الجهد المنخفض قد يسخّن الخطأ.
مصدر 5 V آمن للمس، لكن قصر الدائرة غير المحمي قد يمرر عدة أمبيرات فيصهر مشابك لوحة التجارب ويتلف المكونات. يحوّل تحديد التيار خطأ التوصيل إلى هبوط جهد غير ضار.
في وضع الجهد الثابت (CV) يحافظ المصدر على 5.0 V. وإذا وصل تيار الحمل إلى الحد المحدد مسبقًا، ينتقل تلقائيًا إلى وضع التيار الثابت (CC) ويخفض الجهد.
ثلاث نقاط انتبه إليها
- وصّل الأسلاك والخرج مفصول. استخدم زر تفعيل الخرج في المصدر حتى لا تنقل أسلاكًا حية فوق أطراف مكشوفة.
- تجنب كهرباء الشبكة وبطاريات الليثيوم غير المحمية. تقتصر تجارب البداية على مصادر معزولة محدودة التيار، ولا تستخدم أبدًا كهرباء الشبكة أو بطاريات الليثيوم غير المحمية.
- مبرر مساحة الفحص التفاعلية. سلامة طاولة العمل إجراء تشغيلي وليست معادلة تفاضلية؛ لذلك يركّز المختبر التفاعلي على سلوك المصدر (CC/CV) والفحص قبل التشغيل.
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
«جهد 5 V لا يمكن أن يسبب أي ضرر.» — التلف الحراري ينتج عن التيار غير المحدود والقدرة المتبددة، وليس عن قيمة الجهد وحدها.
«حد التيار يجبر 15 mA على المرور في كل دائرة.» — حد التيار سقف أقصى فقط؛ فالدائرة التي تطلب 9.4 mA تسحب 9.4 mA فقط.
نواتج التعلّم والمتطلبات وسؤال التطبيق
- تحديد المخاطر الكهربائية والحرارية على طاولة التجارب منخفضة الجهد.
- ضبط مصدر 5 V معزول بحد تيار 15–20 mA قبل توصيل الدائرة.
- تنفيذ خطوات فصل التغذية الآمنة قبل تعديل أي توصيلات.
سؤال نقل الأثر: إذا ضبطت المصدر على 5.0 V بحد تيار 15 mA ووصلت بالخطأ مقاومة 10 Ω بين طرفي الخرج، هل يبقى الجهد 5.0 V؟
لا. عند 5 V تطلب مقاومة 10 Ω تيارًا قدره 500 mA. ينتقل المصدر إلى وضع التيار الثابت (CC) عند 15 mA، فينخفض جهد الخرج إلى V = 0.015 A × 10 Ω = 0.15 V.