מדריך אלקטרוניקה למתחילים

לתת לאלקטרונים לרקוד

פרקים:

1. עקרונות האלקטרוניקה
2. חוק אוהם
3. רב מודד
4. מפל מתח
5. מעגלים בטור ובמקביל
6. לחצנים ומתגים
7. מקורות מתח
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).

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.

 

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.

 

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.

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…

 

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.

 

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).

 

 

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

מעגל נורת לד

 

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:

סימולציית נתק

 

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!

סימולציית קצר

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

נגד במעגל

 

 

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.

נגד במעגל 2

 

 

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:

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:

 

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:

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:

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:

 

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.

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:

מפל מתח

 

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.

נגדים בטור

 

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.

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.

חיבור במקביל

 

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 :

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:

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

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

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

[table id=4 /]

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:

[table id=5 /]

עכשיו נשאר לבדוק בסימולציה אם החישובים שלנו נכונים:

ניתוח מעגל

 

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

 

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.

חוק אוהם

 

או קיי, 13.3 מיליאמפר כפי שחישבנו.

 

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

[table id=2 /]

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.

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.

חיבור נורות במקביל

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:

 

[table id=3 /]

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:

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.

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

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.

שלושה כפתורים

 

כפתורים

עכשיו נשתמש בכפתור פשוט שמשנה מצב ונקרא TOGGLE.

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

טוגל שינוי 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:

 

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.

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

פוטנציומטר

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.

 

---

את המדריך המלא ניתן לרכוש כאן

כל הזכויות שמורות להאקסטור – 2017