المستوى 1 / أساسيات التيار المستمر / الدرس 04

أضئ أول LED

امنح هذا المكوّن الصغير التيار الذي يحتاجه.

35 دقيقةدرس تفاعليمعاينة · بانتظار المراجعة
المشكلة الواقعية

مؤشر ضوئي يدوم.

يخبرك مؤشر التغذية أن الجهاز يعمل، دون أن يتلف LED. لا يحدّ LED تياره بنفسه؛ تتولى المقاومة المتصلة على التوالي هذه المهمة.

تتحمل المقاومة الجهد المتبقي.

اطرح هبوط الجهد الأمامي لـ LED من جهد المصدر. اقسم الجهد المتبقي على المقاومة لتحصل على التيار.

I = (Vₛ − Vf) / R(5 − 1.9) / 330 = 0.00939 A ≈ 9.39 mA

ثلاث نقاط انتبه إليها

  1. القطبية مهمة. يتجه الأنود نحو الجانب الموجب. يمثّل الخط في رمز المخطط الكاثود.
  2. مقاومة أكبر تعني تيارًا أقل. جرّب مضاعفة R. توقّع النتيجة قبل إظهارها.
  3. النموذج تقريبي. نثبت هبوط الجهد عند 1.9 V. تتغير القيمة الفعلية مع الحرارة والتيار.

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.

مثال حسابي محلول بالتفصيل خطوة بخطوة — المعطيات:

المعطيات: جهد المصدر Vs = 5.0 V، الجهد الأمامي لليد الأحمر Vf = 1.9 V، مقاومة التوالي R1 = 330 Ω، المفتاح SW1 مغلق.

  1. 1. بتطبيق قانون كيرشوف للجهد (KVL) حول الحلقة: جهد المقاومة V_R1 = Vs − Vf = 5.0 − 1.9 = 3.10 V.
  2. 2. بتطبيق قانون أوم على المقاومة R1: التيار I = 3.10 / 330 = 0.00939 A = 9.39 mA.
  3. 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
مصدر جهد مستمر (DC Source) (VS · V)

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.

مقاومة ثابتة (Resistor) (R · Ω)

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).

مقاومة متغيرة / بوتنشيومتر (Potentiometer) (RV · Ω)

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.

مفتاح فصل وتوصيل (SPST Switch) (SW · state)

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.

ثنائي باعث للضوء (LED) (D · V (Vf))

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).

دايود سيليكون للتقويم والحماية (Silicon Diode) (D · V (Vf))

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

«LED بجهد 1.9 V يسحب ما يحتاجه فقط بأمان من مصدر 5 V.» — من دون مقاومة توالٍ أو مصدر محدود التيار، يسبب توصيل 5 V مباشرة عبر LED تيارًا مفرطًا يتلفه.

«يجب وضع المقاومة قبل LED دائمًا، ولا يجوز وضعها بعده.» — في الحلقة المتوالية الواحدة يتساوى التيار في جميع النقاط سواء وُضعت المقاومة قبل LED أو بعده.

نواتج التعلّم والمتطلبات وسؤال التطبيق
  • اختيار مقاومة توالٍ مناسبة لـ LED الأحمر WP7113ID باستخدام العلاقة I = (Vs − Vf) / R.
  • توقع تيار LED وقدرة المقاومة قبل القياس في المختبر التفاعلي.
  • تشخيص سبب عدم إضاءة LED بالتمييز بين المسار المفتوح والقطبية المعكوسة عبر قياسات آمنة.

سؤال نقل الأثر: تنص ورقة بيانات WP7113ID على أن الحد الأقصى المطلق للتيار المستمر هو 30 mA، بينما التشغيل الموصى به للمؤشر يدور حول 5–10 mA. أي مقاومة قياسية (330 Ω أم 100 Ω) تختار لمصدر 5.0 V، ولماذا؟

اختر 330 Ω (نحو 9.39 mA). فمقاومة 100 Ω ستمرر (5 − 1.9)/100 = 31 mA، ما يتجاوز الحد الأقصى المطلق (30 mA).

لنبدأ التجربة