اِلِکترونیک مطالعه و استفاده از وسائل الکتریکی ای می‌‌باشد که با کنترل جریان الکترون‌ها یا ذرات باردار الکتریکی دیگر در اسبابی مانند لامپ خلاء و نیمه‌رساناها کار می‌‌کنند. مطالعه محض چنین وسائلی، شاخه‌ای از فیزیک است، حال آن که طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی جزئی از رشته‌های مهندسی برق، الکترونیک و رایانه می‌‌باشد.

سالهاست که واژه "الکترونیک" به طور مکرر در میان مردم استفاده می‌‌شود به طوریکه هر شخصی برداشت انفرادی خود را از این علم و یا موارد کاربردی آن مطرح می‌‌کند، اما به صورت کلی عمدتاً تعاریف و برداشتهایی که از این واژه عنوان می‌‌شود کامل نبوده و برداشتهای ظاهری عملا نمی‌تواند اهمیت و نفوذ روزافزون الکترونیک را در ارتباط باصنایع گوناگون بیان کند.

"الکترونیک" به طیف گسترده‌ای از الکتریسیته اطلاق می‌‌شود که با حرکت الکترونها در انواع مدارات نیمه هادی سر و کار دارد. اختراع آی‌سی (IC)ها سبب آن شده است که دگرگونی‌های فراوانی در این علم پدیدار گشته و سیستم‌های مدرن الکترونیکی از جمله مدارهای کنترل از راه دور، ماهواره‌های فضایی، ربات‌ها و ... را پدید آورد.

امروزه الکترونیک کلید فتح شگفتیهای جهان است و با تمام علوم و فنون موجود به نحوی پیوند خورده است. از وسائل ساده خانگی تا پیچیده‌ترین تکنیک‌های فضایی همه جا صحبت از فناوری فراگیر الکترونیکی است و امروز صنعت نوین بدون الکترونیک و فناوری‌های وابسته به آن عملا مطرود و از کار افتاده است .

پیشرفت علم الکترونیک و وسعت حوزه عملکرد آن امروز بر همگان روشن است. علاوه بر وسائل الکترونیکی از جمله دستگاههای مخابراتی مثل رادیو، تلویزیون، ضبط صوت و تصویر، انواع وسائل پزشکی، صنعتی، نظامی، در دیگر وسائل غیرالکترونیکی هم، کمتر وسیله‌ای را می‌‌توان یافت که الکترونیک در آن دخال

اِلِکترونیک مطالعه و استفاده از وسائل الکتریکی ای می‌‌باشد که با کنترل جریان الکترون‌ها یا ذرات باردار الکتریکی دیگر در اسبابی مانند لامپ خلاء و نیمه‌رساناها کار می‌‌کنند. مطالعه محض چنین وسائلی، شاخه‌ای از فیزیک است، حال آن که طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی جزئی از رشته‌های مهندسی برق، الکترونیک و رایانه می‌‌باشد.

سالهاست که واژه "الکترونیک" به طور مکرر در میان مردم استفاده می‌‌شود به طوریکه هر شخصی برداشت انفرادی خود را از این علم و یا موارد کاربردی آن مطرح می‌‌کند، اما به صورت کلی عمدتاً تعاریف و برداشتهایی که از این واژه عنوان می‌‌شود کامل نبوده و برداشتهای ظاهری عملا نمی‌تواند اهمیت و نفوذ روزافزون الکترونیک را در ارتباط باصنایع گوناگون بیان کند.

"الکترونیک" به طیف گسترده‌ای از الکتریسیته اطلاق می‌‌شود که با حرکت الکترونها در انواع مدارات نیمه هادی سر و کار دارد. اختراع آی‌سی (IC)ها سبب آن شده است که دگرگونی‌های فراوانی در این علم پدیدار گشته و سیستم‌های مدرن الکترونیکی از جمله مدارهای کنترل از راه دور، ماهواره‌های فضایی، ربات‌ها و ... را پدید آورد.

امروزه الکترونیک کلید فتح شگفتیهای جهان است و با تمام علوم و فنون موجود به نحوی پیوند خورده است. از وسائل ساده خانگی تا پیچیده‌ترین تکنیک‌های فضایی همه جا صحبت از فناوری فراگیر الکترونیکی است و امروز صنعت نوین بدون الکترونیک و فناوری‌های وابسته به آن عملا مطرود و از کار افتاده است .

پیشرفت علم الکترونیک و وسعت حوزه عملکرد آن امروز بر همگان روشن است. علاوه بر وسائل الکترونیکی از جمله دستگاههای مخابراتی مثل رادیو، تلویزیون، ضبط صوت و تصویر، انواع وسائل پزشکی، صنعتی، نظامی، در دیگر وسائل غیرالکترونیکی هم، کمتر وسیله‌ای را می‌‌توان یافت که الکترونیک در آن دخالتی نکرده باشد. از جمله در خودرو و صنایع ترابری، وسائل خانگی مثل ماشین رختشوئی، جاروی برقی و امثال آن نقش الکترونیک بسیار فعال و جالب توجه شده است. با توجه به این مختصر می‌‌توان نتیجه گرفت که امروزه، دیگر الکترونیک دانش و یا تخصص ویژه افراد تحصیلکرده دانشگاهی و متخصصان این رشته نیست و بر همه افرادی که به نحوی با امور فنی درگیرند لازم است بفراخور حرفه خویش از این رشته اطلاعی داشته باشند.

مهندسان الکترونیک با خلق وعملکرد سیستم‌های بسیار متنوعی سر وکار دارند که به منظور برآوردن نیازها و خواسته‌های جامعه طراحی می‌‌شوند. مهندسان الکترونیک در ایجاد ماشینهایی که تواناییهای بشر را در زمینه جسمی یاری و در زمینه محاسباتی افزایش می‌‌دهند نقش مهمی دارند. بخشی از طراحی و ایجاد سیستم‌های الکترونیکی به توانایی ساخت مدلهای ریاضی اجزاء و مدارهای الکتریکی بستگی داردتی نکرده باشد. از جمله در خودرو و صنایع ترابری، وسائل خانگی مثل ماشین رختشوئی، جاروی برقی و امثال آن نقش الکترونیک بسیار فعال و جالب توجه شده است. با توجه به این مختصر می‌‌توان نتیجه گرفت که امروزه، دیگر الکترونیک دانش و یا تخصص ویژه افراد تحصیلکرده دانشگاهی و متخصصان این رشته نیست و بر همه افرادی که به نحوی با امور فنی درگیرند لازم است بفراخور حرفه خویش از این رشته اطلاعی داشته باشند.

مهندسان الکترونیک با خلق وعملکرد سیستم‌های بسیار متنوعی سر وکار دارند که به منظور برآوردن نیازها و خواسته‌های جامعه طراحی می‌‌شوند. مهندسان الکترونیک در ایجاد ماشینهایی که تواناییهای بشر را در زمینه جسمی یاری و در زمینه محاسباتی افزایش می‌‌دهند نقش مهمی دارند. بخشی از طراحی و ایجاد سیستم‌های الکترونیکی به توانایی ساخت مدلهای ریاضی اجزاء و مدارهای الکتریکی بستگی دارد

در ابتدا قسمتهای یک گیرنده را شرح می دهیم و در ادامه به توضیح هر کدام خواهیم پرداخت .

بخشهای اصلی یک گیرنده GPS عبارتند از :

 

1_ آنتن با Preamplifier

2_ بخش RF  ( Radio Frequency  )

3_ بلوک ردیابی سیگنال

4_واحد ورودی دستورات و واحد نمایش

5_واحد خروجی و ذخره داده ها

6 _منبع نیرو

7 _میکروپروسسور

 

آنتن :

 

آنتن گیرنده وسیله ای است جهت تبدیل انرژی الکترومغناطیسی موج به جریان الکتریکی .

به عبارت ساده تر ، آنتن سیگنالهای ماهواره های بالای افق خود را دریافت و بعد از انکه نویزها را به کمک فیلتر هایی از ورودی سیگنالها برداشته آنها را به بخش RF انتفال می دهد .

یک مشخصه اصلی در آنتها الگوی حصول (Gain Panern  ( آنها می باشد که حساسیت آنها در دریافت سیگنالهایارسالی از زاویه ارتفاعی مشخصی را نشان می دهد . بر طبق این الگو انتنها موظف می شوند که سیگنالهای ارسالی از ماهواره ها را تتا زائیه ارتفاعی مشخصی دریافت کنند . Gain آنتن باید متناسب با نوع کاربرد گیرنده باشد . به عنوان مثال در کارهای Static در مکانهای شهری ، Gain آنتن باید به گونه ای باشد که امواج ارسالی از ماهواره ها با زاویه ارتفاعپایین را دریافت نکند (جهت اجتناب از بروز پدیده چند مسیری ( Multipath  ) ) و در کاربرد های ناوبری در دریا ها انتنهایی با Gain بالا نیاز است تا امواج مربوط به ماهواره ها با زاویه ارتفاعی پایین را نیز دریافت کند .

 

توضیح : یکی از اثرات و خطاهایی که در GPS با آن مواجه هستیم  ، اثر چند مسیری

(Multipath  ) می باشد . این پدیده در اثر انعکاس امواج از سطح منعکس کننده مانند ساختمانها به وجود می آید . در اثر این پدیده آنچه گیرنده دریافت می کند سیگنالی است که از دو یا چند مسیر مختلف به آن رسیده است . جهت اجتناب از این مسئله معمولاً الگوی حصول آنتن را به گونه ای طراحی می کنند که سیگنالهای ماهواره ها تا زاویه ارتفاعی مشخصی را ردیابی نمایند که به این زاویه ارتفاعی Cut of angle  می گویند . معمولاً  Cut of angle را 15 درجه اختیار می کنند . یعنی آنتنها سیگنالهای ارسالی با زاویه ارتفاعی کمتر از 15 درجه را دریافت نمی کنند . الگوی خصول آنتن باید به گونه ای باشد که اجازه ورود سیگنالهای چند مسیری را به گیرنده ندهد .

 

یک مشخصه دیگر آنتنها ، استحکام مرکز فاز آنها می باشد . مرکز الکترونی آنتنها باید بر مرکز فیزیکی آنها نزدیک باشد و همچنین باید نسبت به دوران هم غیر حساس باشد . این مسئله به خصوص در کاربردهایی که آنتن در حال حرکت است اهمیت زیادی دارد . برای آنتنهای مورد استفاده در کاربردهای دقیق تعیین موقعیتی ، مرکز فاز آنتن یعنی مرکز آلکتریکی آن که موقعیت به آن منسوب می شود باید از استحکام بالایی برخوردار باشد .

 

 

انواع آنتنهای GPS  :

 

باید ذکر کنم که انواع مختلفی از آنتنها در سیتم  GPS مورد بهره برداری قرار می گیرند اما عمده آنها عبارتند از :

 

Dipoles   یا Monopole

Quadrifila helix   یا Volutes

 Spiral helix

Micro strip

Choke ring

 

لازم به ذکر است که برخی از آنتنهای ذکر شده مانند Micro strip به یک Ground Plane  نیاز دارند که معمولاً این نیاز با قطعات فلزی که المانهای آنتن Micro strip روی آن قرار می گیرد مرتفع می شود .

 

خصوصیات آنتنها :

 

Dipoles   یا Monopole  :

 

_ به یک  Ground Plane  نیاز دارد

_ تک فرکانسه هستند

_ عمده مزیت آنها این است که اندازه آنها کوچک بوده و به آسانی قابل ساخت هستند

_ اندازه Ground Plane می تواند به گونه ای طراحی شود که خطای چند مسیری را کاهش دهد .

 

Quadrifila helix   یا Volutes

 

_ به Ground Plane  نیاز ندارند

_ تک  فرکانسه هستند

_ از نقطه نظر ساخت پیچیده تر از گیرنده های  Dipole می باشند

_ Gain Pattern  خوبی دارند

 

Spiral helix

 

_ دو فرکانسه هستند

_ Ground Plane خوبی دارد

_ مرکز فاز این آنتنها از استحکام خوبی برخوردار نیست

 

Micro strip

 

_ ممکن است تک فرکانسه یا دو فرکانسه باشند

_ از نقطه نظر ساخت ساده هستند

_ با داشتن مقطع کوچک برای کاربردهای ناوبری ایده آل هستند

_ عیب عمده این آنتنها این است که Gain یایینی دارند

 

 

Choke ring

 

_ عموماً دو فرکانسه هستند

_ به یک Ground Plane نیاز دارند

_ شامل چندین حلقه متحدالمرکز به محور قائم آنتن هستند

_ Ground Plane به گونه ای طراحی شده اند که اثر چند مسیری را کاهش می دهند .

 

 

بخش Radio Frequency  :

 

بخش RF بخش اصلی آنتن و در واقع قلب گیرنده می باشد . وظیفه اصلی این بخش ، تبدیل فرکانسهای سیگنال در یافتی در آنتن به فرکانس پایین تر که فرکانس متوسط IF یا فرکانس بیت می باشد .

یک قسمت مهم در این بخش ، تعداد کانالها و به عبارت دیگر تعداد ماهواره هایی است که می توانند به طور همزمان ردیابی شوند . در گیرنده های قدیمی ، تعداد کانالها محدود بود و ردیابی ماهواره ها به صورت متوالی روی همان کانال صورت می گرفت ( حدود هر 20 ثانیه یک ماهواره تعقیب می شد و در انتهای این زمان ماهواره بعدی تعقیب می شد ). امروزه بیشتر گیرنده ها ، ماهواره ها را در کانالهای جداگانه ردیابی می کنند و ردیابی ماهواره ها به صورت پیوسته صورت می گیرد . گیرنده های چند کاناله ، دقت بیشتری دارند و نسبت به گم کردن سیگنال و قطع Lock  غیر حساس تر هستند ، اما دارای بایاسهای بین کانالی می باشد که این بایاسها در گیرنده های مدرن می تواند به طور کامل کالیبره شده و در سطح کمتر از 1/0 میلیمتر نگه داشته شوند .

 

المنهای اصلی بخش RF  عبارتند از :

 

_ اسیلاتورها ، برای تولید فرکانس مرجع

_ فیلتر ها ، برای حذف فرکانسهای ناخواسته

_ Mixer  ها ، جهت ضرب فرکانسها در هم

با کلیک بر روی هریک از آی سی ها می توانید

 

مدارات قابل ساخت آنها راببینید 

 

 

	AN7112	AN7116	AN7117	AN7147	AN7149N
AN7161N	AN7168	AN7171NK	AN7173NK	AN7177	AN7178
CXA1019M	CXA1019S	CXA1034P-M	CXA1191M	CXA1191S	HA13001
HA1377	HA1384	HA1388	KA2211	KA2213	KA22135
KA2214	LA1185	LA1186N	LA1260	LA1265	LA3160
LA3161	LA3210	LA3220	LA3225-6T	LA3361	LA3600
LA4101	LA4145	LA4162	LA4182	LA4183	LA4185
LA4190	LA4192	LA4261	LA4265	LA4282	LA4422
LA4440	LA4445	LA4446	LA4460N	LA4461N	LA4465
LA4475	LA4476	LA4480	LA4497	LA4498	LA4500
LA4505	LA4507	LA4508	LA4510	LA4520	LA4550
LA4555	LA4557	LA4558	LA4570	LA4575	LA4597
LA4700	LA5527	LA6510	LA6520	LB1403-13-23-33-43N	LB1640N
LB1641	LM1868	LM386	MB3722	MB3730	MB3731
MC13175-76	MC13176	MC145027	MC145028	MC1488	MC3357
MC3359	MC3361B	MC3362	MC34018	MC34118	MDA2020
mPC1288V	STK0025	STK0029	STK0030	STK0039	STK0040-2
STK0040	STK0049	STK0050-2	STK0050	STK0059	STK0060-2
STK0060	STK0070-2	STK0070	STK0080-2	STK0080	STK0100-2
STK0100	STK0105	STK055	STK057	STK058	STK060
STK075	STK075G	STK077	STK077G	STK078-105	STK078
STK078G	STK080	STK080G	STK082-105	STK082	STK082G
STK083	STK084	STK084G	STK085-105	STK086	STK086G
STK1030	STK1035	STK1039	STK1040	STK1045	STK1050
STK1059	STK1060	STK1070	STK3042	STK4101-2	STK4102-2
STK4111-2	STK4112-2	STK4121-2	STK4122-2	STK4131-2	STK4132-2
STK4141-2	STK4142-2	STK4151-2	STK4152-2	STK4161-2	STK4162-2
STK4171-2	STK4172-2	STK4181-2	STK4182-2	STK4191-2	STK4192-2
STK4301	STK4311	STK433	STK4332	STK435	STK4352
STK436	STK4362	STK437	STK4372	STK439	STK4392
STK441	STK443	STK457	STK459	STK460	STK461
STK463	STK465	TA7205AP	TA7222AP	TA7227P	TA7230P
TA7232P	TA7233P	TA7240AP	TA7241AP	TA7250P	TA7252P
TA7269P	TA7270P	TA7271P	TA7273P	TA7282AP	TA7283AP
TA7368P	TA7688P	TA7769P	TA8200AH	TA8211AH	TBA810S
TBA820M	TDA1010A	TDA1011	TDA1013B	TDA1015	TDA1015T
TDA1020	TDA1083	TDA1170D	TDA1170N	TDA1170S	TDA1180P
TDA1489	TDA1510A	TDA1514A	TDA1515B	TDA1516Q	TDA1518Q
TDA1519	TDA1519A	TDA1521	TDA1551Q	TDA1552Q	TDA1553Q
TDA1554Q	TDA1555Q	TDA1701	TDA1904	TDA1905	TDA2003
TDA2004	TDA2005	TDA2006	TDA2007	TDA2008	TDA2009
TDA2020	TDA2030	TDA2030A	TDA2040	TDA2270	TDA2320
TDA2611A	TDA2613	TDA2822	TDA2822D	TDA2822M	TDA3562A
TDA4433	TDA4601	TDA7050	TDA7050T	TDA7052	TDA7052A
TDA7056	TDA7056A	TDA7057Q	TDA7230A	TDA7231	TDA7233D
TDA7233S	TDA7240A	TDA7241	TDA7245	TDA7285	TDA7350
TDA8140	TDA8170-72	TDA8185	TDA8190	TDA8192	TDA8196
uPC1185H2	uPC1188H	uPC1212C	uPC1213C	uPC1230H2	uPC1241H
uPC1277H	uPC1278H	uPC1280V	uPC1310V	uPC1316C	uPC1318AV
uPC1321V	uPC1335V

اندازگيری فرکانس

دید کلی

معمولا اندازه گیری فرکانسهای صوتی (20Hz تا 20kHz) ساده‌تر از فرکانسهای دیگر انجام می‌شود و برای اندازه گیری این فرکانسها ابزارها و روشهای بسیاری موجود است. البته توجه داشته باشید که به صرف سادگی اندازه گیری فرکانسهای صوتی نباید از دقت لازم کاست، بلکه همانند دیگر اندازه گیریها این اندازه گیری نیز باید صحیح و دقیق باشد.

روشهای اندازه گیری

روش Beat _ Note (صدای تداخلی)

ساده‌ترین روش اندازه گیری فرکانس مجهول صوتی ( ) تنظیم دستگاه سیگنال ژنراتور صوتی روی تداخل صفر است. پس از این عمل می‌توان از روی صفحه مدرج سیگنال ژنراتور مقدار فرکانس را خواند. در این روش هم می‌توان از گوشی استفاده نمود و یا به جای آن میتری در مدار قرار داد. دو سیگنال بطور همزمان به شاخص اختلاف فرکانس وارد می‌شود. چنانچه اختلاف فرکانس دو سیگنال صفر باشد، در گوشی صدایی با قدرت بیشتر و یا در میتر با انحراف عقربه بیشتر روبه‌رو خواهیم شد.

در این حالت آزمایشگر باید دقت کند که سیگنال ژنراتور را روی هماهنگها یا هارمونیکهای تنظیم نکند. با چند آزمایش می‌توان به اختلاف این دو حالت پی برد. سیگنال منتجه حاصل از فرکانس اصلی دارای شدت بیشتری است. چنانچه آزمایشگر در اندازه گیری خود دقت لازم بکار برد، دقت اندازه گیری معادل با دقت دستگاه سیگنال ژنراتور صوتی که معمولا تا است، خواهد شد.

روش ولت متر

این روش اندازه گیری صامت است و در نتیجه از خطاهای حاصل از عیوب ممکن در گوش پرهیز می‌شود. در این روش با اندازه گیری مقدار موثر موج حاصل از تداخل دو سیگنال توسط ولت متر مقدار فرکانس مجهول بدست می‌آید. سیگنال مجهول ( ) و سیگنال ژنراتور ( ) از طریق مقاومتهای جداسازی و که می‌توانند دارای مقادیری بین 820 تا 1800 اهم باشند، به ولت متر وارد می شود.

برای اندازه گیری فرکانس با این روش ابتدا باید سیگنال مجهول را کنار گذارده و خروجی ژنراتور را برای انحراف عقربه ولت متر تا وسط صفحه مدرج تنظیم کنید. سپس با اعمال سیگنال مجهول مشاهده خواهید کرد که عقربه به نوسان افتاده و به بالا و پایین وسط صفحه حرکت می‌کند. با تنظیم فرکانس ژنراتور چنانچه روی فرکانسی برابر فرکانس مجهول قرار گیرد، عقربه از نوسان افتاده و به حالت سکون می‌رسد. بنابراین در این روش می‌توان با دقت بیشتری فرکانس مجهول را بدست آورد. یکی از مزایای این روش این است که عقربه تنها در فرکانس اصلی سکون خواهد یافت و در هماهنگها نیز نوسان خواهد کرد.

اندازه گیری فرکانس نوع القایی

این دستگاه را اندازه گیری فرکانس نوع آهن متحرک نیز می‌نامند. در این دستگاه فرکانس مستقیما توسط آهن متحرک خوانده می‌شود. در این دستگاه دو سیم پیچ ثابت و بطور عمود بر یکدیگر سوار می‌شوند. عنصر متحرک یک تیغه آهنی نرم و باریک و بلند است که به آن عقربه‌ای متصل کرده‌اند. انحراف این تیغه آهنی متناسب با میدان مغناطیسی حاصل از دو سیم پیچ و است. شبکه سلفی _ مقاومتی متصل به سیم پیچها اختلاف فاز بین جریانهای جاری در سیم پیچها را کاهش داده و بدان وسیله مانع از چرخش تیغه آهنی می‌شود. در این صورت چون تیغه نمی‌تواند چرخش میدان مغناطیسی را دنبال کند، انحرافی متناسب با فرکانس جریان پیدا می‌کند.
این نوع فرکانس را معمولا برای اندازه گیری فرکانس برق شهری (25 ، 40 ، 50 ، 60 و 125 هرتز) بکار می‌برند. البته وسایلی با این چنین ساختمانی برای اندازه گیری فرکانسهای بالاتر تا حدود 500 هرتز نیز ساخته شده است. اغلب دستگاه را برای یک فرکانس معمول طراحی کرده و آن را در وسط صفحه مدرج قرار می‌دهند. انحراف عقربه در دو طرف فرکانس کار دستگاه از 30 درصد تا 85 درصد متغیر است. دقت این نوع وسایل بستگی به نوع ساخت و مدل آن دارد و می‌تواند به 0،5درصد برسد. دستگاه اندازه گیر فرکانس نوع القایی را می‌توان برای یک ولتاژ / یک فرکانس ، دو ولتاژ/ یک فرکانس یا دو ولتاژ / دو فرکانس بکار برد.

اندازه گیری فرکانس نوع تیغه‌ای

این وسیله به نام تیغه مرتعش معروف است. در این وسیله M یک ماده مغناطیس دائمی می‌باشد. روی گردن این مغناطیس یک سیم پیچ (L) با تعداد دور بسیار از سیم نازک پیچیده شده است. این سیم پیچ به منبع جریان فرکانس صوتی مجهول متصل می‌شود. یک طرف تیغه R (یک نوار نازک فلزی مانند آهن یا فولاد) به یکی از قطبین آهنربا وصل شده است. طرف دیگر این تیغه با فاصله کمی روی قطب دیگر آهنربا قرار می‌گیرد. تیغه فنری دارای پریود ارتعاشی است که با توجه به طول و ضخامت آن تعیین می‌شود.

چنانچه جریان متناوبی به سیم پیچ جاری شود، نیروی میدان مغناطیسی منتج با فرکانس موج ac تغییر می‌کند و تیغه را وادار به ارتعاش می‌نماید. وقتی فرکانس موج ، معادل با فرکانس طبیعی باشد، ارتعاش خیلی شدید است، بطوری که انتهای آزاد تیغه دیده نمی‌شود. چنانچه فرکانس موج بالاتر یا پائین‌تر از فرکانس طبیعی تیغه باشد، ارتعاش کندتر صورت گرفته و به شکل خاکستری رنگ دیده می‌شود.

در دستگاههای عملی چندین تیغه را با طولهای مختلف کنار هم سوار می‌کنند. قطب بالایی آهنربا چنان بریده شده که تیغه‌ها دارای طولهای متفاوتی باشند. این عمل بدین منظور انجام می‌گیرد که انتهای آزاد تیغه‌ها در یک خط قرار گرفته و از خارج به سهولت قابل روئیت باشند. برای روئیت بهتر تیغه‌ها خمیدگی سر آزاد آنها را به رنگ سفید در می‌آورند. اگر اختلاف طول تیغه‌ها کم باشد، در یک فرکانس مشخص چندین تیغه به ارتعاش در می‌آید (معمولا 3 تیغه)، اما آن تیغه که ارتعاش طبیعی وی به فرکانس مجهول نزدیکتر است، فعالتر بوده و از دید محو می‌شود، در حالی که تیغه‌های دیگر به رنگی تیره هنوز دیده می‌شوند.

اندازه گیری الکترونیکی فرکانس از نوع آنالوگ

این دستگاه دارای امپدانس زیادی بوده و قابلیت اندازه گیری 0 تا 10kHz و 0 تا 100kHz را دارد. از آمپرمتر فرکانس جریان dc از 0 تا 50 میکروآمپر عبور می‌کند. مقدار فرکانس مستقل از دامنه سیگنال 1،7 ولت به بالا بوده و همچنین مستقل از شکل موج می‌باشد و پاسخ مدار خطی است و بنابراین کافی است در هر باندی یک نقطه تنظیم شود. این آرایش شامل دو تقویت کننده بیش تغذیه شده (Overdriven) است. خروجی طبقه آخر ( ) یک موج مربعی است که در یک مدار RC بکار برده می‌شود. دیودهای و عمل یکسوسازی را انجام می‌دهند.

تا وقتی دامنه موج مربعی ثابت است، انحراف عقربه (M) تنها به تعداد پالسهای موجود در هر ثانیه بستگی پیدا می‌کند و بنابراین بطور مستقیم با فرکانس سیگنال متناسب است. دستگاه را باید ابتدا روی یک نقطه از هر باند تنظیم نمود. این تنظیم تنها برای یک بار انجام می‌شود. بهترین نقطه برای تنظیم عبارت از فرکانس حد بالای باند جهت انحراف کامل عقربه است. پتانسیومترهای تا برای این منظور در مدار جای گرفته‌اند.

اندازه گیری الکترونیکی نوع دیجیتال

همانند اندازه گیر نوع آنالوگ اندازه گیر نوع دیجیتال نیز الکترونیکی است و امپدانس بالایی تولید می‌کند. در این نوع اندازه گیرها میتر M حذف شده و فرکانس به صورت یک سری اعداد که توسط مدارهای خاص تولید می‌شود، نشان داده خواهد شد. بنابراین اندازه گیر دیجیتال ، یک دستگاه تمام الکترونیکی است. دستگاه نوع دیجیتالی اصولا شامل یک شمارنده الکترونیکی است که تعداد پالسهای موجود در هر ثانیه را شمرده و سپس یک نمایش دهنده 5 یا 8 عددی را جهت نمایش فرکانس بکار می‌اندازد. گیت مبنای زمانی یک ثانیه‌ای توسط یک سیگنال مبنای زمانی دقیق (سیگنال ساعت) کنترل می‌شود. این سیگنال در داخل دستگاه تولید شده و معمولا از یک نوسان ساز کریستالی بدست

 مقدار جریان و ولتاژ متناوب

برای اندازه گیری مقدار جریان ، ولتاژ ، توان ، فرکانس و اختلاف فاز ، دستگاههای اندازه گیری مناسب مورد نیاز است.

اندازه گیری جریان و ولتاژ متناوب

آمپر متر و ولت متر دو دستگاه اندازه گیری هستند که بوسیله آنها مقدار جریان مصرفی و ولتاژ مصرف کننده‌ها را می‌توان اندازه گرفت. این دستگاهها براساس اهداف مورد نیاز به صورت‌های مختلف ساخته می‌شوند.

دستگاههای اندازه گیری تابلویی

این دستگاه معمولا یک رنج دارند و از دقت کمی برخوردار هستند کاربرد آنها در روی تابلوها به منظور نشان دادن کمیت مورد نظر می‌باشد.

دستگاههای اندازه گیری پرقابل (قابل حمل)

دستگاههای پر قابل کاربردی وسیع در صنعت برق دارند این دستگاه به دو صورت آنالوگ و دیجیتال در کارخانجات ساخته می‌شوند. از آنجا که این دستگاهها کمیت‌های مختلف (جریان ، ولتاژ ، مقاومت و...) را اندازه گیری می‌کنند در اصطلاح با عناوین آوومتر (A.V.Ω) و یا مالتی‌متر در بازار به فروش می‌رسند. کمیت‌های الکتریکی مورد سنجش در این دستگاه در محدوده بسیار وسیع و با دقت قابل قبولی اندازه گیری می‌شوند مالتی مترهای دیجیتالی دارای تنوع ، انعطاف و قیمت ارزانتری نسبت به مالتی مترهای آنالوگ هستند.

دستگاههای اندازه گیری آزمایشگاهی

به منظور انجام برخی از تحقیقات علمی در آزمایشگاه و کنترل دقیق فرآیند تولید صنایع پیشرفته نظامی ، اتمی و فضایی به دستگاههای اندازه گیری الکتریکی‌ای نیاز است که از دقت و کیفیت مرغوب گری نسبت به دستگاههای اندازه گیری معمولی برخوردار باشند. این دستگاهها برای کالیبره کردن دستگاههای اندازه گیری در موسسات استاندارد نیز بکار می‌روند. این وسایل اندازه گیری دارای ساختمانی پیچیده هستند و نسبت به دستگاههای معمولی قیمت بالاتری دارند.

اندازه گیری اختلالات اختلاف سطح الکتریکی (ولتاژ)

مقدار ولتاژ دو سر یک مولد یا مصرف کننده همواره بوسیله ولت متر اندازه گیری می‌شود. چون اختلاف پتانسیل بین دو نقطه را اندازه گیری می‌کند، بنابراین باید با دو سر مصرف کننده یا مولد به صورت موازی قرار گیرند، ولت متر به دو روش مستقیم و غیر مستقیم اختلاف سطح الکتریکی را اندازه می‌گیرد در روش مستقیم ولت متر به دو سر مصرف کننده متصل می‌شود و مقدار ولتاژ را اندازه گیری می‌کند.

در روش غیر مستقیم ولت متر بوسیله یک مبدل ولتاژ به دو سر مصرف کننده یا مولد متصل می‌شود این روش در مواردی بکار می‌رود که ولتاژ کار مصرف کننده‌ها یا شبکه بیش از حد مجاز دستگاه اندازه گیری باشد و یا این که از نظر حفاظتی نتوان ولتاژ مورد اندازه گیری را مورد سنجش قرار داد. کلید ولت متر برای اندازه گیری مقدار ولتاژهای خطی و فازی در شبکه‌های سه فاز ، از طریق تنها یک ولت متر از یک کلید ولت متر استفاده می‌کنند.

ترانسفورموتور

دید کلی:

ترانسفورماتورها را با توجه به کاربرد و خصوصیات آنها به سه دسته کوچک متوسط و بزرگ دسته بندی کرد. ساختن ترانسفورماتورهای بزرگ و متوسط به دلیل مسایل حفاظتی و عایق بندی و امکانات موجود ، کار ساده ای نیست ولی ترانسفورماتورهای کوچک را می توان بررسی و یا ساخت. برای ساختن ترانسفورماتورهای کوچک ، اجزای آن مانند ورقه آهن ، سیم و قرقره را به سادگی می توان تهیه نمود.

اجزای تشکیل دهنده یک ترانسفورماتور به شرح زیر است؛

هسته ترانسفورماتور:

هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقه های نازک است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه می شود. برای کم کردن تلفات آهنی هسته ترانسفورماتور را نمی توان به طور یکپارچه ساخت. بلکه معمولا آنها را از ورقه های نازک فلزی که نسبت به یکدیگر عایق‌اند، می سازند. این ورقه ها از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیم (حداکثر 4.5 درصد) که دارای قابلیت هدایت الکتریکی و قابلیت هدایت مغناطیسی زیاد است ساخته می شوند.

در اثر زیاد شدن مقدار سیلیسیم ، ورقه‌های دینام شکننده می شود. برای عایق کردن ورقهای ترانسفورماتور ، قبلا از یک کاغذ نازک مخصوص که در یک سمت این ورقه چسبانده می شود، استفاده می کردند اما امروزه بدین منظور در هنگام ساختن و نورد این ورقه ها یک لایه نازک اکسید فسفات یا سیلیکات به ضخامت 2 تا 20 میکرون به عنوان عایق در روی آنها می مالند و با آنها روی ورقه ها را می پوشانند. علاوه بر این ، از لاک مخصوص نیز برای عایق کردن یک طرف ورقه ها استفاده می شود. ورقه های ترانسفورماتور دارای یک لایه عایق هستند.

بنابراین ، در مواقع محاسبه سطح مقطع هسته باید سطح آهن خالص را منظور کرد. ورقه‌های ترانسفورماتورها را به ضخامت های 0.35 و 0.5 میلی متر و در اندازه های استاندارد می سازند. باید دقت کرد که سطح عایق شده ى ورقه های ترانسفورماتور همگی در یک جهت باشند (مثلا همه به طرف بالا) علاوه بر این تا حد امکان نباید در داخل قرقره فضای خالی باقی بماند. لازم به ذکر است ورقه ها با فشار داخل قرقره جای بگیرند تا از ارتعاش و صدا کردن آنها نیز جلوگیری شود.

سیم پیچ ترانسفورماتور :

معمولا برای سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور از هادی های مسی با عایق (روپوش) لاکی استفاده می‌کنند. اینها با سطح مقطع گرد و اندازه‌های استاندارد وجود دارند و با قطر مشخص می‌شوند. در ترانسفورماتورهای پرقدرت از هادیهای مسی که به صورت تسمه هستند استفاده می‌شوند و ابعاد این گونه هادی‌ها نیز استاندارد است.

توضیح سیم پیچی ترانسفورماتور به این ترتیب است که سر سیم پیچ‌ها را به وسیله روکش عایقها از سوراخهای قرقره خارج کرد، تا بدین ترتیب سیم ها قطع (خصوصا در سیمهای نازک و لایه‌های اول) یا زخمی نشوند. علاوه بر این بهتر است رنگ روکش‌ها نیز متفاوت باشد تا در ترانسفورماتورهای دارای چندین سیم پیچ ، را به راحتی بتوان سر هر سیم پیچ را مشخص کرد. بعد از اتمام سیم پیچی یا تعمیر سیم پیچهای ترانسفورماتور باید آنها را با ولتاژهای نامی خودشان برای کنترل و کسب اطمینان از سالم بودن عایق بدنه و سیم پیچ اولیه ، بدنه و سیم پیچ ثانویه و سیم پیچ اولیه آزمایش کرد.

قرقره ترانسفورماتور:

برای حفاظ و نگهداری از سیم پیچ‌های ترانسفورماتور خصوصا در ترانسفورماتورهای کوچک باید از قرقره استفاده نمود. جنس قرقره باید از مواد عایق باشد قرقره معمولا از کاغذ عایق سخت ، فیبرهای استخوانی یا مواد ترموپلاستیک می سازند. قرقره هایی که از جنس ترموپلاستیک هستند معمولا یک تکه ساخته می شوند ولی برای ساختن قرقره های دیگر آنها را در چند قطعه ساخت و سپس بر روی همدگر سوار کرد. بر روی دیواره های قرقره باید سوراخ یا شکافی ایجاد کرد تا سر سیم پیچ از آنها خارج شوند.

اندازه قرقره باید با اندازه ى ورقه‌های ترانسفورماتور متناسب باشد و سیم پیچ نیز طوری بر روی آن پیچیده شود. که از لبه های قرقره مقداری پایین تر قرار گیرد تا هنگام جا زدن ورقه‌های ترانسفورماتور ، لایه ى رویی سیم پیچ صدمه نبیند. اندازه قرقره های ترانسفورماتورها نیز استاندارد شده است اما در تمام موارد ، با توجه به نیاز ، قرقره مناسب را می توان طراحی کرد

خازن

خازن ها انرژي الكتريكي را نگهداري مي كنند و به همراه مقاومت ها ، در مدارات تايمينگ استفاده مي شوند . همچنين از خازن ها براي صاف كردن سطح تغييرات ولتاژ مستقيم استفاده مي شود . از خازن ها در مدارات بعنوان فيلتر هم استفاده مي شود . زيرا خازن ها به راحتي سيگنالهاي غير مستقيم AC را عبور مي دهند ولي مانع عبور سيگنالهاي مستقيم DC  مي شوند .

ظرفيت :

ظرفيت معياري براي اندازه گيري توانائي نگهداري انرژي الكتريكي است . ظرفيت زياد بدين معني است كه خازن قادر به نگهداري انرژي الكتريكي بيشتري است . واحد اندازه گيري ظرفيت فاراد است . 1 فاراد واحد بزرگي است و مشخص كننده ظرفيت بالا مي باشد . بنابراين استفاده  از واحدهاي كوچكتر نيز در خازنها مرسوم است . ميكروفاراد µF  ، نانوفاراد nF  و پيكوفاراد pF  واحدهاي كوچكتر فاراد هستند .

µ means 10^-6 (millionth), so 1000000µF = 1F

n means 10^-9 (thousand-millionth), so 1000nF = 1µF

p means 10^-12 (million-millionth), so 1000pF = 1nF

انواع مختلفي از خازن ها وجود دارند كه ميتوان از دو نوع اصلي آنها ، با پلاريته ( قطب دار ) و بدون پلاريته ( بدون قطب ) نام برد .

خازنهاي قطب دار :

الف - خازن هاي الكتروليت

در خازنهاي الكتروليت قطب مثبت و منفي بر روي بدنه آنها مشخص شده و بر اساس قطب ها در مدارات مورد استفاده قرار مي گيرند . دو نوع طراحي براي شكل اين خازن ها وجود دارد . يكي شكل اَكسيل كه در اين نوع پايه هاي يكي در طرف راست و ديگري در طرف چپ قرار دارد و ديگري راديال كه در اين نوع هر دو پايه خازن در يك طرف آن قرار دارد . در شكل نمونه اي از خازن اكسيل و راديال نشان داده شده است .

 

در خازن هاي الكتروليت ظرفيت آنها بصورت يك عدد بر روي بدنه شان نوشته شده است . همچنين ولتاژ تحمل خازن ها نيز بر روي بدنه آنها نوشته شده و هنگام انتخاب يك خازن بايد اين ولتاژ مد نظر قرار گيرد . اين خازن ها آسيبي نمي بينند مگر اينكه با هويه داغ شوند .

 

ب - خازن هاي تانتاليوم

خازن هاي تانتاليم هم از نوع قطب دار هستند و مانند خازنهاي الكتروليت معمولاً ولتاژ كمي دارند . اين خازن ها معمولاً در سايز هاي كوچك و البته گران تهيه مي شوند و بنابراين يك ظرفيت بالا را  در سايزي كوچك را ارائه مي دهند .

در خازنهاي تانتاليوم جديد ، ولتاژ و ظرفيت بر روي بدنه آنها نوشته شده ولي در انواع قديمي از يك نوار رنگي استفاده مي شود كه مثلا دو خط دارد ( براي دو رقم ) و يك نقطه رنگي براي تعداد صفرها وجود دارد كه ظرفيت بر حست ميكروفاراد را مشخص مي كنند . براي دو رقم اول كدهاي استاندارد رنگي استفاده مي شود ولي براي تعداد صفرها و محل رنگي ، رنگ خاكستري به معني × 0.01  و رنگ سفيد به معني × 0.1  است . نوار رنگي سوم نزديك به انتها ، ولتاژ را مشخص مي كند بطوري كه  اگر اين خط زرد باشد 3/6 ولت ، مشكي 10 ولت ، سبز 16 ولت ، آبي 20 ولت ، خاكستري 25 ولت و سفيد 30 ولت را نشان مي دهد .

براي مثال رنگهاي آبي - خاكستري و نقطه سياه به معني 68 ميكروفاراد است .

آبي - خاكستري و نقطه سفيد  به معني 8/6 ميكروفاراد است .

 

 

خازنهاي بدون قطب :

خازن هاي بدون قطب معمولا خازنهاي با ظرفيت كم هستند و ميتوان آنها را از هر طرف در مدارات مورد استفاده قرار داد . اين خازنها در برابر گرما تحمل بيشتري دارند و در ولتاژهاي بالاتر مثلا 50 ولت ، 250 ولت و ... عرضه پيدا كردن ظرفيت اين خازنها كمي مشكل است چون انواع زيادي از اين نوع خازنها وجود دارد و سيستم هاي كد گذاري مختلفي براي آنها وجود دارد . در بسياري از خازن ها با ظرفيت كم ، ظرفيت بر روي خازن نوشته شده ولي هيچ واحد يا مضربي براي آن چاپ نشده و براي دانستن واحد بايد به دانش خودتان رجوع كنيد . براي مثال بر 1/0  به معني 0.1µF يا 100 نانوفاراد است . گاهي اوقات بر روي اين خازنها چنين نوشته مي شود  ( 4n7  ) به معني 7/4 نانوفاراد . در خازن هاي كوچك چنانچه نوشتن بر روي آنها مشكل باشد از شماره هاي كد دار بر روي خازن ها استفاده مي شود . در اين موارد عدد اول و دوم را نوشته و سپس به تعداد عدد سوم در مقابل آن صفر قرار دهيد تا ظرفيت بر حسب پيكوفاراد بدست ايد . بطور مثال اگر بر روي خازني عدد  102 چاپ شده باشد ، ظرفيت برابر خواهد بود با 1000 پيكوفاراد يا 1 نانوفاراد .

 

كد رنگي خازن ها :

خازن ها با هر ظرفيتي وجود ندارند . بطور مثال خازن هاي 22 ميكروفاراد يا 47 ميكروفاراد وجود دارند ولي خازن هاي 25 ميكروفاراد يا 117 ميكروفاراد وجود ندارند .

دليل اينكار چنين است :

فرض كنيم بخواهيم خازن ها را با اختلاف ظرفيت ده تا ده تا بسازيم . مثلاً 10 و 20 و 30 و . . . به همين ترتيب . در ابتدا خوب بنظر مي رسد ولي وقتي كه به ظرفيت مثلاً 1000 برسيم چه رخ مي دهد ؟

مثلاً 1000 و 1010 و 1020 و . . . كه در اينصورت اختلاف بين خازن 1000 ميكروفاراد با 1010 ميكروفاراد بسيار كم است و فرقي با هم ندارند پس اين مسئله معقول بنظر نمي رسد .

براي ساختن يك رنج محسوس از ارزش خازن ها ، ميتوان براي اندازه ظرفيت از مضارب استاندارد 10 استفاده نمود . مثلاً 7/4 - 47 - 470 و . . .  و يا  2/2 - 220 - 2200 و . . .

 

 

خازن هاي متغير :

 

خازن های تریمر

خازن های تریمر خازن های متغییر کوچک و با ظرفیت بسیار پایین هستند . ظرفیت این خازن ها از حدود 1 تا 100 پیکوفاراد ماست و بیشتر در تیونرهای مدارات با فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرند .

خازنهای ثابت:

خازن های ثابت را بر اساس نوع ماده ی دی الکتریک به کار رفته در آنها تقسیم بندی و نام گذاری می کنند و از آنها در مصارف مختلف استفاده می شود . از جمله این خازنها می توان انواع سرامیکی ، میکا ، ورقه ای ( کاغذی و پلاستیکی ) ،الکترولیتی ، روغنی ، گازی و نوع خاص فیلم ( Film ) را نام برد .
اگر ماده ی دی الکتریک طی یک فعالیت شیمیایی تشکیل شده باشد آن را خازن الکترولیتی و در غیر این صورت آن را خازن خشک گویند . خازن های روغنی و گازی در صنعت برق بیش تر در مدارهای الکتریکی برای راه اندازی و یا اصلاح ضریب قدرت به کار می روند . بقیه ی خازن های ثابت دارای این خازن ها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی کنند .

 ویژگی های خاصی هستند که در جای خود بدانها اشاره گردیده است

جریان(dc)

تعریف

جریان مستقیم (DC یا جریان پیوسته)، عبور پیوسته جریان الکتریسیته از یک هادی نظیر یک سیم از پتانسیل بالا به پتانسیل کم است. در جریان مستقیم، بار الکتریکی همواره در یک جهت عبور می کند که این امر جریان مستقیم را از جریان متناوب (AC) متمایز می کند.

در واقع جریان مستقیم ابتدا برای انتقال توان الکتریکی پس از کشف تولید الکتریسیته در اواخر قرن 19 توسط توماس ادیسون بکار رفت. امروزه استفاده از جریان مستقیم برای این منظور غالباً کنار گذاشته شده است، چرا که جریان متناوب (که توسط نیکلا تسلا کشف و توسعه داده شده ) برای انتقال در طول خطوط بلند بسیار مناسب تر است (جنگ جریان ها را مشاهده کنید). هنوز هم انتقال توان DC برای اتصال شبکه های توان AC با فرکانس های مختلف به هم، بکار می رود.

DC عموماً در بسیاری از کاربرد های کم ولتاژ استفاده می شود، خصوصاً در جایی که انرژی از طریق باتری ها تامین می شود که تنها می توانند ولتاژ DC تولید کنند. اکثر سیستم های خودکار، از DC استفاده می کنند. اگرچه که ژنراتور یک وسیله AC است که از یک یکسو کننده برای تولید DC استفاده می کند. اغلب مدارات الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه DC دارند. با وجود اینکه DC مخفف جریان مستقیم است اما کلاً به ولتاژهای با پلاریته ثابت، DC گفته می شود. برخی از انواع DC دارای تغییرات ولتاژ زیادی هستند، مانند خروجی دست نخورده یک یکسوساز. با عبور این خروجی از یک فیلتر RC پایین گذر، ولتاژ پایدار تری حاصل می شود.

معمولاً به دلیل ولتاژهای بسیار پایین بکار رفته در سیستم های جریان مستقیم، نصب آنها نیازمند پریزها، کلیدها و لوازم ثابت متفاوتی از آنچه که برای جریان متناوب به کار می رود است. در یک وسیله جریان مستقیم این نکته بسیار مهم است که پلاریته آنرا معکوس وصل نکنیم، مگر اینکه وسیله داری یک پل دیودی برای اصلاح این امر باشد. (که اکثر دستگاه های عمل کننده با باتری این امکان را ندارند.)

امروزه (سال 2000م) گرایشاتی در جهت سیستم های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) ایجاد شده است. همچنین DC در سیستم های برق خورشیدی که توسط باتری های خورشیدی تغذیه می شوند، به کارمی رود.

جریان متناوب(ac

تعریف

یک جریان متناوب (AC ) جریان الکتریکی ای است که در آن اندازه جریان به صورت چرخه ای تغییر می کند، بر خلاف جریان مستقیم که در آن اندازه جریان مقدار ثابتی می ماند. شکل موج معمول یک مدار AC عموماً یک موج سینوسی کامل است چرا که این شکل موج منجر به انتقال انرژی به موثرترین صورت می شود. اما به هر حال در کاربردهای خاص، شکل موج های متفاوتی نظیر مثلثی یا مربعی نیز استفاده می شود.

تاریخچه

توان الکتریکی با جریان متناوب، نوعی از انرژی الکتریکی است که برای تغذیه تجاری الکتریسیته به عنوان توان الکتریکی، از جریان متناوب استفاده می کند. ویلیام استنلی جی آر کسی است که یکی از اولین سیم پیچ های عملی را برای تولید جریان متناوب طراحی کرد. طراحی وی یک صورت ابتدایی ترانسفورماتور مدرن بود که یک سیم پیچ القایی نامیده می شد. از سال 1881م تا 1889م سیستمی که امروزه استفاده می شود، توسط نیکلا تسلا، جرج وستینگهاوس، لوییسین گاولارد، جان گیبس و الیور شالنجر طراحی شد.

سیستمی که توماس ادیسون برای اولین بار برای توزیع تجاری الکتریسیته بکار برد، به دلیل استفاده از جریان مستقیم محدودیت های داشت که در این سیستم برطرف شد.
اولین انتقال جریان متناوب در طول فواصل بلند در سال 1891م نزدیک تلورید کلورادو اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان ادامه پیدا کرد. توماس ادیسون به علت اینکه حقوق انحصاری اختراعات متعددی را در فن آوری جریان مستقیم «DC» داشت، استفاده از جریان مستقیم را، به شدت حمایت می کرد اما در نهایت جریان متناوب به عرصه استفاده عمومی آمد (جنگ جریان ها را مشاهده کنید).
چارلز پروتیوس استینمتز از جنرال الکتریک بسیاری از مشکلات مرتبط با تولید الکتریسیته و انتقال آن را با استفاده از جریان متناوب حل کرد.

توزیع برق و تغذیه خانگی

بر خلاف جریان DC، جریان AC را می توان توسط یک ترانسفورماتور به سطوح مختلف ولتاژی انتقال داد. هر چه میزان ولتاژ افزایش یابد، انتقال توان هم موثرتر صورت خواهد گرفت. افزایش میزان قابلیت انتقال توان به علت قانون اهم است، تلفات انرژی الکتریکی وابسته به عبور جریان از یک هادی است. تلفات توان به علت جریان توسط رابطه P=I^2*R محاسبه می شود، بنابراین اگر جریان دو برابر شود، تلفات چهار برابر خواهد شد.

با استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را می توانیم به یک ولتاژ بالا افزایش دهیم تا بتوانیم توان را در طول فواصل بلند در سطح جریان پایین انتقال داده و در نتیجه تلفات کاهش یابد. سپس می توانیم ولتاژ را دوباره به سطحی که برای تغذیه خانگی بی خطر باشد، کاهش دهیم.

تولید الکتریکی سه فاز بسیار عمومی است و استفاده ای موثرتر از ژنراتورهای تجاری را برای ما ممکن می سازد. انرژی الکتریکی توسط چرخش یک سیم پیچ داخل یک میدان مغناطیسی در ژنراتورهای بزرگ و با هزینه بالا ایجاد می شود. اما به هر حال جای دادن سه سیم پیچ جدا روی یک محور (بجای یک سیم پیچ)، هم نسبتاً آسان و هم مقرون به صرفه است. این سیم پیچ ها روی محور ژنراتورها نصب شده اند اما از نظر فیزیکی جدا اند و دارای یک اختلاف زاویه 120 درجه ای نسبت به هم هستند. سه شکل موج جریان تولید می شود که دارای اختلاف فاز 120 درجه ای نسبت به هم، اما اندازه های یکسان هستند.

توزیع الکتریسیته سه فاز بطور وسیعی در ساختمان های صنعتی و توزیع الکتریسیته تک فاز در محیط های خانگی بکار می رود. نوعاً یک ترانسفورماتور سه فاز ممکن است مسیرهای مختلفی را با یک فاز متفاوت برای بخش های مختلف هر مسیر، تغذیه کند.
سیستم های سه فاز به گونه ای طراحی شده اند که در محل بار متعادل باشند، اگر باری به طور صحیح متعادل شده باشد، جریانی از نقطه خنثی عبور نخواهد کرد. این بدین مفهوم است که می توان جریان را تنها با سه کابل به جای شش کابل که در غیر این صورت مورد نیاز است، انتقال داد. گفتنی است که برق سه فاز در واقع نوعی از سیستم چند فازه است.

در بسیاری از موارد تنها یک تک فاز برای تغذیه ی روشنایی خیابان ها یا مصرف کننده های خانگی مورد نیاز است. وقتی که یک سیستم توان الکتریکی سه فاز داریم، یک کابل چهارمی که خنثی است را در توزیع خیابانی قرار می دهیم تا برای هر خانه یک مدار کامل را فراهم کنیم «یعنی هر خانه می تواند از یکی از کابل های فاز و کابل خنثی برای مصرف استفاده کند». خانه های مختلف در خیابان از فازهای مختلف استفاده می کنند یا وقتی که مصرف کننده های زیادی به سیستم متصلند، آنها را به صورت مساوی در طول سه فاز پخش می کنند تا بار روی سیستم متعادل شود. بنابراین کابل تغذیه هر خانه معمولاً تنها شامل یک هادی فاز و نول و احتمالاً با یک پوشش آهنی زمین شده، است.

برای اطمینان یک سیم سومی هم اغلب بین هر یک از وسایل الکتریکی در خانه و صفحه سوییچ الکتریکی اصلی یا جعبه فیوز وصل می شود. این سیم سوم در انگلستان و اکثر کشورهای انگلیسی زبان سیم earth و در آمریکا سیم ground خوانده می شود. در صفحه سوییچ اصلی سیم earth را به سیم نول و نیز به یک تیرک متصل به زمین یا هر نقطه earth در دسترس (برای آمریکایی ها نقطه ground ) نظیر لوله آب، متصل می کنند.

در صورت وقوع خطا، سیم زمین می تواند جریان کافی را برای راه اندازی یک فیوز و جدا کردن مدار دارای خطا، از خود عبور دهد. همچنین اتصال زمین به این مفهوم است که ساختمان مجاور دارای ولتاژی برابر ولتاژ نقطه خنثی است.

شایع ترین نوع خطای الکتریکی (شوک) در صورتی رخ می دهد که شی ای (معمولاً یک نفر) بطور تصادفی بین یک هادی فاز و زمین، مداری تشکیل دهد. در این صورت یک جریان خطا از فاز به زمین ایجاد می شود که به جریان پس ماند معروف است. یک مدار شکن جریان پس ماند طراحی شده است تا چنین مشکلی را شناسایی کند و مدار را قبل از اینکه شوک الکتریکی منجر به مرگ شود، قطع کند.

در کاربرد های صنعتی (سه فاز) بسیاری از قسمت های مجزای سیستم خنثی به زمین متصلند که این امر موجب می شود تا جریان های کوچک زمین، که همواره بین یک ژنراتور و یک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن این اطمینان را به ما می دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می گذرد به یک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.

فرکانس های AC در کشورها

اکثر کشورهای جهان سیستم های الکتریکی شان را روی یکی از دو فرکانس 60 و 50 هرتز استاندارد کرده اند. لیست کشورهای 60 هرتز که اغلبشان در دنیای جدید قرار دارند کوتاه تر است اما نمی توان گفت که 60 هرتز کمتر معمول است.

• کشورهای 60 هرتز عبارتند از: ساموای امریکا، آنتیگوا و باربودا، آروبا، باهاماس، بلیز، برمودا، کانادا، جزایر کیمان، کلمبیا، کاستاریکا، کوبا، جمهوری دمونیکن، السالوادور، پلینسیای فرانسه، گوام، گواتمالا، گیانا، هاییتی، هندوراس، کره جنوبی، لیبریا، جزایر مارشال، مکزیک، میکرونسیا، مونت سرات، نیکاراگویه، جزایر ماریانای شمالی، پالایو، پاناما، پرو، فیلیپین، پرتوریکو، ساین کیتس و نویس، سورینام، تایوان، ترینیداد توباگو، جزایر ترکس و کیاکوس، ایالات متحده، ونزولا، جزایر ویرجین، جزیره ویک.

 

• این کشورها دارای سیستم هایی با فرکانس مختلط 60 و 50 هرتز اند: بحرین، برزیل(اغلب فرکانس 60) ، ژاپن (فرکانس 60 هرتز در زمان حضور غربی ها).

اغلب کشورها بگونه ای استاندارد تلویزیون شان را انتخاب کرده اند که با فرکانس خطوط برق شان متناسب باشد. استاندارد NTSC برای کار با فرکانس خطوط برق 60 هرتز طراحی شده است در حالیکه PAL و SECAM برای فرکانس خطوط 50 هرتز طراحی شده است اما نسخه 60 هرتز PAL هم وجود دارد، برای مثال در برزیل PAL-M ارایه دهنده وضوح PAL و چشمک تصویر پایین NTSC است.

عموماً این مطلب پذیرفته شده است که نیکلا تسلا فرکانس 60 هرتز را به عنوان کمترین فرکانسی که منجر به عدم بروز پدیده چشمک زنی قابل مشاهده در روشنایی های خیابان ها می شد، انتخاب کرد. توان 25 هرتز بیش از آنی که در آبشار نیاگارا تولید شود، در اونتاریو و آمریکای شمالی استفاده می شده است.
هنوز هم ممکن است برخی از ژنراتورهای 25 هرتز در آبشار نیاگارا مورد استفاده واقع شوند. فرکانس پایین طراحی موتورهای الکتریکی کم سرعت را ساده می سازد و می توان آنرا به صورت بهتر و موثرتری تولید کرده و انتقال داد، اما منجر به چشمک زنی قابل ملاحظه ای در روشنایی ها می شود. کاربرد های ساحلی و دریایی ممکن است گاهاً فرکانس 400 هرتز را به علت مزیت های مختلف فنی مورد استفاده قرار دهند. برق 67/16 هرتزی هم هنوز در برخی از سیستم های راه آهن اروپا مانند سوئد به چشم می خورد.

ریاضیات ولتاژهای AC

جریان های متناوب عموما با ولتاژهای متناوب مرتبط اند. یک ولتاژ AC، V را می توان به صورت ریاضی مانند یک تابع از زمان توسط معادله زیر نمایش داد:

که در آن A، اندازه بر حسب ولت است (همچنین ولتاژ پیک خوانده می شود)
ω، فرکانس زاویه ای بر حسب رادیان بر ثانیه و t، زمان بر حسب ثانیه است.
به دلیل اینکه فرکانس زاویه ای برای ریاضی دانان بیش از مهندسین جذاب است، این معادله معمولاً به صورت زیر نوشته می شود:


که در آن f، فرکانس بر حسب هرتز است.
مقدار پیک به پیک یک ولتاژ AC به صورت اختلاف بین پیک مثبت و منفی این ولتاژ تعرف می شود. به دلیل اینکه حداکثر ولتاژ sin(x) ، 1+ و حداقل مقدار آن 1- است، یک ولتاژ AC بین +A و A – نوسان می کند. بنابراین ولتاژ پیک به پیک که به صورت VP-P نوشته می شود، برابر (+A)-(-A) = 2×Aخواهد بود.
اندازه یک ولتاژ AC معمولاً به صورت یک مقدار ریشه میانگین مجذور (rms) بیان می شود که Vrms نوشته می شود. برای یک ولتاژ سینوسی داریم:


Vrms در محاسبه توانای که توسط یک بار الکتریکی مصرف شده، مفید است. اگر یک ولتاژ مستقیم VDC یک توان P را به یک بار داده شده ارایه دهد، آنگاه یک ولتاژ متناوب با Vrms در صورتی همان توان را به بار مشابه ارایه می دهد که Vrms = VDC.
برای توضیح این مفهوم، خطوط برق 240 ولتی متناوب را در انگلیس تصور کنید. دلیل نام این خطوط این است که مقدار rms آن (حداقل بطور نامی) 240 ولت است. بدین مفهوم که این خطوط همان اثر گرمایی را دارند که ولتاژ DC 240 ولتی دارد. برای محاسبه ولتاژ پیک (اندازه)، می توانیم معادله بالا را به این معاله تغییر دهیم:

برای ولتاژ AC 240 ولتی، ولتاژ پیک یا A برابر 240 V × √2 = 339 V (تقریبا) است. ولتاژ پیک به پیک خطوط 240 ولتی حتی از این هم بیشتر است: 2 × 240 V × √2 = 679 V (تقریبا). اتحادیه اروپا (شامل انگلیس) اکنون یک تغذیه 230 ولتی و 50 هرتزی را بین کشورهای خود، هم آهنگ کرده است

اثر های ویژه جریان الکتریکی :

رسانایی که جریان از آن عبور می کند بسته به خواصش ممکن است به میزان کمتر یا بیشتری گرم شود. مثلا" رشته لامپ به شدت گرم می شود
( بالای 1500 درجه سانتیگراد ). در حالی که سایر سیم ها در همان مدار به مقدار ناچیزی گرم می شوند .

بعضی فلزات نظیر سرب می توانند به حالتی تغییر شکل دهند که در آن حالت عملا" با عبور جریان گرم نمی شوند. پس اثر گرمایی جریان الکتریکی به خواص رسانا بستگی دارد. از طرفی دیگر اثر مغناطیسی جریان الکتریکی در همه موارد مشاهده می شود و به خواص رسانا بستگی ندارد.

عقربه مغناطیسی که موازی رسانای حامل جریان قرار گرفته باشد همیشه بدون توجه به خواص رسانا منحرف می شود. کاربرد این پدیده در ساخت لامپ جیوه است که در پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. البته با قرار دادن لامپ جیوه در لوله شیشه ای ناظران را از اثر زیانبار تابش فرابنفش دور می کنند. بنابر این اثر مغناطیسی جریان الکتریکی را باید شاخصترین اثر جریان در نظر گرفت. در این موارد فارادی نوشته است که : "اثر دیگری وجود ندارد که شاخصتر از اثر مغناطیسی جریان الکتریکی باشد

پدیده های بارز جریان الکتریکی :

 

• اگر یک لامپ رشته ای را به یک باتری وصل نماییم، پدیده های زیر مشاهده می شوند :
  
  رشته لامپ بر افروخته می شود و شروع به تابش می کند. این به آن معناست که جریان ، رسانایی را که از آن می گذرد، گرم می کند. یعنی جریان الکتریکی اثر گرمایی یا حرارتی ایجاد می کند.
  
  باید توجه داشت که نه فقط رشته لامپ بلکه تمام رساناهای دیگر نیز گرم می شوند. ولی گرمای آنها کمتر محسوس است. از این قابلیت جهت تولید اتو ، سماور برقی ، انواع چراغ های هیتر و سایر وسایلی که در آنها از مکانیزم تبدیل انرژی الکتریکی به حرارتی استفاده شده باشد ، استفاده می شود.

 

• یک مدار ساده ای بسته و یک کلید کنترل به آن اضافه می کنیم و یک عقربه مغناطیسی را در داخل مدار بدون اتصال به مدار می گذاریم. پدیده زیر مشاهده می شود :
  
  تا وقتی که کلید بسته است عقربه مغناطیسی از محل اولیه اش منحرف می شود و وضعیت جدیدی به خود می گیرد . یعنی جریان الکتریکی اثر مغناطیسی ایجاد می کند . ایجاد جریان در سیم پیچ ها به توسط جریان متغیر و تولید جریان الکتریکی القایی از نتایج این اثر می باشد .
  
  از این قابلیت کابردهای وسیعی شده است از آن جمله : آهنربای الکتریکی ، ترانسفورماتورها ، بلندگوها و سایر وسایلی که در آنها میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی با هم حضور پیدا می کنند.

 

• تجزیه مولکول آب به وسیله جریان الکتریکی ( عمل الکترولیز آب ) که آنرا به اتمهای تشکیل دهنده اش هیدرون و اکسیژن تجزیه می کند، نشان می دهد که :
  
  جریان الکتریکی اثر شیمیایی ایجاد نمی کند، آزمایش نشان می دهد که اثر شیمیایی جریان در تمام رساناها دیده نمی شود. از طرفی در محلول های اسید سولفوریک ، نمک معمولی ، شوره و بسیاری از اجسام دیگر ، جریان الکتریکی باعث تجزیه جسم به اجزایش می شود . از این رو رساناهای الکتریکی به دو دسته تقسیم می شوند :
  • نوع اول رساناهایی هستند که در آنها جریان الکتریکی باعث اثر شیمیایی نمی شود (مانند فلزات و ذغال).
  • نوع دوم رساناهایی هستند که با جریان الکتریکی به اجزای تشکیل دهنده تجزیه می شوند. الکترولیت اصطلاح دیگر رساناهای نوع دوم است. و پدیده تجزیه جسم به وسیله جریان الکترولیز نامیده می شود.

حاملین بار و منشا جریان الکتریکی:

در اغلب موارد وقتی که حاملین بار از اجسام متفاوت می گذرد، جریان الکتریکی ایجاد می شود.که حاملین بار عبارتند از:

• یون ها:
  یعنی مولکول ها یا اتم هایی که به طور مثبت یا منفی باردار شده اند. در این حالت گفته می شود جسم رسانندگی یونی دارد. یا به عبارتی سازکار رسانش یونی است.

 

• الکترونهای آزاد:
  این الکترونها یا در شبکه بلورین فلزات حضوردارند. و یا در سیستم ها یونیزه که در کنار حاملین بار یونی حضور دارند. مانند الکترولیت ها ( پیل شیمیایی ) در این مورد رسانندگی الکترونی داریم «رسانش الکترونی).

 

• یونها و الکترونهای آزاد :
  در برخی موارد حاملین بار هم یون ها هستند و هم الکترونهای آزاد ، در چنین حالتی در مجموعه ، رسانندگی ترکیبی یونی و الکترونی وجود دارد. که حاملین به طور هم زمان در امر رسانندی نقش دارند.

 

• حفره ها :
  در نیم رساناها الکترونی که کنده می شود، جایش خالی می ماند که در نقش بار مثبت عمل می کند. و همانند رسانندگی یونی ، به عنوان حامل بار عمل می کند که به چنین رسانندگی ، رسانندگی حفره ای گویند «رسانش حفره ای).

در همه موارد رسانندگی اعم از یونی ، الکترونی و حفره ای ، جابه جایی ذرات باردار الکتریکی به طور مستقیم مشاهده نمی شود. ولی جریان الکتریکی پدیده های گوناگونی را باعث می شود، که با بار های ثابت روی نمی دهند. وجود جریان را همیشه می توان با این پدیده ها و اثر های همراه آشکار کرد.