کار و فناوری
آموزش کار و فناوری دوره اول متوسطه
با سلام وبلاگ آموزش کار و فناوری جهت ایجاد انگیزه و یادگیری مطالبی فراتر از درس کار و فناوری برای دانش آموزان گرد آوری می شود جهت ارتباط با اینجانب در قسمت "تماس با ما" نظر دهید با تشکر
نگارش در تاريخ دوشنبه بیست و هفتم مهر 1388 توسط "دبیر کار و فناوری تنکابن"

آشنايي با قطعات الكترونيكي

ترانزیستور زمانی که ساخت شده دگرگونی در الکترونیک کرد به طور که حجم و وزن مدارات اللکترونیک به طور چشم گیری کاهش یافت.

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور در سال 1947 در آزمایشگاه های بل هنگام تحقیق برای تقویت کننده های بهتر و یافتن جایگزینی بهتر برای رله های مکانیکی اختراع شد.لوله های خلاء، صوت و موسیقی را در نیمه اول قرن بیستم تقویت کرده بودنداما توان زیادی مصرف می کردند و سریعا می سوختند . شبکه های تلفن نیز به صد ها هزار رله مکانیکی برای اتصال مدارات به همدیگر نیاز داشتند تا شبکه بتواند سر پا بایستد و چون این رله های مکانیکی بودند لازم بود برای عملکرد مطلوب همیشه تمیز باشند .در نتیجه نگه داری و سرویس آنها مشکل و پر هزینه بود. با ظهور ترانزیستور قیمت ها نسبت به زمان استفاده از لامپ خلاء شکسته شد و بهبودی زیادی در کیفیت شبکه های تلفن حاصل گردید

ترانزیستور

 را معمولاً به عنوان یکی از قطعات الکترونیک می‌‌شناسند. ترانزیستور یکی از ادوات حالت جامد است که از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیسیم (سیلیکان) ساخته می‌شود. ترانزیستور از 3 پایه تشکیل شده بیس ، امیتر ، کلکتور  نام گذاری می شود

کاربرد

ترانزیستور هم در مدارات الکترونیک آنالوگ و هم در مدارات الکترونیک دیجیتال کاربردهای بسیار وسیعی دارد. در آنالوگ می‌توان از آن به عنوان تقویت کننده یا تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) و ... استفاده کرد. کاربرد ترانزیستور در الکترونیک دیجیتال شامل مواردی مانند پیاده سازی مدار منطقی، حافظه، سوئیچ کردن و ... می‌شود.به جرات می توان گفت که ترانزیستور قلب تپنده الکترونیک است.

انواع

دو دسته مهم از ترانزیستورها BJT (ترانزیستور دوقطبی پیوندی) (Bypolar Junction Transistors) و FET (ترانزیستور اثر میدان) (Field Effect Transistors) هستند. ترانزیستورهای اثزمیدان یا FET‌ها نیز خود به دو دسته ی ترانزیستور اثر میدان پیوندی(JFET) و MOSFET‌ها (Metal Oxide SemiConductor Field Effect Transistor) تقسیم می‌شوند.

ترانزیستور چگونه کار می کند؟

ترانزیستور کاربرد های زیادی دارد اما دو کاربرد پایه ای آن به عنوان سوئیچ و استفاده در مدولاسیون است که کاربرد دومی بیشتر به عنوان تقوت کننده مورد نظر است.

این دو کاربرد ترانزیستور را می توان اینگونه توضیح داد :
سوئیچ همان کلید است مثل کلید چراغ خواب اتاقتان .دارای دو حالت روشن و خاموش است با قرار دادن کلید در حالت روشن چراغ اتاقتان روشن می شود و با قراردادن کلید در حالت خاموش چراغ خاموش می شود . بله به همین سادگی ! کاربرد ترانزیستور هم به عنوان سوئیچ به همن صورت است.
اما کاربرد تقویت کنندگی آن را می توان بدین صورت توضیح داد :
چراغ خواب نور کمی دارد اما اگر بتوان این نور را چنان زیاد کرد که تمام اتاق را روشن کند آنوقت عمل تقویت کنندگی صورت گرفته است.

فرق بین سوئیچینگ به وسیله ترانزیستور و به وسیله کلید برق! سرعت بسیار زیاد ترانزیستور است که می توان گاهی آن را در مقایسه با کلید آنی در نظر گرفت(صد ها هزار برابر و شاید میلیونها بار سریعتر).و اینکه ترانزیستور را می توان به دیگر منابع الکترونیکی متصل کرد مثلا به میکروفن به منبع سیگنال و حتی به یک ترانزیستور دیگر ....
ترانزیستور از عناصری به نام نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم ساخته می شود نیمه هادی ها جریان الکتریسیته را نسبتا خوب( – اما نه به اندازه ای خوب که رسانا خوانده شوند مانند مس و آلومنیوم و تقریبا بد اما نه به اندازه ای که عایق نامگذاری شوند مانند شیشه) هدایت می کنند به همین دلیل به آنها نیمه هادی می گویند.
عمل جادویی که ترانزیستور می تواند انجام دهد اینست که می تواند مقدار هادی بودن خود را تغییر دهد . هنگامی که لازم است یک هادی باشد می تواند هدایت خوبی دشته باشد و هنگامی که لازم است تا به عنوان عایق عمل کند جریان بسیار کمی را از خود عبور می دهد که می توان آن را ناچیز شمرد.
نیمه هادی ها در مقابل الکتریسیته عملکرد جالبی دارند یک قطعه از یک عنصر نیمه هادی را بین دو قطع از یک عنصر نیمه هادی دیگر قرار دهید.جریان کم قطعه وسطی قادر است که جریان دو قطعه ی دیگر را کنترل کند. جریان کمی که از قطعه ی وسطی می گذرد برای مثال می تواند یک موج رادیوئی یا جریان خروجی از یک ترانزیستور دیگر باشد .حتی اگر جریان ورودی بسیار ضعیف هم باشد( مثلا یک سیگنال رادیوئی که مسافت زیادی را طی کرده و از رمق افتاده است!) ترانزیستور می تواند جریان قوی مدار دیگری را که به آن وصل است کنترل کند. به زبان ساده ترانزیستور رفتار جریان خروجی از روی رفتار جریان ورودی تقلید می کند.نتیجه می تواند یک سیگنال تقوت شده و پرتوان رادیوئی باشد.

اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند
جریانی از مدار عبور نخواهد کرد.

اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.

موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.

جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.


از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد.

همانطور که در مطلب قبل (اولین ترانزیستورها) اشاره کردیم ترانزيستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.

در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند.

معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.

 

سیم پیچ

سیم پیچ به طور ساده یک سیم هادی معمولی است که پیچانده شده است . مقاومت اهمی سیم پیچ را در اغلب موارد می توان صفر فرض نمود و بنابر این با عبور جریان dc سیم پیچ مانند یک هادی عمل کرده و عکس العملی ندارد . (ولتاژ دو سر آن صفر است) اما چنانچه جریان عبوری بخواهد تغییر نماید . سیم پیچ با تغییر جریان مخالفت نموده و این مخالفت به صورت ایجاد ولتاژی به نام ولتاژ القائی بروز نماید. و اصولاَ این خاصیت خودالقائی سیم پیچ می نامیم.
هرگاه از سیمی جریان عبور کند اطراف سیم میدان مغناطیسی ایجاد می شود . در سال 1824 دانشمندی به نام اورستد دریافت که هرگاه قطب نمائی به سیم حامل جریان نزدیک شود عقربه منحرف می شود . و اثبات این موضوع است که اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی وجود دارد . تجمع براده ها در نزدیکی سیم بیشتر بوده به این معنی که شدت میدان مغناطیسی ایجاد شده در نزدیکی سیم بیشتر است . و هر چه از سیم دورتر شویم میدان مغناطیسی ضعیف تر می شود.

 شارژ و دشارژ

همانند خازن سیم پیچ هم قابلیت شارژ و دشارژ دارد. با این فرق که انرژی در سیم پیچ به صورت الکترو مغناطیسی ذخیره می شود. در صورتی که انرژی ذخیره شده در خازن از نوع الکترواستاتیکی است

 

دیود نوری

قطعات دو پایانه طراحی شده برای پاسخ به جذب فوتون ، دیودهای نوری نامیده می‌شوند. برخی از دیودهای نوری سرعت پاسخ و حساسیت بسیار بالایی دارند. از آنجایی که ‌الکترونیک نوین علاوه بر سیگنالهای الکتریکی اغلب دارای سیگنالهای نوری نیز می‌باشد، دیودهای نوری نقش مهمی ‌را به عنوان قطعات الکترونیک ایفا می‌کنند. غالبا از قطعات پیوندی برای بهبودی سرعت پاسخ و حساسیت آشکارسازهای نوری یا تابشهای پر انرژی استفاده می‌شود.

آشکارسازهای نوری

یک چنین قطعه‌ای برای اندازه گیری سطوح روشنایی یا تبدیل سیگنالهای نوری متغیر با زمان به سیگنالهای الکتریکی وسیله‌ای مناسب است. در بیشتر آشکارسازهای نوری سرعت پاسخ آشکارساز بسیار مهم است. مرحله نفوذ حاملین بار امری زمان‌بر است و باید در صورت امکان حذف شود. پس مطلوب است که پهنای ناحیه تهی به ‌اندازه کافی بزرگ باشد تا اکثر فوتون‌ها به‌جای نواحی خنثی n و p در درون ناحیه تهی جذب شوند. وقتی که یک EHP در ناحیه تهی بوجود آید، میدان الکتریکی ، الکترون را به طرف n و حفره را به طرف p می‌کشد. چون این رانش حاملین بار در زمان کوتاهی رخ می‌دهد، پاسخ دیود نوری می‌تواند بسیار سریع باشد. هنگامی ‌که حاملین بار عمدتا در ناحیه تهی w ایجاد شوند، به آشکارساز یک دیود نوری لایه تهی گفته می‌شود. اگر w پهن باشد، اکثر فوتونهای تابشی در ناحیه تهی جذب خواهند شد. w پهن منجر به کاهش ظرفیت پیوند شده و در نتیجه ثابت زمانی مدار آشکارساز را کاهش می‌دهد.

کاربرد دیود نوری

کاربرد باتریهای خورشیدی محدود به فضای دور نیست. حتی با تضعیف شدت تابش خورشید توسط جو می‌توان توسط این باتریها توان مفیدی را برای کاربردهای زمینی بدست آورد. یک باتری خوش ساخت از سیلیسیوم می‌تواند دارای بازده خوب در تبدیل انرژی الکتریکی باشد.  

خازن چیست و کاركرد آن چگونه است؟
خازن ها انرژی الكتریكی را نگهداری می كنند و به همراه مقاومت ها ، در مدارات تایمینگ استفاده می شوند . همچنین از خازن ها برای صاف كردن سطح تغییرات ولتاژ مستقیم استفاده می شود . از خازن ها در مدارات بعنوان ***** هم استفاده می شود . زیرا خازن ها به راحتی سیگنالهای غیر مستقیم AC را عبور می دهند ولی مانع عبور سیگنالهای مستقیم DC می شوند .
ظرفیت :
ظرفیت معیاری برای اندازه گیری توانائی نگهداری انرژی الكتریكی است . ظرفیت زیاد بدین معنی است كه خازن قادر به نگهداری انرژی الكتریكی بیشتری است . واحد اندازه گیری ظرفیت فاراد است . 1 فاراد واحد بزرگی است و مشخص كننده ظرفیت بالا می باشد . بنابراین استفاده از واحدهای كوچكتر نیز در خازنها مرسوم است . میكروفاراد µF ، نانوفاراد nF و پیكوفاراد pF واحدهای كوچكتر فاراد هستند .
µ means 10-6 (millionth), so 1000000µF = 1F
n means 10-9 (thousand-millionth), so 1000nF = 1µF
p means 10-12 (million-millionth), so 1000pF = 1nF
انواع مختلفی از خازن ها وجود دارند كه میتوان از دو نوع اصلی آنها ، با پلاریته ( قطب دار ) و بدون پلاریته ( بدون قطب ) نام برد .
 

خازنهای قطب دار :
الف - خازن های الكترولیت
در خازنهای الكترولیت قطب مثبت و منفی بر روی بدنه آنها مشخص شده و بر اساس قطب ها در مدارات مورد استفاده قرار می گیرند . دو نوع طراحی برای شكل این خازن ها وجود دارد . یكی شكل اَكسیل كه در این نوع پایه های یكی در طرف راست و دیگری در طرف چپ قرار دارد و دیگری رادیال كه در این نوع هر دو پایه خازن در یك طرف آن قرار دارد . در شكل نمونه ای از خازن اكسیل و رادیال نشان داده شده است .

در خازن های الكترولیت ظرفیت آنها بصورت یك عدد بر روی بدنه شان نوشته شده است . همچنین ولتاژ تحمل خازن ها نیز بر روی بدنه آنها نوشته شده و هنگام انتخاب یك خازن باید این ولتاژ مد نظر قرار گیرد . این خازن ها آسیبی نمی بینند مگر اینكه با هویه داغ شوند .

ب - خازن های تانتالیوم

خازن های تانتالیم هم از نوع قطب دار هستند و مانند خازنهای الكترولیت معمولاً ولتاژ كمی دارند . این خازن ها معمولاً در سایز های كوچك و البته گران تهیه می شوند و بنابراین یك ظرفیت بالا را در سایزی كوچك را ارائه می دهند .
در خازنهای تانتالیوم جدید ، ولتاژ و ظرفیت بر روی بدنه آنها نوشته شده ولی در انواع قدیمی از یك نوار رنگی استفاده می شود كه مثلا دو خط دارد ( برای دو رقم ) و یك نقطه رنگی برای تعداد صفرها وجود دارد كه ظرفیت بر حست میكروفاراد را مشخص می كنند . برای دو رقم اول كدهای استاندارد رنگی استفاده می شود ولی برای تعداد صفرها و محل رنگی ، رنگ خاكستری به معنی × 0.01 و رنگ سفید به معنی × 0.1 است . نوار رنگی سوم نزدیك به انتها ، ولتاژ را مشخص می كند بطوری كه اگر این خط زرد باشد 3/6 ولت ، مشكی 10 ولت ، سبز 16 ولت ، آبی 20 ولت ، خاكستری 25 ولت و سفید 30 ولت را نشان می دهد .برای مثال رنگهای آبی - خاكستری و نقطه سیاه به معنی 68 میكروفاراد است .
آبی - خاكستری و نقطه سفید به معنی 8/6 میكروفاراد است .

خازنهای بدون قطب :
خازن های بدون قطب معمولا خازنهای با ظرفیت كم هستند و میتوان آنها را از هر طرف در مدارات مورد استفاده قرار داد . این خازنها در برابر گرما تحمل بیشتری دارند و در ولتاژهای بالاتر مثلا 50 ولت ، 250 ولت و ... عرضه می شوند .
                                      
پیدا كردن ظرفیت این خازنها كمی مشكل است چون انواع زیادی از این نوع خازنها وجود دارد و سیستم های كد گذاری مختلفی برای آنها وجود دارد . در بسیاری از خازن ها با ظرفیت كم ، ظرفیت بر روی خازن نوشته شده ولی هیچ واحد یا مضربی برای آن چاپ نشده و برای دانستن واحد باید به دانش خودتان رجوع كنید . برای مثال بر 1/0 به معنی 0.1µF یا 100 نانوفاراد است . گاهی اوقات بر روی این خازنها چنین نوشته می شود ( 4n7 ) به معنی 7/4 نانوفاراد . در خازن های كوچك چنانچه نوشتن بر روی آنها مشكل باشد از شماره های كد دار بر روی خازن ها استفاده می شود . در این موارد عدد اول و دوم را نوشته و سپس به تعداد عدد سوم در مقابل آن صفر قرار دهید تا ظرفیت بر حسب پیكوفاراد بدست اید . بطور مثال اگر بر روی خازنی عدد 102 چاپ شده باشد ، ظرفیت برابر خواهد بود با 1000 پیكوفاراد یا 1 نانوفاراد .
کد رنگی خازن ها :
در خازن های پلیستر برای سالهای زیادی از كدهای رنگی بر روی بدنه آنها استفاده می شد . در این كد ها سه رنگ اول ظرفیت را نشان می دهند و رنگ چهارم تولرانس ا نشان می دهد .
برای مثال قهوه ای - مشكی - نارنجی به معنی 10000 پیكوفاراد یا 10 نانوفاراد است .
خازن های پلیستر امروزه به وفور در مدارات الكترونیك مورد استفاده قرار می گیرند . این خازنها در برابر حرارت زیاد معیوب می شوند و بنابراین هنگام لحیمكاری باید به این نكته توجه داشت .
 
 
كد رنگی خازن ها :

در خازن های پلیستر برای سالهای زیادی  از كدهای رنگی بر روی بدنه آنها استفاده می شد . در این كد ها سه رنگ اول ظرفیت را نشان می دهند و رنگ چهارم تولرانس ا نشان می دهد .

برای مثال قهوه ای - مشكی - نارنجی به معنی 10000 پیكوفاراد یا 10 نانوفاراد است .

خازن های پلیستر امروزه به وفور در مدارات الكترونیك مورد استفاده قرار می گیرند . این خازنها در برابر حرارت زیاد معیوب می شوند و بنابراین هنگام لحیمكاری باید به این نكته توجه داشت .

 

            

كد رنگی خازنها

رنگ

شماره

سیاه

0

قهوه ای

1

قرمز

2

نارنجی

3

زرد

4

سبز

5

آبی

6

بنفش

7

خاكستری

8

سفید

9

خازن ها با هر ظرفیتی وجود ندارند . بطور مثال خازن های 22 میكروفاراد یا 47 میكروفاراد وجود دارند ولی خازن های 25 میكروفاراد یا 117 میكروفاراد وجود ندارند .

دلیل اینكار چنین است :

فرض كنیم بخواهیم خازن ها را با اختلاف ظرفیت ده تا ده تا بسازیم . مثلاً 10 و 20 و 30 و . . . به همین ترتیب . در ابتدا خوب بنظر می رسد ولی وقتی كه به ظرفیت مثلاً 1000 برسیم چه رخ می دهد ؟

مثلاً 1000 و 1010 و 1020 و . . . كه در اینصورت اختلاف بین خازن 1000 میكروفاراد با 1010 میكروفاراد بسیار كم است و فرقی با هم ندارند پس این مسئله معقول بنظر نمی رسد .

برای ساختن یك رنج محسوس از ارزش خازن ها ، میتوان برای اندازه ظرفیت از مضارب استاندارد 10 استفاده نمود . مثلاً 7/4 - 47 - 470 و . . .  و یا  2/2 - 220 - 2200 و . . .

 
مقاومت الکتریکی
یک مقاومت ایده‌ال عنصری است با یک مقاومت الکتریکی که صرفنظر از ولتاژ اعمالی به دو سرش یا جریان الکتریکی عبوری از آن ، ثابت می‌ماند. اما بدلیل اینکه مقاومتهای جهان واقعی نمی‌توانند این شرایط ایده‌ال را برآورده سازند، آنها را بگونه‌ای طراحی می‌کنند که در برابر تغییرات دما و دیگر عوامل محیطی ، نوسانات کمی در مقاومت الکتریکی شان ایجاد شود. مقاومتها ممکن است که ثابت یا متغییر باشند. مقاومتهای متغیر پتانسیومتر یا رئوستا نیز خوانده می‌شوند و این اجازه را می‌دهند که مقاومت وسیله توسط تنظیم یک میله یا لغزش یک ابزار کنترلی ، تغییر کند.


img/daneshnameh_up/d/d9/Moghavematha.jpg




برخی از مقاومتها بلند و نازک هستند و ماده مقاوم حقیقی در وسط آنها قرار دارد و یک پایه هادی در هر انتهای آن نصب شده است. به این مقاومت بسته محوری گفته می‌شود. تصویر سمت راست یک ردیف از مقاومتهایی را نشان می‌دهد که عموما در یک بسته بندی قرار داده می‌شوند. مقاومتهای استفاده شده در کامپیوترها و دیگر وسایل ، نوعا خیلی کوچکتراند و اغلب در بسته‌های با پایه سطحی (فن آوری پایه سطحی) بدون سیمهای رابط بکار می‌روند. مقاومتهای با توان بالاتر را در بسته‌های محکمتری قرار می‌دهند و بگونه‌ای طراحی شده‌اند که گرما را بطور موثری از بین ببرند، اما تمامی آنها دارای همان ساختار قبلی مقاومتها هستند.

مقاومتها به عنوان بخشی از
شبکه‌های الکتریکی بکار می‌روند و در علم میکرو الکترونیک و ابزارهای نیمه هادی شرکت دارند. اندازه گیری دقیق یک مقاومت بصورت نسبت ولتاژ به جریان است و واحد آن در دستگاه SI، اهم است. یک عنصر دارای مقاومت 1 اهم است اگر یک ولتاژ 1 ولتی دو سر عنصر منجر به یک جریان 1 آمپر شود که معادل جریان یک کولمب بار الکتریکی (تقریبا 6.242506 X 10 18 الکترون) در ثانیه در جهت مخالف است.

یک جسم فیزیکی نوعی مقاومت است. اکثر
فلزات، مواد هادی هستند و در برابر جریان الکتریسته مقاومت کمی دارند. بدن انسان ، یک تکه پلاستیک ، یا حتی یک خلا دارای مقاومتهایی هستند که قابل اندازه گیری است. موادی که دارای مقاومتهای بسیار بالایی هستند عایق نامیده می‌شوند.


img/daneshnameh_up/d/d1/Moghavemat.jpg




رابطه بین ولتاژ ، جریان و مقاومت در یک جسم توسط یک معادله ساده که از قانون اهم گرفته شده و اغلب با آن اشتباه می‌شود، بیان می‌شود:

V = IR

که در آن V ولتاژ دو سر مقاومت بر حسب ولت ، I جریان عبور کننده از مقاومت بر حسب آمپر و R مقدار مقاومت بر حسب اهم است. اگر V و I دارای یک رابطه خطی باشند که به مفهوم ثابت بودن R در یک محدوده است، آنگاه این ماده در آن محدوده اهمی خوانده می‌شود. یک مقاومت ایده آل دارای مقاومت ثابت در تمامی فرکانسها و مقادیر ولتاژ و جریان است. مواد ابر رسانا در دماهای بسیار پایین دارای مقاومت صفر هستند. عایقها ( نظیر آزمایشهای مربوط به هوا ، الماس ، یا مواد غیر هادی) ممکن است دارای مقاومتهایی بسیار بالا (اما نه بینهایت) باشند. لکن تحت ولتاژهای به میزان کافی زیاد، دچار شکست می شوند و جریان بزرگی را از خود عبور می‌دهند.

مقاومت یک عنصر را می‌توان از مشخصه‌های فیزیکی آن محاسبه کرد. مقاومت با طول عنصر و مقاومت ویژه (یک خاصیت فیزیکی ماده) آن بطور مستقیم متناسب است و با سطح مقطع آن رابطه عکس دارد. معادله محاسبه مقاومت یک بخش ماده مانند زیر است:

R = rL/A

که در آن r مقاومت ویژه ماده ، L طول و A مساحت سطح مقطع است. این معادله را می‌توان برای موادی که از نظر شکل پیچیده‌ترند، بصورت انتگرالی نیز نوشت. اما این فرمول ساده برای سیمهای استوانه‌ای و اغلب هادیهای عمومی قابل استفاده است. این مقدار می‌تواند در فرکانسهای بالا به علت اثر پوستی ، که سطح مقطع در دسترس را کاهش می‌دهد، تغییر کند. مقاومتهای استاندارد را در مقادیری از چند میلی اهم تا حدود یک گیگا اهم به فروش می‌رسانند. تنها محدوده مشخصی از مقادیر که مقادیر ترجیح داده شده نام دارند در دسترس هستند.

در عمل ، اجزای گسسته فروخته شده به عنوان مقاومت ، یک مقاومت کامل آنگونه که در بالا تعریف شد، نیستند. مقاومتها معمولا توسط خطایشان (حداکثر تغییرات مورد انتظار نسبت به مقاومت مشخص شده) بیان می‌شوند.
در یک مقاومت با رنگ کد گذاری شده باند منتهی الیه سمت راست. اگر به رنگ نقره‌ای باشد خطای 10 درصد ، اگر به رنگ طلایی باشد خطای 5 درصد ، اگر به رنگ قرمز باشد خطای 2 درصد و اگر به رنگ قهوه‌ای باشد خطای 1 درصد را نشان می‌دهد. مقاومتهای با خطای کمتر هم وجود دارند که مقاومتهای دقیق خوانده می‌شوند.

یک مقاومت دارای حداکثر ولتاژ و جریانی است که فراتر از آنها ، مقاومت ممکن است تغییر کند (در بعضی موارد به شدت) یا از نظر فیزیکی از بین برود (برای مثال بسوزد). اگر چه که برخی از مقاومتها دارای ولتاژ و جریان نامی‌اند، اغلب آنها توسط یک توان فیزیکی حداکثر که توسط اندازه فیزیکی تعیین می‌شود، ارزیابی می‌شوند. عموما توان نامی برای مقاومتهای کامپوزیت کربن و مقاومتهای ورقه فلزی 1.8 وات ، 1.4 وات و 1.2 وات است. مقاومتهای ورق فلزی نسبت به مقاومتهای کربنی در برابر تغییرات دما و گذر زمان پایدارترند.

مقاومتهای بزرگتر قادرند که گرمای بیشتری را بدلیل سطح وسیعترشان از بین ببرند. مقاومتهای سیم پیچی شده و پر شده با شن هنگامی بکار می‌روند که توان نامی بالاتری مانند 20 وات مورد نیاز باشد. بعلاوه تمامی مقاومتهای حقیقی کمی خواص
سلفی و خازنی از خود نشان می‌دهند که رفتار دینامیکی مقاومت ، ناشی از معادله ایده آل آن را تغییر می‌دهد.
هر کدام از مقاومتهای یک ساختار مداری سری و موازی دارای اختلاف پتانسیل (ولتاژ) یکسان هستند.

یک شبکه مقاومتی که ترکیبی از مدارهای سری و موازی است را می‌توان به اجزا کوچکتری تجزیه کرد که یکسان یا غیر یکسانند.
 



img/daneshnameh_up/6/6a/Variableresistor.jpg



مقاومتهای متغیر

مقاومت متغیر مقاومتی است که مقدارش می‌تواند توسط یک حرکت مکانیکی تعیین شود، برای مثال توسط دست تنظیم شود. مقاومتهای متغیر می‌توانند از نوع ارزان و تک دور یا از نوع چند دور با یک عنصر مارپیچی باشند. برخی از آنها حتی دارای نمایشگر مکانیکی تعداد دور نیز هستند. بطور سنتی مقاومتهای متغیر نامطمئن بوده‌اند، چرا که سیم یا فلز خورده یا فرسوده می‌شوند. (یک روش دیگر کنترل که در واقع یک مقاومت نیست اما شبیه آن عمل می‌کند، شامل یک سیستم سنسور فتو الکتریک است که چگالی نوری یک ورقه را اندازه می‌گیرد. بدلیل اینکه سنسور ورقه را لمس نمی‌کند، پوسیدگی رخ نمی‌دهد.)

یک پتانسیومتر نوعی از مقاومتهای متغییر است که بسیار عام است. یکی از استفاده‌های عمومی آن به عنوان کنترل صدا در
تقویت کننده‌های صوتی است. یک واریستور اکسید فلزی ، یا MOV نوع بخصوصی از مقاومت است که دارای دو مقدار مقاومت بسیارمتفاوت است، یک مقاومت بسیار بالا در ولتاژ پایین (زیر ولتاژ راه انداز) و یک مقاومت بسیار کم در ولتاژ بالا (بالاتر از ولتاژ راه انداز). این نوع از مقاومت معمولا برای حفاظت اتصال کوتاه در برقگیر تیر برق خیابانها یا به عنوان یک اسنابر استفاده می‌‌‌شود. یک مقاومت با ضریب دمایی مثبت/PTC یک مقاومت وابسته به دما است که دارای یک ضریب دمایی مثبت است.

وقتی که دما افزایش می‌یابد،
مقاومت هم زیاد می‌شود. PTC ها اغلب در تلویزیونها بصورت سری با سیم پیچ دمغناطیس کننده یافت می‌شوند که یک جرقه جریان کوتاه را از طریق سیم پیچ در هنگام روشن کردن تلویزیون ایجاد می‌کند. یک نسخه تخصصی یک PTC چند سوییچ است که مانند یک فیوز خود تعمیر عمل می‌کند. یک مقاومت با ضریب دمایی منفی/NTC نیز یک مقاومت وابسته به دماست، اما دارای یک ضریب دمایی منفی است. وقتی که دما افزایش می‌یابد مقاومت NTC کاهش می‌یابد. NTC ها عموما در آشکار سازهای دمای ساده و در ابزارهای اندازه گیری بکار می‌روند.

مقاومت الکتریکی

یک مقاومت ایده‌ال عنصری است با یک مقاومت الکتریکی که صرفنظر از ولتاژ اعمالی به دو سرش یا جریان الکتریکی عبوری از آن ، ثابت می‌ماند. اما بدلیل اینکه مقاومتهای جهان واقعی نمی‌توانند این شرایط ایده‌ال را برآورده سازند، آنها را بگونه‌ای طراحی می‌کنند که در برابر تغییرات دما و دیگر عوامل محیطی ، نوسانات کمی در مقاومت الکتریکی شان ایجاد شود. مقاومتها ممکن است که ثابت یا متغییر باشند. مقاومتهای متغیر پتانسیومتر یا رئوستا نیز خوانده می‌شوند و این اجازه را می‌دهند که مقاومت وسیله توسط تنظیم یک میله یا لغزش یک ابزار کنترلی ، تغییر کند.

تشخیص مقدار مقاومت با استفاده از نوارهای رنگی

مقاومتهای توان کم دارای ابعاد کوچک هستند، به همین دلیل مقدار مقاومت و تولرانس را بوسیله نوارهای رنگی مشخص می‌کنند که خود این روش به دو شکل صورت می‌گیرد:
  1. روش چهار نواری
  2. روش پنج نواری
روش اول برای مقاومتهای با تولرانس 2% به بالا استفاده می‌شود و روش دوم برای مقاومتهای دقیق و خیلی دقیق تولرانس کمتر از 2%) استفاده می‌شود. در اینجا به روش اول که معمولتر است می‌پردازیم. به جدول زیر توجه نمائید. هر کدام از این رنگها معرف یک عدد هستند:


0 سیاه
1 قهوه‌ای
2 قرمز
3 نارنجی
4 زرد
5 سبز
6 آبی
7 بنفش
8 خاکستری
9 سفید

دو رنگ دیگر هم روی مقاومتها به چشم می‌خورد: طلایی و نقره‌ای ، که روی یک مقاومت یا فقط طلایی وجود دارد یا نقره‌ای. اگر یک سر مقاومت به رنگ طلایی یا نقره‌ای بود ، ما از طرف دیگر مقاومت ، شروع به خواندن رنگها می‌کنیم. و عدد متناظر با رنگ اول را یادداشت می‌کنیم. سپس عدد متناظر با رنگ دوم را کنار عدد اول می‌نویسیم. سپس به رنگ سوم دقت می‌کنیم. عدد معادل آنرا یافته و به تعداد آن عدد ، صفر می‌گذاریم جلوی دو عدد قبلی( در واقع رنگ سوم معرف ضریب است ). عدد بدست آمده ، مقدار مقاومت برحسب اهم است. که آنرا می‌توان به کیلواهم نیز تبدیل کرد.

ساخت هر مقاومت با خطا همراه است. یعنی ممکن است 5% یا 10% یا 20%خطا داشته باشیم . اگر یک طرف مقاومت به رنگ طلایی بود ، نشان دهنده مقاومتی با خطا یا تولرانس 5 % است و اگر نقره‌ای بود نمایانگر مقاومتی با خطای 10% است.اما اگر مقاومتی فاقد نوار چهارم بود، بی رنگ محسوب شده و تولرانس آن را 20 %در نظر می‌گیریم.

به مثال زیر توجه نمایید:

img/daneshnameh_up/6/67/Moghavemat4.jpg




از سمت چپ شروع به خواندن می‌کنیم. رنگ زرد معادل عدد 4 ، رنگ بنفش معادل عدد 7 ، رنگ قرمز معادل عدد 2 ، و رنگ طلایی معادل تولرانس ٪5 می‌باشد. پس مقدار مقاومت بدون در نظر گرفتن تولرانس ، مساوی 4700 اهم ، یا 4.7 کیلو اهم است و برای محاسبه خطا عدد4700 را ضربدر 5 و تقسیم بر 100 می‌کنیم، که بدست می‌آید: 235
4935 = 235 + 4700

4465 = 235 - 4700

مقدار واقعی مقاومت چیزی بین 4465 اهم تا 4935 اهم می‌باشد.
 

مقدمه

دیودها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌‌دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می‌‌دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی ، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود. از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می‌‌سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می‌شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.6 ولت می‌‌باشد.


img/daneshnameh_up/a/ac/diode-2.gif

ولتاژ معکوس

هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می‌‌کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی‌کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می‌‌باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تأثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمی‌گذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس بیش از آن شود دیود می‌‌سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می‌‌دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می‌شود.


img/daneshnameh_up/6/68/diode-1.gif

دسته بندی دیودها

در دسته بندی اصلی ، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می‌‌کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می‌‌روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می‌‌دهند، دیودهای یکسو کننده (Rectifiers) که برای یکسو سازی جریانهای متناوب بکار برده می‌‌شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالاخره دیودهای زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می‌شود.

اختراع دیود پلاستیکی (plastic diode)

محققان فیزیک دانشگاه اوهایو (Ohio State University) توانستند دیود تونل پلیمری اختراع کنند. این قطعه الکترونیکی منجر به ساخت نسل آینده حافظه‌های پلاستیکی کامپیوتری و چیپهای مدارات منطقی خواهد شد. این قطعات کم مصرف و انعطاف پذیر خواهند بود. ایده اصلی از سال 2003 که یک دانشجوی کارشناسی دانشگاه اوهایو ، سیتا اسار ، شروع به طراحی سلول خورشیدی پلاستیکی نمود بوجود آمد. تیم پژوهشی توسط پاول برگر (Paul Berger) ، پروفسور الکترونیک و مهندسی کامپیوتر و همچنین پروفسور فیزیک دانشگاه اوهایو رهبری می‌شود.
 

دید کلی

درست همانطور که ترانزیستور با ارائه انعطاف پذیری ، سادگی و اطمینان پذیری بیشتر نسبت به لامپ خلا انقلابی در الکترونیک ایجاد کرد مدارهای مجتمع نیز کاربردهای تازه‌ای برای الکترونیک بوجود آورده‌اند که بوسیله قطعات مجزا امکان پذیر نموده است مجتمع سازی این امکان را فراهم ساخته که می‌توان مدارهای پیچیده شامل هزاران ترانزیستور ، دیود ، مقاومت و خازن را روی یک تراشه نیمه رسانای جای داد.

انواع مدارهای مجتمع برحسب کاربرد

مدار مجتمع خطی

یک IC خطی عمل تقویت یا سایر اعمال اساسا خطی را روی سیکنالها انجام می‌دهد نمونه‌ای از این مدارهای خطی عبارتند از: تقویت کننده‌های ساده ، تقویت کننده‌های عملیاتی و مدارهای مخابراتی قیاسی

مدار مجتمع دیجیتالی

شامل مدارهای منطقی و حافظه برای کاربرد در کامپیوترها ، حسابگرها ، زیرپرندازه‌ها ، امثال آن می‌باشند تا به حال بیشترین حجم ICها مربوط به حوزه دیجیتالی و به دلیل نیاز زیاد به این مدارها بوده است. از آنجایی که مدارهای دیجیتالی معمولا فقط به عملکرد «قطع و وصل» ترانزیستورها نیاز دارند شرایط طراحی مدارهای دیجیتالی مجتمع اغلب ساده‌تر از مدارهای خطی است.

انواع مدارهای مجتمع برحسب ساخت

مدارهای یکپارچه

مدارهای مجتمعی که بطور کامل روی یک تراشه نیمه رسانا (معمولا سیلسیوم) قرار می‌گیرند مدارهای یکپارچه نامیده می‌شود واژه یکپارچه از لحاظ ادبی به معنای «تک سنگی» بوده و به مفهوم آن است که کل مدار در یک قطعه واحد از نیمه رسانا جا داده می‌شود. مدارهای یکپارچه دارای این مزیت هستند که تمام عناصر در یک ساختار منفرد و محکم و با امکان تولید گروهی قرار می‌گیرند یعنی صدها مدار مشابه را می‌توان بطور همزمان روی یک پولک: S ساخت.

مدارهای آمیخته

هر گونه الحاقاتی به نمونه نیمه رسان مانند لایه‌های عایق کننده و الگوهای فلز کاری در سطح تراشه انجام می‌پذیرد. یک مدار آمیخته می‌تواند دارای یک یا چند مدار یکپارچه یا ترانزیستورهای جداگانه باشد که به همراه اتصالات داخلی مناسب به یک بستر با مقاومت‌ها ، خازنها ، و سایر عناصر مداری پیوند شده باشند. مدارهای آمیخته با داشتن عایق عالی بین عناصر امکان استفاده از مقاومت‌ها و خازنهای دقیق را فراهم می‌سازند.

تکنولوژی مورد استفاده در هنگام ساخت مقاومت و... بیرون تراشه SI

فرآیند لایه نازک

تکنولوژی لایه نازک از دقت و کوچک سازی بیشتری برخورد بوده و عموما در جایی که فضا اهمیت دارد ترجیح داده می‌شود الگوهای اتصال بندی و مقاومت‌های لایه - نازک را می‌توان به روش خلا روی یک بستر سرامیکی شیشه‌ای یا لعابی نشاند. ساخت خازنها در روشهای لایه - نازک از طریق نشاندن یک لایه عایق بین دو لایه فلزی بین دو لایه فلزی یا با اکسید کردن سطح یک لایه و سپس نشاندن لایه دوم روی آن صورت می‌گیرد.

فرآیند لایه ضخیم

مقاومت‌ها ، الگوهای اتصالات داخلی روی یک بستر سرامیکی به روش سیلک - اسکرین (نوعی توری محافظ و با عبور رنگ در سوراخهای باز و بسته توری نقش دلخواه روی هر چه که بخواهیم چاپ می‌شود) یا فرآیند‌های مشابه چاپ می‌شوند خمیرهای مقاومتی و هدایتی متشکل از پودرهای فلزی در شکلی سازمان یافته روی بستر چاپ شده و در یک اجاق حرارت داده می‌شوند یک مزیت این است که می‌توان مقاوت‌ها را در کمتر از مقادیر مشخص شده ساخت و سپس بوسیله سایش یا تبخیر انتخابی توسط یک لیزر پالسی آنها را تنظیم کرده خازنهای کوچک سرامیکی را می‌توان همراه با مدارهای یکپارچه یا ترانزیستورهای منفرد در جای خود در الگوی اتصالات داخلی متصل کرد.

مزایای مجتمع سازی

ممکن است بنظر آید که ساخت مدارهای مجتمع شامل تعداد زیادی قطعه به هم متصل شده روی یک بستر si از جنبه‌های فن و اقتصادی مخاطره آمیز خواهد بود. در حالیکه حقیقت این است که روشهای نوین امکان انجام این کار را به صورت مطمئن و نسبتا کم هزینه فراهم ساخته‌اند، در بیشتر مواقع یک مدار کامل روی تراشه Si را می‌توان بسیار ارزانتر و مطمئن‌تر از یک مدار مشابه با استفاده از قطعات مجزا تولید کرد. دلیل اصلی این امر ساخت صدها مدار مشابه بطور همزمان روی پولک Si است این فرآیند تولید گروهی نامیده می‌شود.

علیرغم پیچیدگی و هزینه بالای مراحل ساخت برای یک پولک تعداد زیادی مدارهای مجتمع بدست آمده هزینه نهایی هر یک را بطور نسبی پایین می‌آورد. Ic امکان افزودن اقتصادی قطعات متعددی را دارا هستند، همچنین اطمینان پذیری نیز بهتر می‌شود زیرا ساخت تمام قطعات و اتصالات داخلی روی یک بستر محکم انجام شده و در نتیجه معایب ناشی از اتصالات سیم کاری به میزان بسیار زیادی کاهش می‌یابد، برخی از مزایای کوچک سازی مربوط به زمان پاسخ و سرعت انتقال یکسان بین مدارها است.

کاربرد

مدارهای پیچیده را می‌توان برای استفاده در سفینه فضایی ، کامپیوترهای بزگ و کاربردهای دیگری که استفاده از مجموعه بزرگی از قطعات مجزا در آنها غیر عملی است به میزان بسیار زیادی کوچک کرد یقینا عناصر مجزا نقش مهمی در توسعه مدارهای الکترونیکی داشته‌اند با این وجود امروزه بیشتر مدارها به جای استفاده از مجموعه عناصر منفرد روی یک تراشه Si ساخته می‌شود.
آیا می‌دانید IC ( آی سی) چیست؟ و چه انگیزه‌ای باعث اختراع IC شد؟

img/daneshnameh_up/3/39/ICs.jpg



حروف اختصاری IC از دو کلمه انگلیسی integrated circuit به معنی مدار مجتمع گرفته شده است. پیش از اخترا ع IC ،مدارهای الکترونیکی ازتعداد زیادی قطعه یا المان الکتریکی تشکیل می‌شدند. این مدارات فضای زیادی را اشغال می‌کردند و توان الکتریکی بالایی نیز مصرف می‌کردند. و این، امکان بوجود آمدن نقص و عیب در مدار را افزایش می‌داد. همچنین سرعت پایینی هم داشتند. IC ، تعداد زیادی عناصر الکتریکی را که بیشتر آنها ترانزیستور هستند، در یک فضای کوچک درون خود جای داده است و همین پدیده است که باعث شده امروزه دستگاه‌های الکترونیکی کاربرد چشمگیری در همه جا و در همه زمینه‌ها داشته باشند.