نقشه خوانی بردهای الکترونیکی (روش های خواندن شماتیک مدار)

نقشه خوانی بردهای الکترونیکی به معنی شناخت عناصر مدار و شیوه اتصال آن‌ ها است. شماتیک خوانی از مباحث اولیه و مهم در مهندسی الکترونیک به شمار می رود این مهارت در پیاده‌ سازی انواع پروژه و مونتاژ برد الکترونیکی بسیار پرکاربرد است. اجزای عناصر در شماتیک شامل نماد گرافیکی، شناسه یکتا و مقدار هر عنصر است که با دو مثال عملی پیاده سازی کرده ایم.

نقشه شماتیک چیست؟

نقشه شماتیک (Schematics Circuit Diagram)، طرحی از عناصر و شیوه اتصالات آن‌ ها در مدارات الکتریکی و الکترونیکی است. به عبارتی، به هر عنصر (قطعه) یا اتصال (سیم) نمادی (Symbol) اختصاص می‌دهیم و به جای استفاده از قطعات و اتصالات واقعی، نماد آن‌ ها را روی کاغذ می کشیم.

نقشه شماتیک در مهندسی الکترونیک مانند نقشه ساختمان در معماری است. مدل کلی و ساده روی کاغذ، که پروژه واقعی طبق آن پیاده می‌شود و حتی در عیب یابی و تغییرات آینده پروژه الکترونیک نیز کاربرد دارد.

نکته مهم: شماتیک و نماد های مورد استفاده در آن، مدل هستند و نباید تمام جزئیات را شامل شوند. به عنوان مثال نماد آی سی در شماتیک فقط شامل نام تراشه، شماره پایه‌ها (گاهی اوقات نقش پایه ها) و Reference Designator است. جزئیاتی مانند ارتفاع آی سی، دما کاری، توضیحات فنی و … جایگاهی در نماد(Symbol) آن ندارد.

چرا از شماتیک استفاده می کنیم؟

• کاهش هزینه پیاده‌ سازی اولیه و اصلاحات مدار
• درک بهتر عمل‌کرد مدار
• انتقال و اشتراک گذاری آسان شماتیک با دیگران
• عیب یابی
• مستندسازی پروژه
• مونتاژ برد الکترونیکی

اجزاء عناصر (Component) در شماتیک

در هنگام نقشه خوانی بردهای الکترونیکی باید توجه کنید که هر قطعه در شماتیک، داری 3 جزء است:

1. نماد گرافیکی عنصر (Graphic Symbols): هر عنصر داری نماد گرافیکی اختصاصی خود است. به عنوان مثال نماد مقاومت الکتریکی، طرحی زیگزاگ است. اگر چند مقاومت در مدار داشته باشیم، نماد تمام آن‌ ها یکسان است.
2. Reference Designator: شناسه یکتا برای هر عنصر در مدار است.
3. مقدار (Value): مقدار واقعی هر عنصر را نشان می‌دهد به عنوان مثال مقدار 1K برای مقاومت با شناسه R3

Reference Designator (REFDES) چیست؟

شناسه ای یکتا برای هر عنصر در شماتیک است. REFDES شامل یک یا دو حرف انگلیسی نشان دهنده نوع قطعه به همراه یک عدد است. عدد گذاری ها به ترتیب از عدد 1 شروع می‌شود و تا آخرین عنصر موجود با آن حرف در شماتیک ادامه می‌یابد.

نکته مهم: در هیچ شماتیکی، نباید دو عنصر با دو REFDES یکسان وجود داشته باشد. مشاهده می‌کنید که وقتی دو مقاومت با شناسه یکسان داریم، نرم‌افزار آلتیوم دیزاینر با کشیدن خط قرمز زیر عنصر، خطا می دهد.

لیست برخی از حروف اختصاری (Letter code) قطعات الکترونیک طبق استاندارد ANSI Y.32.2 آمریکا

Q: ترانزیستور	L: سلف	C: خازن	R: مقاومت
F: فیوز	S یا SW: سوئیچ	K: رله	D: دیود
BT: باتری	T: ترانس	X, XTAL یاY: کریستال	U یا IC: آی سی
LS: بازر	IR: دیود مادون قرمز	J: جک	P: کانکتور
	MIC: میکروفون	TP: تست پوینت	M: موتور

استاندارد های شماتیک (اروپایی، آمریکایی)

برای نقشه خوانی بردهای الکترونیکی باید با استاندارد های شماتیک آشنا باشید. سازمان IEC (International Electrotechnical Commission) یا کمیسیون بین‌ المللی الکترونیک، برای Symbol و Reference Designator قطعات مختلف، استاندارد IEC 60617 که به نام استاندارد اروپایی نیز شناخته می‌شود را تدوین کرده است.

همچنین سازمان IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) یا مؤسسه مهندسان برق و الکترونیک استاندارد IEEE 315 یا ANSI Y.32.2 که به استاندارد آمریکایی شناخته می‌شود را ارائه داده است.

تمام نماد های مورد استفاده ما در در شماتیک باید طبق یکی از این دو استاندارد باشد تا برای تمامی مهندسین و طراحان الکترونیک قابل درک باشد.

نماد عناصر مختلف در مدارات الکترونیکی

حدود 1900 نماد در استاندارد های تدوین شده وجود دارد که به مهمترین آن‌ ها اشاره می کنیم.

عناصر پایه

مقاومت

عنصری که در اثر عبور جریان از آن، ولتاژی در دوسر آن افت می کند. تقریباً در تمام مدارات در انواع مختلف وجود دارد.

1. مقاومت شنت

مقاومتی خاص با مقدار اهمی پایین، توان بالا و دقت بالا است که از آن برای اندازه‌گیری جریان استفاده می شود.

2. پتانسیومتر – ولوم

از این نوع مقاومت متغیر در مدارات که نیاز به تنظیم خاصی دارند (مانند حجم صدا) یا به عنوان موقعیت سنج استفاده می شود.

3. LDR

مقدار مقاومت LDR تابع نور تابیده شده به آن است و در انواع مدارات روشنایی خودکار، سنجش نور محیط و … کاربرد دارد.

4. NTC و PTC

PTC نوعی مقاومت با ضریب حرارتی مثبت است، به این معنا که با افزایش دما، مقدار مقاومت آن نیز افزایش میابد. عمل‌کرد NTC معکوس PTC است و با افزایش دما، مقدار مقاومت آن کاهش میابد. این عناصر در مدارات دماسنج، ترموستات و … کاربرد دارند.

5. خازن

از دو صفحه رسانا که توسط ماده‌ای نارسانا از هم جدا شده‌اند، تشکیل شده است. در اکثر مدارات الکترونیکی وجود دارد و کاربرد

های وسیعی در حوزه زمان سنجی، فیلتر و … دارد.

6. خازن پلاریته دار

آند (سر مثبت) و کاتد (سر منفی) آن مشخص است و در صورت اتصال معکوس، دچار آسیب می شود.

7. سلف

از پیچیدن سیم به دور هسته، ساخته می شود. این هسته معمولاً از جنس هوا، آهن یا فریت است. مشابه خازن کاربردهای گوناگونی در مهندسی الکترونیک دارد مانند: مدارات تغذیه سوئیچینگ، فیلتر ها و …

دیود

این قطعه نیمه هادی، اجازه عبور جریان تنها از یک جهت (آند به کاتد) را می‌دهد و در یکسوسازی، حفاظت از اتصال معکوس تغذیه مدار و … کاربرد دارد.

1. دیود شاتکی

نوعی دیود است که به علت کاهش خاصیت خازنی داخلی آن، سرعت بیشتری به نسبت دیود های معمولی دارد. سوئیچینگ با سرعت بالا از مهمترین کاربردهای شاتکی است.

2. دیود زنر

در بایاس مستقیم مانند دیود معمولی کار می‌کند. اما در بایاس معکوس با رسیدن به ولتاژ زنر، افت ولتاژ دو سر خود را در حد ولتاژ زنر ثابت نگه می دارد. از دیود زنر در مداراتی مانند رگولاتور های خطی استفاده می شود.

3. LED

LED در بایاس مستقیم، انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می کند. در رنگ‌های مختلف و در کاربردهای مختلف نورپردازی، نشانگر و … کاربرد دارد.

4. فتودیود

امواج نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و به عنوان سنسور استفاده می شود.

5. TVS

محافظت مدار در برابر ESD از کاربردهای مهم دیود TVS است.

ترانزیستور

ترانزیستور ها از مهمترین اختراعات بیشر به شمار می آیند و در انواع مدارات دیجیتال و آنالوگ، کاربرد سوئیچینگ یا تقویت کنندگی دارند.

1. ترانزیستورNPN

نوعی ترانزیستورBJT که جریان عبور از کلکتور به سمت امیتر، تابع جریان عبوری از بیس آن است.

2. ترانزیستور PNP

نوعی ترانزیستور BJT که جریان عبور از امیتر به سمت کلکتور، تابع جریان عبوری از بیس آن است.

3. فتوترانزیستور

جریان عبوری بین کلکتور و امیتر، تابع نور تابیده شده به فتوترانزیستور است. به عنوان سنسور یا در اپتوکوپلر ها برای ایزولاسیون مدار کاربرد دارد.

4. ترانزیستور JFET نوع کانال N

کاربردی مشابه ترانزیستور BJT دارند و جریانی که بین درین و سورس جریان دارد، تابع ولتاژ گیت است.

5. ترانزیستور JFET نوع کانال P

مشابه نوع N اما با منطق کنترلی معکوس است.

گیت های منطقی

در الکترونیک دیجیتال، گیت های منطقی یک سطح بالاتر از ترانزیستور ها قرار دارند و بلوک های تشکیل‌دهنده انواع مدارات دیجیتال هستند.

1. گیت AND

تنها زمانی خروجی آن‌ ها 1 است که تمام ورودی آن‌ ها 1 باشد. مثال: اگر دما محیط کمتر از 15 درجه بود و در باز شد، بخاری را روشن کن.

2. گیت OR

هر زمان که حداقل یکی از ورودی های آن‌ ها 1 باشد، خروجی 1 است. مثال: اگر لامپ اتاق روشن شد یا در باز شد، کولر را روشن کن.

3. گیت NOT

خروجی آن همواره معکوس ورودی آن است. اگر ورودی 1 باشد، خروجی 0 و اگر ورودی 0 باشد، خروجی 1 است. مثال: اگر لامپ روشن شد، فن را خاموش کن.

4. گیت بافر

خروجی آن، همانند ورودی آن است. اگر ورودی 1 باشد، خروجی 1 است و و اگر ورودی 0 باشد، خروجی 0 است. مثال: اگر لامپ روشن شد، کولر را روشن کن.

5. گیت NAND

تنها زمانی خروجی NAND 0 است که تمام ورودی آن‌ ها 1 باشد.

6. گیت NOR

هر زمان که تمام ورودی های آن 0 باشد، خروجی 1 است.

7. گیت XOR

زمانی که ورودی های آن یکسان نباشد (هر دو صفر یا هر دو یک نباشند) خروجی آن، 1 است. XOR به عنوان گیت NOT کنترل پذیر نامبرده می شود.

8. گیت XNOR

زمانی که ورودی های آن یکسان باشد (هر دو صفر یا هر دو یک باشد) خروجی آن، 1 است.

الکترونیک صنعتی

تریستور

نوعی دیود با ساختار PNPN است که توسط پایه Gate کنترل می‌شود و از عناصر سوئیچنگ در الکترونیک صنعتی به حساب می آید.

دیاک

نوع ی دیود جریان متناوب است و معمولاً در کنار ترایاک کاربرد دارد.

ترایاک

مشابه تریستور است با این تفاوت که برای کنترل جریان متناوب استفاده می شود. در انواع دیمر، کنترل سرعت موتور و … کاربرد دارد.

موتور

موتور ها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند و داری انواع و کاربردهای گوناگون هستند.

استپر موتور

استپر موتور ها در کاربردهایی که نیاز به دقت بالا و سرعت پایین وجود دارد (مانند اسکنر ها، پرینتر ها، CNC و …) مناسب هستند.

موتور DC و موتور AC

DC motor با ولتاژ DC و AC motor ها با ولتاژ AC کار می کنند. این نوع موتور ها توان و گشتاور بالایی ارائه می دهند.

باتری، منابع تغذیه و سایر

باتری انرژی شیمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و یکی از منابع ولتاژ در مدارات الکترونیکی است.

زمین

به عنوان نقطه مرجع مدار در نظر گرفته می‌شود و ولتاژ گره های مختلف را نسبت به آن می‌توان بیان کرد. زمین قطعه یا عنصر فیزیکی در مدار نیست، بلکه مفهومی است که در مدارات وجود دارد.

فیوز

اگر جریان عبوری فیوز، از مقداری مشخص بیشتر شود، اتصال باز می‌شود و جریان مدار را قطع می کند. به عنوان عنصر حفاظتی در مدارت کاربرد دارد.

آی سی

با تکنولوژی پیشرفته، مدارات پیچیده الکترونیکی را در ابعاد میکرومتر پیاده‌ سازی می شوند. این مدارت به صورت تراشه در اختیار مصرف کنندگان قرار می گیرد.

آنتن

امواج الکترومغناطیسی به وسیله آنتن دریافت یا ارسال می شود. کاربرد آنتن ها در مدارات مخابراتی و ارتباط بی سیم می باشد.

بلندگو

انرژی الکتریکی را به صوت تبدیل می کند.

میکروفن

امواج صدا را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

لامپ رشته ای

در اثر طریق گرم شدن فیلامنت، انرژی الکتریکی را به نور و گرما تبدیل می کند.

کریستال

در مدارات اسیلاتور مانند کلاک میکروکنترلر برای تولید پالس ساعت دقیق استفاده می شود.

ترانس

میدان مغتاطیسی را در سیم پیچ A ایجاد می‌کند(تبدیل الکتریسته به الکترومغناطیس) و در سیم پیچ B القاء می‌کند (تبدیل مجدد به الکتریسته)

رله

نوعی کلید که تحریک آن معمولاً توسط سیم پیچ انجام می‌شود. با استفاده از رله ها می‌توان ولتاژ بالا (مانند 220 ولت برق شهر) را با استفاده از ولتاژ پایین (مانند باتری ها) کنترل کرد.

پیاده‌ سازی شماتیک در نقشه خوانی بردهای الکترونیکی

برای تمرین نقشه خوانی برد الکترونیکی، دو مثال را به صورت عملی و روی برد بورد پیاده می کنیم. پیشنهاد می‌شود اگر قطعات مورد استفاده این مثال‌ها را در اختیار دارید به صورت عملی تمرین کنید.

مثال عملی 1: روشن کردن LED

شماتیک بسیار ساده زیر برای پیاده‌ سازی به ما داده شده است.

برای اجراء عملی، مراحل زیر را طی می کنم.

گام اول: تشخیص قطعات و اتصالات

باتری و ال ای دی دارای پلاریته هستند (مثبت و منفی آن‌ ها مهم است) در حالی که مقاومت بدون پلاریته است.

تشخیص پلاریته، خواندن مقدار مقاومت و … از تمرکز مطلب خارج است، با این حال:

LED: پایه بلند تر LED معمولاً آند و پایه کوتاه‌تر ، کاتد است.

باتری: سیم قرمز معمولاً مثبت و سیم مشکی منفی است.

مقاومت: مثبت و منفی ندارد. کد رنگی مقاومت 220 اهم به ترتیب قرمز، قرمز و قهوه ای است.

گام دوم: فراهم سازی قطعات

در این مدار ساده برای تغذیه از باتری لیتیوم پلیمر 3.7 ولت استفاده شده است.

گام سوم: پیاده‌ سازی مدار طبق اتصلات ارائه شده در شماتیک

اتصالات را بر اساس شماتیک انجام می‌دهیم و در نهایت مدار را تست می کنیم.

مثال عملی 2: مولتی ویبراتور آستابل با تراشه NE555

شماتیک مدار مولتی ویبراتور آستابل زیر با تراشه 555 به ما داده شده است.

برای اجراء عملی، مراحل زیر را طی می کنم.

گام اول: تشخیص قطعات و اتصالات

پلاریته LED و باتری (یا منبع تغذیه) مشابه مثال اول است.

خازن 0.1 میکروفاراد پلاریته ندارند ولی خازن 10 میکروفارادی از نوع الکترولیتی و دارای پلاریته می‌باشد. کاتد (منفی) خازن نواری سفید رنگ دارد.

برای تراشه NE555 (و تراشه های DIP مشابه) پایه شماره 1 با نقطه‌ای در بالای آن مشخص می‌شود و الباقی پایه‌ها در خلاف جهت عقربه های ساعت به ترتیب تعیین می شوند.

گام دوم: فراهم سازی قطعات

قطعات را طبق مقادیر تعیین شده توسط شماتیک، آماده می کنیم. در این مثال از ماژول DC به DC متغیر برای تأمین تغذیه مدار استفاده شده است.

گام سوم: پیاده‌ سازی مدار طبق اتصلات ارائه شده در شماتیک

اتصالات را بر اساس شماتیک انجام می‌دهیم و در نهایت مدار را تست می کنیم.

جمع‌بندی

یکی از مهارت های لازم برای مهندس یا مونتاژ کار بردهای الکترونیک، نقشه خوانی بردهای الکترونیکی است. برای شماتیک خوانی باید نماد استاندارد قطعات مختلف و حروف اختصاری آن ها را آموخت و با پیاده‌ سازی پروژه های عملی از روی شماتیک (برد بودر، PCB یا …) به آن تسلط پیدا کرد. تسلط به شماتیک، مهارتی ضروری برای طراحی، توسعه، مونتاژ یا حتی تعمیرات بردهای الکترونیکی است.