מבוא
ברוך הבא למבוא למעגלים חשמליים! אחד הדברים הראשונים שתתקלו בהם כשתלמדו על אלקטרוניקה הוא המושג מעגל. מדריך זה יסביר מהו מעגל ויצלול לקצת יותר פרטים על מתח.זהו מעגל חשמלי פשוט הכולל כפתורים (TODO - button), לדים ונגדים, אבל מחוברים בצורה קצת שונה.
מדריכים מומלצים:
כדי שתוכלו להבין את כל פרטי המדריך, רצוי שתכירו כמה מהמושגים הבאים:יסודות של מעגל חשמלי
מתח, ואיך זה עובד
בטח שמעתם לא פעם שלסוללה או לשקע שבקיר יש כמות מסויימת של וולט (volts). זהו מדד של כמה פוטנציאל חשמלי מיוצר ע"י הסוללה או ע"י רשת החשמל שמגיעה לשקע. כל הוולטים האלה יושבים שם ומחכים שתשתמשו בהם, אבל יש קאטץ': כדי שהחשמל יעשה משהו, הוא צריך להיות מסוגל לנוע/לזרום. זה כמו בלון מלא אוויר, אם תחזיקו את החור סגור, יהיה בבלון זה אוויר שיוכל לעשות משהו אם ישתחרר, אבל הוא לא יעשה כלום עד שלא תשחררו אותו.
בשונה מאוויר שיוצא מהבלון, חשמל יכול לזרום רק דרך חומרים שמוליכים חשמל, כמו חוט נחושת למשל. אם תחברו חוט לסוללה או שקע (אזהרה: המתח בשקע החשמל מסוכן, אל תעשו את זה!), תספקו לחשמל מסלול לזרום דרכו. אבל אם החוט לא מחובר לשום דבר אחר, לחשמל לא יהיה לאן לזרום, כך שלא יקרה כלום.
אז מה גורם לחשמל לזוז/לזרום? החשמל רוצה לזרום ממתח גבוה למתח נמוך. זה בדיוק כמו בבלון, האוויר הדחוס שבבלון רוצה לזרום מתוך הבלון (לחץ גבוה) החוצה (לחץ נמוך). אם תייצרו מסלול מוליך בין מתח גבוה יותר למתח נמוך יותר, החשמל יזרום דרך המסלול הזה. ואם תכניסו משהו שימושי לתוך המסלול הזה, כמו לד למשל, הזרימה של החשמל תעשה עבודה, כמו הדלקת הלד. הללויה!
אז, איפה אתם מוצאים מתח גבוה ומתח נמוך יותר? הנה משהו שחשוב לדעת: לכל מקור מתח יש שני צדדים. אתם יכולים לראות את זה על סוללות, שיש להן קצוות מתכתיות משני הצדדים, או שקע חשמל שיש לו 2 (או יותר) חורים. לסוללות ומקורות מתח DC אחרים (ראה זרם חילופין (AC) לעומת זרם ישר (DC)), הצדדים האלה (בדרך כלל מכונים גם כטרמינלים - terminals) נקראים צד חיובי (או פלוס +), וצד שלילי (או מינוס -).
למה בעצם לכל מקור מתח יש שני צדדים? זה מגיע מההגדרה של "פוטנציאל", ומזה שצריך הפרש מתחים כדי שהחשמל יזרום. זה נשמע מטופש, אבל אי אפשר לקבל הפרש אם אין לכם שני דברים שהם שונים. בכל מקור מתח יהיה צד חיובי עם מתח גבוה יותר מהצד השלילי, שזה בדיוק מה שאנחנו רוצים. למעשה, כשאנחנו מודדים מתח, אנחנו בדרך כלל אומרים שהצד השלילי הוא 0 וולט, והצד החיובי הוא המתח שהספק או מקור המתח יכול לספק.
מקורות מתח הם כמו משאבות אוויר. למשאבות תמיד יש שני צדדים, יציאה שנושפת אוויר החוצה, וכניסה שיונקת פנימה. סוללות, גנרטורים ופנלים סולריים עובדים באותה הצורה. משהו בתוכם עובד קשה כדי לדחוף את החשמל החוצה (הצד החיובי), אבל החשמל שיוצא מהמתקן מייצר ריק/ואקום (void), מה שאומר שהצד השלילי צריך למשוך את החשמל פנימה כדי למלא את מה שיצא.
במקור, בנג'מין פרנקלין (Benjamin Franklin) כתב שהחשמל זורם מהצד החיובי של מקור המתח אל הצד השלילי. אבל לפרנקלין לא היה שום דרך לדעת שהאלקטרונים למעשה זורמים בכיוון ההפוך - ברמה האטומית הם יוצאים מהצד השלילי ומגיעים לצד החיובי. מכיוון שהמהנדסים הלכו בעקבותיו של פרנקלין במשך מאות שנים לפני שגילו את האמת, אנחנו עדיין משתמשים בגישה "הלא נכונה" עד עצם היום הזה. מבחינה פרקטית הפרט הזה לא כל כך משמעותי, כל עוד כולם משתמשים מאותה הגישה, כולנו יכולים לבנות מעגלים שעובדים כמו שצריך.
אז מה למדנו עד עכשיו?
- מתח הוא פוטנציאל, והחשמל צריך לזרום כדי לעשות משהו שימושי
- חשמל זקוק למסלול דרכו הוא יוכל לזרום, שצריך להיות מוליך חשמלית, כמו חוט נחושת
- החשמל יזרום ממתח גבוה יותר למתח נמוך יותר
- למקורות מתח תמיד יש שני צדדים הנקראים צד חיובי וצד שלילי, כאשר בצד החיובי המתח יהיה גבוה יותר מאשר בצד השלילי
המעגל הפשוט ביותר
אנחנו סוף סוף מוכנים לגרום לחשמל לעבוד בשבילינו! אם נחבר את הצד החיובי של מקור המתח, דרך משהו שימושי כמו לד (LED), ובחזרה לצד השלילי של מקור המתח, אז המתח, או יותר נכון הזרם יזרום. אפשר לשים במסלול הזרימה דברים שימושיים שונים, כמו לדים שידלקו, מנועים שיסתובבו וכו'.
מסלול מעגלי זה, שדרוש כדי לגרום לחשמל לזרום ולעשות משהו מועיל, נקרא מעגל. מעגל הוא מסלול שמתחיל ומסתיים באותה הנקודה, שזה בדיוק מה שקורה אצלינו.
בקישור זה תוכלו לראות סימולציה של זרימת הזרם דרך מעגל פשוט.
מעגל קצר ומעגל פתוח
מהו "עומס"?
הסיבה שאנחנו רוצים לבנות מעגל זה לגרום לחשמל לעשות משהו שימושי בשבילינו. הדרך לעשות זאת היא לחבר למעגל דברים שישתמשו בזרימת הזרם כדי להדלק, לייצר רעש, להריץ תוכנות וכו'.דברים אלה נקראים "עומסים", מכיוון שהם מעמיסים על מקור המתח, בדיוק כמו שאתם "מועמסים" כשאתם סוחבים משהו. ובדיוק כמו שאתם יכולים להיות מועמסים עם יותר מדי משקל, אפשר להעמיס את הספק יותר מדי, כך שזה יגרום להאטה של זרימת הזרם. אבל בשונה אליכם, אפשר להעמיס את מקור המתח בצורה ההפוכה - מה שיגרום ליותר מדי זרם לזרום (דמיינו את עצמכם רצים מהר מדי אם אין לכם משקל בכלל), מה שיכול לגרום לשריפת רכיבים או אפילו להרס ספק הכח.
תוכלו ללמוד הכל על מתח, זרם ועומסים במדריך מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם. אבל בינתיים, בואו נלמד על שני מקרים מיוחדים של מעגל: מעגל קצר ומעגל פתוח. הבנה של שני המקרים האלה תעזור מאוד לפתרון בעיות במעגלים שלכם.
מעגל קצר
אל תעשו את זה! אבל אם אתם מחברים חוט בין הצד החיובי והשלילי של מקור מתח, תייצרו את מה שנקרא מעגל קצר. זה רעיון לא כל כך מוצלח.
זה נראה כמו מעגל היעיל ביותר, אז למה זה רעיון רע? תזכרו שזרם החשמלי רוצה לזרום ממתח גבוה למתח נמוך יותר, ואם תוסיפו עומס לזרימה זו, תוכלו לעשות משהו שימושי כמו להדליק לד.
אם אתם מוסיפים עומס למעגל, הזרם שיזרום דרך המעגל יהיה מוגבל למה שההתקן שלכם צורך, שזה בדרך כלל לא הרבה. אבל אם אתם לא מוסיפים משהו שמגביל את הזרם, לא יהיה משהו שיאט את הזרימה, והוא ינסה להגיע לאינסוף!
מקור המתח שלכם לא יכול לספק זרם איסופי, אבל הוא יספק כמה שהוא יכול, וזה יכול להיות די הרבה. זה יכול לגרום לחוטים להישרף, לגרום נזק לספק הכוח, לרוקן את הסוללות או לגרום לדברים מלהיבים אחרים. רוב הסיכויים שלמקור המתח שלכם יהיה איזה שהוא מנגנון הגנה להגבלת זרם מקסימלי אפילו במעגל קצר, אבל זה לא תמיד המצב. זו הסיבה למה בכל הבתים ובניינים מתקינים מפסקים קופצים, כדי למנוע שרפה שיכולה להיגרם מקצר בין החוטים.
בעיה קשורה לזה היא בטעות לאפשר יותר מדי זרם במעגל, וכך לגרום לרכיבים להישרף. זה לא ממש מעגל קצר, אבל קרוב לזה. לרוב זה קורה כשמשתמשים בערך לא נכון של נגד, שמאפשר ליותר מדי זרם לזרום דרך רכיב אחר, כמו לד לדוגמה.
בשורה תחתונה: אם אתם שמים לב שרכיב כלשהו מתחיל להיות חם מדי או נשרף, כבו מיד את המתח וחפשו אפשרות של קצר.
מעגל פתוח
ההפך שך מעגל קצר זה מעגל פתוח. זהו מעגל בו הלולאה לא סגורה (ולמעשה זהו לא ממש מעגל בכלל).
בשונה ממעגל קצר, שום דבר לא יפגע מ"מעגל" כזה, אבל הוא גם לא יעבוד. אם מעגלים חשמליים זה משהו חדש בשבילכם, לפעמים זה יכול להיות די קשה למצוא את הנתק, במיוחד אם אתם משתמשים במטריצה, בה כל החיבורים מוחבאים.
אם המעגל שלכם לא עובד, רוב הסיכויים שיש נתק וזהו מעגל פתוח. לרוב זה קורה בגלל חיבור לא טוב או חוט מנותק. (קצרים יכולים לזלול את כל הכוח משאר המעגל שלכם, כך שרצוי לחפש גם אותם במקרה שיש בעיה.)
טיפ:
אם אתם לא מצליחים למצוא את הנתק, רב-מודד יכול להיות מאוד שימושי. אם תכוונו אותו למדידת מתח, תוכלו למדוד את המתח בכמה מקומות של המעגל המחובר, ובסופו של דבר למצוא את הנקודה בה המתח לא עובר הלאה.
לאן ממשיכים?
הרגע למדנו, בצורה המופשטת ביותר, מהו מעגל. ככל שתמשיכו ללמוד, תפגשו מעגלים מורכבים יותר, הכוללים לולאות רבות והרבה יותר רכיבים בתוכו. אבל כל המעגלים, לא משנה עד כמה הם מסובכים, יתנהגו לפי אותם הכללים כמו המעגל הבסיסי עם לולאה אחת כמו שפגשתם במדריך זה.המסע שלכם לעולם האלקטרוניקה רק מתחיל, הנה כמה נושאים נוספים שכדאי לכם לחקור:
- מטריצה היא כלי שימושי שיאפשר לכם לבנות במהירות מעגלים זמניים ע"י שימוש בחוטי גישור. אנחנו משתמשים בהם כל הזמן. אנחנו ממליצים לקרוא את המדריך עבודה עם חוטים שיעזור לכם בבניית מעגלים
- רב מודד מאפשר למדוד מתח, זרם והתנגדות וזהו כלי עזר מעולה לחיפוש אחר בעיות במעגל
- מעגלים מגיעים בגדלים, צורות ותצורות שונות. בדקו את המדריך למעגלים טוריים ומקבילים כדי לראות דרגת מורכבות הבאה
הנה כמה מדריכים על רכיבים נפוצים שבדרך כלל תשתמשו כשתבנו מעגלים:
- דרך נהדרת ללמוד על מעגלים היא לבנות אחד. המדריך לדים - LEDs יראה לכם איך להדליק אחד או כמה לדים
- נגדים הם רכיבים הנפוצים ביותר במעגלים.
- קבלים מופיעים בהרבה מעגלים. כך גם דיודות.
