(الثنائيات - الديودات) Diodes

تعد الثنائيات أبسط التجهيزات الإلكترونية التي تعتمد على أنصاف النواقل وخواصها في عملها، ويستحيل أن تفحص جهازاً إلكترونياً ما دون أن تجد فيه ثنائياً واحداً على الأقل، وسنتناول في هذا الموضوع شرحاً موجزاً عنه (قد يجده الكثير مكرراً أو مألوفاً) ولكن لا بد من عرض هذه المعلومات الأساسية لما يشكله الثنائي في مبدأ عمله من وحدة رئيسية في تكوين التجهيزات الإلكترونية التي أتت بعده (الترانزيستور، الثايرستور، الترياك ...الخ

فلنتحدث بداية عن تاريخ اختراع الدايود، فأول من اكتشف خواصه هو الفيزيائي الألماني فرناند براون في عام 1874 عندما كان يعمل على أبحاث متعلقة بالخواص الكهربائية لما يعرف بالمهتز الكريستالي. ومنذ ذلك الوقت تم اكتشاف أنه عندما نقوم بتشكيل مادة شبه موصلة من السيليكون وإضافة بعض الشوائب إليها فإننا سنحصل على مادة شبه موصلة موجبة، وبنفس الطريقة نضيف مادة شائبة أخرى لنحصل على مادة شبه موصلة سالبة، الآن عند وصل هاتين القطعتين ببعضهما البعض نكون قد صنعنا الديود. فالديود له طرفان: الأول الموجب ويعرف بالمصعد، والآخر الطرف السالب ويعرف بالمهبط، ويرمز للديود بالدوائر الإلكترونية بالرمز الموضح بالصورة حيث أن المهبط يحتوي على خط في طرفه ليرمز إليه، والمصعد ليس له خط

مبدأ العمل:

يعتمد المبدأ الأساسي في عمل الديود على: 

عندما يطبق فرق جهد بين طرفيه أكبر من جهد عتبي معين (قيمة محددة) فإنه يعمل على إمرار التيار خلاله، أما إذا كان الجهد بين طرفيه أدنى من تلك القيمة فإنه لا يمرر التيار أبداً.

تختلف القيمة المحددة للجهد العتبي وفقاً للمادة التي صنع منها الديود، فهي في السيليكون (المادة المصنعة لأغلب الديودات) تبلغ القيمة العتبية 0.7 فولت

،

 ويظهر المخطط التالي كيف يمرر الديود السيليكوني التيار بعد القيمة 0.7 v ( وهو ما يسمى منحني خواص الديود)

الانحياز الأمامي :

تطلق تسمية (الانحياز الأمامي Forward Bias) على الحالة التي يوصل فيها القطب الموجب للديود بموجب الدارة، والسالب بسالبها، أي بكلام آخر، عندما يكون الجهد على القطب الموجب أعلى منه على الجهد السالب بمقدار الجهد العتبي، ويكون عندها الديود في حالة تمرير للتيار (منزاح أمامياً).

الجهد العكسي:

أما تسمية (الجهد العكسي Reverse Voltage) فتطلق على الحالة التي يكون فيها جهد القطب الموجب للديود أقل من الجهد السالب.

لا تمرر الديودات المثالية أي تيار في حالة تطبيق الجهد العكسي على طرفيها (في الديودات الحقيقية يمر تيار من رتبة mA بحيث يمكن أن تهمل أمام قيمة التيار الكلي في الدارة)، ولكن عند الوصول الجهد العكسي إلى قيمة عالية ( 50Volts مثلاً) فإن الديود ينهار Breakdown ويمرر تياراً أعظمياً بالاتجاه المعاكس ( من السالب إلى الموجب )

 أنواع الديودات:

يمكن تصنيف الديودات وفقاً لنوعين أساسيين حسب تطبيقاتها:

1. ديودات الإشارات Signal Diodes:  وهي تمرر تيارات منخفضة من رتبة 100mA أو أقل.

2. ديودات التقويم Rectifier Diodes: وهي تمرر تيارات عالية الشدة (وتشكل جزءاً أساسياً من دارات وحدات التغذية).

كما تتواجد ديودات أخرى شائعة الاستخدامات كالليدات، وديودات زينر 

وصل الديودات في الدارة ولحامها:

يتوجب عليك عند وصلك الديودات في الدارة أن تنتبه إلى قطبيتها، وتشير المخططات إلى القطب الموجب بإشارة(+) وتشير إلى القطب السالب بإشارة (-) ، ولكن، كيف يمكننا معرفة القطب السالب أو الموجب للديود ؟

هناك طريقتان لمعرفة القطب السالب للديود، وذلك إما بتفحص جسم الديود والبحث عن الحلقة الفضية، والقطب المجاور لها يكون حينها هو القطب السالب، أو باستخدام الآفوميتر، وذلك بالاعتماد على المقاومة الأومية الصفرية (تقريباً) عند وصل القطب السالب للآفوميتر بالقطب السالب للديود والموجب بالموجب، وحالة المقاومة اللانهائية عند عكس الأقطاب.

أما عند اللحام، فيجب الانتباه إلى أن الديودات المستخدمة في دارات الإشارات تكون حساسة للحرارة بشكل كبير، وبخاصة عند التعامل مع الديودات المصنعة من الجرمانيوم، فيجب عند لحامها وصل القطب الذي يجري عليه اللحام بمغطس حراري موضعي، أما ديودات التقويم فليس هناك من ضير من لحامها مباشرة كونها تتحمل الحرارة بشكل جيد ومهيئة لتمرير تيارات بشدة عالية

ارشميدس و الطفو

ارشميدس و الطفو

شك ملك سيراكوس في أن الصائغ الذي صنع له التاج قد غشه، حيث أدخل في التاج نحاس بدلاً من الذهب الخالص، وطلب من أرشميدس أن يبحث له في هذا الموضوع بدون إتلاف التاج. وعندما كان يغتسل في حمام عام، لاحظ أن منسوب الماء ارتفع عندما انغمس في الماء وأن للماء دفع على جسمه من أسفل إلى أعلى، فخرج في الشارع يجري ويصيح (أوريكا، أوريكا)؛ أي وجدتها وجدتها، لأنه تحقق من أن هذا الاكتشاف سيحل معضلة التاج.
وقد تحقق أرشميدس من أن جسده أصبح أخف وزناً عندما نزل في الماء، وأن الانخفاض في وزنه يساوي وزن الماء المزاح الذي أزاحه، وتحقق أيضا من أن حجم الماء المزاح يساوي حجم الجسم المغمور. وعندئذ تيقن من إمكانية أن يعرف مكونات التاج دون أن يتلفه؛ وذلك بغمره في الماء، فحجم الماء المزاح بغمر التاج فيه لا بد أن يساوي نفس حجم الماء المزاح بغمر وزن ذهب خالص مساو ٍ لوزن التاج. وكانت النتيجة : أن الصائغ فقد رأسه بهذه النظرية. ووضع ارشميدس قاعدته الشهيره المسماه قاعدة أرشميدس والتي بني عليها قاعدة الطفو فيما بعد

نص قاعدة أرشميدس

 ( الجسم المغمور كلياً أو جزئياً في مائع يكون مدفوعاً بقوة إلى أعلى،و هذه القوة تعادل وزن حجم المائع الذي يزيحه الجسم كلياً أو جزئياً على الترتيب

 إثبات قاعدة أرشميدس رياضياً 

تخيل وجود اسطوانة من السائل مساحة قاعدتهاA  وارتفاعها  h داخل السائل

 وتكون القوى المؤثرة على الاسطوانة.

1 - قوى أفقية متساوية في المقدار ومتضادة في الاتجاه يلاشي بعضها بعضاً.

2- القوى الرأسية

أ - قوة F₁ تؤثر على القاعدة العليا نتيجة للضغط P₁.

ب - قوة F₂ تؤثر على القاعدة السفلى لأعلى نتيجة للضغط P₂.

السائل في حالة أتزان وبالتالي قوة الدفع = وزن الأسطوانة.

تطبيقات على الطفو:

1-   تقنية المعالجة بالماء :

يعاني بعض المرضي من مشكلة رفع أو تحريك أطرافهم بسبب ضرر أو مرض بالعضلات أو المفاصل وفي إطار هذا العلاج الطبيعي لابد أن يغمر المريض جسمه في الماء فينعدم وزنه تقريبا وتقل بذلك القوة والمجهود اللازم لتحريك أطرافه وأداء تمرينات العلاج الطبيعي.

2- في الأبحاث العلمية:

تجرى بعض التجارب والتي تحتاج إلى انعدام وزن الجسم لذلك يوضع الجسم في سائل له نفس كثافة الجسم فيكون وزن الجسم مساويا لقوة الدفع لذلك يصبح الوزن الظاهري منعدم أي حالة انعدام وزنه .

3- فكرة عمل الغواصة:

تطفو الغواصات عندما يمتلئ الفراغ بداخلها بالهواء ثم تعوض عندما يمتلئ هذا الفراغ بالماء . وكذلك الأسماك لها مثانات هوائية تملؤها بالهواء لتساعدها على الطفو ثم تفرغها من الهواء لتساعدها على الغوص .

4- فكرة الغوص في الماء:

تنفس الغواص هواء مضغوط عند الغطس إلى أعماق قليلة حتى يتعادل الضغط على رئتيه مع الضغط الخارجي كما يتغير الغواص الضغط في السترة التي يرتديها عند الغطس إلى أعماق كبيرة ليتحكم في قوة الطفو .

5- بحر لا يغرق فيه أحد:

ويوجد هذا في البحر الميت بالأردن وفلسطين حيث تركيز الأملاح فيه عالية بسبب حرارة الجو ويتبخر الماء منه لذلك تصبح كثافة ماء البحر أكبر من كثافة جسم الإنسان لذلك يطفو الإنسان ولا يغرق ويستطيع أي إنسان أن يستلقى فيه على ظهره على سطح الماء.

الجيروسكوب Gyroscope

ما هو الجيروسكوب :

الجيروسكوب أو الجيرو، جهاز يستخدم الدوران لإحداث اتجاه ثابت فى الفضاء.

 ويتكون أى جيروسكوب من عجلة أو كرة غزل يُطلق عليها الدوار، ونظام إسناد. وعندما يبدأ الدوار فى الحركة فإن الجيروسكوب يقاوم أى محاولة لتغيير اتجاه دورانه. ومن أجل هذه الخاصية يستخدم الجيروسكوب كثيرًا فى الطيران وفى معدات الملاحة. 

يعطى الجيروسكوب معلومات عن مسار الطيران دون تأثُّر بالاضطرابات أو الدوامات الهوائية أو البحار الهائجة.

ويوجد نوع من الجيروسكوبات يجمع بين الدوران والانحراف، ويساعد قائد الطائرة 

فى تقدير موقع طائرته فى الجو. 

وتُستخدم الجيروسكوبات الضخمة بمثابة مثبتات لتخفيض تمايل السفن فى البحر. وتستخدم فى قيادة الطائرة أو السفينة الأوتوماتية المزودة بالجيروسكوبات فى عملية التوجيه إلى المسار الصحيح بصورة أفضل من الإنسان.

 وأجهزة الجيروسكوبات ضرورية أيضًا لتوجيه الطوربيدات، والصواريخ، والأقمار الصناعية، والمركبات الفضائية .

الجيروسكوب و التكنولوجيا الحديثة :

توجد أنواع حديثة من الجيروسكوب تعتمد على الليزر. أصبحت تستخدم في معظم الطائرات الحديثة , و يستخدم بشكل رئيسي
 في الطائرات وفي مركبات الفضاء والأقمار الصناعية حيث هو العنصر الرئيسي للطيار الآلي.

و مؤخراً استخدم الجيرو في الهواتف الذكية وفي عام ٢٠١٠ تحديداً في جهاز الأي فون الرابع وتبعه أجهزة أندرويد
المصنعة بواسطة سامسونج وإتش تي سي .

وكان من الصعب بالطبع وضع جهاز ميكانيكي يدور طوال الوقت داخل الجهاز المحمول فتم بواسطة أبل تحويله إلى دائرة إليكترونية دقيقة - ولكن معقدة بدرجة كبيرة - لتؤدي نفس الغرض الميكانيكي وهو الإحساس بالدوران

ويستخدم في الألعاب المتطورة والتصوير البانورامي وتتكون الدائرة ببساطة من كتلة دائرية مرنة  ومقسمة إلى شرائح تتخللها شرائح مكثفات وعند دوران الجهاز تتحرك تلك الدائرة وتغير من كثافة الشرائح بدرجات متفاوتة فيحسب المعالج التغيير بدقة وينفذ الأمر المرغوب.
 بالطبع أدى ذلك الجهاز القديم إلى احداث ثورة تقنية عظيمة لتصبح مكون رئيسي لمعظم الأجهزة الحديثة

جيروسكوب داتا شيت (لشرح كيفية توصيلة فى الدوائر الالكترونية)

نبذة تاريخية :

صُنع أول جيروسكوب يُشبه الجيروسكوبات الآلية الحديثة عام 1810م، وقام بصنعه المخترع الألماني جى.سى.بُوننبرغر.
وفى عام 1852 بنى جان فوكوه الفيزيائى الفرنسى جيروسكوبًا ليوضح كيف تدور الأرض حول محورها. وقد أطلق فوكوه عليه اسمًا لاتينيًا مكوِّنًا من مقطعين يروز، ويعنى دائرة أو حلقة، وسكوبى، وتعني منظرًا أو طلقة. وأساس التسمية هنا أن الجيروسكوب قد مكّنه من رؤية كيفية دوران الأرض حول محورها.

وقد طوِّر أول طوربيد يتحكم فيه الجيروسكوب فى العقد الأخير من القرن التاسع عشر الميلادى، كما اختُرعت أول بوصلة جيروسكوبية عام 1908م، على يد المهندس الألمانى هيرمان أنشتز كامبف. وفى عام 1911م تمكن العالم الأمريكى إلمر أمبروز سبيرى ـ وهو مخترع وصانع ـ من تطوير البوصلة الجيروسكوبية للسفن وتحسينها. كما أنتج سبيرى أيضًا موازنات جيروسكوبية للسفن، وكذلك أول معدات جيروسكوبية للطائرات.

وقد استُخدم كل من دليل مُعَدَّل الدوران، وجيروسكوب الاتجاه والأفق الاصطناعي فى الطائرات أثناء الحرب العالمية الثانية؛ فى الفترة من 1939 - 1945م. وساعدت هذه المعدات فى الطيران الليلي الآمن، والاقتراب بدقة من خط الهبوط ليلا؛ً على الرغم من وجود السحب أو الضباب