سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017
اهداف این جلسه شامل 1- آشنایی با قطعه الکترونیکی خازن و انواع آن 2- ایجاد مهارت در تشخیص ظرفیت انواع خازن ها 3- درک مفهوم ظرفیت خازن از طریق انجام آزمایش 4- تقویت مهارت در بستن مدار روی بردبورد و آزمایش آن می باشد....
عکس نویسنده
عکس نویسنده
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

 

اهداف

1- آشنایی با قطعه الکترونیکی "خازن" و انواع آن
2- ایجاد مهارت در تشخیص ظرفیت انواع خازن ها
3- درک مفهوم ظرفیت خازن از طریق انجام آزمایش
4- تقویت مهارت در بستن مدار روی بردبورد و آزمایش آن (کسب آمادگی برای بستن مدار نهایی پروژه)
5- آموزش مفاهیم اولیه "الکترونیک دیجیتال" (این مبحث مقدمه ای برای ورود به مباحث جلسات بعد می باشد.)
6- آشنایی با قطعه الکترونیکی بسیار مهم و متنوع IC
 
زمان عملیاتی
• 10 دقیقه صرف تحویل دادن تکلیف جلسه قبل از سوی گروه ها و آماده کردن کلاس برای شروع مبحث جدید و توزیع خازن ها بین گروه ها
• 15 دقیقه صرف ارائه مطالب بخش اول (آشنایی با خازن )
• 20 دقیقه صرف ارائه مطالب بخش دوم (تشخیص ظرفیت خازن ها )
• 30 دقیقه صرف بستن مدار توسط گروه ها و انجام و نتیجه گیری از آزمایش
• 25 دقیقه صرف ارائه مطالب چهارم (الکترونیک دیجیتال)
• 15 دقیقه صرف ارائه مطالب بخش پنجم (آی سی ها )
• 5 دقیقه صرف توضیح تکلیف جلسه بعدی
(مجموعاً این جلسه در حدود دو ساعت خواهد بود.)
 
وسایل لازم
1- دفتر ثبت فعالیت کلاسی گروه ها
2- کامپیوتر و امکانات نمایش تصویر برای ارائه عکس ها
3- وسایلی که در زیر نام می بریم مورد نیاز یک گروه است. پس باید این مجموعه به تعداد گروه ها تهیه گردد:
  • بردبورد - 1 عدد
  •  منبع تغذیه DC یا آداپتور – 1 عدد
  •  سیم های مفتولی رنگی – به میزان لازم
  •  سیم چین
  •  LED – 1 عدد
  •  مقاومت 10 کیلو اهمی – 1 عدد
  •  میکرو سوئیچ – 2 عدد
  •  خازن های عدسی زیر – هر کدام 1 عدد :
  •  22 پیکو فاراد
  •  470 پیکو فاراد
  •  3300 پیکو فاراد
  •  100000 پیکو فاراد
  •  خازن های الکترولیتی زیر – هر کدام 1 عدد :
  •  470 میکرو فاراد
  •  4700 میکرو فاراد
  •  چند نوع آی سی متفاوت برای آشنایی گروه ها، مانند :
  •  آی سی 555
  •  آی سی 7448
  •  و ...
  •  قلم و کاغذ

 

روند کار

برنامه ای که برای جلسه سوم در نظر گرفته ایم شامل دو بخش عمده می شود:
1- در ادامه مباحث جلسه قبل که به آشنایی با قطعات پرکاربرد و مهم الکترونیکی اختصاص داشت ، با قطعه الکترونیکی دیگری به نام خازن آشنا می شویم. این قطعه در مدار اصلی پروژه "ساعت دیجیتال" بکار خواهد رفت.

2- به صورت تئوریک وارد مبحث الکترونیک دیجیتال و مفاهیم مربوط به آن می شویم. در ادامه نیز با پدیده دنیای الکترونیک یعنی "آی سی های دیجیتال" آشنا خواهیم شد.

1- آشنایی با خازن :
(قبل از شروع مطالب ، خازن های مختلفی را که برای هر گروه پیش بینی شده در اختیار آنها قرار دهید تا از نزدیک با آن آشنا شوند. البته نباید به بازی مشغول شوند و از توضیحات شما بی بهره بمانند.)

خازن یک المان الکتریکی است که می‌تواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. هر خازنی که توانایی ذخیره انرژی الکتریکی بالاتری داشته باشد ، ظرفیت بالاتری دارد. واحد اندازه گیری ظرفیت خازن "فاراد" می باشد.
خازن ها انواع متفاوتی دارند:
ساعت دیجیتال - جلسه سوم

خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند. ساختمان داخلی خازن از دوقسمت اصلی تشکیل می‌شود:
الف – صفحات رسانا
ب – عایق بین رساناها(دی الکتریک)

بنابراین هرگاه دو رسانا در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنها عایقی قرار داده شود ، تشکیل خازن می دهند .
معمولاً صفحات رسانای خازن از جنس آلومینیوم ، روی و نقره با سطح نسبتاً زیاد بوده و در بین آنها عایقی (دی الکتریک) از جنس هوا ، کاغذ ، میکا ، پلاستیک ، سرامیک ، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم استفاده می شود .
هر چه ضریب دی الکتریک یک ماده عایق بزرگتر باشد آن دی الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است .
ساختار داخلی یک خازن را در شکل زیر مشاهده می کنید.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

خازن ها دو نوع هستند : ثابت و متغییر
خازن های ثابت :
این خازن ها دارای ظرفیت معینی هستند که در وضعیت معمولی تغییر پیدا نمی کنند. خازن های ثابت را بر اساس نوع ماده 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 خازن ها می توان انواع سرامیکی ،میکا ، ورقه ای ( کاغذی و پلاستیکی ) ،الکترولیتی و ... را نام برد . اگر ماده 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 متغییر :
به طور کلی با تغییر سه عامل می توان ظرفیت خازن را تغیییر داد :" فاصله صفحات" ، "سطح صفحات" و" نوع دی الکتریک ".

2- تشخیص ظرفیت خازن ها:
متداول ترین نوع خازن ها نوع سرامیکی (عدسی) و نوع الکترولیتی است.
- ظرفیت نوع عدسی معمولا در حدود پیکوفاراد است (پیکو یعنی 10 به توان منفی دوازده).

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

 ظرفیت نوع الکترولیتی معمولا در حدود میکروفاراد است (میکرو یعنی 10 به توان منفی شش).

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

بر روی خازن های الکترولیتی معمولا مقدار ظرفیت دقیق نوشته می شود. پایه منفی هم مشخص می گردد (توجه به مثبت و منفی بودن پایه ها در خازن الکترولیتی مهم است ولی در عدسی نه )
تشخیص مقدار ظرفیت در خازن های عدسی کمی پیچیده تر است.

در اغلب مواقع واحد ظرفیت بر روی بدنه ی خازن قید نمی شود . در این صورت چنان چه این عدد از یک کوچکتر باشد ظرفیت بر حسب میکرو فاراد و چنان چه عدد بزرگتر از یک باشد ظرفیت بر حسب پیکوفاراد است .شکل زیر را ببینید:

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

در حالتی که بر روی خازنی اعداد یک رقمی یا دو رقمی مشاهده گردید، مقدار واقعی ظرفیت ، همان عددی است که بر روی آن نوشته شده و واحد آن پیکو فاراد است.
اما اگر عدد سه‌رقمی بود، در این حالت اگر آخرین رقم صفر بود، به همان ترتیب بالا عمل می‌کنیم و مقدار ظرفیت همان عدد است. اما اگر آخرین رقم عدد دیگری غیر از صفر بود به این ترتیب عمل می کنیم:
اولین رقم را رقم اول ، دومین رقم را رقم دوم و سومین رقم را تعداد صفر قرار خواهیم داد و واحد را نیز همان پیکوفاراد می‌گیریم.مقدار بدست آمده را می‌توان به واحدهای دیگر تبدیل نمود.
به عنوان مثال :
ظرفیت خازنی که روی آن نوشته شده503 برابر است با 50000 پیکوفاراد= 50 نانوفاراد = 05/0 میکروفاراد.
همچنین به مثال زیر توجه کنید:

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

سوال : از گروه ها بخواهید ظرفیت خازن هایی را که در اختیار دارند تشخیص داده و مقدار ظرفیت را به همراه عددی که روی بدنه خازن نوشته شده ، روی کاغذی نوشته و به شما تحویل دهند.

3- آزمایش ظرفیت خازن ها :
در این بخش، گروه ها باید با استفاده از بردبورد ، منبع تغذیه یاآداپتور ، سیم ،مقاومت 10 کیلو اهمی ، LED ، دو عدد میکروسوئیچ و خازن الکترولیتی ، مدار ساده ای بسازند.
برای مقایسه ظرفیت خازن ها ، آزمایش را دو بار و با دو خازن متفاوت انجام می دهیم. یک بار با خازن 470 میکرو فاراد ، بار دیگر با خازن 4700 میکرو فاراد.
نقشه این مدار را در شکل زیر مشاهده می کنید.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم


مراحل پیاده سازی مدار روی بردبورد :
1- یکی از ردیف های کناری بردبورد را با اتصال سر مثبت منبع تغذیه به آن، به ردیف ولتاژ مثبت تبدیل کنید. یک ردیف دیگر را نیز برای ولتاژ منفی (یا همان زمین) اختصاص دهید.
2- پایه منفی خازن را به ردیف ولتاژ منفی وصل کنید و پایه مثبت آن را به یک سر میکروسوئیچ شماره یک.
3- سر دیگر میکروسوئیچ شماره یک را به ردیف ولتاژ مثبت وصل کنید.
4- در بخش دیگری از برد بورد ، میکرو سوئیچ شماره دو ، LED و مقاومت را با هم سری کنید.
5- سر آزاد مقاومت را به ردیف ولتاژ منفی وصل کنید.
6- سر آزاد میکروسوئیچ شماره دو را به سر مثبت خازن اتصال دهید.

مراحل انجام آزمایش :
1- در ابتدا هر دو میکروسوئیچ در حالت قطع هستند. چون میکروسوئیچ ها فقط هنگام فشره شدن ، وصل می باشند. در این حالت هم خازن از منبع تغذیه جداست هم LED . به همین دلیل LED خاموش است.
2- میکروسوئیچ شماره یک را برای چند ثانیه فشرده نگه دارید تا خازن به منبع ولتاژ وصل شد و شارژ گردد.
3- دست خود را از روی میکروسوئیچ بردارید تا خازن از منبع تغذیه جدا شود. در این حالت خازن مقدار انرژی الکتریکی در خود ذخیره کرده است.
4- با فشار میکرو سوئیچ شماره دو ، خازن و LED و مقاومت را در یک مدار بسته قرار می دهید. انرژی الکتریکی از خازن خارج شده و LED را روشن می کند.
5- چون مقدار انرژی ذخیره شده در خازن محدود است ، LED فقط برای چند ثانیه روشن می ماند. این زمان را اندازه گرفته و ثبت کنید.
6- همین آزمایش را با خازن دیگر انجام دهید و زمان روشن بودن LED را دوباره ثبت کنید.
7- از مقایسه بین ظرفیت خازن ها و میزان زمان روشن ماندن LED در هر آزمایش چه نتیجه ای می گیرید؟
(نتیجه مورد انتظار این است که هر چه ظرفیت خازن بیشتر باشد ، انرژی بیشتری در آن ذخیره می شود و هر چه انرژی ذخیره شده در آن بیشتر باشد ، LED زمان طولانی تری روشن می ماند.)

4- الکترونیک دیجیتال :
مقدمه :
مداری که قرار است در این پروژه بعنوان "مدار راه انداز یک ساعت" بسازیم ، جزء مدارات دیجیتال است.
شاید بد نباشد در حد خیلی ساده ای با الکترونیک دیجیتال آشنا شویم.
کلمه دیجیتال را تا به حال بارها شنیده اید. مخصوصاً در این دوران که عصر تکنولوژی است.

سؤال : خوب فکر کنید و ببینید در چه مواردی این کلمه را شنیده اید؟ چند وسیله دیجیتالی می توانید نام ببرید؟
جواب:
• گوشی های تلفن دیجیتال
• گوشی های موبایل
کامپیوتر
دوربین دیجیتال

برای درست کردن مدار ساعت اصلا ًاحتیاجی نیست مثل یک مهندس الکترونیک به مبحث الکترونیک دیجیتال وارد باشیم. ما فقط سعی می کنیم کمی بیشتر از سایر کسانی که وارد این بحث و پروژه نشده اند ، در مورد آن اطلاعات داشته باشیم. موافقید؟

الکترونیک دیجیتال :
الکترونیک دیجیتال شامل مدارت و سیستم هایی است که فقط دو حالت در آنها وجود داشته باشد.
• سیستمی که بخواهد فقط دو حالت داشته باشد : مثل سوئیچ های باز و بسته یا لامپ های روشن و خاموش
• سیستمی که بر عکس مورد قبلی ، حالت های زیاد و پیوسته ای دارد : مثل یک شیر آب که می تواند به مقدارهای مختلفی باز شود و دبی های مختلفی آب را از خودش عبور دهد. و فقط دو حالت باز و بسته ندارد.

سؤال : شما هم به اطراف خود دقت کنید و چند سیستم که فقط دو حالت می توانند داشته باشند مثال بزنید.
جواب:

  •  روشن یا خاموش بودن لامپ

  •  روشن یا خاموش بودن تلویزیون (گرچه میزان صدا یا نور آن می تواند بصورت پیوسته متغیر باشد)

  •  باز یا بسته بودن درب اتاق (گرچه میزان باز بودن درب بصورت پیوسته متغیر است )

  •  باز یا بسته بودن شیر آب (گرچه میزان دبی آب بصورت پیوسته متغیر است)

  •  روشن یا خاموش بودن شعله گاز (گرچه شدت شعله متغیر است )

  •  و ...

    گفتیم که در یک سیستم دیجیتال فقط دو حالت وجود دارد. این حالتها توسط دو سطح ولتاژ متفاوت نشان داده می شوند. ولتاژ سطح بالا (high) و ولتاژ سطح پایین (low) .
    در سیستم دیجیتال ، ترکیبی از این دو حالت یک "کد" نامیده می شود و برای نمایش اعداد ، علامات ، حروف الفبای لاتین و سایر انواع اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرد.
    سیستم اعداد دو حالته را اصطلاحاً "دودوئی" یا "باینری" می نامند. در این سیستم فقط دو رقم داریم : 0 و 1
    بنابراین :
    High = 1 و Low = 0

    ولتاژهایی که برای نمایش 0 و 1 استفاده می شوند ، سطوح منطقی نامیده می شود که شامل سطح بالا و سطح پایین هستند.
    عملاًو دارای یک محدوده ولتاژ می باشند.
    مثال :
    مثلا ًگفته می شود در یک سیستم دیجیتال :
    بنابراین اگر ولتاژ 0.5 v استفاده شود ، مدار مقدار 0 یا همان Low را در نظر می گیرد و اگر ولتاژ 3.5 v استفاده شود ، مدار مقدار 1 یا همان High را در نظر می گیرد.
    در این سیستم ولتاژ بین 0.8 تا 2 نباید استفاده شود ، چون بی معنی است.

    سیگنال دیجیتال :
    زمانی که سطح ولتاژ از Low به High رفته و سپس به Low بازگردد ، یک پله مثبت ایجاد می شود که به آن "پالس مثبت" می گویند.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

برعکس : زمانی که سطح ولتاژ از High به Low رفته و سپس به High بازگردد ، یک پله منفی ایجاد می شود که به آن "پالس منفی" می گویند.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

"سیگنال دیجیتال" ترکیبی از پالسهای مثبت و منفی است.
یک سیگنال دیجیتال دربرگیرنده اطلاعات بصورت باینری می باشد. نمونه ای از این سیگنال در زیر نشان داده شده است.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

5- آی سی ها :

ساعت دیجیتال - جلسه سوم


(قبل از شروع این قسمت ، سعی کنید حتماً چند نمونه آی سی در اندازه های مختلف با خود به کلاس برده و بین گروه ها توزیع کنید تا از نزدیک این آشنایی صورت گیرد.)
حروف اختصاری IC از دو کلمه انگلیسی integrated circuit به معنی مدار مجتمع گرفته شده است.
مدارهای دیجیتال با استفاده از آی سی که یک نیمه هادی از جنس سیلیکون است ، ساخته می شوند.
آی سی از قطعات الکترونیکی متعددی تشکیل شده است که از داخل به هم مرتبط هستند. این مجموعه "تراشه" یا "chip" نامیده می شود.
تراشه در داخل یک بسته سیاه رنگ قرار گرفته و ما هیچ گونه دسترسی به آن نداریم. اصولاً نیازی هم نداریم که به داخل آی سی دسترسی داشته باشیم یا حتی بدانیم از چه قطعاتی تشکیل شده است.
ارتباط آی سی با فضای بیرون از طریق تعدادی پایه فلزی برقرار است که به آنها پین هم گفته می شود.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

اصولاً ما با ساختار داخل آی سی ها کاری نداریم و آنها را فقط به عنوان یک جعبه سیاه در نظر می گیریم. چیزی که برای ما مهم است و در طراحی و ساخت مدار باید به آن توجه کنیم ، فقط پایه ها هستند.
تعدا پایه ها ممکن است از 8 پایه برای آی سی های کوچک تا 64 پایه و بیشتر برای آی سی های بزرگ متغییر باشد.
به منظور شناسائی هر آی سی ، روی آن شماره ای چاپ می شود و تولید کنندگان کتابچه هایی چاپ می کنند که اطلاعات مربوط به هر آی سی در آن وجود دارد. یک راه دیگر دستیابی به اطلاعات هر آی سی ، جستجو در اینترنت (خصوصا در سایت گوگل) است. بدین ترتیب می توان توضیحات و اطلاعات مربوط به هر آی سی را در متنی با عنوان Data Sheet پیدا کرد.

چه انگیزه‌ای باعث اختراع IC شد؟
پیش از اختراع IC ،مدارهای الکترونیکی از تعداد زیادی قطعه یا المان الکتریکی تشکیل می‌شدند. این مدارات فضای زیادی را اشغال می‌کردند و توان الکتریکی بالایی نیز مصرف می‌کردند. و این موضوع ، امکان بوجود آمدن نقص و عیب در مدار را افزایش می‌داد. همچنین سرعت پایینی هم داشتند.
IC ، تعداد زیادی عناصر الکتریکی را که بیشتر آنها ترانزیستور هستند، در یک فضای کوچک درون خود جای داده است و همین پدیده است که باعث شده امروزه دستگاه‌های الکترونیکی کاربرد چشمگیری در همه جا و در همه زمینه‌ها داشته باشند.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم

انواع آی سی :
آی سی ها در انواع و اندازه های متفاوتی در بازار موجود هستند. طراحان و سازندگان مدارات الکترونیکی با توجه به کاربرد و توانایی های هر آی سی ، دست به انتخاب می زنند.
خانواده های متفاوتی از آی سی های دیجیتال در بازار موجودند که مشهورترین آنها خانواده TTL و خانواده CMOS هستند. این نامها به صورت مخفف متداول هستند و در اصل به این صورت می باشند :
TTL : Transistor-Transistor-Logic
CMOS : Complementary Metal-Oxide Semiconductors

ترانزیستورهای موجود در آی سی های خانواده CMOS ، سریع تر و کم مصرف تر هستند.
البته بسیاری از آی سی ها هم در بازار موجود هستند و استفاده از آنها متداول است، ولی در هیچ کدام از این دو خانواده قرار نمی گیرند.

تکلیف :
با مراجعه به اینترنت سعی کنید سعی کنید نحوه پیدا کردن Data Sheet یک آی سی را تمرین کنید.
بعنوان تکلیف ، سعی کنید اطلاعات مربوط به آی سی 555 را استخراج کرده و در جلسه بعد تحویل دهید.
قبل از تحویل دادن کمی مطالب را مرور کنید و ببینید تا چه حد برایتان قابل فهم می باشد.
برای جستجو بهتر است از سایت http://www.google.com استفاده نمایید.

ساعت دیجیتال - جلسه سوم 

ارزیابی

در طول این جلسه در موراد زیر دانش آموزان را مورد ارزیابی قرار دهید و نتیجه را در دفتر ثبت کنید:
1- میزان مشارکت همه اعضای گروه در کارها
2- یادگیری نحوه تشخیص مقدار ظرفیت خازن ها
3- میزان مهارت کسب شده در بستن مدار آزمایش روی برد بورد
4- نتیجه گیری صحیح از آزمایش خازن
5- درک مفاهیم مربوط به الکترونیک دیجیتال
 
 

منابع بیشتر

تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین