مفاهیم پایه الکترونیک

در رباتیک، الکترونیک یکی از ستون‌های اصلی است. هر رباتی که می‌سازیم از ترکیبی از حسگرها، عملگرها و مدارهای کنترلی تشکیل شده و برای درک و ساخت آن‌ها لازم است مفاهیم ابتدایی الکترونیک را بشناسیم. در این بخش با مهم‌ترین مفاهیم موردنیاز برای ورود به دنیای رباتیک آشنا می‌شویم.

1. جریان الکتریکی

جریان الکتریکی یعنی حرکت منظم الکترون‌ها در یک مدار. واحد اندازه گیری جریان الکتریکی آمپر (A) است و با I نمایش داده می‌شود. جریان الکتریکی همیشه از قطب مثبت به منفی در مدار رسم می‌شود (جهت جریان قراردادی). برای حرکت جریان باید یک مسیر بسته وجود داشته باشد.

2. ولتاژ

ولتاژ در واقع اختلاف پتانسیل بین دو نقطه است؛ چیزی که الکترون‌ها را “هل” می‌دهد تا حرکت کنند. واحد اندازه گیری ولتاژ، ولت بوده و با علامت V نمایش داده می‌شود. به عنوان مثال باتری های قلمی 1.5 ولت، باتری های لیتیومی 3.7 ولت و ولتاژ برق شهر 220 ولت می‌باشد.

3. مقاومت

مقاومت مشخص می‌کند که یک قطعه چقدر در برابر جریان مقاومت می‌کند. واحد اندازه گیری مقاومت، اهم (Ω) است و با حرف R نمایش داده ‌می‌شود. هر جسم رسانا مقدار مشخصی مقاومت در برابر عبور جریان الکتریکی از خود نشان می‌دهد و این مقدار رابطه مستقیم با طول جسم رسانا و سطح مقطع آن دارد.

4. قانون اهم

یکی از قانون های مهم در الکترونیک قانون اهم است که بیانگر رابطه ای مشخص بین سه پارامتر اصلی یعنی ولتاژ، جریان و مقاومت در مدارات الکتریکی می‌باشد. به کمک این قانون می‌توانیم جریان مصرفی یک موتور را محاسبه کنیم، مقدار مناسب برای LED را بدست بیاوریم و یا ولتاژ بخشی از مدار را بررسی کنیم.

5. توان الکتریکی

توان یعنی مقدار انرژی مصرف‌شده یا تولیدشده در واحد زمان. واحد اندازه گیری توان الکتریکی، وات (W) می‌باشد و با نماد P نمایش داده می‌شود. دو رابطه مهم برای محاسبه توان به صورت زیر است.

6. پلاریته

بسیاری از قطعات الکترونیکی جهت‌دار هستند؛ یعنی اگر اشتباه وصل شوند خراب می‌شوند. پلاریته به معنی جهت دار بودن قطعه است. برای مثال قطعاتی که دارای جهت هستند:

• LED
• خازن های الکترولیتی
• دیود
• باتری

قطعات بدون پلاریته:

• مقاومت
• خازن های سرامیکی
• کلیدهای معمولی

7. انواع جریان (AC و DC)

جریان مستقیم یا DC به این معناست که جهت جریان همیشه ثابت است. به عنوان مثال باتری ها و منابع تغذیه ربات ها همگی از جریان مستقیم یا DC استفاده می‌کنند. جریان متناوب یا AC نیز به جریان هایی گفته می‌شود که به طور منظم تغییر می‌کند مانند برق شهری. در رباتیک معمولا از جریان های مستقیم یعنی DC استفاده می‌شود.

8. قطعات پایه در مدارهای رباتیک

8.1. مقاومت (Resistor)

کنترل‌کننده جریان و تقسیم‌کننده ولتاژ.

8.2. مقاومت نوری

بردبورد ابزار اصلی یادگیری و آزمایش مدارهای رباتیک است. برد بورد به ما کمک می‌کند بدون لحیم کاری قطعات را به یکدیگر متضل کنیم و سرعت عمل بیشتری در بستن مدار داشته باشیم. همچنین برای آزمایش و راه اندازی قطعات قبل از طراحی مدار نهایی بسیار مناسب است. معمولا ردیف های عمودی برد بورد برای IC ها و ردیف های افقی برای تغذیه یعنی + و - مدار استفاده می‌شود.

8.3. خازن (Capacitor)

ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی برای: صاف کردن ولتاژ، کاهش نویز، دیبانس کلیدها

8.4. دیود (Diode)

جریان را فقط در یک جهت عبور می‌دهد. و برای حفاظت از مدارهای موتوری، جلوگیری از جریان معکوس ضروری هستند.

8.5. ترانزیستور (Transistor)

کلید یا تقویت‌کننده الکترونیکی. در رباتیک از ترانزیستورها در موارد مختلفی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال برای کنترل موتور با سیگنال کوچک، تغویت خروجی میکروکنترلرها و یا قطع و وصل کردن جریان استفاده می‌شود.

8.6. رگولاتور ولتاژ

رگولاتور ها وظیفه تغییر سطح ولتاژ در مدارات الکترونیکی را دارند. به عنوان مثال یکی از رگولاتورهای پر کاربرد 7805 می‌باشد که ولتاژ ورودی 12 ولت را به 5 ولت تبدیل می‌کند.

8.7. برد بورد

بردبورد ابزار اصلی یادگیری و آزمایش مدارهای رباتیک است. برد بورد به ما کمک می‌کند بدون لحیم کاری قطعات را به یکدیگر متضل کنیم و سرعت عمل بیشتری در بستن مدار داشته باشیم. همچنین برای آزمایش و راه اندازی قطعات قبل از طراحی مدار نهایی بسیار مناسب است. معمولا ردیف های عمودی برد بورد برای IC ها و ردیف های افقی برای تغذیه یعنی + و - مدار استفاده می‌شود.