تعتبر الأجهزة الإلكترونية عالمًا واسعًا بلا حدود، حيث شهدت تطورًا ملحوظًا بفضل استخدام العديد من التقنيات الحديثة في خدمة الإنسانية.
ويُعتبر الترانزستور أحد أهم هذه الأجهزة التي تتمتع بشهرة واستخدامات عديدة.
سنتناول في مقالنا اليوم استخدام الترانزستور كمفتاح الكتروني.
تعريف الترانزستور
- يُعد الترانزستور من أبرز الاختراعات في العصر الحديث على صعيد الإلكترونيات.
- ويعرف الترانزستور بأنه عنصر إلكتروني صغير الحجم، يتكون من مواد شبه موصلة.
- يحتوي الترانزستور على ثلاثة أطراف، حيث تكون المواد شبه الموصلة متشابهة على الأطراف وتختلف في الجزء المركزي.
- بينما يتسم الجزء الأوسط بخصائص مختلفة.
- يعمل الترانزستور كبديل للصمامات المفرغة الكبيرة الحجم، ويقسم إلى نوعين رئيسيين يشتهران على نطاق واسع وهما PNP و NPN.
- تم اختراع الترانزستور من قبل العلماء جون باردين، والتر براتين، ووليام شوكلي خلال فترة الحرب العالمية الثانية.
- وتحديدًا في عام 1947، حيث حصل هؤلاء العلماء على جائزة نوبل في الفيزياء تقديرًا لأبحاثهم في مجال الترانزستورات.
- نال جون باردين جائزة نوبل للمرة الثانية في عام 1972 تقديرًا لأبحاثه في مجال المواد فائقة التوصيل.
استخدامات الترانزستور كمفتاح
الكثير من الناس يلجأون إلى استعمال الترانزستور كمفتاح للتحكم في توصيل وفصل تيار كهربائي.
يمكن توضيح ذلك من خلال دائرة كهربائية بسيطة تتكون من:
- مصدر جهد متصل بمقاومة.
- المقاومة متصلة بمفتاح أو بأرضي.
- عند فتح المفتاح، يكون الجهد على طرفي المقاومة مساوٍ لجهد المصدر ولا يسري تيار.
- أما عند إغلاقه، يصبح الجهد على طرفي المقاومة المتصل بالمفتاح صفراً.
- حيث يتشكل فرق جهد حول طرفي المقاومة، مما يسمح بمرور التيار الكهربائي.
عند إدخال الترانزستور كعنصر مفتاح في الدائرة، يكون آلية العمل كالتالي:
- عندما يكون التيار في القاعدة (ib) مساوياً للصفر، يعمل الترانزستور كأنه مقاومة عالية، مما يمنع مرور التيار الكهربائي.
- وهو في هذه الحالة بمثابة مفتاح مفتوح.
- وعلى العكس، عندما يكون التيار في القاعدة في أقصى قيمته.
- يعمل ذلك على خلق فرق جهد بين الطرفين مما يسمح بتوصيل التيار الكهربائي.
- وهو في هذه الحالة كأنه مفتاح مغلق.
ما هي أطراف الترانزستور؟
تتمتع الترانزستورات بثلاثة أطراف رئيسية وهي: القاعدة، المجمع، والباعث، حيث يؤدي كل منها وظيفة محددة:
- الباعث هو الطرف الجانبي الذي يتميز بتركيز عالٍ من الشحنات الكهربائية ويرمز له بالحرف (E).
- من خلال هذا الطرف، يتم توليد الإلكترونات وبالتالي إنتاج التيار الكهربائي.
- المجمع، ويرمز له بالحرف (C)، هو الطرف الجانبي الآخر الذي يكون تركيز الشحنات فيه أقل مقارنة بالباعث.
- يعمل على تجميع التيار القادم من الباعث.
- القاعدة، وهي الطرف الوسيط بين المجمع والباعث، وتتحكم في اتجاه وكمية التيار الكهربائي، ويرمز له بالحرف (B).
عوامل استخدام الترانزستور كمفتاح
توجد العديد من الحالات التي يتطلب فيها استخدام الترانزستور كمفتاح، ومن أبرزها:
- حالة الفصل: حيث يقوم الترانزستور بفصل التيار الكهربائي الذي يمر عبر المجمع والباعث.
- ويمكن تشبيهه بمفتاح مفتوح في هذه الحالة.
- حالة التشغيل: بحيث يتم توصيل التيار الموجود بالقاعدة، مما يسمح بمرور تيار 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 أن يتحمله الترانزستور قبل استخدامه.
- تحديد نوع الترانزستور، هل هو NPN أم PNP.
- معرفة أطراف الترانزستور.
- قراءة البيانات الفنية (Datasheet) الخاصة بالترانزستور لفهم خصائصه.
- قيمة البيتا الخاصة بالترانزستور ومقاومة القاعدة.
ما هي أنواع الترانزستور؟
توجد أنواع متعددة من الترانزستور، يختلف كل منها عن الآخر بشكل طفيف، لكن لكل نوع استخدامه الخاص.
يمكن تلخيص هذه الأنواع في ما يلي:
- عند استخدامه كموصل شبه، توجد أنواع معروفة مثل:
- سيليكون، زرنيخ، كربيد السيليكون، جاليوم، جرمانيوم.
- وفقًا للبناء الداخلي، تختلف الأنواع مثل:
- IGBT (مقلد ذو بوابة معزولة)، MOSFET (ترانزستور تأثير المجال)، BJT (ثنائي القطب).
- من حيث القطبية، هناك نوعان رئيسيان:
- NPN (سالب)، PNP (موجب).
- وفق قدرة التشغيل، توجد أنواع صغيرة، متوسطة، وكبيرة.
- بيان التردد، إذا كان يستخدم في موجات راديوية أو ميكروية.
- وفق التطبيق، هل يستخدم كمفتاح، متعدد الأغراض، أو عالي نسبة التكبير.
- من حيث التغليف الفيزيائي، يمكن أن يكون معدني أو بلاستيكي أو مدمج سطحياً.
مزايا استخدام الترانزستور مقارنة بالصمامات الإلكترونية
يفضل العديد من المستخدمين العمل مع الترانزستور بدلاً من الصمامات الإلكترونية، ولعدة أسباب:
- لا يستهلك الطاقة الكهربائية عند تشغيله.
- يمتاز الترانزستور بخفة وزنه وصغر حجمه، مما يجعله ملائمًا للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية الحساسة.
- يعمل الترانزستور على جهد أقل مقارنة بالصمامات.
- لا يحتاج إلى تسخين مسبق قبل الاستخدام.
- يتميز بكفاءة أعلى من الصمامات.
- يتمتع بعمر افتراضي أطول، قد يصل لسنوات عديدة.
- بعض أنواع الترانزستور تتمتع بحساسية عالية للضوء، مما يجعلها مفيدة في بعض معدات التصوير.
أهمية الترانزستور
تتجلى أهمية الترانزستور في عالم الإلكترونيات في عدة جوانب منها:
- يعتبر العنصر الأساسي في جميع الأجهزة الإلكترونية الحالية.
- حيث لا يوجد جهاز إلكتروني يخلو من الترانزستور.
- يمتلك قدرة كبيرة على الإنتاج والحفاظ على أداء عالٍ بكفاءة في هذه الأجهزة.
- تكلفة إنتاجه منخفضة بالنسبة للبدائل الأخرى المستخدمة سابقًا.
- يُستخدم في العديد من دوائر التحكم الإلكترونية والميكانيكية.
- تصميمه سهل وبسيط، وصغر حجمه يمنحانه خصائص وإمكانيات كبيرة.
أهمية وفوائد الأجهزة الإلكترونية
تحمل الأجهزة الإلكترونية فوائد وأهمية كبيرة للإنسان، ومن أبرز هذه الفوائد:
- أصبحت الأجهزة الإلكترونية وسيلة فعّالة في مجالات متعددة، مثل مكافحة الجريمة وتعقب العديد من الآثار.
- تم استخدام أجهزة إلكترونية عديدة في مجالات مثل التصنت، التصوير عن بُعد، والتتبع لوسائل النقل.
- تعتبر الأجهزة الإلكترونية أداة قوية لجلب المنافع للإنسانية من خلال حمايتها من الكوارث الطبيعية واستشعار المخاطر عن بعد.
- استُخدمت هذه الأجهزة في مجالات الحرائق وأنظمة الإنذار المختلفة.
- أدت الأجهزة الإلكترونية إلى تقدم كبير في صناعة متنوعة، حيث تمكنت من فرز العيوب غير المرئية وتقييم جودة المنتجات.
- تُستخدم الأجهزة الإلكترونية أيضًا في العديد من المجالات الطبية، مثل الكشف عن الأمراض والتشخيصات الدقيقة.
- تستعين العديد من المؤسسات بهذه الأجهزة في الصناعات الدقيقة، والطاقة، وعلوم الفضاء.
- استخدمت الأجهزة الإلكترونية في الأبحاث الجيولوجية لدراسة طبقات الأرض.
أثر التكنولوجيا على الإنسان
تترك التكنولوجيا تأثيرًا ملحوظًا على البشرية، ويظهر ذلك في عدة مجالات:
- تقدم التكنولوجيا العديد من الفوائد للإنسان في مجالات متعددة مثل:
- التعليم، الطب، الفلك، العلوم، الهندسة، الزراعة، والبناء.
- تتجلى الفوائد أيضًا في المجالات الترفيهية وقطاعات السفر والترحال.
- تُسهّل التكنولوجيا إنجاز الأعمال وتوفير الوقت والجهد.
- كما تمكّن الإنسان من استكشاف مجالات لم تكن واضحة له من قبل، مما يوفر له مجهود كبير في اكتشافها.
