المخطط يوضح الترابط لا الموقع الجغرافي.
يحاول المبتدئون غالبًا تقليد الشكل الهندسي للمخطط فوق لوحة التجارب. في الواقع، كل سلك متصل يشكّل عقدة واحدة لها الجهد نفسه بالنسبة إلى عقدة المرجع.
نقل المسبار الأسود (COM) إلى عقدة أخرى يغيّر المرجع فيغيّر جميع قراءات الجهد دون أن يتغير شيء في الدائرة نفسها.
ثلاث نقاط انتبه إليها
- عُدّ العقد قبل التركيب. تتكون دائرة LED المتوالية من ثلاث عقد فقط: VCC (موجب المصدر)، والعقدة A (بين المقاومة وأنود LED)، والأرضي GND (مسار العودة 0 V).
- الأرضي (GND) ليس دائمًا أرض المبنى. في الدوائر المعزولة على طاولة التجارب، يرمز GND ببساطة إلى عقدة 0 V المرجعية التي اختارها المصمم.
- المسار المفتوح لا يمرر تيارًا مستقرًا. من دون مسار عودة متصل بالطرف السالب للمصدر، لا يمكن للشحنات أن تدور في الدائرة.
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
«الأرضي يبتلع التيار الزائد مثل المصرف.» — التيار العائد إلى عقدة المرجع يساوي تمامًا التيار الخارج من طرف المصدر.
«العقدة هي نقطة التقاطع المرسومة فقط.» — كامل شبكة الأسلاك المتصلة بين أطراف المكونات تمثل عقدة كهربائية واحدة.
نواتج التعلّم والمتطلبات وسؤال التطبيق
- تحديد العقد الكهربائية في المخطط بغض النظر عن شكل السلك أو ترتيبه.
- شرح سبب حاجة جهد أي عقدة إلى عقدة مرجعية معلنة تساوي 0 V (الأرضي GND).
- تتبّع مسار مغلق كامل من القطب الموجب للمصدر حتى عقدة المرجع.
سؤال نقل الأثر: في دائرة LED السليمة بجهد 5 V (حيث V_A = 1.9 V بالنسبة للأرضي)، ماذا يقرأ الفولتميتر إذا وضعت المسبار الأسود COM على VCC والمسبار الأحمر على العقدة A؟
يقرأ V_A − V_VCC = 1.9 V − 5.0 V = −3.10 V. المقدار هو هبوط الجهد عبر R1، والإشارة السالبة تعني أن جهد A أقل من VCC.