الأجهزة الإلكترونية عالم فسيح بلا حدود، شهد تطوراً ملحوظاً بفضل استخدام العديد من التقنيات الحديثة في خدمة الإنسانية.
ويعتبر الترانزستور من أهم هذه الأجهزة والذي يتمتع بالعديد من الشعبية والاستخدامات.
وفي مقالتنا اليوم سنتناول استخدام الترانزستور كمفتاح إلكتروني.
تعريف الترانزستور
- يعد الترانزستور من أبرز اختراعات العصر الحديث في مجال الإلكترونيات.
- الترانزستور هو عنصر إلكتروني صغير يتكون من مواد شبه موصلة.
- يحتوي الترانزستور على ثلاث أطراف، حيث تكون المواد شبه الموصلة متماثلة في الأطراف ومختلفة في الجزء المركزي.
- بينما الجزء الأوسط له خصائص مختلفة.
- يعمل الترانزستور كبديل للأنابيب المفرغة الكبيرة، وينقسم إلى نوعين رئيسيين معروفين على نطاق واسع: PNP وNPN.
- تم اختراع الترانزستور من قبل العلماء جون باردين، ووالتر براتين، وويليام شوكلي خلال الحرب العالمية الثانية.
- وتحديداً في عام 1947، فاز هؤلاء العلماء بجائزة نوبل في الفيزياء تقديراً لأبحاثهم في مجال الترانزستورات.
- حصل جون باردين على جائزة نوبل الثانية له عام 1972 لأبحاثه في المواد فائقة التوصيل.
استخدامات الترانزستور كمحول
يلجأ الكثير من الأشخاص إلى استخدام الترانزستور كمفتاح للتحكم في توصيل وفصل التيار الكهربائي.
ويمكن توضيح ذلك من خلال دائرة كهربائية بسيطة تتكون من:
- مصدر جهد متصل بمقاومة.
- يتم توصيل المقاوم بمفتاح أو بالأرض.
- عند فتح المفتاح، يكون الجهد على طرفي المقاومة مساويًا لجهد المصدر ولا يتدفق تيار.
- عند إغلاقه، يصبح الجهد على طرفي المقاومة المتصلة بالمفتاح صفرًا.
- يتشكل فرق الجهد حول طرفي المقاومة، مما يسمح للتيار الكهربائي بالمرور.
عند إدخال الترانزستور كعنصر أساسي في الدائرة تكون آلية العمل كما يلي:
- عندما يكون التيار في القاعدة (ib) صفرًا، يعمل الترانزستور كمقاومة عالية، مما يمنع تدفق التيار الكهربائي.
- في هذه الحالة، هو مثل المفتاح المفتوح.
- وعلى العكس من ذلك، عندما يكون التيار في القاعدة عند قيمته القصوى.
- وهذا يخلق فرق جهد بين الطرفين، مما يسمح بمرور التيار الكهربائي.
- في هذه الحالة، هو مثل مفتاح مغلق.
ما هي أطراف الترانزستور؟
تحتوي الترانزستورات على ثلاث أطراف رئيسية: القاعدة، والمجمع، والباعث، وكل منها يؤدي وظيفة محددة:
- الباعث هو الطرف الجانبي الذي يحتوي على تركيز عالي من الشحنات الكهربائية ويرمز له بالحرف (E).
- ومن خلال هذا الطرف يتم توليد الإلكترونات وبالتالي يتم إنتاج تيار كهربائي.
- المجمع، الذي يرمز له بالحرف (C)، هو الطرف الآخر حيث يكون تركيز الشحنة أقل مقارنة بالباعث.
- يجمع التيار القادم من الباعث.
- القاعدة وهي الطرف الوسيط بين المجمع والباعث، تتحكم في اتجاه وكمية التيار الكهربائي، ويرمز لها بالحرف (B).
عوامل استخدام الترانزستور كمحول
هناك العديد من الحالات التي يجب فيها استخدام الترانزستور كمفتاح، ومن أبرزها:
- حالة الانفصال: حيث يقوم الترانزستور بفصل التيار الكهربائي المار عبر المجمع والباعث.
- يمكن تشبيهه بمفتاح مفتوح في هذه الحالة.
- في الحالة: التيار في القاعدة متصل، مما يسمح للتيار بالمرور عبر الترانزستور ويجعل الدائرة مغلقة.
لذلك يجب مراعاة بعض العوامل عند اختيار الترانزستور لاستخدامه كمفتاح في الحالتين السابقتين:
- يجب معرفة الحد الأقصى للجهد والتيار الذي يمكن للترانزستور التعامل معه قبل استخدامه.
- تحديد نوع الترانزستور هل هو NPN أو PNP.
- تعرف على أطراف الترانزستور.
- اقرأ ورقة البيانات الفنية للترانزستور لفهم خصائصه.
- قيمة بيتا للترانزستور والمقاومة الأساسية.
ما هي أنواع الترانزستورات؟
هناك أنواع عديدة من الترانزستورات، كل منها يختلف قليلاً عن الآخر، لكن كل نوع له استخدامه الخاص.
ويمكن تلخيص هذه الأنواع فيما يلي:
- عند استخدامه كشبه موصل، هناك أنواع معروفة مثل:
- السيليكون، الزرنيخ، كربيد السيليكون، الغاليوم، الجرمانيوم.
- وبحسب البناء الداخلي تختلف الأنواع مثل:
- IGBT (محاكي البوابة المعزولة)، MOSFET (ترانزستور التأثير الميداني)، BJT (ترانزستور ثنائي القطب).
- من حيث القطبية، هناك نوعان رئيسيان:
- NPN (سلبي)، PNP (إيجابي).
- وفقا لقدرة التشغيل هناك أنواع صغيرة ومتوسطة وكبيرة.
- مؤشر التردد، إذا تم استخدامه لموجات الراديو أو الميكروويف.
- اعتمادًا على التطبيق، سواء تم استخدامه كمفتاح، أو متعدد الأغراض، أو ذو نسبة تكبير عالية.
- فيما يتعلق بالتغليف المادي، يمكن أن يكون معدنيًا أو بلاستيكيًا أو مدمجًا على السطح.
مزايا استخدام الترانزستور مقارنة بالصمامات الإلكترونية
يفضل العديد من المستخدمين العمل مع الترانزستورات بدلاً من الثنائيات، وذلك لعدة أسباب:
- لا يستهلك طاقة كهربائية عند التشغيل.
- الترانزستور خفيف الوزن وصغير الحجم، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية الحساسة.
- تعمل الترانزستورات بجهد أقل مقارنة بالثنائيات.
- لا يتطلب التسخين المسبق قبل الاستخدام.
- لديها كفاءة أعلى من الصمامات.
- وله عمر أطول، قد يصل إلى سنوات عديدة.
- تتمتع بعض أنواع الترانزستورات بحساسية عالية للضوء، مما يجعلها مفيدة في بعض معدات التصوير الفوتوغرافي.
أهمية الترانزستور
وتتجلى أهمية الترانزستور في عالم الإلكترونيات في عدة جوانب منها:
- ويعتبر المكون الأساسي في جميع الأجهزة الإلكترونية الحالية.
- لا يوجد جهاز إلكتروني بدون ترانزستور.
- لديه قدرة كبيرة على إنتاج والحفاظ على الأداء العالي في هذه الأجهزة بكفاءة.
- تكلفة إنتاجه منخفضة مقارنة بالبدائل الأخرى المستخدمة سابقًا.
- يتم استخدامه في العديد من دوائر التحكم الإلكترونية والميكانيكية.
- تصميمه سهل وبسيط، وحجمه الصغير يمنحه ميزات وإمكانيات رائعة.
أهمية وفوائد الأجهزة الإلكترونية
تحمل الأجهزة الإلكترونية فوائد وأهمية كبيرة للإنسان، ومن أبرز هذه الفوائد:
- أصبحت الأجهزة الإلكترونية وسيلة فعالة في العديد من المجالات مثل مكافحة الجريمة وتتبع العديد من آثارها.
- تم استخدام العديد من الأجهزة الإلكترونية في مجالات مثل التنصت، والتصوير عن بعد، وتتبع وسائل النقل.
- تعتبر الأجهزة الإلكترونية أداة قوية لتحقيق المنافع للإنسانية من خلال حمايتها من الكوارث الطبيعية واستشعار المخاطر عن بعد.
- وقد تم استخدام هذه الأجهزة في مجالات الحرائق وأنظمة الإنذار المختلفة.
- أدت الأجهزة الإلكترونية إلى تقدم كبير في مختلف الصناعات، مما مكنها من فرز العيوب غير المرئية وتقييم جودة المنتجات.
- وتستخدم الأجهزة الإلكترونية أيضًا في العديد من المجالات الطبية، مثل اكتشاف الأمراض والتشخيص الدقيق.
- وتستخدم العديد من المؤسسات هذه الأجهزة في الصناعات الدقيقة والطاقة وعلوم الفضاء.
- استخدمت الأجهزة الإلكترونية في الأبحاث الجيولوجية لدراسة طبقات الأرض.
تأثير التكنولوجيا على الإنسان
للتكنولوجيا تأثير ملحوظ على الإنسانية، ويظهر ذلك في عدة مجالات:
- تقدم التكنولوجيا العديد من الفوائد للإنسان في مجالات متعددة مثل:
- التعليم والطب والفلك والعلوم والهندسة والزراعة والبناء.
- وتتجلى الفوائد أيضًا في قطاعي الترفيه والسفر.
- تسهل التكنولوجيا إنجاز العمل وتوفر الوقت والجهد.
- كما أنها تمكن الإنسان من استكشاف المناطق التي لم تكن واضحة له من قبل، مما يوفر عليه الكثير من الجهد في اكتشافها.