تجهیزات صنعت برق

تجهیزات صنعت برق

مقدمه: 

سالیان سال است که واژه الکترونیک در میان مردم اعم از متخصص و غیر متخصص شنیده می شود و ممکن است برداشت های فردی در این زمینه دارای تفاوت هایی با یکدیگر باشند. از الکترونیک می توان به عنوان یکی از تاثیر گذارترین علوم بر همه عرصه های تولیدی و صنعتی، نام برد. همچنین این علم به طور شگفت انگیزی می تواند با سایر علوم ارتباط برقرار کرده و سبب پیشرفت در این علوم نیز گردد. در همه وسایل ساده تا وسایلی با فناوری پیشرفته می توان به نحوی دخالت و تاثیر بی چون و چرای علم الکترونیک را مشاهده نمود.از آنجایی که علم الکترونیک در حال پیشرفت روزافزون می باشد و کارآمدی بالایی در صنایع مختلف پیدا کرده است؛ به نظر می رسد که آشنایی تخصصی با این علم، امری ناگزیر است. واژه الکترونیک در لغت نامه فارسی تعریف نشده است و از واژه لاتین (electronic) گرفته شده است. در حقیقت، الکترونیک در اوایل قرن بیستم از کلمه الکترون گرفته شده است. الکترون ها ذرات ریزی در اتم می باشند که با بار الکتریکی منفی که به دلیل نداشتن اجزای کوچکتر به عنوان ذرات اساسی شناخته می شوند. 

می توان ادعا کرد: تاریخچه الکترونیک به مطالعه پیدایش این علم و پیشرفت آن در طی زمان برمی گردد و مباحث موجود در آن که به عنوان شاخه ای از علم فیزیک به شمار می روند؛ برای حل مشکلات علمی در زمینه های مختلف پدید آمده اند تا مباحث مربوط به مهندسی الکترونیک را به صورت حرفه ای و تخصصی مورد بررسی قرار دهند. 

الکترونیک در واقع دانش مطالعهٔ عبور جریان الکتریکی از مواد مختلف - مانند نیمه‌رساناها، مقاومت‌ها، القاگرها و خازن ها و آثار آن است. الکترونیک همچنین به عنوان شاخه‌ای از فیزیک نظری شناخته می‌شود. شاید بتوان گفت: طراحی های تخصصی و ساخت مدارهای الکترونیکی به منظور حل کردن قسمتی از مشکلات علمی در مباحث مهندسی الکترونیک پدیدار شده اند.

تاریخچه ای مختصر از برق و الکترونیک:

خیلی جالب است اگر بدانید هزاران سال قبل از اکتشاف انرژی الکتریکی، مردم یونان باستان، امپراتوری بزرگ روم و مسلمانان طبیعت شناس از وجود و چگونگی آن توسط آبزیان الکتریکی آگاه بوده اند به طوری که در چندین دست نوشته از آن زمان مانند پلینوس و اسکریبونیوس لارگوس به بودن تاثیرات بی حس کننده شوک های الکتریکی پدیدآمده توسط گربه ماهی های الکتریکی، اشاره شده است. آنها  دریافته بودند که این شوک های الکتریکی به وسیله اشیای هادی یا همان رسانا انتقال می یابد تا جایی که حتی به بیماران نقرسی و یا مبتلا به سردرد، توصیه می شده که آبزیان الکتریکی را لمس کنند تا شاید این نیرو بتواند در درمان آنها موثر واقع شود. اولین جرقه های اکتشاف نیروی برق و الکترونیک به مسلمانان نسبت داده شده است که برای اولین بار از این نیرو به اسم (رعد) یاد کرده اند.

در قرن 18 میلادی دانشمند و مخترع آمریکایی (بنجامین فرانکلین) یکی از رهبران بنیان گذار ایالت متحده، تحقیقات وسیعی بر روی الکتریسیته انجام داد که توسط (جوزف پریستلی) به عنوان نخستین تاریخچه الکتریسیته در حافظه تاریخ ثبت شد.

سرانجام در اواخر قرن 19 میلادی تلاش افرادی چون( الکساندر گراهام بل، اتو بلاثی، توماس ادیسون، گالیله فراری، الیور هویساید، انیوس جدلیک، چارلز آلگرنون پارسونز، ویلیام تامسون، ارنست فون زیمنس، جوزف سوان، نیکولا تسلا و جرج وستینگهاوس) بالأخره نتیجه داد و انرزی الکتریکی به عنوان ابزاری کارآمد در زندگی مردم، جای خود را باز کرد.

قبل از این که به مبحث برق و تجهیزات الکترونیکی بپردازیم؛ به نظر می رسد؛ آشنایی با چند اصطلاح رایج در این علم خالی از لطف نباشد.

1- بار الکتریکی: به خاصیتی از ماده گفته می شود که اگر در مجاورت ماده دیگری با بار الکتریکی قرار بگیرد؛ به آن نیرو وارد می کند. مواد باردار مثبت و منفی تولید میدان الکترومغناطیس می کنند.

2-میدان الکتریکی: به میدان الکترومغناطیس که در اثر بار الکتریکی ساکن یا متحرک تولید می‌شود؛ میدان الکتریکی گفته می شود. 

3-پتانسیل الکتریکی: انرژی لازم برای انتقال یک واحد بار الکتریکی از بی نهایت به سمت جسم را گویند که با واحد (ولت) اندازه گیری می شود.

4-آهنربای الکتریکی: به میدان مغناطیسی تولید شده توسط بارهای الکتریکی متحرک گفته می شود.

انواع جریان در وسایل الکتریکی بر حسب تغییرات در بازه زمانی:

 مستقیم: جریانی یک سویه است که همیشه از قطب مثبت مدار به سوی منفی جریان دارد. بیشتر لوازم و تجهیزات الکترونیکی به این نوع جریان نیازمندند. اگر این جریان توسط الکترون ها حمل شود؛ جهت جریان عکس خواهد شد.

متناوب: جهت این نوع همواره دستخوش تغییر است و اصطلاحاً دارای پالس عقب و جلوست. این تغییر غالبا به شکل یک موج سینوسی خود را نشان می دهد.

در تصویر زیر به روشنی می توان تفاوت جریان مستقیم و متناوب را متوجه شد.

6- مدارهای الکتریکی و الکترونیکی: 

عبور جریان الکتریکی از مواد مختلف، واکنش های مختلفی از سوی آن ها در پی دارد. به عبارت دیگر هر ماده ای در طبیعت که در معرض جریان الکتریکی قرار می گیرد؛ رفتاری منحصر به فرد و ویژه از خود نمایش می دهد. حال اگر در طی این جریان از قطعات غیر فعال همچون لامپ، خازن، مقاومت و مانند آن ها استفاده شود؛ به آن مدار الکتریکی گفته می شود. و اگر از قطعات فعال مانند دیود و ترانزیستورها استفاده گردد؛ به آن مدار الکترونیکی گفته می شود.

انواع مدار الکتریکی در تجهیزات الکترونیکی:

مدارهای آنالوگ: این مدارها که آنها را با نام مدارهای خطی نیز می شناسیم؛ بر خلاف مدارهای دیجیتال از یک دامنه مداوم ولتاژ استفاده می کنند. از آنجا که یک مدار آنالوگ می تواند متشکل از هزاران قطعه باشد؛ تعداد مدارهای مختلف آنالوگ بسیار زیاد است. از جمله تجهیزاتی که در آنها مدار آنالوگ بکار رفته است می توان به لامپ خلأ، تقویت کننده های عملیاتی و نوسان سازها اشاره کرد. امروزه به منظور بهبود عملکرد مدارهای آنالوگ از اِلِمان های دیجیتال و حتی در برخی از مدارها از ریزپردازنده ها نیز استفاده می شود. به این نوع مدارها مدارهای (سیگنال مرکب) گویند.

امروزه در برخی از مدارهای آنالوگ از اِلِمان‌های دیجیتال و یا حتی ریزپردازنده‌ها جهت بهبود عملکرد مدار استفاده می‌شود. در برخی موارد ممکن است تشخیص مدارهای آنالوگ از دیجیتال سخت باشد چرا که از هر دو نوع عناصر خطی و غیر خطی در برخی از آن ها استفاده شده است.

مدارهای دیجیتال:  مدارهایی هستند که بر پایه چند سطح ولتاژ جدا از هم طراحی شده‌اند. مدارهای دیجیتال رایج‌ترین مثال برای معرفی سیستم‌های جبر بول هستند و اصول پایه همه رایانه‌های دیجیتال، ساعت های الکترونیکی و کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر را تشکیل می‌دهند. در بیشتر موارد تعداد حالت‌های ولتاژ در یک مدار دیجیتال دوتاست که با بالا (High) و پایین (Low) نمایش داده می‌شوند. در این حالت ولتاژ پایین ولتاژی نزدیک به صفر و ولتاژ بالا ولتاژی غیر صفر است که با توجه به نوع تغذیه متفاوت است. 

7- بُرد الکترونیک:

به مجموعه ای از مدارهای الکترونیکی که بر روی تخته هایی از فلکسی ، فایبر و …  به گونه ای که یک یا چند لایه از آنها مس می باشد؛ سوار می شوند اصطلاحاً بُرد الکترونیکی گفته می شود
قطعات الکترونیکی همه بر روی بُرد مونتاژ می شوند و در انواع دستگاه الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند.

8- دستگاه های الکترونیکی: از یک ماشین حساب ساده تا یک کامپیوتر را میتوان دستگاه الکترونیکی نام برد که در آن ها از چندین برد الکترونیکی استفاده شده است.

9- الکترونیک دیجیتال: به همه تجهیزات الکترونیکی که سیگنال آنها به صورت پیوسته نباشد و فقط در دو سطح ولتاژ باشد؛ الکترونیک دیجیتال گفته می شود.

10- اجزای الکترونیک: به طور کلی هر سیستم الکترونیکی شامل سه بخش زیر است.

1- ورودی: در این قسمت حسگرهای الکترونیکی و مکانیکی، سیگنال‌ها یا اطلاعات را از محیط خارج دریافت‌کرده سپس آن‌ها را به جریان و ولتاژ  تبدیل می‌کنند.

2- پردازندهٔ سیگنال: این مدارها در واقع وظیفهٔ پردازش، تفسیر و تبدیل سیگنال‌های ورودی برای استفاده در کاربرد مناسب را بر عهده دارند.

3- خروجی: فعال‌کننده که سیگنال‌های ولتاژ یا جریان را به صورت خروجی مناسب در خواهند آورد (مانند راه انداختن یک موتور یا پخش صدا از بلندگو).

تجهیزات الکترونیکی: 

در این مختصر سعی داریم شما را با کاربردی ترین قطعات و تجهیزات الکترونیکی آشنا کنیم.

1- آی سی ها (مدارهای یکپارچه):  یک قطعه الکتریکی است که شامل  مجموعه ای از قطعات الکترونیک مانند ترانزیستور، خازن، مقاومت و... است و روی یک قسمت کوچک سیلیکونی نصب می شود.  سرعت عملکرد بالای آی سی ها از جمله مزایای آنها نسبت به قطعات مجزاست. از آی سی ها در ساخت اجزای موبایل و کامپیوتر آی سی ها استفاده زیادی می کنند.

 آی سی ها که امروزه آنها را  به صورت smd یا ریز هم میسازند در صنایع نظامی نیز کاربرد بسیار وسیعی دارند.

2- ترانزیستور ها:

پرکاربردترین وسیله های الکترونیکی است که وظیفه کنترل جریان در مدار را به عهده دارد. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است و از مواد نیمه رسانایی چون سیلیسیم (سیلیکان) ساخته می‌شود. در واقع هرکاری را که آی سی میتواند انجام دهد ترانزیستور ها هم میتوانند با این تفاوت که در مداراتی که با آی سی ساخته میشوند حجم مدار به شدت کوچک می شود. ترانزیستورها  در دو نمونه نسل قدیم bjt (ترانزیستور دوقطبی پیوندی)  و نسل جدید fet (ترانزیستور اثر میدان) تولید می شوند.

کاربرد ترانزیستورها: ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال استفاده می شوند. در آنالوگ می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و ... استفاده کرد. کاربرد ترانزیستور در الکترونیک دیجیتال شامل مواردی مانند پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و در حجم های بزرگتر میلیون ها تا میلیاردها ترانزیستور برای اتصال حافظه های کامپیوتری، ریزپردازنده ها، کوادکوپترها و دیگر مؤلفه های پیچیده به کار می روند.

3-دیود ها: 

یک قطعه الکتریکی نیمه رساناست که وظیفه کنترل جریان در مدار را بر عهده دارد. جریان الکتریکی از دیود فقط می تواند در یک جهت حرکت کند. دیود دارای دو پایه کاتُد و آنُد است جریان الکتریکی فقط زمانی حرکت می کند که ولتاژ مثبت روی آند و ولتاژ منفی روی کاتد اعمال شود یعنی جریان از آند به سمت کاتد حرکت کند. بنابراین اگر ولتاژ مثبت و منفی برعکس شود هیچ جریانی عبور نخواهد کرد. Led یا دیود نوری نیز نوعی دیود است که هنگام عبور جریان نور ایجاد می کند. ترانزیستور ها در واقع از دیودها ساخته میشوند. دیودها انواع بسیار متعددی دارند که دیودهای نورانی یا led ها بسیار جذاب هستند که بچه های کوچک بسیار دوست دارند.

آشنایی با اصطلاح بایوس: وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می گویند که بر دو نوع است.
بایاس مستقیم:  در صورتی که نیمه رسانای نوع p به قطب مثبت باتری و نیمه رسانای نوع n به قطب منفی آن وصل شود و ولتاژ از پتانسیل صد دیود بیشتر شود، جریان در مدار  برقرار خواهد شد . به این پدیده بایاس مستقیم گویند.
بایاس معکوس: در صورتی که قطب مثبت باتری به نیمه هادی نوع n وصل شود و قطب منفی باتری به نیمه هادی نوع p وصل شود ، جریانی در مدار نخواهیم داشت در نتیجه بایاس معکوس ایجاد می شود.

کاربرد دیودها: 

 مهم‌ترین کاربرد دیود، هدایت جریان در یک جهت و جلوگیری از عبور جریان در جهت دیگر یا به عبارت روشن تر (یکسو سازی جریان) است. در نتیجه می‌توان به دیود به چشم یک شیر الکتریکی یک‌طرفه نگاه کرد. از این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.

انواع دیود ها:
1- دیود اتصال نقطه ای: چون در فرکانس های بالا مقاومت دیود کم می شود؛ برای جلوگیری از آن از دیود اتصال نقطه ای استفاده می کنیم

2- دیود زنر:  مانند یک دیود معمولی از دو نیمه هادی نوع P و N ساخته می شود . اگر یک دیود معمولی را در بایاس معکوس اتصال دهیم و ولتاژ معکوس را زیاد کنیم، در یک ولتاژ خاص، دیود در بایاس معکوس نیز شروع به هدایت می کند .به این ولتاژ هدایت شده توسط دیود ولتاژ زنر می گویند.

3- دیود نور دهنده LED: این دیود از دو نوع نیمه هادی P & N تشکیل شده است که هر گاه در بایاس مستقیم ولتاژی قرار گیرد و شدت جریان به اندازه کافی باشد، از خود نور تولید می کند . نور تولید شده در محل اتصال دو نیمه هادی تشکیل می شود. لامپ های ال ای دی در مقایسه با لامپ های معمولی دارای مزایای زیر هستند:
1- حجم کمتر فضای اشغال شده
2- استحکام و عمر طولانی ( حدود صد هزار ساعت کار )
3- قابلیت قطع و وصل سریع نور
4- تلفات اندک انرژی حرارتی 
5- مصرف ولتاژ کم ، بین ۱.۷ ولت تا 3.3 ولت
6- جریان کم حدود چند میلی آمپر با نور قابل رویت
7- توان کم ، حدود ۱۰ تا ۱۵۰ میلی وات

4- دیود خازنی ( واراکتور ): این دیود که از دو نیمه هادی نوع P & N تشکیل می شود؛  در واقع دیودی است که به جای خازن بکار می رود و مقدار ظرفیت آن با ولتاژ دو سر آن رابطه عکس دارد.
5- فتو دیود: این دیود نیز از مانند دیود خازنی از دو نیمه هادی نوع P & N تشکیل می شود؛ با این تفاوت که محل پیوند P & N ، جهت تابانیدن نور به آن از مواد پلاستیکی سیاه پوشیده نیست بلکه توسط شیشه و یا پلاستیک شفاف پوشیده می گردد تا نور بتواند به آسانی به آن بتابد . روی کار فتودیودها یک لنز بسیار کوچک نصب می شود تا بتواند نور تابانیده شده به آن را متمرکز کرده و به محل پیوند انتقال دهد .

4-سلف ها:

سلف یا بوبین یا سلونویید از پیچش یک سری دور از سیم مشخص بر روی یک هسته ساخته میشود که امروزه با توجه به حجم بالای سلفها و نیز قیمت سرسام آور آن ها کاربرد بسیار کمی دارند.

5- مقاومت:
 عبارت است از یک قطعه الکترونیکی پرکاربرد که در مدارهای الکتریکی قرار گرفته و جریان عبوری از مدار را محدود می کند. مقاومت الکتریکی یا (امپدانس) عبارتست از میزان مقاومت یک جسم فیزیکی در برابر عبور جریان الکتریکی از آن و واحد بین المللی (SI) آن، اُهم (OHM) است. هر هزار اُهم برابر با یك كیلو اُهم و هر میلیون اُهم برابر با یك مگا اُهم است. مقدار معکوس این کمیت رسانایی الکتریکی یا (ادمیتانس) نام دارد که با واحدی به نام زیمنس  (Siemens) اندازه‌گیری می‌شود. می توان گفت مقاومت عنصری از الکترونیک هست که همیشه بوده و هست و به نسبت ارزانتر از همه قطعات الکترونیکی است. انواع مختلفی از مقاومت ها وجود دارد که اُهم های متفاوت و نیز وات های مختلفی دارند. در گذشته از مقاومت های سیمی استفاده می شد ولی امروزه مقاومت های کربنی بیشتر مورد استفاده هستند. در حال حاضر مقاومت ها در دو نمونه مقاومت های ثابت و مقاومت های متغیر در بازار عرضه می شوند.

6- خازن ها:
خازن‌ که آن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند؛ عبارتست از دو صفحهٔ موازی فلزی که در میان آن لایه‌ای از هوا یا عایق قرار دارد و می‌تواند انرژی الکتریکی را توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی) در خود ذخیره کند و در مدارات تایمینگ استفاده شود. خازن ها بعد از مقاومت رایج ترین و پرکاربرد ترین بخش از مدار الکتریکی هستند. همچنین از خازن‌ها برای صاف کردنِ سطح تغییرات ولتاژ مستقیم استفاده می‌شود. از خازن‌ها در مدارات به‌عنوان فیلتر هم استفاده می‌شود زیرا خازن‌ها به راحتی سیگنالهای غیر مستقیم AC را عبور می‌‌دهند ولی مانع عبور سیگنالهای مستقیم DC می‌شوند . خازن ها  به عنوان ذخایر انرژی الکتریکی در مدارها مورد استفاده قرار میگیرند و دارای انواع بسیار متعددی هستند.به طور کلی خازن ها در دو نوع خازن ثابت و خازن متغیر وجود دارند.

در نمودار زیر انواع خازن ها را مشاهده می کنید:

کاربردهای مهم الکترونیک:

• برق گیر صاعقه: حفاظت از ساختمان های بلند در برابر صاعقه
•  حفاظت در مقابل سرقت توسط چشمهای مادون قرمز (RIP) 
•  سیستم دوربین های مدار بسته (CCTV)
• سیستم های اعلام و اطفاء حریق خودکار
• صنعت حمل و نقل(هوایی – زمینی – دریایی و…)
• صنعت پزشکی و درمانی
• صنعت آموزشی ( آموزش های الکترونیکی مبتنی بر سی دی ها – فلش ها و استفاده از کامپیوترها و دستگاه های همراه برای آموزش های از راه دور)
• رسانه ها و انتقال اخبار مهم به اقصی نقاط جهان
• سرگرمی ها مانند بازی های ویدویی – کامپیوتر و بازی های کامپیوتر و یا آموزش کار با کامپیوتر
• مسائل نظامی و دفاعی
• مسائل حیاتی و مهم مانند کنترل هواپیماها – کمک به بیمارانی که بدون دستگاه های الکترونیکی حیات بخش قادر به زندگی نخواهند بود
• علوم و اکتشافات مانند زمین شناسی – فیزیک – هوا-فضا و …