קבלים
סוגי קבלים

ההתעסקות עם קבלים תיתן לנו מימד חדש באלקטרוניקה שעד עכשיו לא היה חלק מהתמונה: זמן.

עד עכשיו הכל קרה באופן מיידי, או שנגד היה מחובר או שלא, הנורה דלקה או לא דלקה, בגלל שאלקטרונים זזים כל כך מהר לא היינו יכולים בכלל ליצור תזמונים, אבל לקבלים לוקח זמן לטעון ולפרוק מתח ובעובדה הזו אפשר להשתמש כדי ליצור תזמונים.

את הקבל טוענים על ידי העברה של מתח דרכו. נטען קבל קרמי עם 3 וולט על ידי בטריה:

טעינת קבל
טעינת קבל

עכשיו כשנוציא את הקבל מהמטריצה דרך הראש(בלי לגעת ברגליים שלו) הוא יהיה טעון במתח של 3 וולט ויחזיק את המתח עד שנפרוק אותו. כדי לפרוק את המתח אפשר לחבר את הרגליים לנורה, נגד או למד מתח כדי לראות איך המתח מתרוקן.

זה היה קבל קרמי עם קיבוליות של 0.1μF שמשמעותה 0.1 מיקרו פאראד. הקבל הזה הוא קבל קרמי ואין לו קוטביות כלומר אפשר לחבר את הרגליים במעגל באיזה כיוון שרוצים.

לעומתו יש גם קבל אלקטרוליטי שיש לו קוטביות הרגל הארוכה שלו צריכה להיות בכיוון הפלוס והרגל הקצרה בכיוון של המינוס, ובנוסף ישנו פס לבן שמסמל את המינוס. חשוב מאוד לא לחבר קבל אלקטרוליטי בצורה הפוכה. לקבל אלקטרוליטי יש בדרך כלל קיבוליות גבוהה יותר מה שאומר שלוקח לו יותר זמן להתמלא ולהתרוקן.

טעינת קבל אלקטרוליטי
טעינת קבל אלקטרוליטי

זהו למעלה קבל אלקטרוליטי 470μF אפשר להוציא אותו ולפרוק את ה-3 וולט על הנורה.

במקרה של קבלים אלקטרוליטים רשום עליהם את הקיבוליות והמתח המקסימלי, ובמקרה של קבלים קרמיים ישנה טבלת עזר.

טבלת קבלים קרמיים
טבלת קבלים קרמיים

להבין ערכים של קיבוליות זה קצת מבלבל כי 1 פאראד הוא ערך גבוה מאוד. קבל של 1 מיקרו פאראד יש לו קיבוליות של 1/1000000 פאראד, מיליונית הפאראד.

טבלת המרת קיבוליות
טבלת המרת קיבוליות

יש גם נאנו פאראד שזה מיליארדית הפאראד, ופיקו פאראד זה אחד חלקי טריליון פאראד. לדוגמה 1000 נאנו פאראד זה 1 מיקרו פאראד, בעוד 100 נאנו-פאראד זה 0.1 מיקרו פאראד. קצת מבלבל בהתחלה עד שמתרגלים.

עכשיו נשאלת השאלה למה אנחנו צריכים קבלים במעגלים אלקטרונים?

  • לשמור אנרגיה למועד מאוחר יותר. בחלק מהמכשירים שיש הפסקה חשמל פתאומית הקבל משמש כמאגר זמני. במצלמות קבל נותן עודף אנרגיה לשימוש בפלאש.
  • קבלים חוסמים זרם ישר אחרי שהם נטענים אבל נותנים לזרם חליפי לעבור. בהרבה מקרים משתמשים בתכונה הזו כדי לתת לזרם חליפי לעבור ממעגל למעגל אחר.
  • קבלים יכולים "להחליק מתח" , כלומר במקום שמתח ישתנה במכות קבל יכול לשמור על המתח יחסית מאוזן לאורך זמן. הוא כמו בטריה נפרדת שמאזנת את המתח למעגל כשיש צורך.
  • עם קבלים אפשר ליצור תזמונים כי לוקח להם זמן להטען ולפרוק מתח.
  • קבלים יכולים לשמש כפילטר שנותן לתדרים מסוימים לעבור וחוסם תדרים אחרים.

איך קבלים עובדים?

איך קבלים עובדים?

 

כשטוענים קבל הוא מתמלא יחסית במהירות כמו בטריה קטנה ואוגר בתוכו מטען חשמלי, מרגע שהוא רווי הוא חוסם זרם ישר כל עוד ישנו מתח. הוא בנוי משני פסי מתכת שביניהם חומר מבודד וכשהוא טעון אלקטרונים שליליים נמצאים בצד של המינוס ואלקטרונים חיוביים נמצאים בצד של הפלוס.

אפשר לומר על קבל שהוא מתנגד לשינוי במתח כלומר לוקח לו זמן להתמלא במתח שאנחנו מפעילים אליו וגם לוקח לו זמן להתרוקן כשהוא מחובר לחלק אחר במעגל. המהירות שבה הוא נטען ונפרק היא אינה ליניארית כלומר אם נחכה שניה הוא יוכל להתמלא בוא נניח ב-60%, נחכה עוד שניה והוא יגיע ל-70% וכן הלאה(המספרים תלויים בקיבוליות שלו וגם בנגד שמחובר אליו בטור).

העובדה שלוקח לקבל זמן להתמלא ולהתרוקן היא שימושית ואחת הסיבות העיקריות שאנחנו משתמשים בו באלקטרוניקה.

באופן תאורטי קבל לעולם לא יתמלא לגמרי!! אבל הוא יהיה מספיק טעון כדי שנוכל להשתמש בו.

כשקבל מתמלא ונהיה טעון המתח בו הוא המתח שהעברנו בו דרך מקור הכח, אם שמנו אותו במעגל של 5V הוא יהיה טעון ב-5V וכן הלאה בהנחה שנתנו לו מספיק זמן להתמלא.

 מעגל נגד-קבל

חברו הטוב ביותר של הקבל הוא הנגד והם משתפים פעולה ביחד במעגלים אלקטרוניים. באנגלית הם נקראים RC CIRCUITS שזה קיצור של resistor-capacitor. באמצעות שילוב נכון של ערך הקבל והנגד אפשר ליצור תזמונים מדוייקים שזה מימד חדש שלא היה לנו עד עכשיו.

יצירת מימד זמן במעגל אלקטרוני היא שימושית במגוון רחב של אפליקציות וישנה נוסחה כדי לחשב את הזמן שלוקח לקבל להטען על פי ערך הקיבוליות שלו וערך הנגד שנמצא איתו בטור.

זאת הנוסחה:

TC=RxC

קבוע הזמן(TIME CONSTANT) הוא ערך הקבל בפאראד כפול ערך ההתנגדות של הנגד. נראה פשוט נכון? מסתבר שזה לא כל כך פשוט כי כמו שאמרנו הקבל מתמלא בצורה שאינה ליניארית.

אחרי שקבוע הזמן יעבור הקבל יהיה מלא ב-63% מהערך המלא שלו. לאחר עוד קבוע זמן הוא ימלא עוד 63% מהחלק שנשאר וכן הלאה. הקבל לעולם לא יתמלא לגמרי.

כדי לפשט את הדברים אפשר לומר שקבוע הזמן שווה 5 (TIME CONSTANT=5) הקבל מלא לגמרי, למרות שבמציאות הוא רק מתקרב לזה. אם נשים את הקבל במעגל 5V ונחכה שקבוע הזמן יהיה 5 סביר להניח שהוא יהיה טעון בערך ב-4.97V.

כדי להדגים חישוב פשוט ניקח קבל של 470µF ונגד של 1000Ω ונעשה את החישוב:

נחלק 470 במיליון כדי להגיע ממיקרו-פאראד לפאראד ונכפיל ב-1000 שזה ערך הנגד.

התוצאה היא 0.47 שניות. את זה כאמור נכפיל ב-5 ונקבל 2.35 שניות. הצמד הזה של קבל-נגד הולך להטען ב-2.35 שניות.

2 שניות זה לא נשמע הרבה אבל צריך לזכור שאלקטרונים נעים במהירות עצומה(כמעט מיידית) אז להגיע להשהייה של 2 שניות זה הישג מכובד. אם נרצה להגדיל את ההשהייה נעלה את ערך הנגד… זה עד כדי כך פשוט.

עכשיו נראה את זה בעיניים. נחבר קבל של 470µF דרך כפתור נגד ונורת לד במעגל פשוט של 6V. בנוסף נחבר עוד כפתור עם נגד ונורה שתפקידו לפרוק את הקבל. כשנלחץ על הכפתור העליון הקבל יטען והנורה הכחולה תדלק לפרק זמן קצר עד שהקבל יטען במלואו. כשנעזוב את הכפתור הקבל יהיה טעון. עכשיו כשנלחץ על הכפתור השני נפרוק את הקבל דרך הנורה האדומה עד שהוא יתרוקן.

זה מדגים את אחד השימושים החשובים בקבל והוא תזמון ו"החלקה" של הזרם. נרצה להחליק יותר את הזרם? נשתמש בנגדים בעל ערך גבוה יותר.

פה אפשר לעמוד על ההבדל העיקרי בין נגד לקבל. עם נגד אפשר לשלוט במהירות של הזרם אבל עם קבל אפשר גם לשלוט במהירות השינוי שלו וזה נותן לנו מימד נוסף וחדש.

עוד כמה עובדות חשובות על קבלים:

  • כשמניחים קבלים במקביל הערך שלהם מתווסף – שני קבלים של 18µF במקביל יתנו לנו 36µF.
  • קבלים בטור מורידים את הקיבוליות באותו אופן שנגדים במקביל עושים זאת.
  • לחלק מהקבלים יש קוטביות(אלקטרוליטיים) כלומר הם צריכים להיות מחוברים בכיוון הנכון במעגל ולחלק אין קוטביות(קרמיים) וזה לא משנה.
  • קבלים הם פחות נפוצים במעגלים של זרם ישר(DC) בגלל שהם חוסמים אותו אבל עדיין נמצאים בשימוש בעיקר בחיבור במקביל כדי להחליק זרם.
  • ישנם כיום קבלים בערך של פאראד וגם יותר מזה אבל הם יקרים יחסית ויותר נדירים.

טרנזיסטורים

הטרנזיסטור הוא אחד הרכיבים החשובים ביותר בתחום האלקטרוניקה והמחשוב. לטרנזיסטור יש שלוש רגליים והוא נותן לנו למתג זרם בצורה אלקטרונית, וגם משמש כמגבר.

יש כמה דרכים למתג זרם – יש מיתוג מכני בו אנחנו לוחצים על כפתור בדיוק באותו אופן שבו אנחנו מדליקים את האור בבית. אפשר לדמיין למה המיתוג הזה לא מספק אותנו כשאנחנו בונים מעגל אלקטרוני…. מי מוכן לשבת כל היום מול מעגל אלקטרוני ולהחליט לאן הזרם במעגל ילך על ידי לחיצה על כפתורים?

גם אם מישהו יהיה מוכן לעשות את זה מהירות התגובה ואמינות של לחיצה על כפתור הם לא אמינים ולא מדויקים במעגלים שהתזמון שלהם עובד במיקרושניות.

אפשרות שניה היא מיתוג אלקטרו-מכני ולפני המצאת הטרנזיסטור בשנות ה-50 כך זה עבד. ממסר(RELAY) הוא דוגמה למיתוג אלקטרו-מכני שבו זרם מפעיל או מכבה מגנט שפותח או סוגר את המעגל. הבעיה עם ממסר היא שהוא לא מספיק אמין ובנוסף קשה מאוד למזער אותו למימדים קטנים לכן המחשבים הישנים היו בגודל של חדר.

טרנזיסטור הוא רכיב מוליך למחצה זאת אומרת שלפעמים הוא מוליך ולפעמים הוא לא מוליך. על ידי בחירת החומר הנכון ועיצוב נכון היצרנים יכולים לקבוע מתי הוא יוליך זרם ומתי הוא יבודד אותו.

חיבורים טרנזיסטור 2n3904

 

כשעובר זרם ברגל הבסיס של הטרנזיסטור(BASE) הוא נותן לזרם לעבור בין שתי הרגליים האחרות שלו(COLLECTOR,EMITTER). כשלא עובר זרם הוא מבודד ביניהם.

נשמע כמו המצאה פשוטה וגאונית אבל המתמטיקה והפיזיקה שעומדים מאחורי זה הם די סבוכים(בא לכם לפתור קצת משוואות דיפרנציאליות? או מכניקת קוואנטים?).

בכל אופן, הרגל שנקראית COLLECTOR מקבלת זרם ממקור הכח והרגל שנקראית EMITTER מוציאה אותו. אפשר להסתכל על COLLECTOR כפלוס ו-EMITTER כמינוס ביחס לכיוון המעגל הכללי.

טרנזיסטור NPN
טרנזיסטור NPN

יפה מאוד. כעת שאנחנו לוחצים על הכפתור זרם עובר אל רגל הבסיס והטרנזיסטור מוליך בין שתי הרגליים האחרות:

טרנזיסטור הוא רכיב שצריך להיות מחובר עם נגד שישמור עליו כמו נורת לד. נגד אחד שומר על רגל הבסיס(יבדרך כלל עם ערך 200Ω-1KΩ) ונגד אחר שומר על הרגל של ה-COLLECTOR. . הנגד השלישי פשוט שומר על נורת לד מלהישרף.

עוד מאפיין מעניין של טרנזיסטור הוא יכולת ההגברה שלו…. הוא מגביר את הזרם הנמצא בין רגל הבסיס ל-COLLECTOR ואפשר להרטיב קצת את האצבע ולשים אותה ביניהם כדי להדליק את הנורה:

הטרנזיסטור שהשתמשנו בו פה הוא טרנזיסטור ביפולרי מסוג NPN שמצריך זרם חיובי בבסיס כדי לפעול בעוד טרנזיסטור PNP מצריך זרם שלילי בבסיס. דגמים נפוצים הם 2N3904,2N2222

בקצרה אופן הפעולה של טרנזיסטור הוא כזה:

  • כשנותנים זרם חיובי בבסיס מתחיל זרם בין הקולט(COLLECTOR) לפולט(EMITTER).
  • הבסיס צריך להיות לפחות 0.6V יותר חיובי מהפולט.
  • בנוסף גם ה-COLLECTOR צריך להיות יותר חיובי מה-EMITTER.

לכל טרנזיסטור יש מקסימום מתח ומקסימום זרם שהוא יכול לעמוד בהם ולדגמים שהשתמשנו בהם עד עתה 2N3904 ו-2N2222 יש רף נמוך יחסית של 200mA ו-800mA בהתאמה.

עוד טרנזיסטור פופולרי הוא דרלינגטון שעובד בשני שלבים כלומר יש בו שני טרינזיסטורים קטנים והוא יכול להגביר עד 2 אמפר של זרם. דגמים נפוצים שלו הם TIP120 ו- TIP122.

טרנזיסטור שעובד בטכנולוגיה אחרת הוא מוספט (MOS-FET) ויש לו יתרונות וחסרונות לעומת טרנזיסטור ביפולרי. היתרון העיקרי שלו הוא צריכת זרם נמוכה לכן הוא נמצא בשימוש במעבדים ומיקרו-בקרים וגם במעגלים משולבים. החיבורים שלו הם קצת שונים אבל עובדים באותו עקרון:

טרנזיסטור מוספט (MOS-FET)
טרנזיסטור מוספט (MOS-FET)
  • GATE – זהו הבסיס שבו אנחנו שולטים
  • DRAIN – הרגל הזאת היא כמו COLLECTOR ומחוברת למטען
  • SOURCE – הרגל הזאת היא כמו EMITTER ומחוברת למינוס

כשעובדים עם מתחים נמוכים של מתחת 12V לא תמיד קל למצוא טרנזיסטור מוספט שניתן להפעיל אותו מרמת מתח לוגית (5V, 3.3V) אבל אם מוצאים דגם כזה במחיר טוב אז עדיף לעבוד איתו כי הוא הרבה יותר יעיל ואינו מתחמם. החסרונות שלו הוא שהוא קצת יותר איטי וגם קצת יקר יותר.

דיודה

מה אם היינו יכולים לתת לזרם לעבור בכיוון אחד ולחסום אותו בכיוון השני? בשביל זה קיימת הדיודה שהיא עוד סוג של רכיב מוליך למחצה – היא מוליכה בכיוון אחד ומבודדת בכיוון אחר. הדיודה הפשוטה ביותר היא דיודה ליישור זרם מסוג 1N4001, 1N4007 והשימוש העיקרי שלה להפוך זרם חליפי לזרם ישר. אבל אנחנו משתמשים בה גם להגנה מזרם חוזר.

לאלקטרו-מגנט כמו מנוע חשמלי, סולנואיד או ממסר יש נטייה להחזיר זרם אחורה למעגל לאלפית שנייה אבל הזרם הזה יכול להיות קטלני לבקר או מעגל משולב שמפעיל אותו.

לדיודה סטנדרטית יש פס לבן שמסמן את הקתודה(המינוס) והצד השני שלה הוא הפלוס והיא נותנת לזרם לעבור מהפלוס אל המינוס.

לכל דיודה יש מתח סף קדמי ומתח סף אחורי. מתח הסף הקדמי הוא נמוך יחסית בערך 0.7V כדי להפעיל את הדיודה… פחות מזה והדיודה לא תוליך אפילו אם היא בכיוון הנכון.

מתח סף אחורי הוא המקסימום מתח שהדיודה יכולה לחסום כשעובר בה מתח הפוך והוא גבוה יותר 50V-1000V וברגע שהוא נשבר הדיודה מוליכה בשני הכיוונים ואינה מבצעת יותר את תפקידה(חוץ מבדיודת זנר שהתפקיד שלה הוא להעביר מתח אחורי בכמות מסוימת).

או קיי אז בשביל הפשטות נחבר מנוע DC עם דיודה בכיוון הסטנדרטי שלה:

דיודה עם מנוע
דיודה עם מנוע

על פניו זה נראה חיבור נכון להגנה מזרם חוזר, אבל כשיורדים קצת לעומק מבינים שיש פה כל מיני בעיות:

  • קודם כל הדיודה פה היא חלק מהמעגל ומפילה מתח ולכן מפריעה לעבודה התקינה של המנוע.
  • דבר שני כשזרם חוזר אחורה אנחנו רוצים שמישהו ייקח את הזרם הזה כי כאמור זרם לא נעלם וחייב להפלט באיושהי צורה.

בשביל לפתור בעיות אלה, כשמשתמשים בדיודה להגנה מזרם חוזר מחברים אותה במקביל למטען והפוך!!! . בעבודה רגילה היא אינה חלק מהמעגל ועובר בה זרם כמו בחוט רגיל, וכשמנוע עוצר וזרם חוזר אחורה היא נכנסת לפעולה ולוקחת חלק ממנו.

דיודה להגנה מזרם חוזר
דיודה להגנה מזרם חוזר

 דיודת זנר

עוד דיודה מעניינת מאוד היא דיודת זנר. לדיודה זו יש מתח סף אחורי קבוע וכשעוברים אותו הדיודה מתחילה להוליך אבל נשארת על אותו המתח הקבוע לפי הסף הזה.

זוהי דרך מצוינת לייצב מתח, לדוגמה אם רוצים מתח קבוע של 5V קונים דיודת זנר שמתח הסף האחורי שלה(נקרא גם מתח זנר) הוא 5V ומציבים אותה במקביל אל המטען אותו רוצים להפעיל. אפילו אם הזרם במעגל יגבר המתח תמיד יישאר על 5V כל זה בהנחה שלא נעבור את רף המתח המקסימלי שלה. בוא נראה דוגמה:

דיודת זנר 4.7V
דיודת זנר 4.7V

דיודת הזנר מחוברת במקביל אל המנוע בצורה הפוכה(הקו הכחול זה המינוס) ומייצבת את המתח ל-4.7V . יש פה סטייה קטנה גם בגלל שלדיודה עצמה יש סטייה וגם בגלל שהבטריות נחלשו קצת.

מעגלים משולבים

מעגלים משולבים נקראים גם ג'וקים!! בנות לא לפחד זה רק בגלל המראה שלהם.

מעגל משולב הוא אוסף של עשרות, מאות או אפילו אלפי רכיבי אלקטרוניקה זעירים שדחוסים בתוך שבב אחד שיש לו תפקיד ייעודי כלשהו לעשות. השבב עשוי מסיליקון ועטוף באריזת פלסטיק שחורה שבאה בכל מיני צורות וגדלים.

 מעגל משולב

מעגלים משולבים

שימו לב שמתוך השבב יוצאים חוטים זעירים שהולכים אל הרגליים של השבב ונותנים גישה אליו. לכל רגל יש מספר וייעוד מסוים עליו אפשר לקרוא בגליון הנתונים של השבב.

לשבב יש גם חצי עיגול בחלקו העליון כדי שנבין לאן כל רגל מיוחסת, הנה לדוגמה מיפוי רגליים של שבב טיימר 555 :

מיפוי רגליים טיימר 555
מיפוי רגליים טיימר 555

 

המטרה של מעגלים משולבים (integrated circuits) היא להקל עלינו את החיים כי כל המעגל האלקטרוני כבר נמצא בתוך השבב ואפשר להפעיל את כל הפונקציות שלו על ידי גישה אל הרגליים שלו.

דבר נוסף שהוא נותן הוא למזער את המעגל האלקטרוני. המעגלים המשולבים שנשתמש בהם קטנים בהרבה מהמעגלים שבנינו קודם על המטריצה אבל אפילו אותם אפשר להקטין אפילו יותר לשבבים זעירים שבאים באריזה של הרכבה משטחית( surface mount).

טיימר 555

זהו נחשב לשבב אגדי כי הוא יכול להוציא את היצירתיות אפילו מהאדם המשעמם ביותר 🙂 , הוא מגוון מאוד וניתן להשתמש בו בהרבה צורות אבל באופן עקרוני מה שעושים איתו זה תזמונים.

monostable

בתצורה הרגילה שלו (monostable) אפשר לבנות טיימר עם פולס אחד ולתזמן אותו על פי ערך הקבל והנגד. בואו נעבור על מיפוי הרגליים:

  1. Ground – הולך למינוס של מקור הכח
  2. Trigger – זהו ההדק שגורם לתחילת הפולס. ברגע שהמתח פה הוא שליש ממקור המתח הפולס ברגל שלוש מתחיל לפעול.
  3. Output – מפה יוצא הפולס אל המטען. המתח פה הוא קצת נמוך יותר ממקור המתח.
  4. Reset – אפשרות לאתחל את השבב אם מורידים את הרגל לאדמה.
  5. Control – הרגל הזאת נותנת לכוון את הטיימר ונתעסק איתה בהמשך
  6. Threshold – בין הרגל הזאת למינוס מתחבר קבל ששולט באורך הפולס
  7. Discharge – בין הרגל הזאת לפלוס מתחבר נגד ששולט באורך הפולס
  8. Power supply – הולך לפלוס של מקור הכח

עכשיו נחבר את החוטים והרכיבים:

דיאגרמה טיימר 555
דיאגרמה טיימר 555

 

זוהי הצורה הפשוטה ביותר לעבוד עם השבב ועוד מעט נתחיל לשפר אותה.

זה נראה קצת מסובך בהתחלה עד שתופסים את זה אז בואו נבין מה קורה פה:

השבב מקבל מקור כח קבוע שצריך להיות בין 5V – 15V. ברגע שלוחצים על הכפתור שמחובר דרך נגד 1K אל רגל Trigger הפולס ברגל Output נכנס לפעולה בגלל שהמתח ברגל נמוך בפחות משליש ממקור המתח.

הנגד ברגל Discharge הוא של ערך 100K והקבל ברגל Threshold הוא של ערך 47µF. שימו לב לקוטביות של הקבל, הפלוס הולך לרגל והמינוס(איפה שהקו הלבן) הולך למינוס של מקור הכח. נורת הלד מחוברת עם נגד 1K או 470K בין Output למינוס.  בתצורה הזו Discharge ו-Threshold מחוברים עם "ג'מפר" – שזה בסך הכל חוט.

עכשיו נשאלת השאלה… לכמה זמן תדלוק הנורה כשנלחץ על הכפתור? התשובה היא 5.2 שניות. אנחנו יודעים את זה לפי הטבלה הבאה:

טבלת פולסים
טבלת פולסים

 

כפי שניתן לראות השילוב בין 47µF ל-100KΩ נותן לנו 5.2 שניות. ככה אפשר לשחק עם הערכים של הקבל והנגד כדי להגיע לאורך הפולס הרצוי. אפילו יותר מעניין, את הנגד אפשר להחליף בפוטנציומטר ואז לשלוט באורך הפולס על יד סיבוב הפוטנציומטר.

דוגמא לשימוש ברעיון הזה הוא למשל טוסטר – אנחנו קובעים עד כמה שחום הוא יהיה לפי סיבוב של פוטנציומטר ששולט באורך הפולס.

אם רוצים אורך פולס שלא נמצא בטבלה משתמשים בנוסחה הבאה:

שניות = התנגדות(בקילו-אוהם) * קיבוליות (במיקרו-פאראד) * 0.0011

לדוגמה נגד 10K וקבל 100 מיקרו-פאראד יתנו פולס של 1.1 שניות.

עוד כמה דגשים שצריך לדעת על טיימר 555:

  • ברגע שלוחצים על הכפתור הוא לא מפסיק באמצע אלא אם לוחצים על כפתור בין Reset למינוס.
  • אורך הלחיצה לא משנה את התפקוד שלו.
  • נהוג לשים נגד 10K PULL-UP שימשוך את Trigger לפלוס בנוסף לנגד שיוצא מהכפתור מה שיוצר מחלק מתח.
  • נהוג לשים נגד 10K PULL-UP בין Reset לפלוס כדי למנוע אתחול בלתי רצוי.
  • נהוג לשים קבל 0.01µF למנוע פעולה בלתי רצויה של רגל Control
  • בנוסף גם קבל 100µF בין פלוס למינוס להחליק את הזרם.

עכשיו ניצור סימולציה של טיימר 555 כדי להבין יותר לעומק איך הוא עובד. שימו לב שמיקום הרגליים פה קצת שונה:

טיימר 555 – EveryCircuit

לחצו על הכפתור שהולך ל-Trigger להדליק את הנורה ל-5 שניות.

עכשיו נשתמש ברעיון של מחלק מתח כדי להבין מתי רגל Trigger נכנסת לפעולה. נחבר נגד 10K PULL-UP בין Trigger לפלוס של מקור הכח ומתחתיו אל מינוס פוטנציומטר שישלוט על ההתנגדות.

הנה שוב נוסחת מחלק המתח שלמדנו עליה בעבר :

נוסחת מחלק מתח

 

לפי נוסחה זו כשנגד R1 הוא 10K, נצטרך ש-R2 יהיה בערך של 6.7K ומטה כדי שהמתח ברגל טריגר יהיה שליש ממקור המתח והפולס ב-Output יפעל.

בואו נראה איך זה עובד בסימולציה :

 

טיימר 555 מחלק מתח – EveryCircuit

שימו לב כשאתם לוחצים על הכפתור נורת הלד לא נדלקת, כדי שהיא תפעל צריך לסובב קצת את המחוג כדי להוריד את ההתנגדות בפוטנציומטר מתחת 6.7K.

אז לסיכום: המתח ברגל טריגר צריך להיות שליש ומטה ממקור המתח כדי להפעיל את הפולס. אורך הפולס נקבע על יד ערך הקבל והנגד ברגליים Threshold ו-Discharge.

אפשר עוד שעות לשחק עם המעגל הזה אבל צריך להתקדם ולהשתמש בשבב 555 באופן אחר שנקרא astable ואיתו אפשר בין היתר להבהב נורה ולהפעיל רמקול.

astable

המשמעות של astable היא בלתי יציב ולפעמים זה בדיוק מה שאנחנו רוצים – ליצור פולסים קבועים במרווחי זמנים שאנחנו רוצים.

לדוגמה בואו נהבהב נורה באופן קבוע באופן הבא – קודם כל נפטר מהכפתור כי לא צריך אותו יותר, מה שיתן את הטריגר עכשיו זה רגל 6 Threshold אותה נחבר אל רגל 2 – Trigger. נפטר גם מהג'מפר ששמנו קודם בין Discharge ל-Threshold ונשים במקומו נגד 10K.

נחליף גם את הנגד בין Discharge ופלוס בנגד 1K. מה שקורה עכשיו זה שאנחנו מייצרים תדר של 1.5Hz זאת אומרת פולס עולה ויורד כל 1.5 שניות.

fritzing-astable

 

אם רוצים לשנות את התדר מחליפים את ערך הנגד 10K או ערך הקבל לפי הנוסחה הבאה:

Frequency = 1440 / ( (R1 + 2R2) × C1) cycles per second

 

כאמור R1 הוא הנגד שמחובר לפלוס ו-R2 הוא הנגד שיושב בין Discharge ל-Threshold.

עכשיו נעשה דבר מעניין – נחליף את הנורה ברמקול או זמזם ובמקום R2 נשים פוטנציומטר 100K. נקטין גם את הערך של הקבל ל-0.01µF.

מה שיצרנו פה זה מתנד(oscillator) ואפשר להתחיל להבין למה השבב 555 טיימר הוא כל כך שימושי ומגוון.

 

שרשור שבבים

מעגלים משולבים יכולים לדבר אחד עם השני!!! הם יכולים להדליק, לכבות ולהשפיע אחד על השני בצורה שאנחנו רוצים, וטיימר 555 עושה את זה בצורה פשוטה יחסית. אם שמתם לב הטיימר יכול לעבוד רק בתצורה אחת בכל פעם(monostable או astable) אבל לא בשתי התצורות ביחד. בתצורה הראשונה הוא מחכה לירידת מתח בפין טריגר כדי לתת פולס אחד בערך שאנחנו בוחרים. בתצורה השנייה הוא הופך להיות מתנד שנותן פולסים במרווחי זמן שאנחנו בוחרים.

יש כל מיני דרכים לתת ליציאה של שבב 555 להשפיע על שבב 555 אחר:

  • לחבר את הראשון בתצורת monostable ואת יציאת ה-Output שלו לפלוס של שבב אחר, כך שהוא יכבה וידליק את השבב לזמן מסוים בכל פעם שנלחץ על כפתור.
  • לחבר את יציאת Output של השבב הראשון אל כניסת Trigger של השבב השני.
  • לחבר את יציאת Output אל כניסת Control של השבב השני.

יש עשרות קומבינציות לשרשר שבבים ביחד אבל לסיום ניצור אפקט סירנה עם שני שבבי 555 בתצורת astable כשהשבב הראשון שולט ברגל Control של השבב השני.

מונה עשרוני CD4017

מונה עשרוני (decade counter) מסוגל לספור מ-0 עד 9 כשהוא מקבל פולס ברגל טריגר. בכל פעם שהוא מקבל פולס הוא עולה ספרה אחת עד שהוא מגיע ל-9 ואז מתחיל מחדש, יש לו גם אפשרות לגרור בכל פעם כשהוא מגיע ל-9 ולתת פולס למונה אחר ובכך לספור עשרות מאות וכן הלאה.

CD4017-Pin-Diagram

 

Vdd הוא הפלוס שאמור לקבל בין 3V-18V לפי נתוני היצרן ו-Vss הוא המינוס.

את Clock Enable אנחנו מחברים למינוס, וגם את Reset.

Q0-Q9 הן 10 היציאות שמופעלות אחת אחרי השניה בכל פעם כשלוחצים על הכפתור שמחובר ל-Clock שזהו למעשה פין טריגר.

כדי למנוע לחיצות כפולות או קפיצות אפשר לייצב את הכפתור על ידי קבל(debouncing) .

fritzing-4017

 

השבב בתמונה הוא CD4060 שהוא קצת שונה אבל אפשר להתייחס אליו כמו CD4017.

מה שקורה פה בפועל הוא שבכל פעם שמגיע מתח אל Clock הוא עולה ספרה אחת ובכך מדליק את הנורות אחת אחרי השנייה. אפשר לבנות הרבה מאוד מעגלים עם השבב הזה ויותר מאוחר נריץ את הנורות באופן אוטומטי על ידי…. ניחשתם נכון טיימר 555. זאת הייתה רק הכרות ראשונית עם השבב.

CD4511

מה שנעשה עכשיו זה להדליק תצוגת ספרות 7 מקטעים (seven segment display) באמצעות מעגל אלקטרוני שנבנה. יש כל מיני דרכים לבצע את זה ודרך אחת פשוטה היא על ידי מעגל משולב CD4026 שפשוט מציג את הספרות אחת אחרי השניה לפי הסדר.

אנחנו נפעיל את התצוגה על ידי CD4511 decoder שהוא מפענח בין 4 ביט ל- 10 ספרות שזה בדיוק מה שאנחנו צריכים כדי להציג את כל הספרות. נציג את הספרה שאנחנו רוצים על ידי דיפ-סוויץ' וכך גם נלמד על מספרים בינאריים.

קודם כל נבחן את החיבורים של CD4511:

CD4511-pinouts

 

חיבורי ה-INPUT הם החיבורים שילכו מהדיפ סוויץ' אל השבב ומייצגים 4 ביט לפי סדר השמות שלהם. המתח שהשבב מקבל הוא 3V-18V וכל שאר חיבורי ה-segment הולכים אל הספרה שאותה נדליק לפי השמות שלהם. אלה חיבורי הספרה:

תצוגת מקטעים חיבורים לארדואינו

 

תצוגת המקטעים היא פשוטה והנורות בה נדלקים כדי להציג את הספרה שאנחנו בוחרים, כל החיבורים ביחד נראים כך:

 

fritzing-cd4511

אנחנו נשתמש ב-4 סוויצ'ים כדי לייצג 4 ביט והם ילכו למעגל המשולב (A0,A1,A2,A3).

LAMP TEST ו-BLANKING ילכו אל 5V ו-LATCH ילך לאדמה. לפני שנפעיל בואו נלמד על מספרים בינאריים.

מספרים בינאריים

מתמטיקה היא שפה שבני אדם המציאו ולכן אפשר לשנות בה מאפיינים לפי הצורך…. בחשבון אנחנו משתמשים בבסיס 10 כדי לספור, אנחנו מתחילים לעלות עם הספרה השמאלית וכשהיא מגיעה ל-9 אנחנו מורידים אותה חזרה לאחד וגוררים 0 אל הספרה הימנית. למה הבסיס לחשבון הוא בסיס 10? כי יש לנו עשר אצבעות וכך יותר קל לנו לספור.

באלקטרוניקה ומחשבים אנחנו סופרים בבסיס 2 ולא 10 בגלל שלפי הצורה שהם עובדים ניתן לייצג את זה בקלות:

0 = אין זרם

1 = יש זרם

משפה בינארית זו אפשר להגיע אל כל מספר כמו בבסיס עשר. בואו נראה דוגמה:

bcd-to-binary

 

כשאנחנו עובדים עם 4 ביט הספרה הראשונה מימין היא 1, השניה היא 2, השלישית היא 4 והרביעית 8.

לדוגמה איך נייצג את המספר 5? 0101 . מחברים את הספרה הראשונה מימין אל השלישית מימין וביחד זה יוצא חמש. זה בהתחלה נראה יותר מסובך לייצג ככה את המספר חמש אבל כשמתחשבים בעובדה שככה ניתן לייצג בצורה חשמלית מספרים וגם במהירות שבה חשמל זורם אפשר להבין למה אנחנו משתמשים בשפה בינארית.

cd4511-seven-segment
cd4511-seven-segment

 

הנה אנחנו מייצגים את הספרה שלוש על ידי מספר בינארי 0011, תמשיכו לשחק עם ארבעת הסוויצ'ים עד שתבינו את העקרון של שפה בינארית.

 

 

אלקטרומגנטיות

אחת התופעות המדהימות בטבע היא הקשר בין חשמל למגנטיות, מסתבר שהן אותה תופעה שמתבטאת בשתי צורות שונות. באלקטרוניקה אנחנו משתמשים בקשר זה בכמה צורות:

  • כשחשמל עובר במוליך הוא יוצר סביבו שדה מגנטי שמשפיע כמובן על מתכות שונות ויכול להזיז אותם
  • כשמזיזים חוט מוליך במהירות בקרבת מגנט נוצר בחוט זרם חשמלי. ככה מפיקים חשמל בתחנות כח.

החוט המוליך יהיה בדרך כלל בצורת סליל מלופף כי זה מגביר את עוצמת הזרם.

רמקולים ומגברים

רמקול

 

 

ברמקול יש מגנט קבוע וסליל שיכול לנוע ואל הסליל מחוברת ממברנה(דיאפרגמה). כל פעם שנעביר זרם בסליל הממברנה תנוע בהתאם לאותות החשמליים וזה יוצר את גלי הקול שאנחנו שומעים מהרמקול.

מיקרופון עובד בצורה הפוכה – הממברנה קולטת את גלי הקול ומזיזה סליל בקרבת מגנט והזרם שנוצר בו הוא הביטוי החשמלי של גלי הקול. אפשר לשמור(להקליט) את רצף ועוצמת הזרם לשימוש מאוחר יותר ולשמוע אותם על ידי רמקול אחרי שמגבירים אותם.

מגבר

מטרת המגבר היא לקחת את האות החלש שמגיע אליו ולהגביר את הזרם לשימוש כלשהו, במקרה שלנו כדי להפעיל רמקולים. אם ניקח את האות ונחבר אותו ישירות אל הרמקולים נוכל בקושי לשמוע את המוזיקה, אבל כשרוצים להרעיד את הקירות משתמשים במגבר.

LM386_pinout_diagram

 

זהו מגבר של 1 וואט שיכול להניע רמקולים של 8 אוהם . כמו שאפשר לראות המגבר עובד בצורה פשוטה מאוד:

  • GND הולך לאדמה
  • VS הולך למקור כח 6V-12V
  • INPUT+ הוא הקוטב החיובי של הסיגנל
  • INPUT- הולך לאדמה
  • Vout זה הסאונד אחרי שהוא מוגבר והולך לפלוס של הרמקול

הגברת ברירת המחדל היא פי 20 ואפשר להעלות אותה על ידי קבל בין רגלי GAIN עד 200 (קבל של 10 מיקרו פאראד).

מסתבר שלהפיק סאונד איכותי מסיגנל חשמלי זה קצת מדע קצת אומנות והרבה אמונות תפלות 🙂 . יש אלפי הסברים ברשת איך לשפר את הסאונד איך להוסיף בס ועוד דברים מעניינים אחרים.

lm386-connections

 

בשרטוט למעלה שנלקח מכאן יש את ההסבר הפשוט ביותר איך לתפעל את המגבר. עכשיו כדי להכניס למגבר אות אודיו יש טריק נחמד שאפשר לעשות – לקחת אוזניות ישנות ולחתוך אותן לחבר ביחד את חוטי האדמה(בדרך כלל שניהם בצבע זהב או כסף) . שני החוטים הנותרים בצבע כחול ואדום הם האות של הסטריאו, אבל מגבר LM386 הוא מגבר מונו. בעזרת שתי נגדי 1K בטור נחבר את שניהם אל כניסת האודיו וניצור סאונד מונו כפי שמוסבר למטה.

לא חייבים לעשות את זה אפשר פשוט לחבר רק את החוטים של אוזניה אחת ואז הצליל שיופק יהיה הצליל שיוצא מאוזניה זו.

 

לשפר את הסאונד עדיף לקצר את החוטים של מקור האות כלומר לחבר אותם ישירות למגבר ובנוסף הרמקול צריך להיות בתוך תיבה תעודה.

הדיסטורשן חוגג אבל אף אחד עוד לא מת מקצת דיסטורשן.

 

 

אפשר במשך שעות לשחק עם הקבלים והנגדים כדי לשפר את הסאונד אבל דבר אחד הוא בטוח – מדונה תמיד נשמעת יותר טוב מאריאנה גרנדה 🙂

 

מנועים

מנועים חשמליים גם עובדים על העקרון האלקטרומגנטי. במנוע יש מגנט קבוע ובתוכו סליל  שמסודר בזווית הנכונה, כשעובר זרם בסליל נוצר שדה מגנטי שנמשך או דוחה את המגנט הקבוע לפי הכיוון שהוא נמצא בו. פעולה זו חוזרת על עצמה וכך נוצר סיבוב.

small_dc_motor

 

מנוע זרם ישר DC

 

כדי לשלוט במנוע נשתמש בשבב L293D שיכול לשלוט בשני מנועי DC גם בכיוון שלהם וגם במהירות.

השבב נקרא גם H-BRIDGE בגלל שיש בו ארבעה טרנזיסטורים בצורת H:

h-bridge

 

בזמן ש-S1 ו-S4 סוגרים מעגל המנוע זז בכיוון אחד. בזמן ש-S2 ו-S3 סוגרים מעגל הוא זז בכיוון השני.

 

קודם כל נעשה הכרות עם השבב:

דיאגרמה L293D

 

נתחיל בלחבר מנוע אחד לצד השמאלי של השבב.

  • ENABLE1 – הולך לפלוס והוא בסך הכל אומר לשבב שאנחנו מפעילים את מנוע 1
  • INPUT1 – כשהרגל הזאת מחוברת לפלוס ו-INPUT2 מחוברת למינוס המנוע זז בכיוון אחד
  • INPUT2 – כשהרגל הזאת מחוברת לפלוס ו-INPUT1 מחוברת למינוס המנוע זז בכיוון השני
  • GND – הולך לאדמה
  • OUTPUT1 – הולך לחיבור אחד של המנוע
  • OUTPUT2 – הולך לחיבור השני של המנוע
  • Vs – מקור כח למנוע 1 הולך לפלוס

 

l293d-direction-motor

 

 

כפי שאפשר לראות לחיצה על כפתור משנה את כיוון סיבוב המנוע. כדי לשלוט במהירות המנוע כל מה שצריך לעשות זה לחבר פוטנציומטר בין הרגל שמפעילה את המנוע (OUTPUT1 או OUTPUT2) אל המנוע. האמת שכדי לשלוט במהירות של שתי הכיוונים צריך 2 פוטנציומטרים כי הקוטביות של המתח משתנה כשלוחצים על הכפתור – אם נעבוד רק עם פוטנציומטר אחד כל פעם שנלחץ על כפתור אחר נצטרך גם לשנות את הפלוס והמינוס בפוטנציומטר.

באמצעות אלקטרוניקה אפשר גם לשלוט במנועי סרבו ומנועי צעד אבל לא נתעסק בזה בספר.

לוחות הלחמה

הגיע הזמן להלחים ולבנות כמה פרויקטים יותר קבועים במקום להרכיב מעגלים ולפרק אותם מהמטריצה. נתחיל מלהלחים את המעגלים הפשוטים ביותר ונתקדם משם. זהירות: המלחם מגיע לטמפרטורה גבוהה מאוד לכן יש לנקוט באמצעי זהירות!!! אם אתם מתחת גיל 16 לא להלחים בלי ליווי מבוגר.

לוח הלחמה 5x7

לוח הלחמה נועד ליצור מעגל קבוע ואנחנו משתמשים בו לקבע את המעגל האלקטרוני. הפריטים שנשתמש בהם פה הם מלחם, מעמד למלחם עם ספוג, בדיל ומשחת הלחמה.

משחת הלחמה

שואב בדיל

מעמד מלחם

 

נרטיב קצת את הספוג ונכניס את המלחם לחשמל, נחכה 5 עד 10 דקות שיתחמם…

עכשיו נלחים מעגל עם נורה ופוטנציומטר אחד המעגלים הפשוטים ביותר, זכרו שצריך בנוסף לפוטנציומטר גם נגד נוסף להגנה על הנורה. נלחים גם טרמינל בלוק של 2 מקומות להכנסת מקור כח.

כל מה שצריך לעשות זה להעביר את הרכיבים מהמטריצה אל לוח ההלחמה, כשמכניסים רכיב אל הלוח מקפלים את הרגליים שלו כדי שיחזיק. ברגליים אלה אפשר גם להשתמש כחוטי הלחמה ובכך לחסוך חוטים.

הכנסת רכיבים ללוח

 

לגבי ההלחמה עצמה – אנחנו עושים את החיבור בין הרגליים ומניחים עליהם את המלחם מספר שניות, לאחר מכן אנחנו נוגעים עם הבדיל בחיבור ויוצקים כמות קטנה כדי ליצור את החיבור. תוך כמה שניות החיבור יתקרר ויהפוך קבוע. מדי פעם אנחנו מנקים את הראש של המלחם בספוג וגם טובלים אותו במשחת הלחמה.

ככה נראה המעגל הפשוט שהוא עובד:

מעגל אלקטרוני מולחם

 

עכשיו אפשר להלחים מעגל קצת יותר מורכב, נלחים עשר נורות לד ונריץ אותם אחת אחרי השניה על ידי מונה עשרוני CD4017 . קודם נתנו את הטריגר למונה על ידי לחיצה על הכפתור, אבל עכשיו נעשה את זה בצורה אוטומטית על ידי טיימר 555 שיעבוד בתצורת ASTABLE.  במהירות שבה ירוץ רודף האורות נשלוט על ידי פוטנציומטר, ואת המעגל נרכיב על אותו לוח הלחמה בסמוך למעגל הקודם.

קודם כל נחבר את המעגל על מטריצה –

 

הלחמת נורות לד

מתחילים לקבע את כל נורות הלד לקו מינוס(GND) שעוד מעט נלחים. לאחר מכן נלחים את המעגלים המשולבים. לא נהוג להלחים מעגלים משולבים ישירות אל הלוח אלא להרכיב תושבת מעגל להכנסה והוצאה נוחים, החום הגבוה של המלחם יכול להרוס את המעגלים אם מלחימים אותם ישירות.

הנה המעבר ממטריצה ללוח הלחמה:

מטריצה אל לוח הלחמה

 

וכל החיבורים מלמטה, את הגישורים עושים על ידי גילוף של חוטים והלחמה שלהם:

חיבורי הלחמה רודף אורות

 

זהו… עכשיו צריך להתפלל ולקוות שזה יעבוד 🙂

שימו לב שבגלל שיש פה הרבה חיבורים חלק נמצאים למטה אבל יש גם חיבורים עליונים עם חוטי ג'מפר. כמה דגשים לגבי הלחמה:

  • תמיד לבדוק קודם על מטריצה
  • לתכנן כמו שצריך איפה להלחים את הרכיבים, אפשר לצייר עם טוש על לוח ההלחמה
  • צריך לזכור שההלחמה נעשית על גב הלוח לכן הכל הפוך כמו מראה
  • אסור שהלחמות יגעו אחת בשניה!!!
  • אם עושים טעות אפשר לשאוב בדיל אחרי שחומם ולהלחים מחדש. כך גם אפשר להוציא רכיבים
  • לוקח קצת זמן להבין בכמה בדיל להשתמש – לא הרבה מדי ולא מעט מדי
  • ההלחמות הראשונות לא צריכות להיות אסטתיות העיקר שיעבדו כמו שצריך

עוד מקום טוב ללמוד על הלחמה הוא כאן במדריך למלחים המתחיל  ויש גם הרבה סרטים ביוטיוב שמדגימים איך להלחים.

 

פרויקט מערכת אזעקה

כדי להדגים את היכולות של טיימר 555 נבנה מיני מערכת אזעקה עם גלאי תנועה וכל ההשהיות הדרושות. הלוגיקה של מערכת האזעקה היא כזו:

  1. המשתמש לוחץ על מתג כדי לדרוך את מערכת האזעקה.
  2. מתחילה השהיית יציאה שנותנת למשתמש לצאת מן הבית.
  3. חיישני התנועה נכנסים לפעולה ואם הם קולטים תנועה מתחילה השהייה נוספת שנקראת השהיית כניסה.
  4. אם האזעקה לא כובתה עד תום ההשהייה מופעלת סירנה שמתריעה על פורץ… אם היא כובתה בזמן על ידי המשתמש לא קורה שום דבר.

יפה מאוד עכשיו ננסה ליישם את כל זה באמצעות ארבעה טיימרים שכל אחד מהם מייצג שלב מסוים בלוגיקה של מערכת האזעקה:

מערכת אזעקה דיאגרמה

 

נתחיל משמאל לימין – השבב הראשון כל התפקיד שלו זה ליצור השהייה שבסיומה הוא מדליק את השבב השני. ההשהייה נעשית על ידי קבל 470µF ופוטנציומטר 100KΩ שנותנים ביחד תזמון של 52 שניות מקסימום לפי הטבלה הבאה. הפוטנציומטר נותן לכוון את השהיית היציאה לפי דרישות המשתמש.

ברגע שהשבב 555 השני (שעובד בתצורת monostable) נדלק הוא באופן מיידי מוציא מתח אל טריגר של השבב השלישי כלומר מספק לו מתח ממקור המתח. כידוע שבב 555 מוציא output רק שהמתח בטריגר נמוך בפחות משליש ממקור המתח, אז מה שקורה פה הוא שחיישן התנועה כשהוא מזהה תנועה מוציא פולס 3.3 וולט אל טריגר של שבב 2, וזה בעצם מוריד את המתח בשבב 3 ומפעיל אותו.

אם חיישן התנועה היה קבוע על 3.3 וולט ויורד לאפס כשהוא מזהה תנועה זה היה עושה לנו את החיים קלים ולא היינו צריכים את השבב השלישי, אבל בגלל שהוא עובד הפוך אנחנו צריכים שבב שכל תפקידו הוא להפוך את המתח.  עכשיו נעבור לשבב השלישי – ברגע שטריגר יורד לאפס מתחילה השהיית כניסה שבסיומה מופעלת סירנה (אם האזעקה לא כובתה) . הפוטנציומטר של שבב 3 קובע לכמה זמן תפעל הסירנה וכאן עדיף לשים פונציומטר של 1MΩ.

במידה והאזעקה לא נוטרלה בזמן השבב השלישי מדליק שבב טיימר 555 רביעי שמפעיל סירנה באמצעות טרנזיסטור מוספט. טיימר 555 מסוגל לספק 200mA להפעלת הסירנה (שצורכת בדיוק את כמות הזרם הזו) אבל זה קצת גבולי לכן לא ניקח סיכונים ונפעיל את הסירנה על ידי טרנזיסטור שימתג אותה ישירות אל מקור הכח. זמן השהיית הכניסה נקבע על ידי פוטנציומטר שמחובר לשבב הרביעי.

הסירנה שאני עובד איתה היא סירנת נצנץ סטנדרטית שאמורה לפעול מ-12V אבל עובדת מצויין גם עם 9V. היינו יכולים להפוך את כל המעגל למעגל של 12V ולהוריד מתח בדרך לרכיבים, או שאפשר להשתמש בספק כח נוסף רק בשביל הסירנה אבל החלטתי שכל המעגל יהיה 9V שמסופק משנאי אחרי שבדקתי בוודאות שכל הרכיבים עובדים במתח הזה.

סירנת נצנץ

קודם כל נבדוק שהמעגל עובד בלי הסירנה. נפעיל מתג שידרוך את האזעקה ואז תהיה השהייה של דקה לתת לנו לצאת מהבית,בתום ההשהייה תדלק הנורה הצהובה. אחרי זה נפעיל את החיישן ותיווצר עוד השהייה של חצי דקה שתיתן לנו מספיק זמן לנטרל את האזעקה. מכיוון שאנחנו לא מנטרלים את האזעקה הנורה הכחולה תדלק שהיא מסמלת את הסירנה. כאמור הפוטנציומטרים שולטים בזמני ההשהיות.

 

שרטוט חשמלי

מטרת השרטוט החשמלי היא להציג את החיבורים בין כל הרכיבים האלקטרוניים בצורה מופשטת כלומר מה מתחבר למה ובאיזה כיוון. השרטוט החשמלי הוא כמו מפה של חיבורים והמרחקים בין הרכיבים במציאות לא חייבים להיות כמו בשרטוט, כל עוד החיבורים נכונים אז המעגל אמור לעבוד כמו שצריך.

שרטוט חשמלי

שרטוט חשמליהאורך של החוטים בין הרכיבים לא חשוב וגם הזוית לא חשובה הסיבה היחידה שהכל סימטרי היא בשביל אסתטיקה בלבד. כמו כל מפה גם לשרטוט חשמלי יש מקרא וסמלים לכל רכיב אלקטרוני:

 

מקרא לשרטוט חשמלי

לוקח קצת זמן לעבור מהשרטוט החשמלי אל המציאות ולהבין איך הרכיבים מחוברים וזה דורש קצת אימון.

מעגל מודפס ומארזים

אם בונים מעגל חשמלי שעובד כמו שצריך ורוצים לייצר מספר יותר גדול של חתיכות עדיף כבר לייצר מעגל מודפס שבו כל החיבורים הפנימיים כבר מחוברים ואין צורך בהלחמות אל רק של הרכיבים עצמם. הרכיבים במעגל מודפס מחוברים אחד לשני בפסי נחושת מוליכים שמוטמעים בחומר מבודד. תכנון של מעגל מודפס דורש הרבה עבודה ומדידות אבל יש כל מיני תוכנות שעושות לנו את החיים קלים כמו EAGLE, KICAD ועוד הרבה אחרות… גם עם FRITZING שעבדנו איתה בספר אפשר לתכנן מעגל מודפס ואפילו לשלוח את הקובץ לייצור.

בואו נתכנן מעגל מודפס פשוט עם כפתור שמדליק נורה דרך טרנזיסטור. קודם כל נבנה את המעגל על המטריצה:

מטריצה מעגל מודפס

עכשיו נעבור בתוך התוכנה אל האיזור של לוח מודפס. זהו האיזור שבו נקבע את גודל הלוח המודפס ונסדר עליו את כל הרכיבים. ברגע שהם מסודרים נלחץ על ROUTING > AUTOROUTE , והתוכנה תיצור את כל החיבורים אוטומטית. כמובן שזה לא תמיד מצליח בפעם הראשונה צריך להמשיך לסדר את הרכיבים ולהפוך את הכיוון שלהם. בסופו של דבר אמור לצאת לנו משהו כזה:

תכנון לוח מודפס

זהו לוח מודפס עם שכבה אחת שמיוצגת על ידי החוטים הכתומים, אפשר גם להדפיס לוח עם שתי שכבות כלומר שהחיבורים יוכלו לעבור אחד על השני בלי ליצור קצר. בדרך כלל זה מה שעושים במעגלים מסובכים יותר. יש עוד המון אפשרויות אפשר ורצוי לשים תוויות מעל כל רכיב כדי שנוכל לזהות, אפשר לקבוע את העובי של חוט הנחושת, אפשר להדפיס לוגו ועוד המון דברים אחרים.

מארז

ניצור לוח מודפס למערכת האזעקה שבנינו והגודל של הלוח המודפס ייקבע לפי גודל המארז שבו הוא יישב. לרוב המארזים יש חורים פנימיים כדי להושיב את המעגל המודפס וצריך הרבה מדידות ותכנון לפני שמדפיסים.

קודם כל נתכנן את המעגל בתוכנה על המטריצה:

הכנת מטריצה ללוח מודפס

צריך לחשב את הגובה של הרכיבים איפה הם יישבו ועוד הרבה פרטים. צריך גם לבחור האם הרכיבים יהיו SMD או חור מעבר. אלה הם רכיבים שונים לגמרי עם שיטות הלחמה שונות ולכן בתור התחלה עדיף לבחור חור מעבר.

אחרי כל התכנונים אפשר להדפיס את הלוח:

לוח מודפס מערכת אזעקה

 

כדי לתת גישה אל הרכיבים שדורשים הפעלה מבחוץ אפשר לחתוך את המארז עם מסור קטן או לעשות חורים איפה שצריך עם מקדחה.

 

מארז אזעקה

כדי להשיג חיתוך יותר מקצועי אפשר להזמין חיתוך בלייזר…

זהו, מערכת האזעקה שלנו מוכנה ונחביא אותה בתוך ארון נעול באחד החדרים בבית ונחבר אליה את כל החוטים. החלק האחרון הוא הסירנה פשוט מחברים לפלוס ולמינוס שלה אין צורך להשתמש בנצנץ:

 

סירנה נצנץ

 

זהו, מערכת האזעקה מוכנה. אין פה לוח מקשים חייגן ועוד הרבה פונקציות כמו באזעקה מקצועית… אבל זה נחמד לפרויקט של חובבים.

 

פרויקט מגבר ורמקולים

עכשיו נבנה פרויקט אלקטרוניקה של מגבר ורמקולים שמבוסס על שני מגברים LM386 ושני רמקולים 8Ω שמספקים וואט אחד. למגבר הזה יש מספר גרסאות ועדיף להשתמש בגרסה 4 כדי להוציא ממנו את המירב(1 וואט).

הנה החיבורים הדרושים….

מגבר מונו LM386 ורמקולים

 

עם התצורה הזאת קיבלתי את האודיו הנקי ביותר אבל יכול להיות שאצלכם זה יהיה שונה. עדיף שמקור הכח יגיע משנאי של 9V-12V ולא מבטריה בשביל שהסאונד יהיה יותר טוב, בכל מקרה לא להכניס יותר מ-12V.

עכשיו פשוט מלחימים את המעגל לפי החיבורים וצריך לזכור כמה דברים:

  • בשום אופן לא לחבר קבלים אלקטרוליטים בצורה הפוכה הם יכולים להתחמם ולהתפוצץ!!! לשים לב לחיבורים – הפס הלבן שלהם מסמל מינוס.
  • בסך הכל המעגל צריך 6 חיבורים חיצוניים – פלוס, מינוס, כניסה ימנית מהאוזניות , כניסה שמאלית מהאוזניות, יציאה לרמקול 1, יציאה לרמקול 2.
  • ארבע מהחיבורים הולכים למינוס משותף – המינוס הכללי, מינוס מכל רמקול וגם המינוס של האוזניות.
  • אפשר לשים פוטנציומטר לשליטה בווליום… צד אחד שלו הולך למינוס, הצד השני מקבל את הפלוס של הסיגנל מהאוזניות והרגל האמצעית הולכת ל INPUT+ לאיפה שהולכת כניסת הפלוס של האודיו.
  • אפשר גם לשלוט בבס וטרבל עם עוד פוטנציומטר אבל אני לא אכנס לזה, אפשר לברר ברשת איך עושים את זה.

 

מגבר על לוח הלחמה

לאחר שבוחרים את המארז המתאים צריך לנסר עם מסור קטן חלק מהצדדים כדי שתהיה גישה חיצונית אל החיבורים והווליום.

לגבי הרמקולים אפשר לארוז אותם במארז עץ או במארז פלסטיק לפי החשק, יש תורה שלמה של אקוסטיקה שמתחשבת בגודל הרמקול, האם יש בו פתח מאחורה או האם הוא אטום ועוד המון פרמטרים שונים. נלך על הצורה הפשוטה ביותר שהיא קופסה מעץ שפשוט מספקת תיבת תעודה ונבנה רמקולים מדפיים לחדר קטן עד בינוני.

בניית רמקולים

 

ועכשיו למבחן השמיעה…. מסתבר שוואט אחד יכול להרעיד את החדר!!! 34 שנים אחרי שפותח ה-LM386 ממשיך לתת בראש ואין יותר מתאים מלהזין דרכו מוזיקת שנות ה-80. כך נשמעת ההקלטה דרך המיקרופון של הסמארטפון, במציאות האיכות ממש מצוינת וממלאת את החדר:

 

זה הזמן להפרד ולהגיד שלום. תחום האלקטרוניקה כולל עוד המון דברים שלא נגענו בהם כמו רדיו, הפעלת מנועי סרבו וצעד, אינפרה אדום, חיישנים, אופטיקה, בקרים, שערים לוגיים ועוד ועוד… התחום הוא מסובך וכדי להשאר בו צריך התמדה וסקרנות והכי חשוב לאהוב אותו.


כל הזכויות שמורות להאקסטור – 2017

2 thoughts on “מדריך אלקטרוניקה למתחילים”

  1. בס"ד

    אין אין אין על הספרים שלך

    האתר המוביל בארץ במידע קריא שכיף לקרוא ולהבין

    תמשיכו כך!

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.