يُعَدُّ عالم الأجهزة الإلكترونية مجالًا واسعًا ومتطورًا، حيث تمكَّنت التكنولوجيا من تقديم العديد من الحلول التي تساهم في خدمة الإنسان.
ضمن هذه الأجهزة، يبرز الترانزستور كواحد من الاختراعات الأكثر شهرة واستخدامًا.
في مقالنا اليوم، سنستعرض استخدام الترانزستور كمفتاح.
تعريف الترانزستور
- الترانزستور يُعَدُّ من بين الاختراعات الإبداعية في زمننا الحديث في مجال الإلكترونيات.
- هو قطعة إلكترونية صغيرة تُصنَّع من مواد شبه موصلة.
- يتألف الترانزستور من ثلاث أطراف، حيث تتشابه المواد شبه الموصلة في الأطراف ولكن تختلف في الوسط.
- تكون المواد الموجودة في المنتصف مختلفة.
- يعمل الترانزستور كبديل للصمامات المفرغة الكبيرة، وينقسم إلى نوعين رئيسيين هما PNP و NPN.
- تم اختراع الترانزستور من قِبَل العلماء جون باردين، والتر براتين، ووليام شوكلي خلال فترة الحرب العالمية الثانية.
- كان ذلك في عام 1947، وينبغي الإشارة إلى أنهم حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء نتيجة لأبحاثهم في هذا المجال.
- نال جون باردين جائزة نوبل مرة أخرى في عام 1972 تقديرًا لأبحاثه في مجال المواد فائقة التوصيل.
استخدامات الترانزستور كمفتاح
يلجأ العديد من المستخدمين إلى الاستفادة من الترانزستور كمفتاح للتحكم في توصيل وفصل دوائر التيار الكهربائي.
يمكن تجسيد ذلك من خلال دوائر كهربائية بسيطة تشمل:
- مصدر للجهد متصل بمقاومة.
- تكون المقاومة متصلة بمفتاح أو أرضي.
- عندما يكون المفتاح في حالة الفتح، يكون الجهد على طرفي المقاومة مساويًا لجهد المصدر، بينما لا يسري التيار.
- أما عندما يكون المفتاح مغلقًا، فإن الجهد على طرفي المقاومة المتصلة بالمفتاح يصبح صفرًا.
- حيث يتكون فرق في الجهد، مما يسمح بمرور التيار الكهربائي.
إذا تم إدخال الترانزستور كعنصر تحكم في الدائرة، فإن آلية عمله تكون كالتالي:
- عندما يكون التيار في القاعدة (Ib) مساويًا للصفر، يعمل الترانزستور كأنه مقاومة عالية مما يمنع مرور التيار الكهربائي.
- ويمكن تشبيهه حينذاك بمفتاح مفتوح.
- على النقيض، عندما تكون كمية التيار في القاعدة في أقصى درجاتها.
- فإنه يُشكِّل فرق جهد مختلف بين الطرفين ويمكِّن من توصيل التيار الكهربائي.
- وفي هذه الحالة، يعمل كأنه مفتاح مغلق.
أطراف الترانزستور
يتكون الترانزستور من ثلاثة أطراف أساسية، هي القاعدة، المجمع، والباعث، حيث يؤدّي كل منها وظيفة محددة:
- الباعث هو الطرف الذي يحتوي على شحنات كهربائية مركزة، ويرمز له (E).
- ويقوم بتوليد الإلكترونات، مما يتسبب في توليد تيار كهربائي.
- المجمع، الذي يرمز له (C)، يعمل كمستقبل لشحنة التيار من الباعث ويمتاز بتركيز شحنات أقل.
- كما يقوم بتجميع التيار القادم من الباعث.
- القاعدة هي الطرف الوسيط بين المجمع والباعث، حيث تتحكم في اتجاه وكمية التيار الكهربائي، ويرمز لها (B).
معايير استخدام الترانزستور كمفتاح
توجد عدة حالات يعتمد فيها المستخدم على الترانزستور كمفتاح، ومنها:
- حالة الفصل، حيث يقوم الترانزستور بفصل التيار الكهربائي المار عبر المجمع والباعث، مما يشبه المفتاح المفتوح.
- في هذه الحالة، لا يسري التيار.
- حالة التشغيل، والتي يحدث فيها توصيل التيار في القاعدة، مما يُغلق الدائرة ويُعَدُّ التيار الكهربائي متصلًا.
لذا، يجب مراعاة بعض العوامل عند اختيار الترانزستور للعمل كمفتاح في الحالتين السابقتين:
- معرفة الحد الأقصى من الجهد والتيار الذي يمكن تحمله الترانزستور قبل الاستخدام.
- التأكد مما إذا كان الترانزستور من نوع NPN أو PNP.
- فهم الأطراف المختلفة للترانزستور.
- الاطلاع على مواصفات البيانات الخاصة بالترانزستور لمعرفة مزيد من المعلومات عنه.
- معرفة قيمة البيتا الخاصة بالترانزستور ومقاومة القاعدة.
أنواع الترانزستور
تتنوع أنواع الترانزستور باختلافها الطفيف، إلا أن لكل نوع استخدامه المحدد.
فيما يلي عرض لبعض الأنواع الشائعة:
- حسب خصائص شبه الموصل، تشمل الأنواع الشهيرة:
- ترانزستورات السيليكون، الزرنيخ، كربيد السيليكون، الجاليوم، والجرمانيوم.
- حسب التصميم الداخلي، تشمل الأنواع:
- IGBT (ترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة)، MOSFET (تأثير الحقل)، وBJT (ثنائي القطب).
- إذا تم تصنيفها حسب القطبية، فإننا نجد:
- NPN من النوع السالب، وPNP من النوع الموجب.
- الأنواع التي تصنَّف على أساس قدرة التشغيل، تنقسم إلى صغير ومتوسط وكبير.
- يمكن تصنيفها حسب التردد، هل هي موجات راديوية أو ميكروية.
- حسب الاستخدام، بما في ذلك كمفتاح، أو متعدد الأغراض، أو زوجي متماثل أو ذو نسبة تكبير عالية.
- ومن حيث التصميم الفيزيائي، يمكن أن تُصنف إلى مغلفة مع ثقوب معدنية أو بلاستيكية أو ذات سطح أملس، كذلك تشمل سلسلة شبكة النواة.
مزايا استخدام الترانزستور مقارنة بالصمامات الإلكترونية
يفضل العديد من الأفراد العمل مع الترانزستور بدلاً من الصمامات الإلكترونية نتيجة للفوائد التالية:
- لا يستهلك الطاقة الكهربائية أثناء التشغيل.
- يتميز الوزن الخفيف والحجم الصغير، مما يسهل دمجه في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة.
- يعمل عند جهد أقل مقارنة بالصمامات.
- لا يحتاج إلى تسخين مسبق قبل التشغيل.
- تكون كفاءته أعلى بكثير من كفاءة الصمامات.
- يمتاز بعمر طويل يصل إلى عدة سنوات.
- يمتلك حساسية عالية تجاه الضوء في بعض أنظمة التصوير.
أهمية الترانزستور
تُعَد مكونات الترانزستور جزءًا أساسيًا من عالم الصناعات الإلكترونية، ومن بعض جوانب أهميته:
- يعتبر العنصر المشترك في جميع الأجهزة الإلكترونية الحديثة.
- أينما وُجد جهاز إلكتروني، تجده يحتوي على ترانزستور.
- يمتاز بقدرة عالية على الإنتاج، مما يجعله يعمل بكفاءة في الأجهزة.
- تعتبر تكاليف إنتاجه منخفضة بالمقارنة مع البدائل السابقة.
- يستخدم في العديد من دوائر التحكم الإلكترونية والميكانيكية.
- تساعد بساطته وحجمه الصغير في رفع مستوى قدراته ومميزاته.
فوائد الأجهزة الإلكترونية
تمتلك الأجهزة الإلكترونية العديد من الفوائد والأهمية الكبيرة التي ساهمت في تحسين حياة الإنسان، ومن بينها:
- تعتبر الأجهزة الإلكترونية وسيلة فعالة في مجالات متعددة، مثل مكافحة الجريمة وتتبع الآثار.
- تُستخدم أجهزة إلكترونية متنوعة في مجالات التصنت، التصوير عن بُعد، وتتبع وسائط النقل.
- تمثل الأجهزة الإلكترونية أداة أساسية لحماية البشرية من الكوارث الطبيعية والتنبؤ بها.
- تستخدم هذه الأجهزة في مراقبة الحرائق وتفعيل أجهزة الإنذار.
- تسهم في تطوير الصناعات المختلفة من خلال فرز العيوب غير المرئية وتقويم جودتها.
- تمكّن من اكتشاف آليات العمل في الصناعة.
- تستخدم في المجالات الطبية، حيث تساعد في تحديد الأمراض وتشخيصها، وتُستخدم أيضًا في الجراحة الدقيقة.
- تستفيد العديد من المؤسسات من الأجهزة الإلكترونية في الصناعات الدقيقة، قطاع الطاقة، وعلوم الفضاء.
- تُستخدم هذه الأجهزة في أبحاث الجيولوجيا لدراسة الطبقات الأرضية.
أثر التكنولوجيا على الإنسان
كان لتكنولوجيا تأثير كبير على البشرية وتمثلت في الجوانب التالية:
- أدّت التكنولوجيا إلى تحسينات في مجالات متعددة مثل التعليم، الطب، الفلك، العلوم الهندسية، الزراعة، والبناء.
- حققت إنجازات مستدامة في هذه القطاعات.
- توسعت فوائد التكنولوجيا أيضًا في المجالات الترفيهية ووسائل السفر.
- ساهمت في تسهيل الأعمال اليومية وتوفير الكثير من الجهد والوقت.
- تمكنّت التكنولوجيا من إتاحة فهم جوانب جديدة لم تكن واضحة للبشرية من قبل.
