يركز هذا الجزء على تطبيق الثنائي البلوري في تقويم نصف الموجة، ثم يحول مراجعة الدرس إلى طريقة منظمة لقراءة دارات الثنائيات. وينتهي بإثراء يوضح انتقال الإلكترونيات من الصمامات إلى الترانزستورات والدارات المتكاملة.
آخر تحديث:
مثال: دارة مقوّم نصف موجة يكون دخلها موجة مثلثة تتراوح بين و، وفيها ثنائي مثالي ومقاومة حمل . الفكرة ليست حساب قيمة جديدة فقط، بل قراءة اتجاه الانحياز من جهدي النقطتين و.
عندما يكون جهد النقطة أكبر من جهد النقطة يكون جهد مصعد الثنائي أكبر من جهد مهبطه، فيكون الثنائي في حالة انحياز أمامي. في هذه الفترات يمرر الثنائي الموجة إلى المقاومة. في هذا المثال يحدث ذلك في المدد و.
أما في المدة فيكون جهد النقطة أقل من جهد النقطة ؛ أي إن جهد مصعد الثنائي أقل من جهد مهبطه. لذلك يكون الثنائي في حالة انحياز عكسي، فلا يمرر الموجة الكهربائية ويصبح فرق الجهد على المقاومة صفرا في النموذج المثالي.
تقويم نصف الموجة: تمرير نصف دورة من الإشارة المترددة ومنع النصف الآخر باستعمال الثنائي، فيظهر خرج باتجاه واحد على المقاومة.
ربط U6 T2: إن نسيت حاجز الجهد (0.7 V لـ Si) أو انحياز p-n، راجع موضوع الدارات الإلكترونية (١) في الوحدة 06 قبل حل مراجعة الوحدة.
قراءة الرسم الزمني: لا تبدأ من شكل الخرج مباشرة. حدد أولا أين يكون وأين يكون ، ثم ارسم الخرج على المقاومة في فترات الانحياز الأمامي فقط.
بما أن الثنائي في المثال مثالي ومقاومته مهملة، وبما أن فرق الجهد بين طرفيه مهمل في الانحياز الأمامي، فإن القيمة العظمى للموجة الخارجة على المقاومة تساوي القيمة العظمى للموجة الداخلة: .
الخطأ الشائع: رسم خرجٍ موجبٍ طوال الدورة. في الانحياز العكسي () الخرج على المقاومة صفر تماماً في النموذج المثالي — لا تنقل النصف السالب من الموجة، ولا تنسَ أن تكتب على الرسم فترات التمرير والمنع بالثواني كما في المثال.
تبدأ نهاية الدرس بطلب توضيح معنى المواد شبه الموصلة، والإشابة، والثنائي البلوري. هذا يربط الدرس الحالي بما سبقه: الثنائي البلوري وصلة شبه موصلة صممت لتمرير التيار في اتجاه ومنعه في الاتجاه المعاكس، ولذلك يظهر مباشرة في دارة التقويم.
في مسائل رسم الموجة الخارجة، يبقى السؤال نفسه: هل يكون الثنائي أماميا أم عكسيا في كل جزء من الدورة؟ إذا عكسنا الثنائي في دارة التقويم، فإن الفترات التي كانت ممررة تصبح ممنوعة، والفترات التي كانت ممنوعة تصبح ممررة. لذلك يتغير شكل الخرج إلى النصف المقابل من الموجة.
في أسئلة مثل الدارة التي تحتوي و ومقاومات وبطارية ، لا نحاول حل الدارة دفعة واحدة. نحدد أولا حالة كل ثنائي من اتجاه البطارية: الثنائي الأمامي يسمح بالمسار، والثنائي العكسي يقطع الفرع. بعد ذلك نستخدم قانون أوم وقواعد كيرشوف في الفروع المتبقية فقط.
استبدال الثنائي في الرسم: عند إهمال فرق الجهد على الثنائي الأمامي، عامل الثنائي الأمامي كوصلة مغلقة، والثنائي العكسي كفرع مفتوح. ثم احسب التيارات في المقاومات الفعلية المتصلة.
السؤال عن المصابيح التي تضيء يحل بالطريقة نفسها: تتبع مسارا كاملا من القطب الموجب للبطارية إلى القطب السالب. إذا كان في المسار ثنائي عكسي، ينقطع التيار فلا يضيء المصباح في ذلك المسار. وإذا كانت كل الثنائيات في المسار أمامية، يمر التيار ويضيء المصباح.
فخ منحنى : الخطأ الشائع: التعامل مع الثنائي كمقاومة أومية ثابتة عند قراءة منحنى –. مقاومة الثنائي تتغيّر من نقطة لأخرى على المنحنى؛ عند طلب «أكبر مقاومة» احسب النسبة عند كل نقطة معطاة وقارن — لا تفترض ثباتها.
تختم نهاية الدرس بأسئلة اختيار من متعدد عن بلورة السليكون الموجبة، وعن دارات مصابيح، وعن منحنى ، وعن دارات بثنائيات جرمانيوم أو سليكون. هذه الأسئلة لا تضيف فكرة جديدة؛ لكنها تختبر هل يستطيع الطالب نقل قواعد الانحياز وحاجز الجهد من الرسم النظري إلى دارة رقمية.
إثراء وتوسع: الترانزستور أحد أهم عناصر الدارات الإلكترونية، ويدخل في تركيب الأجهزة الإلكترونية كلها. يحتوي الهاتف النقال مئات الآلاف من الترانزستورات، وكذلك الحاسوب وغيره من الأجهزة الإلكترونية.
يصنع الترانزستور من مواد شبه موصلة مثل السليكون أو الجرمانيوم. وهو يشبه الثنائي البلوري من حيث اعتماده على أشباه الموصلات، لكنه يختلف عنه بأنه يتكون من ثلاث طبقات بدلا من وصلة واحدة بسيطة.
قبل انتشار الترانزستورات كانت الدارات الإلكترونية تؤدي وظائفها باستعمال الصمامات الثنائية والثلاثية. لكن الصمام الإلكتروني كان كبير الحجم ويولد حرارة تحتاج إلى تبريد، وهذا يؤثر سلبا في عمل الدارة. لذلك كان الانتقال إلى عناصر أصغر وأكثر دقة خطوة كبيرة في تطور الإلكترونيات.
الترانزستور: عنصر شبه موصل من ثلاث طبقات يستخدم في الدارات الرقمية مفتاحا سريعا للتشغيل والإيقاف، ويستخدم أيضا في تضخيم التيار أو الجهد.
للترانزستور وظيفتان مركزيتان: يعمل مفتاحا كهربائيا مثاليا سريع التشغيل والإيقاف، ولذلك يلائم الدارات الرقمية؛ ويعمل مضخما للتيار أو الجهد، وقد بدأ استخدامه للتضخيم في الأجهزة السمعية المحمولة مثل المذياع ثم في الأنظمة والآلات الموسيقية.
استراتيجية الحل: سؤال الإثراء المعتاد: «اذكر وظيفتي الترانزستور». الجواب المطلوب حرفياً: (1) مفتاح كهربائي سريع التشغيل والإيقاف في الدارات الرقمية، (2) مضخّم للتيار أو الجهد. وميّز بينه وبين الثنائي: ثلاث طبقات مقابل وصلة واحدة.
أدى تطوير الترانزستور وتصغير حجمه إلى ظهور الدارات المتكاملة. الدارة المتكاملة شريحة صغيرة تجمع عددا كبيرا جدا من الترانزستورات ضمن مساحة لا تتجاوز بضعة مليمترات، وتقاس أبعاد الترانزستور الواحد في الشريحة بوحدة النانومتر.
تستخدم الترانزستورات والدارات المتكاملة في شرائح الذاكرة في أجهزة الحاسوب. لذلك ليس تطور الترانزستور مجرد تاريخ؛ بل يربط بين قواعد الثنائي والترانزستور وبين البناء الفعلي للأجهزة الإلكترونية الحديثة.
حدود هذا الموضوع: في مراجعة الوحدة، الأسئلة الخاصة بالتيار المتردد وRLC والمحول تعود إلى موضوعات سابقة، أما الأسئلة ذات الثنائيات والإشارة الخارجة فهي امتداد مباشر لهذا الموضوع.
من مراجعة الوحدة، السؤال الذي يضم ثنائي جرمانيوم وثنائي سليكون مع بطارية يختبر حاجز الجهد واتجاه مرور التيار في دارة عملية. والسؤال الذي يسأل عن عكس أقطاب البطارية في دارة بها ثنائيان يختبر هل تتغير فروع التوصيل عند قلب الانحياز.
وفي سؤال الإشارة الخارجة، يعود الطالب إلى دارة مقوّم نصف الموجة نفسها: يرسم بالنسبة إلى الزمن بافتراض أن الثنائي مثالي، ثم يستنتج عدد المرات التي يضيء فيها مصباح إذا استبدل بالمقاومة. لذلك يبقى خيط الموضوع واحدا: الثنائي يقرر أي جزء من الإشارة يصل إلى الحمل.
قبل حل مراجعة الوحدة: افصل أسئلة الوحدة إلى عائلات: أسئلة AC/RLC، أسئلة محول، وأسئلة ثنائيات. لا تخلط قوانين الرنين والمعاوقة مع قاعدة الانحياز في الثنائي.
صوّر هذا الجدول وسمِّعه قبل الامتحان:
| الموقف | القاعدة |
|---|---|
| انحياز أمامي → الثنائي يمرّر، الخرج = الدخل (نموذج مثالي) | |
| انحياز عكسي → لا تمرير، الخرج على المقاومة = صفر | |
| عكس الثنائي في المقوّم | ينعكس النصف الممرّر من الموجة |
| دارة بعدة ثنائيات | الأمامي = وصلة مغلقة، العكسي = فرع مفتوح، ثم أوم/كيرشوف |
| منحنى – للثنائي | المقاومة متغيّرة: عند كل نقطة |
| الترانزستور | ثلاث طبقات؛ وظيفتاه: مفتاح + مضخّم |
| الدارة المتكاملة | ملايين الترانزستورات بأبعاد نانومترية؛ شرائح الذاكرة |
وصلة تتكون من بلورة شبه موصلة، جزء منها من النوع (n) والآخر من النوع (p)، ويستخدم لتقويم التيار الكهربائي.
حالة توصيل الثنائي حيث يوصل القطب الموجب للبطارية بالمصعد (p) والقطب السالب بالمهبط (n)، مما يسمح بمرور التيار.
حالة توصيل الثنائي حيث يوصل القطب الموجب للبطارية بالمهبط (n) والقطب السالب بالمصعد (p)، مما يمنع مرور التيار.
فرق الجهد الذي يجب أن يتجاوزه الثنائي في حالة الانحياز الأمامي ليمر التيار، وقيمته 0.7V للسيليكون و 0.3V للجرمانيوم.
فرق الجهد الذي إذا زاد عنه المصدر في حالة الانحياز العكسي، تنهار مقاومة الثنائي ويسري فيه تيار كبير يؤدي لتلفه.
تطوير للترانزستورات حيث تُجمع أعداد كبيرة منها ضمن مساحة صغيرة جداً تقاس بالمليمترات.
دارة تستخدم ثنائيا لتمرير نصف دورة من الإشارة المترددة ومنع النصف الآخر، فيظهر على الحمل خرج نبضي باتجاه واحد.
نموذج تقريبي يهمل مقاومة الثنائي وفرق الجهد بين طرفيه في حالة الانحياز الأمامي، ويعده مفتوحا (دارة مقطوعة) في حالة الانحياز العكسي.
عنصر إلكتروني شبه موصل مكون من ثلاث طبقات (بدلا من وصلة واحدة كما في الثنائي)، يستخدم مفتاحا كهربائيا سريعا في الدارات الرقمية أو مضخما للتيار أو الجهد.
فرق الجهد الظاهر على المقاومة أو الحمل بعد مرور الإشارة عبر الثنائي؛ في مقوّم نصف الموجة المثالي تظهر فقط خلال فترات الانحياز الأمامي وتكون صفرا في فترات الانحياز العكسي.
عنصر إلكتروني قديم أدى وظائف الثنائي والترانزستور قبل انتشارهما، كان كبير الحجم ويولّد حرارة تحتاج تبريدا، ما أثّر سلبا في أداء الدارة.
في دارة مقوم نصف موجة دخلها مثلثي بين و، والثنائي مثالي. حدد فترات الانحياز الأمامي والعكسي، وصف شكل الخرج على المقاومة.
يكون الثنائي أماميا عندما ، وذلك في الفترتين و؛ ويكون عكسيا عندما ، وذلك في الفترة . يظهر على المقاومة الجزء الممرر فقط من الموجة، ويكون الخرج صفرا في فترة الانحياز العكسي، والقيمة العظمى للخرج لأن الثنائي مثالي.
إذا عكس الثنائي في دارة مقوم نصف الموجة، فسر كيف يتغير شكل .
عند عكس الثنائي تتبدل فترات الانحياز: الفترات التي كانت أمامية تصبح عكسية، والفترة التي كانت عكسية تصبح أمامية. لذلك يظهر النصف الآخر من الإشارة على المقاومة، بينما يصبح الخرج صفرا في الفترات التي كانت ممررة قبل العكس.
في سؤال مراجعة الوحدة، إذا استبدلت المقاومة في دارة مقوم نصف الموجة بمصباح، فما الفكرة التي تحدد عدد مرات إضاءته في الثانية؟
المصباح يضيء فقط في الفترات التي يكون فيها الثنائي أماميا ويمر التيار. لذلك عدد مرات الإضاءة يرتبط بعدد النبضات الممررة في الثانية، لا بعدد الفترات العكسية التي يكون فيها الخرج صفرا.
لماذا لا تنقص القيمة العظمى للخرج عن في مثال مقوم نصف الموجة عندما يكون الثنائي مثاليا؟
لأن الثنائي المثالي في الانحياز الأمامي يعامل كوصلة موصلة لا يظهر بين طرفيها فرق جهد مؤثر. لذلك تصل القيمة العظمى نفسها من الدخل إلى المقاومة، فتكون .
فسر لماذا يكون خرج المقاومة صفرا في الفترة في مثال ١٠.
في هذه الفترة يكون ؛ أي إن جهد المصعد أقل من جهد المهبط، فيكون الثنائي في انحياز عكسي. والثنائي العكسي في النموذج المثالي لا يمرر الموجة، لذلك يصبح فرق الجهد على المقاومة صفرا.
بطاقات مهمة
دارة تستخدم ثنائيا لتمرير نصف دورة من الإشارة المترددة ومنع النصف الآخر، فيظهر خرج نبضي على المقاومة.
عندما يكون جهد النقطة أكبر من جهد النقطة ؛ أي جهد المصعد أكبر من جهد المهبط.
عندما يكون جهد النقطة أقل من جهد النقطة ؛ فلا يمرر الثنائي الموجة إلى المقاومة.
يكون أماميا خلال و؛ لأن جهد المصعد أكبر من جهد المهبط ، فيمرر الثنائي الإشارة.
يكون الثنائي منحازا عكسيا، فيعامل كفرع مفتوح ولا يمر تيار؛ لذلك يكون خرج المقاومة صفرا خلال في النموذج المثالي.
لأن الثنائي في المثال مثالي، ومقاومته وفرق الجهد بين طرفيه مهملان في الانحياز الأمامي.
أماميا: وصلة مغلقة مع فرق جهد مهمل. عكسيا: فرع مفتوح لا يمر فيه تيار.
تتبدل الفترات الممررة والممنوعة؛ فيظهر النصف الآخر من الإشارة على المقاومة.
المصباح يضيء إذا اكتمل مسار مغلق عبره. وجود ثنائي عكسي في المسار يقطع التيار.
حدد حالة كل ثنائي من اتجاه البطارية أولا، ثم احذف الفروع العكسية واحسب التيارات في الفروع المتبقية.