اكتشف أسرار الدوائر الإلكترونية #0004

[م.وليد الفرا]

اكتشف أسرار الدوائر الإلكترونية #0004

جهاز قياس نسبة الملح في السوائل

إكمالاً للجهود التي أرجو من الله أن تكون مثمرة وعملا بحديث المصطفى صلى الله عليه وسلم " خيركم من تعلم العلم وعلمه" أتابع السلسلة التي أجد راحة نفسية أثناء كتابة فصولها ومتنفس أسجل فيه شهادة أمام الله أنى حاولت أن أساهم في بناء الأمة بالقدر الذي قدره الله لي ومستعينا بما يسره الله لي من معلومات متواضعة أضعها على استحياء بين أيديكم داعيا المولى عز وجل أن تعود بالفائدة عليكم

……..

مقياس الملح هو جهاز يستطيع أن يعطيك انطباع أو فكرة عن محتوى الملح في السائل. بغمس مجس الجهاز في السائل يضيء أحد الليدات الثلاثة:
الليد الأصفر إشارة إلى أن نسبة الملح قليلة (أو شبه معدومة) (اقل من المعدل)
الليد الأخضر إشارة إلى أن نسبة الملح مقبولة (في المعدل المتوسط)
الليد الأحمر إشارة إلى أن نسبة الملح كبيرة (أعلى من المعدل)

دائرة اليوم هي دائرة بها بعض التكرار لكن بها جزء جديد وهام هو كيفية استخدام مكبر العمليات op-amp في قياس التغيرات الطفيفة جدا في الجهد أو التيار.

نصيحة: دائماً تحلى بالصبر، لا تتعجل، اقرأ الموضوع بالكامل لكي تفهمه فهماً جيداً ثم قرر ما إذا كنت ترغب في بناءه أم لا.

إليك أولا مخطط الدائرة (بعد المونتاج):

المصدر: http://www.redcircuits.com/Page68.htm

[م.وليد الفرا]

سأقدم الآن ترجمة لما أورده صاحب المقال.
يقول الرجل: تم تصميم الدائرة لتستشعر النسبة المئوية التقريبية لمحتوى الملح في السائل. بعد ضبط ومعايرة الجهاز بعناية سيكون هذا الجهاز مفيدا لاؤلئك الأشخاص الذين يريدون معرفة سريعة وتقريبية لمحتوى الملح في الأطعمة السائلة لأغراض الحمية الغذائية.
طريقة عمل الدائرة:
يعمل مكبر العمليات op-ampالأول (IC1A op-amp) على تكبير الفرق في الجهد المستمر بين طرفي المجس، ويظهر الخرج المُكّبر عند الطرف 1 للدارة المتكاملة LM324. كلما قلت المقاومة المُقاسة بين طرفي المجس، كلما زاد جهد الخرج المُكّبر عند الطرف 1 (تعليق: هذا الكلام صحيح إذا كنت فاهم ماذا يقصد مصمم الدارة، لكنه خطأ إذا تم إطلاقه على العموم، سأوضح ذلك بشيء من التفصيل عندما يأتي دوري في شرح عمل الدائرة). يتابع مصمم الدائرة الشرح قائلاً: في الحقيقة مقاومة الماء العذب (الخالي تقريبا من الأملاح) عالية نسبيا، وتقل مقاومة هذا الماء كلما زاد المحتوى الملحي لهذا الماء (يعني الماء المالح اقل مقاومة من الماء العذب لان الملح يزيد التوصيلية فتقل المقاومة).
مكبرات العمليات الثلاثة الباقية (IC1B, IC1C and IC1D) تعمل كمقارنات comparators وتضيء أحد الليدات الثلاثة D5, D4 , D3 عند زيادة قيمة الجهد الواصل إلى مداخلها العاكسة inverting inputs. وعليه فانه لن يضيء أي ليد عندما يكون المحتوى الملحي للسائل المُقاس قليل جداً. وعندما يكون المحتوى الملحي قليلا يضيء الليد الأصفر، وعندما يكون المحتوى عادي يضيء الليد الأخضر وعندما يكون المحتوى الملحي عالي يضيء الليد الأحمر.
يوجد في الدائرة ليدين أحمرين آخرين هما D1 and D2 ، هذان اللدان يكونان مضيئان باستمرار، والهدف من وجودهما هو إيجاد أو الحصول على جهد ثابت لضمان دقة عمل الدائرة. عند الطرف الموجب (انود) الليد الأحمر D2 يتشكل مصدر جهد ثابت عند القيمة 3,2 فولت لتغذية المداخل غير العاكسة non-inverting inputs للمُقارنات الثلاثة من خلال سلسلة من المقاومات هي R8, R9 and R10 . عند الطرف الموجب (انود) الليد الأحمر D1 يتشكل مصدر جهد ثابت عند القيمة 1,6 فولت لتغذية المجس والمقاومة المتغيرة R4. يمكن استخدام أحد هذين اللدين كإشارة إلى أن الجهاز شغال أو طافي لانهما يعملان بمجرد توصيل البطارية بالجهاز (سقط سهوا مني أثناء مونتاج المخطط أن وضعت القيمة 1,8 بدل 1,6 فولت، وضعف هذه القيمة أي 3,6 بدل 3,2 فولت، لكن على العموم جميع القيم سواء التي ذكرها المصمم أو التي كتبتها أنا ليست دقيقة وتحتاج إلى تعديل كما سيتضح من الشرح لاحقا).

[م.وليد الفرا]

مجس الجهاز:
يتابع الرجل قائلا: انه وجد بالتجربة أن افضل وارخص مجس يمكن الحصول عليه باستخدام (مش عارف اسمه بالعربي خلينا نقول قابس السماعة) . Mono jack plug وهذه صورته:

يتم وصل طرفي القابس مباشرة في الدائرة، وان كنت تريد أن يكون المجس طويلا استخدم قطعة سلك هوائي a piece of screened cable في التوصيل بين الدائرة والمجس انظر صورة سلك الهوائي:

الجسم المعدني لقابس السماعة مكون من جزأين بطولين مختلفين، يفصل بينهما حلقة سوداء من البلاستيك. عليك أن تحاول تغطية أو عزل الجزء الطويل من الجسم بلاصق عازل بحيث ينكشف من 8 إلى 10 ملم بادئا من الحلقة السوداء. الهدف من ذلك أن يكون طول الجزء المعرض من الجسم له نفس طول الرأس للحصول على دقة اكبر. عند القياس اغمس القابس في السائل وشاهد الليد المضيء.
ملاحظات:
 انتظر 30 ثانية على الأقل للحصول على قراءة اكثر واقعية.
 اغسل وجفف المجس بعد كل قياس
 لضبط ومعايرة الجهاز للحصول على قراءات أدق استخدم فولتميتر DC متصل بين الطرف 1 من الاي سي والأرضي لمراقبة الجهد.
 اضبط المقاومة المتغيرة R4 حتى تحصل على قراءة جهد = صفر عند الطرف 1 للاي سي أثناء غمس المجس في ماء عذب.
 يمكن أيضا تغيير قيمة الجهد الذي يضيء عنده ليد معين من خلال المقاومة المتغيرة R4 و R8 لتغيير جهد الليد الأخضر وR9 لتغيير جهد الليد الأصفر.
 المفتاح P1 هو مفتاح كبسه pushbutton لتشغيل الجهاز فقط عند القياس، لكن يمكن استبداله بمفتاح آخر من النوع الثابت الوضعية SPST switch (انظر الصورة التالية).

هذا كل ما قيل عن الدائرة وطريقة عملها وبناءها، نأتي الآن إلى الإضافات التي أريد أن أضيفها لتكتمل الصورة وتعم الفائدة.

[م.وليد الفرا]

تمهيد:
تكمن أهمية هذا الدائرة من وجهة نظري- في مراحل بناءها وفي ذاتها. والمقصود من ذلك أن الدائرة في حد ذاتها مهمة ومفيدة في الواقع ولها تطبيقات مفيدة، كما أنها تحتوي على بلوكات هامة لا يستغني عن فهمها جيدا أي دارس أو مهتم بعلم الإلكترونيات والتصميم.
أنا شخصيا بنيت الدائرة واستمتعت بأدائها الرائع وبإمكانية ضبطها ومعايرتها لتلائم أي شروط ترغب بها.
أهم المراحل (البلوكات) في الجهاز: سيتركز الحديث عن
1- مرحلة المُقارن comparator
2- مرحلة مكبر الفرق بين إشارتين Differential Amplifier
- نبذة حول الليد الضوئي LED
- نبذة حول طرق المعايرة والضبط على أساس علمي.
أولاً: المقارن:المقارن عبارة عن مكبر عمليات op-amp نصل أحد مدخليه بجهد ثابت مرجعي ونصل المدخل الآخر بالإشارة المراد مقارنتها (انظر الشكل التالي)

وهناك حالتين:
الحالة الأولى:
إذا تم توصيل جهد المرجع بالمدخل غير العاكس (+) والإشارة المراد مقارنتها بالمدخل العاكس (-) فان الخرج يكون = جهد البطارية الموجب (تقريبا) طالما كان جهد المرجع الثابت اكبر من جهد الإشارة، ويتحول الخرج إلى صفر فولت عندما يصبح جهد الإشارة اكبر من جهد المرجع. مثال:

مصدر التغذية (البطارية مثلاً) = 9 فولت. عند تطبيق جهد مرجع ثابت = 5 فولت على المدخل غير العاكس ثم تطبيق إشارة على المدخل العاكس اقل من 5 فولت ولتكن 4 فولت مثلا فان الخرج سيكون = جهد البطارية تقريبا أي 9 فولت (أنظر الشكل أعلاه).
عندما يصبح جهد الإشارة اكبر من جهد المرجع الثابت أي اكبر من 5 فولت سيتحول الخرج إلى صفر فولت. عندما نقول اكبر أو اقل نقصد بفرق ضئيل جدا يصل إلى بضعة ميللي فولت حسب نوع مكبر العمليات المستخدم.
الحالة الثانية:إذا تم توصيل جهد المرجع بالمدخل العاكس (-) والإشارة المراد مقارنتها بالمدخل غير العاكس (+) فان الخرج يكون = جهد البطارية الموجب (تقريبا) طالما كان طالما كان جهد المرجع الثابت اقل من جهد الإشارة، ويتحول الخرج إلى صفر فولت عندما يصبح جهد الإشارة اقل من جهد المرجع. باختصار عكس الحالة الأولى.
كيف أنا حافظها وما بلخبط فيها؟
لكي يكون الخرج موجب (= جهد المصدر أو البطارية) يجب أن يكون جهد الشيء الموصول على المدخل (+) اكبر من جهد الشيء الموصول على المدخل (-). والعكس صحيح أي لكي يكون الخرج صفر يجب أن يكون جهد الشيء الموصول على المدخل (+) أقل من جهد الشيء الموصول على المدخل (-) والسلام عليكم.

[م.وليد الفرا]

تعال نشوف دائرتنا شو معمول فيها؟؟
إليك مخطط الدائرة مرة أخرى للتسهيل عليك:

لي سؤالين، أرجو ان تفكر فيهما قبل النظر إلى الإجابة، هما:
أولا: متى يضيء الليد الأحمر أو الأصفر أو الأخضر، اقصد ماذا يجب أن يكون خرج المقارن الخاص بـِ ليد معين لكي يضيء؟
ثانياً: هل يمكن أن يضيء اكثر من ليد من الثلاثة في نفس اللحظة؟
الإجابة سهلة وواضحة للمنتبه معنا وطبعا صعبة وغائبة للذي يعتقد انه يقرأ قصة! واضح من الشكل أن سالب (كاثود) كل ليد متصل بخرج المقارن وعليه يجب أن يكون خرج المقارن صفر لكي يضيء الليد. تأمل الليد الأحمر تجد أن طرفه الموجب (الانود) متصل عبر المفتاح بموجب البطارية ولكي يضيء يحتاج أن يكون الجهد عند الطرف 7 للمقارن صفر.
أي مقارن إن لم يكن خرجه = موجب البطارية (أي 9 فولت) يجب أن يكون خرجه صفر.
إذن نحن نحتاج في كل حالة أن يكون خرج المقارن = 0 فولت لكي يضيء الليد المرتبط به.
لا يمكن نظريا أن يكون خرج مقارنين أو اكثر = صفر فولت في نفس اللحظة خصوصا مع دائرة مصممة بعناية مثل دائرتنا اليوم.
من هنا إذا فرضنا أن المقارن المرتبط بالليد الأصفر كان خرجه صفر فان خرج المقارنين الآخرين بالتأكيد سيكون = 9 فولت. تأمل الفقرة الأخيرة وانظر للدائرة ولاحظ التالي:
جهد الطرف 14 = صفر
إذن جهد الطرف 8 = 9 فولت
وجهد الطرف 7 = 9 فولت
إذن الليد الأحمر متصل بـِ 9 فولت من فوق ومن تحت ……. لن يضيء
الليد الأخضر متصل بـِ 9 فولت من فوق ومن تحت ……. لن يضيء
يبقى الليد الأصفر متصل بـِ 9 فولت من فوق وبصفر فولت من تحت …… سيضيء لوحده.
أنت الآن فكر لو كان خرج الطرف 8 = صفر فولت واكتشف أي ليد سيضيء وأيها سيبقى طافي ولماذا؟
السؤال الآن: متى يكون خرج المقارن = صفر فولت؟ تأمل الشكل مرة أخرى، سنأخذ على سبيل المثال المُقارن الأصفر اللون المسؤول عن إضاءة الليد الأصفر. لكي يكون الخرج عند الطرف 14 مساويا صفر، يجب أن تكون قيمة الجهد عند الطرف 13 اكبر منها عند الطرف 12. عندما تكون قيمة الجهد عند الطرف 12 اكبر منها عند الطرف 13 سيكون الخرج على الطرف 14 = 9 فولت تقريباً. لو سمحت انظر إلى بقية المقارنات وتوقع متى يكون الخرج 0 فولت ومتى يكون 9 فولت.

[م.وليد الفرا]

كيف نحصل على جهد مرجعي ثابت القيمة تقريباً؟
أي دائرة تحتوي على اكثر من مقارن يتم استخدام مُثبت جهد ومن ثم يتم تقسيم هذا الجهد إلى نسب مختلفة حسب الغرض بواسطة مقاومات. مثبت الجهد يكون أحد العناصر الإلكترونية التالية:
1- منظم جهد عادي Voltage regulator من السلسلة 78XX بالقيمة المناسبة.
2- ديود زينر بالقيمة المناسبة ويمكن أن نضيف له ديود عادي أو اكثر على التوالي لزيادة قيمة جهد التنظيم.
3- ديودات عادية فقط متصلة معا على التوالي، فمثلا إذا أردت تنظيم الجهد عند 2,1 فولت صل 3 ديود عادي على التوالي ( 3×0,7 = 2,1).
4- منظم الجهد المبرمج TL431 انظر الرابط: http://www.qariya.info/vb/showthread.php?t=12970&page=3
5- بواسطة ليد ضوئي واحد أو اكثر أيضاً متصلة على التوالي، حيث يتراوح الهبوط في الجهد على الليد الأحمر الواحد من 1,5 إلى 2,4 فولت، وليس قيمة ثابتة = 1,6 كما ذكر مصمم الدائرة أو 1,8 فولت كما ذكرت أنا ووضعتها على المخطط، بل متراوحة حسب قيمة التيار المار والذي يعتمد على المقاومة الموصولة بين البطارية والليد. الشكل التالي يعرض أحد مواصفات الليد الأحمر لإحدى الشركات المصنعة له.

والشكل التالي يعرض كيف تتغير قيمة جهد الليد الأحمر حسب شدة التيار المار فيه (مثل أي ديود عادي)

الملاحظة الهامة هنا، والتي يمكن أن تكون قد تبادرت إلى ذهنك، هي كيف يكون الجهد على الليد متغير حسب التيار وأنت يا سيد "وليد" تقول أنني استخدمه كجهد مرجع ثابت القيمة!؟ نعم معك حق أن تقول كذلك، لكنني أرد عليك قائلا إن الجهد يتغير حسب التيار الذي تحدده المقاومة، لكن عندما اختار مقاومة مثل R7 قيمتها = 680 أوم لتغذي الليد هنا احصل على قيمة جهد ثابتة تقريبا ولا تتغير وهي بحدود 2 فولت (بالقياس)، لتجعل جهد الليد اقل من 2 فولت عليك أن تكبر قيمة المقاومة R7 وتجعلها 1 كيلو مثلاً. إذن جهد الليد متغير حسب قيمة المقاومة المستخدمة قبله لكنه يثبت عند اختيار قيمة معينة.
واضح من كل ما سبق أن مصمم الدائرة اختار زوج من الليدات الضوئية للحصول على قيمة جهد مرجع ثابتة.

[م.وليد الفرا]

على اعتبار أن جهد الليد الواحد = 2 فولت تقريبا فان جهد المرجع المتصل بالمقارنات الثلاث هو 4 فولت تم تقسيمه بينها بواسطة المقاومات R8, R9, R10 كما يلي:

في الشكل أعلاه، التيار I هو التيار المار من النقطة 4 فولت عند الطرف رقم 5 للمقارن الأحمر مرورا بالمقاومات R8 و R9 و R10 إلى الأرضي (سالب البطارية).
الآن، ومن الشكل أعلاه نلاحظ أن خرج المقارن الأصفر (الطرف 14) يكون صفر عندما يكون جهد الإشارة الداخلة إلى الطرف 13 اكبر من 0,95 فولت.
متى يتحول حرج المقارن الأخضر إلى القيمة صفر؟
متى يتحول حرج المقارن الأحمر إلى القيمة صفر؟
انتبه: لا تتجاهل الأسئلة حاول أن تحلها، لا تستهين بالمعلومات مهما اعتقدت أنها تافهة، الجبل الضخم عبارة عن ملايين حبات الرمل. تأكد دائما انك فهمت كل صغيرة وكبيرة وخذ كامل حقك في السؤال عما استعصى عليك فهمه.
السؤال الهام: افرض أن شروط التشغيل تفرض عليك أن يكون خرج المقارن الأصفر صفر عندما يكون جهد إشارة الدخل على الطرف 13 = 0,5 فولت، ماذا يجب أن تكون قيمة المقاومة R10؟
اكرر السؤال بالنسبة للمقارن الأخضر، ماذا يجب أن تكون قيمة المقاومة R9 ليكون خرج المقارن الأخضر صفر عندما يكون جهد إشارة الدخل 1,5 فولت؟
أيضا بالنسبة للمقارن الأحمر، ما هو التعديل المناسب ليصبح خرج المقارن الأحمر صفر عندما يكون جهد إشارة الدخل 6 فولت؟
كل هذه التعديلات قد تحتاج إليها عند العمل مع دوائر المقارن، فمثلا لو استخدمت المقارنات مع دائرة لشحن البطارية، أنت هنا تحتاج إلى مقارن ليتخذ القرار لإيقاف عملية الشحن عند وصول جهد البطارية إلى قيمة معينة. أنت أيضا تحتاج إلى ثلاث مقارنات مرتبطة بعدد من الليدات الضوئية لبيان مستوى الشحن، يعني اصفر = ضعيفة، اخضر عادية، احمر مليانه على الآخر، كل ذلك يتم حسب رغبتك ورؤيتك للأمور ويعتمد على فهمك الجيد لموضوع معين.

[م.وليد الفرا]

ثانياً: مرحلة مكبر الفرق بين إشارتين Differential Amplifier
مكبر الفرق بين إشارتين هو عبارة عن مكبر عمليات op-amp متصل بالطريقة التالية:

(أنا آسف بسبب عدم الوضوح التام للشكل أعلاه لكن هذا ما توفر عندي)
مكبر الفرق بين إشارتين تدخل إليه إشارتين e1 و e2 بينهما فرق في الجهد (أي فرق مهما كان متناهياً في الصغر) فيكبر الفرق بينهما بمقدار قسمة R2 على R1. فمثلا لو كان الفرق بين الإشارتين الداخلتين هو 100 ميكروفولت (لاحظ فرق متناهي في الصغر) وكانت R2 تساوي 10 ميجا أوم وR1 تساوي 1 كيلو أوم فان الإشارة الناتجة eo ستساوي عندئذٍ
eo = 100u * (10M/1k) = 1 volt
لاحظ أن الجهد الأكبر يكون متصل بالمدخل غير العاكس (+) لمكبر العمليات.
من التطبيقات التي يسعدني أن الفت انتباهك إليها والتي تبين الأهمية البالغة لمكبر الفرق بين إشارتين Differential Amplifier هو استخدامه في مراقبة التيار، حيث انه –كما ذكرت آنفا يستطيع ملاحظة أدنى فرق في الجهد مهما كان صغيرا، ومن هنا فانه على سبيل المثل يمكن استخدامه في مراقبة تيار الشحن للبطارية وإيقاف عملية الشحن عند وصول التيار إلى قيمة قليلة لان البطاريات كما هو معلوم تبدأ بسحب تيار عالي ينخفض تدريجيا بمرور الوقت حتى يصل إلى قيمة قليلة.
الدائرة التالية تراقب التيار المار في مقاومة صغيرة جدا موضوعة ليحدث عليها فرق صغير في الجهد:

عليك أن تتصور أن مصدر الشحن موضوع إلى يسار المقاومة الصغيرة القيمة Rs وان البطارية موضوعة إلى يمينها، من هنا يكون الجهد على يسار Rs اكبر منه على يمينها بمقدار حاصل ضرب شدة التيار × Rs. لاحظ أيضا أن المدخل غير العاكس لمكبر العمليات متصل بالنقطة الأعلى جهدا في حين يتصل المدخل العاكس بالنقطة الأقل جهدا. خرج مكبر العمليات Vout هنا = الفرق في الجهد على المقاومة Rs في حاصل قسمة R2 على R1.