الإلكترونيات - Electronics

تدور الإلكترونيات حول التلاعب بالكهرباء لإنجاز مهمة معينة وهي إلى حد كبير مسعى عملي، ونظراً لأنّ نتيجة بناء الدوائر الإلكترونية عادةً ما تكون جهازاً يؤدي مهمة وغالباً ما يتم حجبه في دراسة الإلكترونيات هو أنّه حتى أكثر الأجهزة الإلكترونية تعقيداً تتكون من العديد من الدوائر والمكونات الأصغر والأبسط، وبمجرد أن يكون لديك تقدير لبعض هذه الدوائر الأصغر فمن السهل إلى حد ما فهم الدوائر الأكثر تعقيداً، وعندما يتم الجمع بين العديد من الإلكترونيات ينتج عنها أنظمة إلكترونية ذات فائدة واستخداماً.

ما هي الإلكترونيات – Electronics؟

الإلكترونيات (Electronics): هي دراسة كيفية التحكم في تدفق الإلكترونات وهي تتعامل مع دائرة مكونة من مكونات تتحكم في تدفق الكهربات، أمّا الإلكترونية: هي عنصر من عناصر الفيزياء والتكنولوجيا الهندسية والتطبيق الذي يتعامل مع الانبعاثات ويمكن أن تعمل الأساسيات الكهربائية مثل الصمام الثنائي والمرحلات كمفاتيح.

ما هو الفرق بين الكهربائية والإلكترونية؟

يتمثل الاختلاف الرئيسي في أنّ الأجهزة الكهربائية تتحول إلى طاقة كهربائية تؤدي العمل إلى الشكل الآخر للطاقة مثل الضوء والصوت وما إلى ذلك، في حين أنّ الأجهزة الإلكترونية تتحكم في تدفق الإلكترونات لأداء مهمة معينة معروفة كأجهزة إلكترونية، والكهرباء في استهلاك الطاقة أكثر والإلكترونيات في استهلاك الطاقة أقل.

تاريخ الإلكترونيات:

بدأ ظهور الإلكترونيات في حوالي عام 1906م باختراع لي دي فورست للثلاثي والذي جعل التضخيم الكهربائي لإشارات الراديو الضعيفة والإشارات الصوتية ممكناً باستخدام جهاز غير ميكانيكي، حتى عام 1950م كان يسمى هذا المجال تكنولوجيا الراديو لأنّ تطبيقه الرئيسي كان تصميم ونظرية أجهزة الإرسال والاستقبال والأنابيب المفرغة، وتحويل الطاقة الكهربائية من وإلى أشكال الطاقة الأخرى باستخدام الأسلاك والمحركات والمولدات والبطاريات والمفاتيح والمرحلات والمحولات والمقاومات والمكونات السلبية الأخرى.

كان أنبوب التفريغ الثنائي هو أول مكون إلكتروني اخترعه العالم فليمنغ وفي وقت لاحق طور (Lee De Forest) الصمام الثلاثي وهو أنبوب مفرغ من ثلاثة عناصر قادر على تضخيم الجهد كما لعبت الأنابيب المفرغة دوراً رئيسياً في مجال الميكروويف ونقل الطاقة العالية بالإضافة إلى مستقبلات التلفزيون.

في عام 1947م طورت مختبرات بيل أول ترانزستور بناءً على أبحاث (Shockley وBardeen وBrattain) حيث لم يتم تطوير أجهزة الراديو الترانزستور حتى أواخر الخمسينيات بسبب المخزون الضخم الموجود من الأنابيب المفرغة، وفي عام 1959م طور جاك كيلبي من شركة (Texas Instruments) أول دائرة متكاملة وكانت تحتوي الدوائر المتكاملة على عدد كبير من أجهزة أشباه الموصلات مثل الثنائيات والترانزستورات في مساحة صغيرة جداً.

أهمية الإلكترونيات:

• دعم نقل البيانات وتحليلها والاستجابة لها.
  
• استلام وتنفيذ أوامر المستخدم البعيد.
  
• تمكين التحكم في واجهة المستخدم في الجهاز.
  
• توفير التيار الكهربائي.
  
• السماح بمستوى من الاستقلالية في تشغيل الجهاز من خلال أجهزة الاستشعار ومدخلات أجهزة الاستشعار.
  

ما هي المكونات النشطة والسلبية في الإلكترونيات؟

تشمل المكونات النشطة الترانزستورات بينما تشمل المكونات السلبية المحولات والمحثات والمقاومات والمكثفات، وتُستخدم المحولات بشكل شائع لتصعيد أو تنحي الطاقة والمقاوم يقيّد تدفق التيار، ويتم استخدامه في الثرمستورات ومقاييس الجهد على غرار البطارية منخفضة السعة، ويسمح المكثف بحدوث تأخيرات في الدوائر أمّا تستخدم المحاثات للتحكم في الترددات.

1. المقاومات: المقاوم هو أحد المكونات التي ستصادفها في دائرة متكاملة ويقاوم الجهاز تدفق التيار حيث يتم تصنيف المقاومات بناءً على تصنيفات قوتها، أي مقدار القوة التي يمكنها التعامل معها دون انفجار وقيم المقاومة أي القدرة على مقاومة التيار ويتم القياس بوحدات تعرف بالأوم.
   
2. المكثفات: يمكن لهذه المكونات تخزين الشحنات الكهربائية بشكل مؤقت وتأتي المكونات في أنواع مختلفة وأكثرها شيوعاً هي قرص التحليل الكهربائي والسيراميك، عادةً ما تقاس قدرة المكون في ميكروفاراد (µF).
   
3. الثنائيات: تسمح الثنائيات بتدفق التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط ويحتوي كل ديود على محطتين تعرفان بالقطب الموجب والكاثود، عندما يتم شحن الأنود بجهد موجب والكاثود بجهد سالب يمكن أن يتدفق التيار الكهربائي وسيؤدي عكس هذه الفولتية إلى منع التيار من التدفق.
   
4. الترانزستورات: من السهل التعرف على هذه المكونات من خلال أطرافها الثلاثة ولكي تعمل المكونات يجب تطبيق الجهد على أحدها أي المحطة الأساسية كما يمكن للقاعدة بعد ذلك التحكم في تدفق التيار في المحطتين الأخريين (الباعث والمجمع).
   
5. المحاثات: هي مكونات سلبية تخزن الطاقة في شكل مجال مغناطيسي ويتكون المحرِّض ببساطة من ملف سلك ملفوف حول نوع من اللب ويمكن أن يكون اللب مغناطيساً أو هواءً وعندما يمر التيار عبر المحرِّض يتم إنشاء مجال مغناطيسي حوله حيث يكون المجال المغناطيسي أقوى إذا تم استخدام المغناطيس كنواة.
   
6. الدوائر المتكاملة: تشير الدائرة المتكاملة إلى جهاز خاص به جميع المكونات المطلوبة في الدائرة الإلكترونية ويحتوي المكون على ثنائيات وترانزستورات وأجهزة أخرى وكلها محفورة على قطعة صغيرة من السيليكون وتستخدم المكونات في العديد من الأجهزة الإلكترونية بما في ذلك الساعات وأجهزة الكمبيوتر.
   
7. المتحكم (Microcontroller): هي أجهزة كمبيوتر صغيرة تستخدم للتحكم في العديد من الأجهزة، مثل الأدوات الكهربائية وأجهزة التحكم عن بعد والمعدات الطبية والآلات المكتبية.
   
8. المحولات: بنيت مع ملفين من الأسلاك وعادةً ما تستخدم المحولات لتصعيد أو تنحي الطاقة.
   
9. البطاريات: تقوم البطاريات بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وتكون الخليتان المختلفتان للبطارية، وهما الأنود (+) والكاثود (-).
   
10. الصمامات: تساعد الصمامات في الحفاظ على المكونات من التحميل الزائد بالتيار الزائدو يتكون المصهر من جسم التوصيل والدعم والملامسات ومواد الصمامات المعدنية مثل الزنك أو النحاس.
    
11. المرحلات: تقوم هذه المفاتيح الكهروميكانيكية بإغلاق أو إيقاف تشغيل الطاقة حيث يشتمل المرحل على مغناطيس كهربائي وحديد التسليح وسلسلة من التلامسات الكهربائية ونابض.
    
12. مفاتيح: مفاتيح المقاطعة الحالية ومن الأنواع الأربعة للمفاتيح هي: ورمي أحادي القطب الفردي (SPST) ورمي قطب مزدوج أحادي (SPDT) ورمي قطب مزدوج منفرد (DPST) ورمي ثنائي القطب المزدوج (DPDT).
    
13. المحركات: تقوم المحركات بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية حيث تشتمل المكونات الرئيسية على الدوار والجزء الثابت والمحامل وصندوق القناة والحاوية والمسمار العيني.
    
14. قواطع الدائرة: تعمل كجهاز وقائي حيث يمكن التحكم في قاطع الدائرة بمفتاح تحكم عن بعد، إنّه مصمم لحماية الدائرة من التحميل الزائد أو ماس كهربائى.
    

مكونات الكترونية:

1. مفتاح كهربائي:

يمكن أن تأتي المفاتيح في أشكال عديدة مثل زر الضغط واللحظية، وتتمثل وظيفتها الأساسية في مقاطعة التيار الكهربائي عن طريق تشغيل الدائرة أو إيقاف تشغيلها.

2. المقاوم:

تستخدم المقاومات لمقاومة تدفق التيار أو للتحكم في الجهد في الدائرة ويتم قياس مقدار المقاومة التي يقدمها المقاوم بالأوم كما تحتوي معظم المقاومات على خطوط ملونة من الخارج وسيخبرك هذا الرمز بقيمة المقاومة، يمكنك استخدام مقياس متعدد أو حاسبة رمز لون المقاوم (Digi key) لتحديد قيمة المقاوم.

3. مقاوم متغير (مقياس الجهد):

يمكن العثور على هذه المكونات في أجهزة مثل باهتة الضوء أو التحكم في مستوى الصوت للراديو، عندما تدير عمود مقياس الجهد تتغير المقاومة في الدائرة.

4. المقاوم المعتمد على الضوء – LDR:

المقاوم المعتمد على الضوء: هو مقاوم متغير ولكن يتحكم فيه الضوء مقابل تدوير المقبض وتتغير المقاومة في الدائرة مع شدة الضوء وغالباً ما توجد في الأضواء الخارجية التي تضاء تلقائياً عند الغسق وتنطفئ عند الفجر.

5. مكثف:

تقوم المكثفات بتخزين الكهرباء ثم تفريغها مرة أخرى في الدائرة عندما يكون هناك انخفاض في الجهد والمكثف يشبه البطارية القابلة لإعادة الشحن ويمكن شحنه ثم تفريغه حيث يتم قياس القيمة في نطاق (Farad أو nF أو pF).

6. الصمام الثنائي:

يسمح الصمام الثنائي للكهرباء بالتدفق في اتجاه واحد ويمنعها من التدفق في الاتجاه المعاكس ويتمثل الدور الأساسي للديود في توجيه الكهرباء من اتخاذ مسار غير مرغوب فيه داخل الدائرة.

7. الصمام الثنائي الباعث للضوء – LED:

يشبه الصمام الثنائي الباعث للضوء الصمام الثنائي القياسي في أنّ التيار الكهربائي يتدفق فقط في اتجاه واحد والاختلاف الرئيسي هو أنّ (LED) سوف ينبعث الضوء عندما تتدفق الكهرباء من خلاله ويوجد داخل المصباح أنود وكاثود حيث يتدفق التيار دائماً من الأنود (+) إلى الكاثود (-) وليس في الاتجاه المعاكس والجزء الأطول من (LED) هو الجانب الموجب (الأنود).

8. الترانزستور:

الترانزستور: هو مفاتيح صغيرة تعمل على تشغيل أو إيقاف التيار عند تشغيله بواسطة إشارة كهربائية بالإضافة إلى كونه مفتاحاً يمكن استخدامه لتضخيم الإشارات الإلكترونية ويشبه الترانزستور المرحل إلّا بدون أجزاء متحركة.

9. المرحل – Relay:

المرحل: هو مفتاح يعمل بالكهرباء يفتح أو يغلق عند توصيل الطاقة ويوجد داخل المرحل مغناطيس كهربائي يتحكم في مفتاح ميكانيكي.

10. الدائرة المتكاملة – IC:

الدائرة المتكاملة: هي دائرة تم تقليل حجمها لتناسب داخل شريحة صغير وتحتوي هذه الدائرة على مكونات إلكترونية مثل المقاومات والمكثفات ولكن على نطاق أصغر بكثير وتأتي الدوائر المتكاملة بأشكال مختلفة مثل (555 مؤقتاً) ومنظمات الجهد والميكروكونترولر وكل دبوس على (IC) فريد من حيث وظيفته.

مزايا الأجهزة الإلكترونية:

تلعب الأجهزة الإلكترونية دوراً رئيسياً في الحياة اليومية وتشمل الأجهزة الإلكترونية المختلفة التي نستخدمها في الحياة اليومية:

1. أجهزة الكمبيوتر:

تُستخدم أجهزة الكمبيوتر في كل مكان وتُستخدم أجهزة الكمبيوتر لممارسة الألعاب ومشاهدة الأفلام وإجراء الأبحاث ودفع الفواتير وحجز تذاكر السكك الحديدية وشركات الطيران، وفي المدرسة يستخدم الطلاب أجهزة الكمبيوتر لإكمال مهامهم.

2. الهواتف المحمولة:

تستخدم الهواتف المحمولة لأغراض متنوعة مثل إرسال الرسائل النصية وإجراء المكالمات الصوتية وتصفح الإنترنت وممارسة الألعاب والاستماع إلى الأغاني.

3. ماكينة الصراف الآلي:

آلة الصرف الآلي (ATM): هو جهاز اتصال إلكتروني يستخدم بشكل خاص لسحب الأموال في أي وقت ومن أي مكان. ATM تعني آلة الصراف الآلي ويمكن للعميل سحب الأموال حتى حد معين خلال أي وقت من النهار أو الليل.

4. فلاش ميموري:

يستخدم فلاش ميموري بشكل خاص لتخزين كمية كبيرة من البيانات ويستخدم أيضاً لنقل البيانات من جهاز إلى آخر، فعلى سبيل المثال يمكن نقل البيانات المخزنة في الكمبيوتر إلى فلاش ميموري كما يمكن استرداد البيانات المخزنة في فلاش ميموري هذا في أي وقت.

5. التلفاز:

التلفزيون: هو جهاز إلكتروني يستخدم في المقام الأول للترفيه والمعرفة حيث يتم استخدامه لمشاهدة الأفلام للترفيه والأخبار للمعرفة والرسوم المتحركة للأطفال.

6. كاميرا رقمية:

الكاميرا الرقمية: هي كاميرا تستخدم لالتقاط الصور ومقاطع الفيديو حيث يتم تخزين هذه الصور ومقاطع الفيديو لإعادة إنتاجها لاحقاً.