جزوه مبانی مهندسی برق

این مقاله دارای تصاویر است که در سایت قابل نمایش نیست .
هدف از گرد آوری این مجموعه ، ارائه جزوه ای کامل برای درک بهتر مفاهیم مبانی مهندسی برق بوده است
جای آن دارد که از استاد فرزانه جناب آقای مهندس قهری که این واحد درسی را در محضر ایشان فرا گرفته ایم
تشکر نماییم ، همچنین از ایشان برای گرد آوری ،تکمیل و ویرایش این جزوه ما را یاری نمودند کمال تشکر را داریم .
سید وحید اشرف ، سید شهاب الدین حسینی ، محسن رحمانی ، مهدی رمضانی ، محمد زارعین ، سارا ورمزیاری
بهار ۱۳۸۷

مقاومت :
به هر المان الکتریکی که در برابر عبور جریان مقاومت از خود نشان دهد و دو سر آن پتانسیل بیافتد به آن مقاومت گویند .
در حالت ایدال مقاومت صفر است
به کمک ابر رساناها : شکل اصلی آن این است که در دمای محیط کاربرد ندار د با عبور الکترون از مقاومت دچار افت پتانسیل می شویم .
قوانین حاکم : KVL ، KCL

KCL KVL

این دو قانون بیشتر در مدارات فشرده کاربرد دارد .
مدارات الکتریکی :
۱) مدارات فشرده ۲) مدارت گسترده
مدارات فشرده : جایی که ابعاد مدار نسبت به طول موجی که در آن مدار وجود دارد در صورتی که خیلی کوچکتر باشد به آن مدار فشرده گویند . (۲۵۰=λ زیر )
در مدار های فشرده از KVL ، KCLاستفاده می شود .
مدارت گسترده : جایی که قوانین KVL ، KCL کاربرد ندارد مدار گسترده است در اینجا باید از قوانین ماکسول استفاده کرد . جایی که ابعاد مدار با طول موج آن قابل مقایسه است .( ۲۵۰=λ بالای )

مثال : لامپ در اثر عبور جریان در خود مقاومت نشان می دهد طبق KVL ما افت پتانسیل در دو سر لامپ را داریم .
جریان AC و DC :

کلی ترین حالت یک مقاومت ( قانون اهم ) : کلی
R خطی و تغییر نا پزیر با زمان : LTI
سری : جریان یکسان
مقاومت های خطی سری

: تحت قانون KVL
درحالت سری
در حالت کلی

موازی : ولتاژ یکسان سری موازی

خازن ها : و در حالت کلی
حالت کلی در صورتی که ظرفیت خطی باشد .
ظرفیت غیر خطی .
مثال :
: مثال

خازن های سری :

خازن های موازی :
در حالت سری

در حالت موازی

خازن سری

سلف ( سیم پیچ ) :
سیم پیچ های با هسته حتما باید دارای فرو مغناطیس باشد .
دیا مغناطیس هم جهت نمی شود . پارا مغناطیس به صورت جزئی هم جهت می شود .
فرو مغناطیس : به صورت متحد هم جهت می شوند آهن ربایی قوی دارند زمانی که تحت میدان قرار می گیرند مقاومت مغناطیسی در فرو مغناطیس وجود ندارد
زمانی که سلف از جنس فرو مغناطیس باشد شار مغناطیسی در آن هدر نمی رود .

شدت میدان مغناطیسی

فرمول های سلف :

در حالت خطی :

در حالت غیر خطی :
قانون فاراد :
خطی
تغییر ناپذیر خطی
غیره خطی
:مثال

سلف های خطی تغییر ناپذیر موازی :
V : یکسان

سلف از نظر سری و موازی بودن ، همانند مقاومت هستند .
و از نظر اینکه یک المان ذخیره کننده انرژی است مشابه خازن است .

مهم : تابع های مورد استفاده در برق :
تابع سینوس : (Sin )

تابع پله : (Step )
U(t)

تابع پله در مدار هایی که کلید داشته باشد استفاده می شود .
تابع ضربه :
تابعی است که همیشه صفر است بجز در لحظه t=0 که مقدار آن بی نهایت است مثل رعد و برق
به صورت ریاضی :
زمانی که کلید روشن و خاموش شود .

ترکیب تابع پله و سینوس :

خازن ها و سلف های مستقل ( یعنی سری و موازی نباشند ) تعدادشان بیان گر مرتبه مدار است .

مدار های مرتبه اول :
پاسخ مدار : جریان یا ولتاژ شاخه ای از مدار در پاسخ به ورودی را گویند .

پاسخ پله :
منبع ورودی پله

پاسخ ضربه :
منبع ورودی دلتا

پاسخ پله
ثابت زمانی
ثابت زمانی
/ (پاسخ پله ) = پاسخ ضربه

نکته مهم :
سلف در لحظه کلید زنی مدار باز است و در حالت پایدار
( از نظر تئوری زمان نهایت ) اتصال کوتاه می باشد و مثل یک سیم
بدون مقاومت عمل می کند .

خازن :
در لحظه کلید زنی ( صفر زمانی ) اتصال کوتاه می باشد و مثل یک سیم عمل می کند و در لحظه بینهایت به حالت پایدار مدار ، مدار باز است .

پاسخ پله
پاسخ ضربه
از طریق خاصیت غربال

اعداد مختلط :
در اعداد مختلط بحث در مورد دو بعدی بودن اعداد است

زمانی از اعداد مختلط استفاده می کنیم که تابع یا منبع ورودی Sin باشد .
رابطه اویلر
اگر خواستیم ضرب یا تقسیم کنیم از مختصات قطبی استفاده می کنیم

سلف به مقاومتی به اندازه jwe تبدیل می شود .
فاز در جریان

نکته :
• سلف در بینهایت سیم است .
• خازن در صفر سیم است .

دیود :

ترانزیستور BJT:
E : امیتر
B : بیس
C : کلکتور

ترانزیستور FET:
D : درین
S : سورس
G : گیت

گیت = بیس
سورس = کلکتور
درین = امیتر

نوع دیگر ترانزیستور : Mosfet
بلور هر گاه به P ، N تبدیل شود هادی می شود .
Oxide مثل خازن عمل می کند اگر به G علامت منفی دهیم .
طرف دیگر در ناحیه N حفره ها جمع می شود و کانال P را
تشکیل می شود .

حفره : عدم الکترون
مثبت : بلور P
منفی : بلور N

دیود زنر :
دیود هایی هستند که در بایاس معکوس کار کرده و ولتاژ ثابتی در دو سر آن می افتد و با ازدیاد ولتاژ معکوس تا VBR شدت میدان در ناحیه تهی باعث شکسته شدن پیوند کوالانسی اتم های سیلیسیوم می شود .

جریان اشباع معکوس :

اعمال ولتاژ به دو یر دیود را بایاس گویند که خود دو حالت دارد اگر سمت P+ و N- باشد Forward Bias و بر عکس
پدیده بهمنی :
الکترون ها و حفره ها مشابه برف در کوهستان سرازیر شده و جریان در جهت عکس از دیود خواهد گذشت .(ولتاژ معکوس)
زنر برای تنظیم ولتاژ به کار می رود . مدارات تنظیم ولتاژ : رگلاتور- آداپتور
زنر ها دیود هایی هستند که در بایاس معکوس کار کرده و ولتاژثابتی در دو سر آنها می افتد با ازدیاد ولتاژ معکوس تا VBR ( ولتاژ شکست ) شدت میدان تا ناحیه تهی باعث شکسته شدن پیوند کواانس اتم Si می شود و حامل های زیادی آزاد می کند .

دیود خازنی :
دیودی مشابه دیود زنر در ولتاژ معکوس کار کرده و به عنوان یک خازن
متغیر عمل می کند .
در بایاس معکوس بهتر عمل می کند
کاربرد آن در مدار های تیونر رادیویی وTV است نام دیگر دیود خازنی ورکتور(Varactor ) می باشد .

ظرفیت خازن های دیودی از رابطه های زیر بدست می آید :
Na : تعداد اتم های گروه ۳
Nd : تعداد اتم های گروه ۵
Vr : ولتاژ معکوس دو سر خازن
V0 : ولتاژ تماس پیوندی در حدود ۷٫ ولت است
CT0 : ظرفیت پایه
دیود تونلی :
هر چه این مرز نازک تر باشد احتمال عبور بیشتر است برای این کار ناخالصی P و N را زیاد می کند .
این قسمت یک مقاومت منفی ایجاد می کند . و مثبت :
توان اگر منفی بود یعنی دستگاه تولید کننده انرژی است
توان اگر مثبت بود یعنی دستگاه مصرف کننده انرژی است ( کاربرد اسیلاتور )
در ناحیه مقاومت منفی ، مشابه خازن و سلف است :
دو دستگاهی است که هم می تواند تولید کننده انرژی و مصرف کننده انرژی باشد اینها در نوسان سازها استفاده می شود .
دیود LED :
لامپ رشته ای w5 w100 ، w25 w100 لامپ گازی ، w99 w100 لامپ LED
نکته :
دیود LED از عناصر گالیوم و ارسنیک ساخته شده است . به دلیل بهتر بودن نور از ان استفاده می شود
LED مادون قرمز : در کنترل ها ، در مخابرات …..

دیود نوری :
دیودهایی که در قبال تابش نور به ما جریان
می دهد در صورتی که در بایاس معکوس باشد .
ومیزان جریان معکوس متناسب با میزان نور تابیده
شده است
کاربرد ها :
• Photocell : سلول های نوری که در تیر چراغ برق برای خاموش و روشن شدن اتوماتیک استفاده می شود .
• Photo Voltaice : سلول های خوشیدی که در قسمتی از ماشین قرار می دهند و مستقیما از نور خورشید برای حرکت استفاده می کنند .

در ترانزیستور ها مقدار VP ثابت است .
نکته : ترانزیستور ها تقویت کننده جریان می باشد .
هر گاه در ترانزیستور ها جریان B بیس نداشته باشیم دستگاه خاموش است .
هر گاه به یک نزدیک شود تقویت بیشتر می شود .

نواحی کار :
۱) خاموش :کلید قطع است و جریان ندارد ic=0و ۰ib=
2) فعال :
۳) اشباع :

ترانزیستور FET :
نکته : جریان در گیت صفر است

نواحی کار : خاموش ( مقاومت بینهایت ) مقاومت تریودی – اشباع ( تقویت کننده )
تمامی خطوط دارای شیب کمی هستند
ترانزیستور های JFET: IG=0 ID=IS VGS<VP

VDG>-VP

نکته : چون در انجا IG=0 می باشد پس IS=ID می باشد .
در این حالت ترانزیستور به مقاومت تبدیل می شود .
کانال n :VP عدد منفی است .
کانال p : VP عدد مثبت است .
نکته : VGS عامل اصلی تقویت کننده جریان FET

در ناحیه pinch off

IDSS : حداکثر جریانی که میتوان از سورس گرفت
نکته : در ترانزیستور FET منبع جریان وابسته به ولتاژ است ( جریان D تابعی از ولتاژ VGS است )

نکته : در ترانزیستور BJT منبع جریان وابسته به جریان است .

کانال n کانال p

ترانزیستور MOSFET :
نکته : دراین ترانزیستور VT داریم
در اینجا نیز G=0 می باشد .

ناحیه کار : ۱- خاموش VGS<VT
2- اهمی ، مقاومتی ، تریودی ، خطی VGS<-VT
3- اشباع VDG<-VT
ID=k [2(VGS-VT) VDS-VDS2] فرمول قسمت ۲

. فرمول قسمت ۳

الکترونیک صنعتی
تایر یستور ( SCR ) :
تایر یستور المانی است مشابه دیود که برای روشن شدن آن علاوه بر مستقیم ، بایستی یک پالس مثبت به پایه ی اعمال شود تا ، تایر ستور روشن شود . خاموش شدن آن کاملاً مشابه دیود است . یعنی به محض اینکه جریان یا ولتاژ دو سر آن معکوس شودCR S خاموش می شود. تایر ستور ها ممکن است برای جریان چند میلی آمپر چند کیلو آمپر ساخته شود و اندازه ی آنها کوچکتر از پشت ناخن تا بزرگتر از قد یک انسان تغییر می کند .
در قسمت مثبت یک جایی که آتش گیت ایجاد کنیم مقاومت صفر ولتاژ بالا است در قسمت پر رنگ تغییرات ولتاژ نمایی است برای روشن شدن SCR دو شرط لازم است که یکی از شروط اضافه بر دیود است
۱- ولتاژ آنداز کاتدبیشتر باشد
۲- بایستی به گیت یک پالس آتش بشود .

کاربرد تایر یستور :
از SCR در مواردی یک سو ســازی کنترل شده و تغــییر ولتاژ مؤثر دار خواسته باشیم استفاده می شود .همچنین از این آلمان در مبدل های ( CONVERTOR) AC بهDC ( مثل UPS منبع خورشــیدی ) و یک سو ساز ( RECTIFIER ) و یا DC به AC ( معــکوس کننده inver ter ) و یا DCبه DC ( برش : CHOPPE که فقط سطــح ولتاژ را تغیــیر می دهد V 100 V10 و یا AC به AC(سیلکو کانورتر : (CYCLOCONVERTER اگر تغییرات آن علاوه بر سطح ولتاژ سطح فرکانس را نیز تغییر می دهد.
OHZ2 OHZ 5
از موارد دیگر کاربرد آن در HVDC high voltage است .
در مسافت ها ی بیشتر km 500 از برق HVDC سلف و خازن نداریم و فقط یک ژنراتور داریم . اما در AC سلف و خازن داریم و هزینه ی بیشتری می برد .
برق سه فاز را زمانی انتقال می دهیم که تایرستور داشته باشیم .