الوسم: الدوائر

في الإليكترونيات تسمى مكونات الدوائر أو العناصر الكهربائية المفردة وحتى الدوائر الكاملة منها “دوائر ثنائية القطبية” و “دوائر رباعية القطبية”. وسبب إطلاق هذه التسمية يعود لعدد الوصلات هذه المكونات ، والتي تسمى أيضا أقطاب ، ومنها ما له قطبين وآخر أربعة أقطاب “دوائر رباعية القطبية” ، ولهذه التسمية فوائد كثيرة ، وذلك من ناحية الشرح الوظيفي والتقني العام ، بالإضافة للوظائف الحسابية والقياسات البحثية . ومن هذه الدوائر ما هو نشط وأخر غير نشط والفرق بينها هو أن الدائرة النشطة تتضمن دائما مصدرا لجهد .

وتتكون هذه الدوائر من عناصر مقاومة آومية ، مثل المقاومة الآومية ومن عناصر مـُمانعة ، مثل المكثف أو ملف ، وبدوائر التوالي أو التوازي تأخذ “الدوائر ثنائية القطبية” وظائف عامة ومهمة تتقارن مع العناصر الكهربائية المعقدة . وإذا تضمنت الدائرة ملف ومكثف فتمسى أيضا “مذبذب” (دارة هزاز ، دارة رنين)(سنعود لها لاحقا) ، التي تستغل في تقنية دائرة الإشارة (الاتصالات) ، وكأداة نشطة تتحكم بالتردد في المولدات .

عند توصيل المكثف بالجهد المتردد فيتم بين لوحتيه تبادلا للقطبية وكذلك يحدث لاتجاه التيار.
وفي حالة توصيل المكثف (أو الملف) بإشارة جيب الزاوية (Sinus)فسيسري بهما تيارا(أضعف) متردد بشكل جيب الزاوية ، وبذلك يشكلا المكثف والملف عناصر مقاومة للتيار في دائرة الجهد المتردد. وهذه المقاومة تسمى المـُمانعة (Impedance/Reactance) . والمـُمانعة هي المقاومة في الملف أو المكثف (أنظر لدرس 6 و7) ، ولا تسمى مقاومة لأن لها خاصية تختلف عن المقاومة الآومية ، حيث أنها مقاومة ظاهرية (أي موهمة أي “خيالية” وغير آومية وطاقتها لا تعطي الطاقة العملية والفعلية مثل القدرة الواطية (لا ينتج من المـُمانعة المثالية أي قدرة إطلاقا ) ، وذلك بسبب التشحين والتفريغ للطاقة في العـناصر الترددية ، والتي تتبادل الطاقة مع المصدر باختلاف طور( وجه) الموجة .

المـُمانعة هي المقاومة الغير آومية وهي السعوية في المكثف ، والحثية في الملف ، وتسمى أيضا المفاعلة ، والمراكسة ، والمعاوقة (في مصر تمسى مراكسة و تحريضية) . وهناك من يفرق بين المـُمانعة والمفاعلة حيث تـُـنسب المـُمانعة للمقاومة الحثية في الملف ، وتـُـنسب المفاعلة للمقاومة السعوية في المكثف .

وهذا يعني أن المكثف يشكل مقاومة ( لحظية) في دوائر الجهد المتردد ، ويحتاج للقدرة لبناء الحقل الكهربائي به(التشحين) ، ثم يعيد المكثف نفس هذه القدرة إلى مصدر الجهد خلال استنفاذ حقله الكهربائي (التفريغ) ، وخلال وسط هذه الحالتين تكون قيمة القدرة (الواطية) صفر .

مثال :

ولفهم علاقة المكثف (وسلوكه) بالجهد المتردد يجب أخذ التالي بعين الاعتبار : أن المكثف هو عنصر يخزن الجهد ، ويشكل بمجرد توصيله بالجهد قصرا كهربائيا ، وفي حاله القصر تسري به القيمة القسوة للتيار ، وبمجرد ارتفاع الجهد يبدأ التيار بالانخفاض .
وإذا تأملنا هندسيا بدائرة فيها مقاومة ومكثف ( أنظر الرسم البياني للمؤشرات )، وتأملنا بسلوك الجهد والتيار فسنجد أن هناك فرقا في قطر الموجة بقدر 90 درجة ، كما أن معادلة المـُمانعة السعوية تثبت أن كلما أرتفع التردد كلما انخفضت المـُمانعة السعوية ، ولهذا السبب يستعمل المكثف كعنصر متأثر من التردد .

وتسمى هذه الطاقة المتبادلة ظاهرية – سعوية (غير واطية) بسبب المـُمانعة.

أما الملففتزيد مقاومته في دوائر الجهد المتردد أكثر بكثير عن دوائر الجهد المستمر ، وكالمكثف يحتاج الملف أيضا للقدرة لبناء الحقل المغنطيسي (التشحين) ، وكالمكثف يعيد الملف هذه القدرة إلى مصدر الجهد خلال استنفاذ حقله المغنطيسي (التفريغ) ، وخلال وسط هذه الحالتين تكون قيمة القدرة (الواطية) أيضا صفر .

إن دوائر التوالي للمقاومة والملف لها نفس الخصائص التي تتميز بها دوائر التوالي للمقاومة والمكثف ، حيث يمر في الدائرة تيار واحد ، وفي دائرة مقاومة وملف يكون هناك تساويا بطور الموجة (الوجه) بين جهد المصدر وجهد المقاومة ، ولكن الاختلاف بطور الموجة يتكون بين الجهد الجزئي(الجهد المنحدر في الملف) للملف وبين التيار . وهنا يسبق الجهد التيار ب 90 درجة .

يكوِّن سريان الإلكترونات في اتجاه واحد، في الوقت نفسه، تيارًا كهربائيًا. والفولتية، والتي تسمى أيضًا القوة الدافعة الكهربائية، هي الضغط (أو القوة) الذي يدفع الإلكترونات. والفولتية في الدوائر الكهربائية هي التجاذب الكهربائي الذي يسببه اختلاف الشحنات بين نقطتين في الدائرة، ويوفرها مصدر قدرة كهربائية، حيث تأتي الفولتية السالبة من أحد جانبي مصدر القدرة، بينما تأتي الفولتية الموجبة من الطرف الآخر. وتستخدم البطاريات عادة مصادر قدرة، ولكن النظم التي توصل بمأخذ التيار الكهربائي تتلقى القدرة من محطة قدرة تجارية.

وتسري الإلكترونات من طرف الفولتية السالبة لدائرة إلى طرف الفولتية الموجبة، حيث تولد هذه الحركة الإكترونية تيارًا كهربائيًا. ولكن العلماء اعتادوا اعتبار أن سريان التيار الكهربائي يكون من الموجب إلى السالب. فحتى أواخر القرن التاسع عشر الميلادي ظل العلماء يعتقدون خطأ أن التيار الكهربائي يسري في ذلك الاتجاه.

وتصنع الأسلاك، وأجزاء معينة أخرى من الدوائر، من مواد تسمى الموصلات، ذات قدرة على حمل التيار الكهربائي. وفي كل ذرة من ذرات الموصلات، والتي تشتمل على الفلزات، إلكترون واحد أو أكثر يمكنه التحرك من ذرة إلى أخرى، وتسمى هذه الإلكترونات الإلكترونات الحرة أو حاملات الشحنة. وتحتوي الدوائر أيضًا على عوازل، وهي مواد توقف التيار، لأنها لاتحتوي على حاملات شحنة متحركة.

وأثناء حركتها عبر الموصل تتصادم الإلكترونات مع ذرات المادة. ويعوق كل تصادم سريان الإلكترونات، ويسبب فقدانها لبعض الطاقة في شكل حرارة. وتسمى إعاقة التيار الكهربائي، والتي تغير الطاقة الكهربائية إلى حرارة، المقاومة.

وقد يحطم تراكم الحرارة الدائرة. ويستخدم الحاسب الإلكتروني كمية قليلة جدًا من التيار الكهربائي، ولذا فإن خطر التسخين المفرط غير وارد. ولكن بعض الحواسيب تولد كمية كبيرة جدًا من الحرارة، مما يستدعي تبريد دوائرها بانتظام. ويأتي الأزيز الصادر عن الحاسوب الشخصي المكتبي من مروحة صغيرة وظيفتها تبريد النظام.

# أنواع الدوائر الإلكترونية: ينتج المصنعون نوعين من الدوائر الإلكترونية:
1- دوائر تقليدية:
تتكون من مكوِّنات إلكترونية منفصلة، متصلة بعضها ببعض بأسلاك، ومثبتة على قاعدة. وفي معظم الحالات يثبت المصنعون المكوِّنات إلى لوحة دوائر مطبوعة، وهي قطعة رقيقة من مادة بلاستيكية، أو غيرها، تطبع عليها “الأسلاك” النحاسية بعملية كيميائية، عند صنعها. وفي الحاسب الإلكتروني توصل كل الأجزاء الإلكترونية للدائرة الرئيسية على لوحة دوائر مطبوعة.

2- دوائر متكاملة:
تحتوي على مكوِّنات وموصلات توضع داخل رقاقة وفوقها. والرقاقة قطعة صغيرة من مادة شبه موصلة، تصنع عادة من السليكون .
وشبه الموصل مادة توصل التيار الكهربائي أفضل من العازل، ولكن ليس بمستوى جودة توصيل الموصل. ولا تؤدي الرقاقة وظيفة القاعدة فحسب، ولكنها أيضًا جزء أساسي من الدائرة. ولا يتعدى أحجام معظم الرقاقات حجم ظفر الأصبع. وتكوِّن الدوائر المتكاملة في العادة جزءًا من مكوِّنات الدوائر التقليدية.

* لصنع الدائرة المتكاملة يعد التقني تصميمًا رئيسيًا كبيرًا للدائرة بمساعدة حاسوب. وباستخدام التصوير الضوئي يقلل التصميم الرئيسي إلى حجم مجهري. ويعالج مصنعو الرقائق السليكون، لتغيير خواصه التوصيلية، بإضافة كميات صغيرة من مواد تسمى المحورات، مثل البورون والفوسفور.

وتمثل المناطق المعالجة المكوِّنات الإلكترونية للرقاقة. وقد تحتوي الرقاقة الواحدة على ملايين الأجزاء المجهرية الموصلة “بخطوط” فلزية رقيقة. وينظم صانعو الرقائق الأجزاء والتوصيلات في أنماط معقدة، ذات طبقات عديدة. وتركب الدوائر المكتملة الصنع داخل أغلفة مثبتة على لوحة دوائر مطبوعة. ولصغر أحجامها، تتفوق الدوائر المتكاملة على الدوائر التقليدية بعدد من الامتيازات. فهي على سبيل المثال، أسرع في عملها، لأن الإشارات تنتقل عبر مسافات قصيرة. وبالإضافة إلى ذلك، تحتاج الدوائر المتكاملة قدرة أقل، وتولد حرارة أقل، وتكلفة تشغيلها أقل، مقارنة بالدوائر التقليدية. والدوائر المتكاملة أيضًا أدق في عملها، لأن التوصيلات المعرضة للفشل فيها قليلة. ولكن التيارات القوية والفولتيات العالية قد تحطم الدوائر المتكاملة، وذلك لصغر أحجامها.

وبإمكان نوع من الدوائر المتكاملة يسمى المعالج الدقيق، أداء كل الوظائف الرياضية، وبعض وظائف الذاكرة، التي تؤديها الحواسيب الكبيرة. وتتحكم المعالجات الدقيقة في العديد من المنتجات، مثل ألعاب الفيديو وأفران المايكروويف والروبوتات وبعض الهواتف. ويؤدي المعالج الدقيق وظيفة “الدماغ” في كل الحواسيب الشخصية. وتحتوي الحواسيب الكبيرة على معالجات دقيقة عديدة، يعمل بعضها مع بعض، في الوقت نفسه.

وفي النبائط الإلكترونية يستخدم نوعان أساسيان من المكوِّنات داخل الدوائر، للتحكم في الإشارات وتحويرها، وهما :
1- الصمامات الإلكترونية:
تتحكم الصمامات الإلكترونية في سريان الإشارات الكهربائية عبر الغازات أو الفراغات. والصمامات المفرغة هي أكثر أنواع الصمامات الإلكترونية استخدامًا، وهي حاويات زجاجية أو فلزية، أزيل عنها معظم الهواء. وتنتج عناصر فلزية متعددة داخل الصمام أحزمة من الإلكترونات، وتتحكم فيها.

وقد استخدمت الصمامات المفرغة في كل الأجهزة الإلكترونية، في الفترة الممتدة بين عشرينيات وخمسينيات القرن العشرين، ولاتزال أنواع خاصة من هذه الصمامات تستخدم في بعض الأجهزة حتى اليوم. فشاشة جهاز التلفاز، على سبيل المثال، هي النهاية الطرفية لصمام مفرغ كبير يسمى صمام الأشعة الكاثودية. وتنتج أنواع أخرى من الصمامات المفرغة الإشارات الراديوية والرادارية، والأشعة السينية، والموجات الدقيقة.

2- نبائط حالة الصلابة:
تسمى الترانزستورات وبعض المكوِّنات الإلكترونية مكوِّنات حالة الصلابة، وذلك لأن الإشارات تسري عبر شبه موصل صلب بدلاً عن الفراغ. وتستهلك نبائط حالة الصلابة قدرة أقل، وتدوم لفترة أطول، وتحتل مساحة أقل، مقارنة بالصمامات المفرغة. وقد أنتج المهندسون أولى نبائط حالة الصلابة خلال أربعينيات القرن العشرين. ومنذ ذلك التاريخ حلت أشباه الموصلات محل الصمامات المفرغة في معظم الاستخدامات.

وتصنع مكوِّنات حالة الصلابة من السليكون، الذي ينتمي إلى أشباه الموصلات. والسليكون وغيره من أشباه الموصلات مفيدة، لأن العلماء يستطيعون ضبط مقاومتها بدقة، وبالتالي التحكم في سريان التيار عبرها.

* مثال للدوائر المتكاملة (الالكترونية ) الدائرة المستخدمة في الساعة الرقمية