امروزه اقشار مختلف جامعه به دنبال کسب دانش از طریق مطالعه مقاله ها هستند، مرجع الکترونیک یک مقاله برای شناخت کامل دنیای الکترونیک است.

الکترونیک یکی از زمینه های درحال گسترش است که علاقه مندان زیادی را به خود جلب کرده است.

اگر شما هم به دنبال آموزش و آشنایی با این حوزه هستید، مقاله مرجع الکترونیک شامل 6 بخش از مهمترین اطلاعات مورد نیاز در حوزه الکترونیک را با دقت بخوانید.

مرجع الکترونیک

1- الکترونیک چیست؟

الکترونیک از لحاظ لغتی واژه ای غیرفارسی و برگرفته از واژه لاتین Electronic است که
از الکترون (به معنی؛ ریز ذره های بنیادی هسته اتم ها که دارای بار منفی هستند) گرفته شده است.

علم الکترونیک به دانش مطالعه و بررسی حرکت الکترون ها (جریان الکتریکی) از داخل مواد مختلف مثل نیمه هادی و رسانا­ها گفته میشود و
در طبقه بندی علوم، شاخه ای از فیزیک نظری است.

این شاخه از علم، به بررسی قطعات الکترونیکی و کاربرد آنها در صنعت و زندگی روزمره پرداخته است و
برای شروع نوشته مرجع الکترونیک و آشنایی بیشتر شما، بهتر است در ابتدا با مفاهیم اصلی الکترونیک آشنا شویم.

1-1- جریان

جریان الکتریکی مفهومی از سرعت جاری شدن بارهای الکتریکی منفی (الکترون) در یک ماده رساناست و
تعریف فرمولی آن میزان بار عبوری از سطح مقطع یک رسانا در مدت یک ثانیه است که با یکای آمپر (A) تعریف میشود.
برای نشان دادن جریان در روابط از نماد (I) استفاده میشود.

در گذشته اعتقاد بر این بوده که جریان از بارهای مثبت ناشی شده است و جهت جریان را براساس آن انتخاب کرده بودند و
امروزه علی رغم درک جدید از مفهوم جریان، جهت آن را همانند گذشته و در خلاف جهت حرکت الکترون به کار میبرند.
جریان در مدارات الکترونیکی به دو دسته کلی تقسیم میشود : مستقیم و متناوب.

  • جریان مستقیم (Direct current)

این جریان ساده ترین نوع آن است که در طول زمان در یک جهت ثابت حرکت میکند و
به اختصار DC نامیده شده و توسط باتری های الکتریکی تولید میشود.

  • جریان متناوب (Alternative current)

این نوع از جریان برخلاف جریان مستقیم، با گذشت زمان تغییر جهت داده و
این تغییر علامت با روند ثابتی تکرار میشود که معمولا به صورت سینوسی کامل است.
به اختصار این جریان را AC مینامند.

این نوع جریان توسط مولدهای برق تولید شده که به عنوان برق شهری استفاده میشود.

1-2- ولتاژ

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه منجر به ایجاد یک نیرو می شود که یک نیروی الکتروموتیو یا emf خوانده می شود.
این نیرو تمایل دارد تا الکترون ها یا دیگر بارهای حامل را از یک نقطه به نقطه دیگر انتقال دهد.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه یک مدار الکتریکی برابر اختلاف در پتانسیل های الکتریکی آن دو نقطه تعریف می شود.

اختلاف پتانسیل به صورت مقدار کار انجام شده برای انتقال واحد بار واحد الکتریکی برای جا به جایی بین دو نقطه، گفته می شود.

یک ولت، به صورت یک ژول از انرژی برای انجام کار روی یک کولن از بار تعریف شده است.

ولتاژ دارای خاصیت جمع پذیری است، یعنی ولتاژ بین A و C برابر ولتاژ بین A و B به علاوه ولتاژ بین B و C است.

دو نقطه در یک مدار الکتریکی که توسط یک هادی (ایده آل) بدون مقاومت به هم متصل شده اند، دارای اختلاف پتانسیل صفر خواهند بود، اما
با این وجود اختلاف پتانسیل صفر بین دیگر نقاط نیز ممکن است وجود داشته باشد.
اگر چنین نقاطی را توسط یک هادی به هم متصل کنیم جریانی عبور نخواهد کرد.

واحد اندازه گیری ولتاژ، ولت (v) بوده و در روابط با نماد V نشان داده میشود.

1-3- توان

تعریف فیزیکی توان مفهومی از میزان انرژی تبدیل شده و یا جابه جا شده در واحد زمان است.

در مباحث الکترونیکی انرژی الکتریکی به حالت های دیگر انرژی تبدیل شده و بلعکس.

به بیان ساده تر توان، سرعت تبدیل انرژی است و از تقسیم مقدار آن بر زمان تبدیل انرژی محاسبه میشود.

بر اساس فرمول های تعریف شده توان صرف شده در یک قطعه مساوی حاصل ضرب جریان گذرنده از آن در اختلاف ولتاژ دو سر آن است.

یکای اندازه گیری توان، وات (W) بوده و در روابط با نماد (P) نشان داده میشود.

2- رشته های مرجع الکترونیک

یکی از زیرشاخه های مهم مرجع الکترونیک آشنایی با رشته تحصیلی الکترونیک است که مخاطبان زیادی علاقه مند به شرکت در آن هستند.

این رشته برای آموزش علم الکترونیک به علاقه مندان آن تعریف شده است که
از این دانش برای توسعه قطعات، دستگاه ها، سیستم ها و یا تجهیزاتی که انرژی الکتریکی پایه ی کار آنهاست، استفاده میکند.

رشته الکترونیک به دو شاخه اصلی (ساخت قطعات و کاربرد مداری قطعه) و (طراحی مدارهای الکتریکی) تقسیم میشود.

الکترونیک یکی از رشته های دانشگاهی در دنیاست که زیر مجموعه ای از مهندسی برق بوده و
همچنین در هنرستان های فنی حرفه ای نیز به عنوان یک زمینه تحصیلی مطرح است.

امروزه با گسترش تکنولوژی در دنیا علاقه مندان به این رشته نیز بیشتر شده اند.

برای معرفی رشته الکترونیک در مرجع الکترونیک به شناخت گرایش های آن و به صورت جزئی تر مهندسی الکترونیک میپردازیم.

2-1- مهندسی الکترونیک

الکترونیک از گرایش های مهندسی برق است که به دو بخش کلی “میکرو الکترونیک” و “مدار و سیستم” تقسیم شده است.

میکرو الکترونیک شامل علم مواد، فیزیک الکترونیک و طراحی و ساخت قطعات میشود.

مدار و سیستم با هدف طراحی و ساخت سیستم ها با استفاده از قطعات تولید شده توسط متخصصان میکرو الکترونیک است.

این رشته ارتباط بسیار نزدیکی با سایر گرایش های مهندسی برق دارد و
دروس دانشگاهی پایه آن با سایر گرایش های قدرت، مخابرات و کنترل مشترک است اما
دروس اختصاصی متفاوت با سایر رشته ها دارد.

این گرایش از قدیمی ترین گرایش های مهندسی برق است که شروع آن به قرن 19 ام میلادی برمیگردد و
در اواسط این دوره با ساخته شدن ترانزیستورها تحول عظیمی در دنیای الکترونیک رخ داده است که
روز به روز درحال پیشرفت و گسترده شدن است.

2-1-1- فهرست دروس پایه الکترونیک

  1. کارگاه برق
  2. زبان تخصصی
  3. نقشه کشی صنعتی
  4. ریاضی مهندسی
  5. مدارهای الکتریکی 1
  6. مدارهای الکتریکی 2
  7. اندازه گیری الکتریکی
  8. آزمایشگاه مدار و اندازه گیری
  9. الکترو مغناطیس
  10. الکترونیک 1
  11. آزمایشگاه الکترونیک 1
  12. الکترونیک 2
  13. ماشینهای الکتریکی 1
  14. ماشینهای الکتریکی 2
  15. آزمایشگاه ماشینهای الکتریکی  1
  16. مدارهای منطقی
  17. آزمایشگاه مدارهای منطقی
  18. سیستمهای کنترل خطی
  19. آزمایشگاه سیستمهای کنترل خطی
  20. تجزیه و تحلیل سیستم ها
  21. مخابرات 1

2-1-2- فهرست دروس اختصاصی الکترونیک

  1. آزمایشگاه الکترونیک 2
  2. فیزیک مدرن
  3. فیزیک الکترونیک
  4. الکترونیک 3
  5. آزمایشگاه الکترونیک 3
  6. تکنیک پالس
  7. آزمایشگاه تکنیک پالس
  8. معماری کامپیوتر
  9. آزمایشگاه معماری کامپیوتر
  10. میکروپروسسور
  11. آزمایشگاه میکروپروسسور
  12. مدارهای مخابراتی
  13. آزمایشگاه مدارهای مخابراتی

(دروس تئوری اکثرا ضریب 3 داشته و دروس آزمایشگاهی و عملی دارای ضریب 1 هستند.)

2-2- گرایش های مرجع الکترونیک

الکترونیک در مقطع کارشناسی با عنوان زیر شاخه ای از مهندسی برق تحصیل شده و
در مقطع کارشناسی ارشد به گرایش های زیر تقسیم میشود.

  • مدار مجتمع که به آنالوگ نیز معروف شده است.
    تمرکز این گرایش بیشتر روی طراحی مدارات مجتمع (IC) میباشد.
    در این گرایش با استفاده از قطعات از پیش ساخته شده، مدارات طراحی و تولید میشوند.
    از جمله نرم افزارهای مهم این گرایش H-SPICE و L-EDIT است.
  • نیمه هادی ( افزاره های میکرونانو الکترونیک)
    این گرایش در مورد طراحی قطعات و المانهای الکترونیکی و تمرکز اصلی آن روی مواد نیمه هادی و تولید قطعات زیربنایی است.
    از جمله کاربردهای این گرایش تکنولوژی MEMS) Microelectromechanical systems) است که
    در خصوص تولید نانو افزاره های هوشمند الکترومکانیکی و تولید سیستمهای بسیار کوچک در ابعاد میکرومتر است.
  • دیجیتال
    طراحی سیستم های دیجیتال با استفاده از IC ها در کنار میکروکنترلرها روش های معمول و متداولی بین مهندسین الکترونیک هستند ولی
    برای طراحی مدارات با استفاده از گیت های منطقی باید با روش پیچیده تری توسط زبان برنامه نویسی VHDL یا وریلاگ کار کرد که
    از جمله فعالیت های مهندسین این گرایش است.

3- بازار کار الکترونیک

در ادامه مرجع الکترونیک به بررسی مشاغل موجود برای یک شخص ماهر در الکترونیک، میپردازیم.

با توجه به پیشرفت های روزافزون تکنولوژی، بازار کار الکترونیک در زمینه های مختلف رو به رشد است و
به دلیل گسترش زمینه کاری و فراگیر نبودن دروس دانشگاهی، درخواست برای مهندسین ماهر در عرصه الکترونیک به شدت افزایش یافته است.

حوزه های کاری متنوعی وجود دارند از جمله؛
طراحی مدارات مجمتع، طراحی مدارات آنالوگ برای استفاده در وسایل خانگی، سیستم های ارتباطی، برنامه نویسی، طراحی و تولید قطعات بنیادی، نیمه هادی و…
روش های مختلفی برای کسب درآمد از الکترونیک وجود دارد که هم شامل مشاغل دولتی و هم شرکت های خصوصی می شود.

از جمله مشاغل پرکاربرد طراحی مدارات و برنامه نویسی در حوزه دیجیتال است.

برای مشغول شدن در این زمینه ها باید به میکروکنترلرها و نحوه برنامه نویسی آنها مسلط باشید.

از میکروکنترلرها برای ساخت پروژه های مختلفی مثل کنترل از راه دور، راه اندازی یک سنسور محیطی (مثل سنسورهای دما) و… استفاده می شود.

با توجه به گسترش فضای الکترونیک و تکنولوژی در سایر کشورها، در حال حاضر عرصه رقابت برای طراحی مدارات میکروکنترلری، تنگ شده است و
یا به قولی برای وارد شدن به این زمینه و ارائه خدمات جدیدی که توانایی توسعه در سطح بین المللی را دارند، دیر شده است اما
حوزه جدید اینترنت اشیا (IOT) در حال رشد و پیشرفت بسیار سریع در دنیاست و در گام های ابتدایی مسیر توسعه و فراگیر شدن است و
به همین دلیل می توان با کسب مهارت در این زمینه به سرعت جذب بازار کار شد و با داشتن یک ایده خوب به بازارهای بین المللی رسید.

در حال حاضر شرکت های الکترونیکی زیادی وجود دارند که نیازمند نیروهایی با مهارت بالا در چند زمینه به صورت همزمان هستند.

4- سخت افزار الکترونیکی

در گام چهارم از مقاله مرجع الکترونیک با سخت افزارها و قطعات الکترونیکی به ریز جزئیات آشنا میشویم.

یکی از بخش های پایه و اساسی از الکترونیک، حوزه سخت افزار آن است که
شامل تمامی قطعات با خواص الکتریکی میشود.

سخت افزارهای الکترونیکی در واقع شامل قطعه ها و مدارهای بسته شده با این قطعات هستند که
برای کاربردهای مختلف استفاده میشوند.

مهندسین الکترونیک در دو حیطه تولید و طراحی قطعه ها و یا در زمینه استفاده از قطعات برای طراحی مدار، فعالیت دارند.

4-1- قطعات الکترونیکی

قطعه های الکترونیکی (Electronic devices) در واقع قطعات فیزیکی هستند که
با جاری شدن جریان الکتریکی در آن ها رفتارهای مختلفی نشان داده و خواص منحصر به فردی را به نمایش میگذارند.

علم ساخت و تاریخچه قطعات اولیه به قرن 19 ام میلادی برگشته و به مرور زمان درحال پیشرفت است.

قطعات در ابتدا مثل لامپ های تصویر در ابعاد بزرگ تولید میشدند و
به مرور زمان با کشف نیمه هادی ها و گسترش فناوری، ابعاد قطعات به میکرومتر و حتی نانومتر رسیده است.

4-2- انواع قطعات

در بخش آشنایی با قطعات از زیر سرفصل های مرجع الکترونیک به بررسی دسته بندی انواع قطعات میپردازیم.

قطعات الکترونیکی بر اساس خواص مختلف، ویژگی و کاربردهایشان به گروه های گوناگونی تقسیم میشوند.

  1. DIP و SMD

یکی از دسته بندی های مهم قطعات براساس شکل ظاهری و نحوه پکیج آن هاست که
به دسته های SMD و DIP تقسیم میشوند.

قطعات دیپ، قطعه هایی هستند که دارای پایه های عمود بر قطعه بوده و
معمولا برای قرار دادن این نوع از قطعات روی برد مدار طراحی شده باید از سوراخ کردن برد استفاده کرد.

واژه DIP مخففی از Dual In-line Package به معنی پکیج با پایه های در دو ردیف است.

ابعاد این قطعه ها بین میلی متر تا چندین سانتی متر است و
معمولا برای کاربردهای توان بالاتر و در مداراتی با جریان بیشتر از این گروه استفاده میشود.

قطعات اس ام دی، انواعی از قطعه ها هستند که پایه های آنها در مجاورت بدنه و
به صورت افقی قرار دارد و برای نصب شدن روی مدار احتیاجی به سوراخ شدن برد ندارند.

لغت SMD از عبارت Surface-Mount Device به مفهوم قطعه نصبی روی سطح، گرفته شده است.

این دسته معمولا از لحاظ سایز بسیار کوچکتر از DIP ها هستند و حتی به ابعاد زیر یک میلی متر میرسند.

شناخت قطعات اس ام دی بنر الکترونیک

  1. Active و Passive

قطعات الکترونیکی براساس انرژی خارجی که برای راه اندازی نیاز دارند به دسته بندی فعال و غیرفعال تقسیم شده اند.

قطعات Active (فعال) در واقع قطعاتی هستند که برای شروع به کار به انرژی خارجی نیاز دارند و
یا به زبان ساده تر باید یک تغذیه DC به آن ها اعمال شود.

از دید جریانی مدارات الکترونیکی، این قطعه ها توانایی کنترل جریان الکتریکی در مدار را دارند.

برای مثال ترانزیستورها از این دسته هستند و برای راه اندازی باید بایاس DC داشته باشند.

همچنین IC ها، دیود ها و سلول های خورشیدی از این قبیل قطعات هستند.

بنا به تعریف دیگر قطعاتی که به مدار یا سایر قطعات انرژی می رسانند هم قطعه اکتیو هستند.
مثل باتری و منبع تغذیه.

قطعات Passive (غیر فعال)، عناصری هستند که برای شروع به کارشان انرژی محرک خارجی لازم نیست.

یا به عبارتی این قطعه ها توانایی کنترل جریان در مدار را ندارند.

این قطعات میتوانند انرژی را تلف و یا در خودشان ذخیره کنند ولی توانایی تولید انرژی ندارند.

خازن، مقاومت،سلف و ترانسفورماتورها از جمله عناصر پسیو هستند.

4-3- فروشگاه قطعات الکترونیکی

احتمالا برای شما هم به عنوان یک تازه وارد در این عرصه روش تهیه قطعات برای شروع به کار سوال شده باشد،
در این بخش از مقاله مرجع الکترونیک به توضیح درباره این مطلب میپردازیم.

با توجه به فراگیر شدن رشته الکترونیک و طراحی و تولید مدارات متنوع قطعات الکترونیکی توسط کارخانه های مختلفی تولید و عرضه میشوند.

امروزه علاوه بر مغازه های فروش این قطعات، فروشگاه های آنلاین بسیاری نیز به فعالیت در این زمینه پرداخته اند.

فروشگاه قطعات الکترونیکی در شهرهای بزرگ مثل تهران، شیراز، اصفهان، تبریز و مشهد از جمله نمایندگی های معتبر فروش هستند.

4-4- روش تست قطعات الکترونیکی

برای تست کردن قطعه ها روش های مختلفی براساس نوع قطعه وجود دارد.

قطعه های DIP را به دلیل اینکه پایه دار هستند به راحتی با استفاده از برد بورد میتوان تست کرد.

برد بورد یک قطعه برای بستن مدار با تعداد مشخصی سوراخ است که
از داخل با یک طرح مشخص به هم وصل هستند و
برای مونتاژ کردن سریع مدار و تست قطعه مورد استفاده قرار میگیرد.

برای آزمودن قطعات ابزارهای مختلفی مثل ولت متر، اهم متر و … مورد استفاده است.

قطعه های SMD به دلیل اینکه پایه های بلند خارجی ندارند برای تست شدن به این سادگی نیستند و
باید روی مدار نصب شده و تست کلی از آنها گرفته شود.

برای یادگیری روش تست قطعات اینجا کلیک کنید!

سلامت قطعات الکترونیکی را با یک مولتی متر بسنجیم بنر

4-5- قطعات دیجیتال الکترونیکی

این نوع از قطعه های الکترونیکی دارای بدنه های ظاهری مشابه هم هستند به این نحو که
معمولا یک تراشه با قابلیت های خاص و دارای تعدادی خروجی و ورودی درون یک باکس پلاستیکی و یا سرامیکی قرار گرفته است و
ورودی و خروجی های آن با سیم های بسیار نازکی به پین های بیرون از بدنه متصل شده اند.
رنگ متداول این بسته بندی های پلاستیکی سیاه است.

قطعات دیجیتال الکترونیکی

ساختار داخلی این قطعه ها براساس منطق های دیجیتالی بوده که
واحدهای ریز تشکیل دهنده آنها گیت (Gate) ها هستند.

هر قطعه دیجیتالی میتواند بازه ای بین 1 تا چندین هزار گیت داشته باشد و در ابعاد بسیار ریز تا بزرگ بسته بندی شود.

جنس تراشه داخلی این بلک باکس ها از نیمه هادی هاست.

4-5-1- IC

IC واژه ای برگرفته است integrated circuit به معنی مدار مجتمع است.

مدار مجتمع یک مدار الکترونیکی است که روی یک قطعه کوچک از مواد نیمه هادی شکل گرفته است.

IC مجموعه ای از قطعات الکترونیکی مثل مقاومت، خازن، ترانزیستور و غیره است که
همگی برای یک هدف مشترک بهم متصل شده و روی یک چیپ ریز قرار گرفته اند.

مدارهای مجتمع به دسته های دیجیتال، آنالوگ و یا ترکیبی از هر دو تقسیم میشوند.

ICهای دیجیتال فقط برای سطوح تعریف شده ای از سیگنال کار میکنند.

این قطعات با استفاده از گیت های دیجیتالی، مالتی پلکسرها، فلیپ فلاپ و سایر المان های الکترونیکی طراحی شده اند.

گیت های منطقی (Logic Gate) با استفاده از داده های باینری یا دیجیتال کار میکنند.

این قطعات در کامپیوترها، مودم اینترنت و شمارنده های فرکانس استفاده میشوند.

رایج ترین مثال از ICهای مدرن پروسسور کامپیوتر بوده که
شامل میلیون ها ترانزیستور، گیت های منطقی و مدارهای دیجیتالی دیگر است.

مدارهای مجمتع از جمله قطعات دیجیتالی با کاربردهای بسیار مختلف هستند.

با پیشرفت تکنولوژی تعداد گیت هایی که قابلیت قرار گرفتن در یک تراشه را دارند افزایش یافته و
همین امر این قطعات را به چهار دسته زیر تقسیم کرده است.

  • SSI یا مدارهای مجتمع با مقیاس کوچک، قطعاتی هستند که معمولا کمتر از 10 گیت دارند.
  • MSI یا قطعات مجتمع با مقیاس متوسط، بین 10 تا 200 گیت در هر بسته دارند.
  • LSI یا مدار مجتمع با مقیاس بزرگ، بین 200 تا چند هزار گیت در هر تراشه دارند.
  • VLSI یا مدار مجتمع با مقیاس بسیار بزرگ که حاوی هزاران گیت هستند.

دسته بندی دیگری برای ICها براساس منطق ساخت و ویژگی هایی مثل ولتاژ کاری نیز وجود دارد که به

  • TTL (منطق ترانزیستور – ترانزیستور)
  • ECL (منطق کوپل امیتر)
  • MOS (منطق فلز – اکسید – نیمه هادی)
  • CMOS (منطق فلز – اکسید – نیمه هادی مکمل)

تقسیم شده اند.

منطق رایج در تراشه های امروزی موجود در بازار TTL است.

4-5-2- میکروپروسسور

ریزپردازنده یا واحد پردازشگر مرکزی (CPU)، یک سیستم محاسبه ای است که
به عنوان قلب و هسته مدارات دیجیتالی استفاده میشود.

این واحد روی یک تراشه (chip) ساخته میشود و سه وظیفه اصلی برعهده دارد که
شامل عملیات ریاضی و منطقی روی داده ها، انتقال اطلاعات بین خانه های مختلف از حافظه و اجرای دستورات است.

میکروپروسسورها از خانواده ICها بوده و در همان شکل ظاهری تولید میشوند.

CPU به تنهایی یک واحد مستقل است که برای راه اندازی به ادوات جانبی مختلفی از جمله واحد حافظه نیاز دارد.

معمولا از میکروپروسسورها برای سیستم هایی که کاربرد مشخص و محدود ندارند استفاده میشود؛
مثلا در یک کامپیوتر ممکن است چندین نوع استفاده کاربری داشته باشیم و لازم است که
از حافظه با ظرفیت های مختلفی استفاده کنیم.

میکروپروسسورها دستورات اجرایی را براساس فرکانس یک موج مربعی انجام میدهند که
به عنوان کلاک پالس شناخته میشود و هرچقدر این مقدار بیشتر باشد، سرعت پردازش بالاتر است.

میکروپروسسور الکترونیکی مدل دیپ

4-5-3- میکروکنترلر

ریزکنترلگر در واقع یک سیستم دیجیتالی کامل روی یک تراشه است که
شامل یک میکروپروسسور، انواع واحدهای حافظه، واحدهای ورودی/خروجی، تایمر و … است.

از این چیپ برای پروژه های کاربرد خاص استفاده میشود چون
هر میکروکنترلری یک مقدار مشخص و محدودی از حافظه و ادوات دیگر را دارد که میتواند به کار برده شود.

معماری میکروکنترلرها براساس ظرفیت هر خانه حافظه و میکروپروسسور داخلی آن مشخص میشود.

میکروکنترلرها بنابر انواع لوازم جانبی و قابلیت و ویژگی CPU در تنوع بسیار زیادی تولید میشوند.

شرکت های تولید کننده میکروکنترلرها هر کدام چندین نوع میکروکنترلر با ویژگی های منحصر به فرد عرضه میکنند.

با میکروکنترلرها آشنا شویم و تفاوتشان با میکروپروسسور را بدانیم! بنر الکترونیک

4-5-4- انواع میکروکنترلرها

AVR

یکی از انواع میکروکنترلرهای موجود در بازار AVR تولید شده توسط شرکت Atmel است.

AVR ها معمولا در ظرفیت های 8 بیتی تولید میشوند و
به دلیل سرعتهای بالایی که نسبت به میکروکنترلرهای قبلی داشته اند مورد توجه قرار گرفته اند.

این سری از میکروکنترلرها معماری RISC دارند به این معنی که هر دستورالعملی در آن ها فقط به اندازه یک پالس ساعت طول میکشد.

AVRها قابلیت برنامه ریزی به زبان C و بیسیک دارند که
از جمله نرم افزارهای رایج برای این زبان ها به ترتیب Codevision و Bascom هستند.

انواع رایج این برند به ATtiny، ATmega و ATxmega بوده که
از لحاظ ظرفیت حافظه و فرکانس کاری باهم متفاوت اند.

Arduino

آردوینو در واقع یک میکروکنترلر نیست، بلکه یک بستر فراهم شده برای میکروکنترلرهای AVR است که
طرز کار با آن را بسیار ساده تر کرده است.

برای راه اندازی این قطعه کافی است از نرم افزار Arduino استفاده شود که به زبان C و  ++C قابلیت نوشته شدن دارد.

به علت رابط کاربری ساده و کتابخانه های در دسترس و وجود یک تیم پشتیبانی از محصول که انواع کدهای مورد نیاز برای راه اندازی پروژه های مختلف را ارائه میدهند،
در تقریبا 15 سال گذشته آردوینو وارد بازار الکترونیک شده و
امروزه به عنوان یکی از روش های محبوب برای ساخت پروژه ها استفاده میشود.

ماژول آردوینو انواع مختلفی دارد که در ساختار خارجی و ارتباط با سایر قطعات مدار با یکدیگر متفاوت اند.

ARM

میکروکنترلر جدیدتر و پیچیده تری که در دنیای دیجیتال مورد استفاده است، میکروکنترلرهای ARM هستند.

ARM ها نیز مانند AVR از معماری RISC استفاده میکنند.

میکروکنترلرهای ARM مزیتی بر AVR ها دارند که
بالاتر بودن تعداد بیت های ظرفیت میکروپروسسورشان است که تا 32 و در موارد خاص 64 بیت نیز میرسد.

ARM در ابتدا توسط شرکت ARM Holdings طراحی شده اما امروزه امتیاز تولید و فروش آن به شرکت های معتبر دیگری داده شده است.

به دلیل بالاتر بودن سرعت و حجم محاسبات معمولا این میکروکنترلر، در کامپیوترها و گوشی های موبایل استفاده میشود.

برای برنامه نویسی روی این میکروکنترلر نیز از زبان های C و Basic استفاده میشود.

ARM هم مشابه AVRها انواع مختلفی دارد که
در حضور یا عدم حضور بعضی از Peripheral (ادوات جانبی) ، فرکانس کلاک پالس و ظرفیت خانه های حافظه، متفاوت هستند.

نرم افزار رایج مورد استفاده برای برنامه نویسی ARMها keil uvision است.

FPGA

FPGA مخفف عبارت Filed-Programmable Gate Array (آرایه گیت قابل برنامه ریزی) است که
یک مدار مجمتع تشکیل شده از تعداد زیادی گیت است که میتوان آن ها را براساس نیاز طراح، برنامه ریزی کرد و
به هر مدار دلخواهی، حتی یک میکروپروسسور آن را تبدیل کرد.

FPGA ها در واقع میکروکنترلر نیستند چون CPU ندارند و
کاربر باید با برقراری ارتباط بین گیت های منطقی واحدهای مورد نیاز مثل جمع کننده و غیره را بسازد.

FPGA ها به دلیل توانایی انجام چندین عملیات منطقی به صورت موازی سرعت بسیار بالاتری نسبت به میکروکنترلرها دارند.

روابط منطقی این تراشه را با زبان توصیف سخت افزار (HDL) میتوان نوشت که از جمله زبان های معروف آن VHDL و Verilog هستند.

DSP

DSP) Digital Signal Processor) ها یکی از انواع پردازنده ها هستند که
توانسته اند به سرعت بسیار بالایی در انجام محاسبات ریاضی دست پیدا کنند و
به عنوان میکروکنترلرهای خیلی پر سرعت امروزه رواج پیدا کرده اند.

این پردازنده محصول شرکت Texas Instrument است و
دارای سری های مختلف است که اسامی آن ها با نام تجاری TMS320 شروع میشود.

این پردازنده ها توانایی انجام محاسباتی با سرعت 150 تا 300 مگاهرتز دارند که تقریبا 6 برابر سریعتر از پر سرعت ترین میکروکنترلرهاست.

برای برنامه ریزی این میکروکنترلر از زبان C استفاده میشود.

PIC

یکی دیگر از میکروکنترلرهای موجود در بازار PIC ها هستند که
از سری میکروکنترلرهای پرسرعت به حساب میایند.

مزیت دیگر آن ها مصرف پایین توان و مصونیت از نویزپذیری است اما
علی رغم این مزیت ها هزینه بالایی نسبت به سایر میکروکنترلرها دارند و معمولا برای کاربردهای خاص استفاده میشوند.

PIC ها در انواع 8، 16 و 32 بیتی موجود هستند.

4-6- قطعات آنالوگ الکترونیکی

در مقابل دسته بندی دیجیتالی قطعات، دسته بندی انالوگ برای سایر قطعات درنظر گرفته میشود.

قطعه های غیر دیجیتالی هم در مدل های SMD و DIP تولید میشوند.

این قطعات صرفا با اعمال ولتاژ و برقراری جریان در آن ها شروع به کار میکنند و
به برنامه ریزی نرم افزاری نیاز ندارد.

  • مقاومت

مقاومت الکترونیکی اس ام دی

مقاومت (Resistor) یکی از قطعات الکترونیکی دو پایه و مصرف کننده انرژی است که
در مدار با حرف R مشخص میشود.

از این قطعه برای کاهش جریان، تنظیم سطح سیگنال، تقسیم ولتاژ و موارد بسیاری استفاده میشود.

خاصیت اصلی مقاومت اختلاف پتانسیلی است که در اثر عبور جریان و متناسب با مقدار مقاومت دو سر آن میفتد.

واحد اندازه گیری مقاومت اهم بوده و با نماد نمایش داده میشوند.

  • خازن

خازن اس ام دی الکترونیکی

خازن (Capacitor) یک قطعه الکترونیکی پسیو و دو پایه است که
برای ذخیره انرژی (یا به تعبیری ولتاژ) استفاده میشود و
با حرف C در مدارات مشخص میشود.

خازن ها از دو صفحه هادی با یک لایه عایق در بین آنها تشکیل شده اند که
در اثر اعمال ولتاژ به آنها یک میدان کوچک در داخل آن ساخته شده و باعث ذخیره بار الکتریکی میشود.

خازن ها انواع مختلفی دارند که در هر کدام عایق یا دی الکتریک داخلی متفاوت است.

واحد اندازه گیری خازن فاراد بوده و با F نمایش داده میشوند.

انواع خازن و ظرفیت آن ها بنر الکترونیک

  • سلف 

انواع سلف الکترونیکی

سلف (Inductor) از قطعات غیرفعال الکترونیکی و معمولا دو پایه است که
به پیچه،سیم پیچ یا القاگر نیز معروف است.

سیم پیچ ها معمولا از یک هسته مرکزی و مقدار دور مشخصی سیم که به دور هسته پیچیده شده است، تشکیل میشوند.

برای نمایش سلف در مدارات از حرف L استفاده میشود.

با عبور جریان از پیچه میدان الکترومغناطیسی در آن القا میشود و مانع از تغییر ناگهانی جریان میشود.

واحد اندازه گیری سلف هانری بوده و با H نمایش داده میشوند.

انواع سلف و کاربرد مهم آن در الکترونیک بنر

  • ترانزیستور

قطعات الکترونیکی ترانزیستور

ترانزیستور (Transistor) یکی از قطعه های مهم و کاربردی الکترونیک است که
برای تقویت و یا قطع و وصل کردن سیگنال های الکترونیکی کاربرد دارد.

ترانزیستورها از پیوند خاصی از نیمه هادی ها تشکیل شده اند و
براساس ویژگی های این پیوندها به دسته های مختلفی تقسیم میشوند که
دو دسته کلی آن BJT (ترانزیستور اتصال دو قطبی) و FET (ترانزیستور اثر میدانی) است.

ترانزیستور یک قطعه سه پایه است که به پایه های آن، بیس (Base) و کلکتور (Collector) و امیتر (Emitter) گفته میشود.

کاربرد ترانزیستور BJT در مدارات الکترونیک دیجیتال بنر

  • دیود

دیود (قطعه الکترونیکی)

دیود (Diode) یک قطعه الکترونیکی دو پایه است که مشابه ترانزیستور از نیمه هادی ها تشکیل شده است.

این قطعه برای یکسو کردن جریان در یک مدار استفاده میشود چون
بنا به شرایط پیوند نیمه هادی داخل آن در یک جهت جریان را از خودش عبور میدهد و
مقاومت معادل تقریبا صفر دارد و از سمت دیگر مقاومت معادل بی نهایت داشته و اجازه عبور جریان را نمیدهد.

پایه های دیود با کاتد (سر منفی) و آند (سر مثبت) مشخص میشوند.

  • رله

رله الکترونیکی

از رله (Relay) برای قطع و وصل کردن جریان استفاده میشود و
از طرفی رله ها این توانایی را دارند که
جریان خروجی قوی تری نسبت به جریان ورودی بسازند به همین دلیل نوعی تقویت کننده به حساب میایند و
معمولا برای تبدیل جریان از یک مدار دیجیتال به مدار آنالوگ استفاده میشوند.

  • رگولاتور

رگولاتور الکترونیکی

رگولاتورها (Regulator) قطعاتی هستند که برای تثبیت ولتاژ در یک مدار استفاده میشوند و
اگر یک ولتاژ با نوسان و نویز را به ورودی آن بدهیم در خروجی یک ولتاژ DC کاملا ثابت میسازد.

رگولاتورها انواع خطی و غیرخطی دارند که مدل های خطی به دلیل تلف کردن انرژی معمولا راندمان پایین تری دارند.

  • کلید (سوئیچ)

انواع سوئیچ الکترونیکی

سوئیچ ها (Switch) یکی از قطعات پرکاربرد هستند که
برای قطع و وصل کردن جریان یک شاخه از مدار استفاده میشوند.

سوئیچ ها انواع مختلفی دارند؛ مکانیکی و خودکار.

به مدل های مکانیکی با نیروی دست فرمان داده میشود و برای مدل های خودکار حضور سنسورهای مختلف فرمان ها را میسازد.

  • سنسور

انواع سنسورهای الکترونیکی

سنسورها (Sensor) از قطعه های بسیار کاربردی الکترونیک هستند که
ویژگی های محیطی مثل دما، نور، رطوبت و …. را به پارامترهای الکترونیکی قابل اندازه گیری از جمله جریان، ولتاژ و مقاومت تبدیل میکنند.

شناخت انواع سنسور الکترونیکی از ساده ترین تا پیچیده ترین ها بنر

  • فیوز

انواع فیوز الکترونیکی

فیوزها (Fuse) از جمله قطعات محافظتی مدارها هستند که
برای حفاظت قطعات از عبور جریان بیش از اندازه جلوگیری میکنند و
اگر جریانی بیشتر از حد مجاز از این قطعه بگذرد عکس العمل نشان میدهند و
براساس مدل این واکنش ها به دسته های مختلفی تقسیم میشوند.

  • LED

ال ای دی الکترونیکی

این قطعه یک مدل از انواع دیودهاست و در مسیری که جریان را عبور میدهد، از خودش نور منتشر میکند.

این اسم برگرفته از عبارت Light Emitting Diode به معنی دیود ساطع کننده نور است.

Led ها براساس ساختار داخلی که دارند رنگ نور های مختلفی میسازند.

لامپ هایی که بر پایه این تکنولوژی ساخته میشوند مصرف توان بسیار کمتری نسبت به لامپ های رشته ای  قدیمی تر دارد.

  • IC های آنالوگ

ICهای آنالوگ با سیگنال های پیوسته کار میکنند و
برای عملکردهایی مثل تقویت کنندگی (Amplifying) و یا فیلتر (Filtering) سیگنال،
دمدولاسیون (Demodulation) و ترکیب کردن (Mix) چند سیگنال کاربرد دارند.

مدارات مجتمعی که آنالوگ و دیجیتال را همزمان دارند ICهای مرکب (mixed) نامیده میشوند و
به عنوان مبدل های آنالوگ به دیجیتال و برعکس استفاده میشوند.

5- نرم افزار الکترونیکی

برای کار با مدارهای دیجیتالی و میکروکنترلرها، تسلط به استفاده از نرم افزارها لازم است.

متناسب با هر نوع میکروکنترلری و با توجه به قابلیتهای در نظر گرفته شده از طرف شرکت سازنده نرم افزار های متفاوتی وجود دارد که
به وسیله آن ها برنامه موردنظر را نوشته و روی میکروکنترلر پیاده شود.

برخی از نرم افزارها به دلیل داشتن قابلیت های بالا و رابط کاربری ساده، امروزه پر استفاده تر هستند؛

Codevision، STM32 و Arduino از جمله برنامه های بسیار پرکاربرد هستند.

از طرفی نرم افزارهای کاربردی دیگری برای طراحی و آماده سازی مدارات نیز وجود دارد که
توسط مهندسین الکترونیک به کار گرفته میشوند.

یکی از پرکاربردترین و معروف ترین نرم افزارهای طراحی مدار Altium Designer است.

5-1- برنامه نویسی

برنامه نویسی عبارت است از نوشتن دستورات به زبانی که یک سیستم دیجیتالی آن را متوجه شده و به ترتیب اجرا کند.

یک کد برنامه نوشته شده در واقع یک راه حل یک مساله است که با الگوریتم خاصی به جواب میرسد و
این موضوع باعث شده که کسب مهارت در کدنویسی، مستلزم توانایی تحلیل و طراحی الگوریتم باشد.

برای نوشتن یک برنامه ممکن است به تعداد برنامه نویس های موجود روش نوشتن کد وجود داشته باشد،
مساله ای که باعث برتری یک کد برنامه بر دیگری میشود بهینه بودن سرعت اجرای کد، دقت انجام عملیات و حجم کد نوشته شده است.

5-2- زبان برنامه نویسی

نوشتن برنامه های سیستم های دیجیتالی، نیازمند یک زبان است که از جانب میکروپروسسور قابل فهم باشد.

در ابتدا برای این منظور زبانی با استفاده از اعداد صفر و یکی تعریف و با اسم زبان ماشین (Machine Language) شناخته شد.

این زبان تا مدت ها توسط برنامه نویسان مورد استفاده بوده است اما به دلیل سختی بیش از حد این روش، زبان های دیگری به مرور زمان ساخته شدند که
با واژگان انگلیسی که قابل درک برای برنامه نویس هستند، نوشته میشود.

زبان های برنامه نویسی که صرفا قابل فهم از دید CPU هستند به زبان های سطح پایین و مواردی که برای انسان قابل فهم اند، زبان سطح بالا گفته میشود.

بعد از زبان ماشین، زبان اسمبلی (Assembly) بین کدنویسان به کار گرفته شد که با استفاده از رجیسترها تعریف میشود.

مشکل این زبان پیچیدگی و طولانی بودن کدهای نوشته شده است.

در سطوح بالا، زبان های C، C++ ساخته شدند تا کار را بسیار ساده تر کنند.

امروزه کدهای نوشته شده برای اکثر مدل های میکروکنترلر به زبان C هستند که
توسط نرم افزارهایی با عنوان کامپایلر (Compiler) به زبان ماشین تبدیل شده و به میکروکنترلر منتقل میشوند.

6- مدار الکترونیکی

مدارات الکترونیکی (Electronics Circuits)، مجموعه ای تشکیل شده از قطعات مختلف به همراه سیم کشی ها و منبع تغذیه است.

مدار الکترونیکی

منبع تغذیه یا باتری نقش پمپ محرک مدار را ایفا میکند که
باعث میشود جریان از سمت با پتانسیل بیشتر در مدار جاری شده و با عبور از قطعه ها به پتانسیل کمتر برود.

جریان فقط در یک مدار بسته برقرار میشود و اگر در یک محل از مدار فاصله ای بیفتد جریان قطع خواهد شد.

به این حالت مدار باز (open circuit) گفته میشود.

اگر مدار را بدون حضور هیچ قطعه ای ببنیدیم و دو سر منبع ولتاژ را با یک سیم بهم وصل کنیم،
در اثر این اتفاق و بنابر قانون اهم به دلیل صفر بودن مقاومت، جریان بینهایت از سیم گذشته و منبع تغذیه و سیم خواهند سوخت.

به این حالت از مدار اتصال کوتاه (Short Circuit) گفته میشود.

مدارات بر اساس قطعات استفاده شده و کاربرد به دسته بندی کلی دیجیتال و آنالوگ تقسیم میشوند.

مدارات دیجیتال، از حضور حداقل یک قطعه دیجیتالی در کنار سایر قطعات ساخته میشود.

در این نوع، هسته اصلی مدار یک میکروپروسسور یا میکروکنترلر و یا یک IC است که
با سیگنال های گسسته (یا همان دیجیتال) و پیوسته (یا همان آنالوگ) به صورت همزمان یا مجزا در ارتباط است.

مدارات آنالوگ صرفا از قطعات غیر دیجیتالی مثل خازن و مقاومت و سلف و … تشکیل شده اند که فقط با سیگنال های آنالوگ کار میکنند.

6-1- طراحی مدار الکترونیکی

یکی از بخش های مهم مهندسی الکترونیک طراحی و ساخت مدارات است.

مدارات ممکن است از ساده ترین نوع و با کمترین المان ها و یا در پیچیده ترین حالت با هزاران قطعه، مثل مدارات مجتمع ترانزیستوری، ساخته شود.

برای طراحی یک مدار لازم است در ابتدا خصوصیات و ویژگی های مورد نیاز آن را مشخص کرده و سپس طرح اولیه ای از آن ساخته شود،

در ادامه مدار طراحی شده را به بهینه ترین حالت ممکن با توجه به معیارهای هدف ( هزینه، توان مصرفی و … ) تغییر داده و شماتیک مدار را رسم میکنند.

در نهایت مدار ترسیم شده را با نرم افزارهای مخصوص شبیه سازی کرده و آن را چاپ و لحیم میکنند.

بعد از ساخت و تولید نهایی یک مدار، آن را تست کرده و در صورت صحت کارایی آن را برای تولید انبوه میفرستند.

6-1-1- برد مدار چاپی (PCB)

برد مدار چاپی (Printed Circuit Board) یک برد است که با استفاده از یک صفحه عایق (معمولا سبز رنگ) و ورقه های مسی روی آن ساخته میشود.

مدار چاپی الکترونیکی

این مدار با نرم افزار های طراحی PCB کشیده میشود و به این صورت است که
در آن، جای هر قطعه با ابعاد و فاصله پایه های دقیق آن، مشخص میشود و به جای سیم های مدار از لایه ورقه مسی یک خط (Track) بین قطعات کشیده می شود.

طراحی مدارات با استفاده از PCB به دلیل کوچک بودن برد و نزدیک بودن قطعات به یکدیگر نیازمند دقت بالا و شناخت کافی از قوانین امواج الکترومغناطیسی و نویز پذیری، است.

اگر قطعات استفاده شده از نوع DIP باشند لازم است روی برد نوع خاصی از سوراخ را ایجاد کرده ولی اگر SMD باشند نیازی به سوراخ شدن برد نیست.

مدارهای چاپی بر اساس تعداد ورقه های مسی استفاده شده در آن به یک لایه و یا دو لایه تقسیم میشوند و
قطعات روی یک سمت برد یا هر دو سمت لحیم میشوند.

با پیشرفت تکنولوژی این امکان فراهم شده است که
برای مدارات پیچیده حتی تا 50 لایه از مس را با عایق خاص و با روش بخصوصی روی هم قرار دهند.

6-1-2- نرم افزار Altium Designer

نرم افزار معروف و بسیار کاربردی در زمینه طراحی و ساخت PCB ها Altium است.

این برنامه قابلیت طراحی مدار در محیط شماتیک را در اختیار کاربر گذاشته است که
به راحتی میتوان آن را به محیط PCB تبدیل کرد و با استفاده از محیط کاربری خوب این نرم افزار، مدار طراحی شده را در اشکال دو و یا سه بعدی دید.

یکی از فواید استفاده از این نرم افزار این است که استانداردهای طراحی را به عنوان مجموعه ای از قوانین درنظر گرفته است و
به کاربر این اخطار را میدهد که مدار طراحی شده ممکن است دچار اختلال شود.

6-2- ساخت و مونتاژ مدار

برای ساختن مدارهای الکترونیکی یک روش ساده وجود دارد که بیشتر برای تست و انجام پروژه استفاده میشود و
آن هم استفاده از بردبورد، سیم کشی و قطعات دیپ است که
به راحتی میتوان طرح موردنظر را روی مدار بسته و از آن استفاده کرد.

روش دوم و اصولی ساخت مدار استفاده از بردهای چاپ شده است که
به جای سیم کشی خارجی از سیم کشی های داخلی استفاده شده و
معمولا با استفاده از قطعه های اس ام دی ساخته میشود به همین دلیل اکثرا این مدارات در ابعاد کوچکتری تولید میشوند.

6-2-1- لحیم کاری

برای تولید مدارات طراحی شده روی برد باید قطعه ها را به برد لحیم کرد.

لحیم کردن قطعه های SMD به مراتب پیچیده تر و نیازمند دقت بیشتر نسبت به قطعات DIP است.

لحیم کردن قطعه ها روی برد از اهمیت بالایی برخوردار است چون
اگر از روش نامناسب صورت بپذیرد ممکن است در اثر استفاده، قطعات از مدار جدا شده و آسیب ببینند.

آموزش لحیم کاری آی سی های SMD بنر الکترونیک

مقاله بالا بخشی از بسته جامع الکترونیک (BEE) است.

برای مشاهده کامل این بسته کلیک کنید.

مشاهده بسته الکترونیک
بسته جامع آموزش الکترونیک

در نماتک نظر دهید