لقياس التيار، يجب أن يمر التيار داخل المقياس نفسه.
أشهر خطأ في مختبرات المبتدئين هو ملامسة طرفي المصدر بالأميتر كما نفعل بالفولتميتر. ولأن منفذ mA يمر عبر مقاومة مجزئ صغيرة جدًا ومصهر حماية، فإن توصيله على التوازي يقصر المصدر ويتلف مصهر الجهاز فورًا.
وبدلًا من فتح الدائرة، يمكنك غالبًا قياس هبوط الجهد عبر مقاومة معلومة على التوالي (I = V_R / R) دون المخاطرة بمصهر المقياس.
ثلاث نقاط انتبه إليها
- لماذا يحتوي مدخل mA على مصهر. تزوّد المقاييس الجيدة مدخل mA بمصهر سريع الانصهار (مثل 200 mA أو 400 mA) لمنع الحريق أو القوس الكهربائي عند توصيله بالخطأ عبر المصدر.
- جهد العبء (Burden Voltage). يُحدث الأميتر الحقيقي هبوط جهد صغيرًا عبر مجزئه الداخلي؛ وفي الدوائر ذات الجهد المنخفض قد يقلل ذلك التيار المقاس قليلًا.
- القياس غير المباشر للتيار. قياس 3.10 V عبر مقاومة معلومة 330 Ω يخبرك أن التيار 9.39 mA مع بقاء المقياس آمنًا في وضع الجهد.
شرح تطبيقي مفصل ومثال هندسي محلول بالأرقام خطوة بخطوة
يغذي مصدر جهد مستمر 5 V ثنائياً ضوئياً أحمر (Vf = 1.9 V) عبر مفتاح تحكم ومقاومة تحديد تيار 330 Ω. وبما أن العناصر متصلة في حلقة توالي واحدة، فإن نفس التيار يمر في كل عنصر.
المعطيات: جهد المصدر Vs = 5.0 V، الجهد الأمامي لليد الأحمر Vf = 1.9 V، مقاومة التوالي R1 = 330 Ω، المفتاح SW1 مغلق.
- 1. بتطبيق قانون كيرشوف للجهد (KVL) حول الحلقة: جهد المقاومة V_R1 = Vs − Vf = 5.0 − 1.9 = 3.10 V.
- 2. بتطبيق قانون أوم على المقاومة R1: التيار I = 3.10 / 330 = 0.00939 A = 9.39 mA.
- 3. حساب القدرة المبددة في المقاومة: P_R1 = I² × R1 = (0.00939)² × 330 = 29.1 mW (أقل بكثير من حد الربع واط 250 mW).
النتيجة الهندسية: جهود العقد: V(VCC) = 5.00 V، و V(N1) = 5.00 V، و V(N2) = 1.90 V، و V(GND) = 0.00 V.
شرح المكونات الإلكترونية بالتفصيل وطريقة توصيل كل مكوّن ومثال عليه
المصدر المثالي يثبت فرق الجهد V(+) − V(−) = Vs، بينما المصادر العملية تحتوي على مقاومة داخلية صغيرة وحد أقصى للتيار لحماية الدائرة.
طريقة التوصيل: يُوصل الطرف الموجب (nodeA) بعقدة التغذية الرئيسية (VCC)، والطرف السالب (nodeB) بعقدة المرجع الأرضي (GND = 0 V). لا توصل مصدرين مختلفين على التوازي المباشر.
مثال محلول: مثال: مصدر 9 V متصل بمقاومة حمل 450 Ω يمرر تياراً قدره I = 9 / 450 = 20 mA ويقدم قدرة P = 9 × 0.02 = 180 mW.
يتناسب التيار المار في المقاومة طردياً مع فرق الجهد بين طرفيها: I = (Va − Vb) / R، وهي غير قطبية (يمكن توصيلها بأي اتجاه).
طريقة التوصيل: توصل على التوالي مع الأحمال (مثل LED أو دايود زينر) لتحديد التيار، أو في أزواج بين التغذية والأرضي لتكوين مقسم جهد.
مثال محلول: مثال: لتحديد تيار LED (جهده 2.0 V) عند 10 mA من مصدر 5 V: نحسب R = (5 − 2.0) / 0.01 = 300 Ω (نختار القيمة القياسية 330 Ω). القدرة المبددة: P = (0.01)² × 330 = 33 mW (آمنة لمقاومة ربع واط 250 mW).
عند توصيلها كمقاومة متغيرة (ريوستات) بين عقدتين، تكون المقاومة الفعالة R_eff = R_total × (نسبة المؤشر / 100).
طريقة التوصيل: يُنصح بتوصيل مقاومة ثابتة صغيرة على التوالي معها (مثل 100 Ω) حتى لا يحدث قصر كامل عند تدوير المؤشر إلى الحد الأدنى.
مثال محلول: مثال: مقاومة متغيرة 1 kΩ مضبوطة عند 50% تعطي 500 Ω. وعند توصيلها على التوالي مع مقاومة حماية 220 Ω تصبح المقاومة الكلية 720 Ω.
المفتاح المفتوح يظهر عبر طرفيه جهد المصدر بالكامل مع تيار يساوي صفراً، بينما المفتاح المغلق يمرر التيار مع هبوط جهد يكاد يساوي صفراً (0 V).
طريقة التوصيل: يوصل على التوالي في جانب التغذية الموجب (بين VCC والحمل) للتحكم في تشغيل وإيقاف الفرع بأمان.
مثال محلول: مثال: في دائرة 5 V، عند فتح المفتاح SW1 يصبح التيار 0 mA، وعند قياس الجهد عبر طرفي المفتاح المفتوح نقرأ 5.00 V كاملة.
خلافاً للمقاومة، يمتلك الـ LED منحنى (تيار-جهد) أسّياً غير خطي؛ فبمجرد وصول الجهد إلى Vf تنخفض مقاومته الديناميكية لبضعة أومات ولا يستطيع تحديد تياره بنفسه.
طريقة التوصيل: يوصل الأنود (nodeA - قاعدة المثلث) باتجاه الجهد الأعلى، والكاثود (nodeB - الخط العمودي) باتجاه الأرضي، ودائماً على التوالي مع مقاومة تحديد تيار.
مثال محلول: مثال: ليد أحمر (Vf = 1.9 V) مع مقاومة 330 Ω على مصدر 5.0 V: جهد المقاومة V_R = 5.0 − 1.9 = 3.1 V، وبالتالي التيار I = 3.1 / 330 = 9.39 mA (إضاءة ممتازة وآمنة).
عندما يتجاوز جهد الأنود جهد الكاثود بمقدار 0.7 V تنهار منطقة الاستنزاف ويمر التيار. وفي التوصيل العكسي يتسع الحاجز ويمنع مرور التيار.
طريقة التوصيل: يوصل على التوالي مع مدخل التغذية للحماية من عكس القطبية، أو على التوازي العكسي مع الملفات والمرحلات (الكاثود للموجب) كدايود مسار حر (Flyback).
مثال محلول: مثال: مصدر 5.0 V يمر عبر دايود حماية 1N4007 (هبوطه 0.7 V) إلى مقاومة 430 Ω: يصبح الجهد بعد الدايود 5.0 − 0.7 = 4.3 V، والتيار 4.3 / 430 = 10.0 mA.
المفاهيم الخاطئة الشائعة وتصحيحها
«وضع مقياس التيار على طرفي LED يقيس تيار LED.» — وضع الأميتر على التوازي مع LED يصنع مسار قصر يتجاوز LED؛ يجب إدخال الأميتر على التوالي ضمن المسار.
«إذا قرأ الأميتر 0.00 mA فهذا يعني غياب الجهد حتماً.» — فتح المسار أو تلف مصهر الأميتر نفسه يعطي قراءة 0.00 mA رغم وجود جهد المصدر كاملًا.
نواتج التعلّم والمتطلبات وسؤال التطبيق
- تفسير سبب امتلاك الأميتر مقاومة داخلية صغيرة جدًا وضرورة توصيله على التوالي مع الحمل.
- تنفيذ التسلسل الآمن: فصل التغذية ← نقل السلك الأحمر إلى mA ← فتح مسار الدائرة ← إدخال المقياس على التوالي ← تشغيل التغذية.
- إعادة السلك الأحمر إلى منفذ V/Ω فور الانتهاء من قياس التيار.
سؤال نقل الأثر: أدخل طالب الأميتر على التوالي في دائرة LED تعمل جيدًا، فانطفأ LED وقرأ الجهاز 0.00 mA. وعند إزالة المقياس وإعادة السلك أضاء LED مجددًا. ما العطل الأرجح؟
إما أن مصهر مدخل mA داخل المقياس محترق (مفتوح)، أو أن السلك الأحمر بقي في منفذ الجهد V/Ω (حيث تمنع ممانعة 10 MΩ مرور التيار).