טרנזיסטור Bipolar Junction Transistor - BJT (בקיצור טרנזיסטור ביפולרי או דו־קוטבי) הוא התקן בעל שלושה הדקים. זרם חשמלי המוזן לבסיס (Base) מווסת את הזרם בין הפולט (Emitter) לקולט (Collector).
האנלוגיה לפעולת טרנזיסטור ביפולרי הוא הפעלת שסתום המווסת זרימה של מים בצינור. כוח קטן אשר מופעל על השסתום - זרם הבסיס - פותח פתח ומאפשר זרימת זרם חזק מאוד - זרם מהקולט לפולט. השימוש העיקרי בטרנזיסטור ביפולרי הוא להגברה - זרם קטן המוזרם לבסיס גורם לזרימת זרם גדול יותר, וכך אות חלש מוגבר לאות חזק יותר.
לטרנזיסטור ביפולרי יש גם כן שלושה מצבי פעולה, התלויים בזרמים המפעילים אותו:
טרנזיסטורים אחרים.
ישנם סוגים אחרים של טרנזיסטורים, אלה הם בעיקר וריאציות של שני הטרנזיסטורים שתוארו לעיל. ביניהם:
שימושים וטכנולוגיות.
הטרנזיסטור הוא רכיב מפתח בתעשיית האלקטרוניקה המודרנית. חשיבותו של הטרנזיסטור נובעת מן היתרונות המשמעותיים אשר מציע הטרנזיסטור לעומת שפופרת ריק - גודל זעיר, אמינות גבוהה, צריכת הספק נמוכה והאפשרות לייצר בזול רכיבים המכילים מספרים עצומים של טרנזיסטורים וחיבורים ביניהם. כל אלה חוללו מהפכה בעולם האלקטרוניקה בכלל ובתעשיית המחשבים בפרט. הטרנזיסטור הפך לרכיב המחליף כמעט באופן מוחלט כל מטלה שאינה מכנית. במכשירים רבים, גם פשוטים יחסית, לרוב זול יותר להשתמש במעגל משולב (הבנוי מכמה מיליוני טרנזיסטורים) מאשר בהתקן מכני כדי לבקר את פעולתו. כיום, החליפו הטרנזיסטורים את רוב ההתקנים האלקטרומכניים, והם הבסיס לכל הציוד האלקטרוני המודרני, בעיקר במחשבים (מעבד מודרני מכיל מיליארדי טרנזיסטורים), ציוד תקשורת, ורכיבי זיכרון (כגון Flash Disk).
מימוש שערים לוגיים.
ישנן טכנולוגיות רבות ליצירת שערים לוגיים מטרנזיסטורים, אך הנפוצה ביניהן היא טכנולוגיית ה־CMOS. בטכנולוגיה זו משתמשים בשילוב של שני סוגי הטרנזיסטור (NMOS ו־PMOS) למימוש שערים לוגיים. המעגל המתואר בתרשים מממש מהפך (פעולת NOT). המעגל מורכב מטרנזיסטור PMOS (למעלה), טרנזיסטור NMOS (למטה), מקור מתח גבוה Vdd (למעלה) ומקור מתח נמוך Vss (למטה). בגלל המבנה שלהם, טרנזיסטורי PMOS מוליכים כאשר מופעל על השער מתח שלילי יחסית ל־Vdd (שמושך חורים) ואילו טרנזיסטורי NMOS מוליכים כאשר מופעל על השער מתח חיובי יחסית ל־Vss. המעגל מבצע פעולת היפוך:
השם CMOS מתייחס לצורת בניית השערים אך גם לטכנולוגיית הייצור. עם תחילת הייצור של מעגלים משולבים בשנות ה-70 לטכנולוגיה זו היו מגבלות אולם אמינות הייצור שלה השתפרה ויתרונותיה רבים, כגון צריכת הספק נמוכה במצב סטטי (כאשר האותות אינם משתנים), וקלות התכנון בה איפשרו את מהפכת המידע של העשורים האחרונים. כיום כמעט כל הייצור של רכיבים לוגיים מבוצע ב-CMOS.
טרנזיסטורים כתחליף לשפופרות ריק.
לפני הטרנזיסטור מילאו שפופרות הריק את תפקיד המגברים. לטרנזיסטורים יתרונות רבים שאיפשרו להחליף את השפופרות כמעט בכל התפקידים:
שפופרות ריק נמצאות עדיין בשימוש ביישומים שונים אם כי תפוצתן נמוכה מאוד. במגברי שמע מסוימים משתמשים במגברים מבוססי שפופרות. לעיתים נטען כי תכנון כזה מפיק צלילים נעימים יותר לאוזן, אולם טענה זו אינה נתמכת בתאוריה או במדידות. שפופרות ריק משמשות פיזיקאים במהלך ניסויים מסוימים, בגלל יכולתן לעמוד בשינויי עומס גדולים יותר. בנוסף, השפופרות עדיין משמשות במגברים שבהם יש צורך בהספק יציאה גבוה, לדוגמה בתחנות מכ"ם ורדיו.
התפתחויות צפויות.
הדור השני של המחשבים שהגיע בשלהי 1950 ו־1960 הכיל לוחות המלאים בטרנזיסטורים בודדים וליבות מגנטיות. התפתחות טכנולוגיית המעגל המשולב איפשרה יצירה של מעגל אחד עם הרבה טרנזיסטורים על אותה פיסת סיליקון משולבים עם רכיבים אחרים (בעיקר קבלים וסלילים). כל החיבורים הוכנסו לתוך רכיב אחד הניתן לייצור המוני. מספרם של הטרנזיסטורים הבודדים זעום יחסית למספר הטרנזיסטורים הנמצאים במעגלים משולבים. למרות זאת הם עדיין שימושיים במעגלי הספק ומעגלים אנלוגיים.
קבוצות רבות של מדענים מנסות זה עשרות שנים לייצר טרנזיסטורים קטנים ויעילים ככל האפשר. בשנת 2005, סטודנטים ופרופסורים באוניברסיטת אלברטה יצרו טרנזיסטור המורכב ממולקולה יחידה. קיימים גם ניסיונות למצוא חומרים ביולוגיים שיתפקדו כטרנזיסטורים.
ג'ורג' טאבורי
מנוע מכונית
בעולם המערבי, מרבית כלי התחבורה במאות העשרים והעשרים ואחת מונעים באמצעות מנועים. המכונית היא מן הנפוצים שבכלי התחבורה ומנועי מכוניות מקבלים את אספקת האנרגיה שלהם בשריפת בנזין, או סולר, מטעינה ממערכת החשמל ולעיתים נדירות מאנרגיה סולארית, וגם לעיתים יש מנועים שמקבלים את אספקת האנרגיה שלהם מגז.
מנוע בעירה פנימית.
מנוע המכונית הנפוץ ביותר כיום הוא מנוע בעירה פנימית, המופעל באמצעות בנזין או סולר. המנוע בנוי בדרך כלל מ-4 בוכנות. כל בוכנה נעה בתוך צילינדר בין שתי נקודות: נקודה מתה עליונה ונקודה מתה תחתונה.
תנועת הבוכנה נגרמת מלחץ, שנוצר על ידי הצתת תערובת של דלק ואוויר, בחלק שבין נקודה מתה עליונה לראש הצילנדר. את התערובת מכין המאייד (קרבורטור) או המזרק. שסתום אחד או יותר (שסתומי יניקה) יונק את התערובת לראש הצילינדר, ושסתום אחד או יותר (שסתומי פליטה) פולט את הגזים לאחר שריפתם לאגזוז.
הבוכנות נעות בתנועה קווית, ומניעות את הטלטל. הטלטל מניע את גל הארכובה, וכך הופכת תנועה קווית של הבוכנות לתנועה סיבובית של גל הארכובה. גל הארכובה מחובר ומסובב גלגלי שיניים, המחוברים לצירי ההנעה של הרכב (תלוי בסוג ההנעה – קדמי או אחורי) ומהם מועברת התנועה לגלגלי המכונית.
מנוע המכונית דורש תחזוקה שוטפת כגון הימצאות שמן מנוע והחלפתו מפעם לפעם.
מנוע רוטורי.
סוג נוסף הוא מנוע רוטורי או מנוע ונקל, הקרוי על שם מפתחו פליקס ונקל. למנוע יש בוכנה אחת או שתיים בצורת משולש מעוגל קצוות, שקצוותיו אוטמות את חלל המנוע ומשולש זה מסתובב מעגלית (אך אמצעו אינו ציר סיבובו) בתוך חלל המנוע ומחובר לציר ההנעה של הרכב דרך גלגל שיניים לעיגול פנימי שנמצא במרכזו של המשולש.
פתחי היניקה (להזרמת תערובת הדלק והאוויר) והפליטה נמצאים בחלל המנוע והבוכנה המרכזית של המנוע מסתובבת תוך כדי שהיא עוברת בין המצבים של יניקת תערובת, שרפה ופליטת שאריות הבעירה לאגזוז.
יעילות מנוע רוטורי היא בעיקר בהורדת הצורך של המרת התנועה הקווית (במנוע בעירה פנימית) לתנועה סיבובית של גל הארכובה (ציר ההנעה הראשי של הרכב) ובמספר החלקים הנמוך משמעותית לעומת מנוע הבעירה הפנימית (40 חלקים במנוע בעירה פנימית לעומת 3 חלקים במנוע רוטורי).
מנוע זה ניחן ביכולת להגיע לסיבובי מנוע רבים יותר מאשר מנוע הבעירה הפנימית וזאת בשל מרכיביו של המנוע, צורת עבודתו הסיבובית וסוגי חלקיו, אך למרות יעילות עבודתו עדיין ישנו חיסרון השחיקה הגבוה (של הבוכנה המשולשת) במנועים אלו וחיי מנוע כזה נעים בערך בסביבות 300,000 ק"מ למנוע, אך כל העת יצרני כלי רכב מתאמצים לשפר את אורך חייו ויעילותו.
כמו כן ההספק שניתן להפיק ממנוע רוטורי יחסית לנפחו גבוה מהספק של מנוע בעירה פנימית בנפח דומה.
המנוע הומצא בשנות ה-50 ונמכר לחברת אאודי שניסתה לפתחו אך ללא הצלחה מרובה ועקב כך מכרו את זכויות הייצור לחברת מאזדה המפתחת אותו עד היום והוא נמצא בדגמי מכוניותיה כגון RX8 ו-RX7.
מערכות נוספות.
מנוע המכונית כולל מערכות תומכות כגון:
כמו כן במנוע ישנו אגן שמן בתחתיתו על מנת לאפשר לחלקי המנוע לנוע בצורה חלקה ללא חיכוך העלול לשחוק אותם. כמו כן השמן מסייע בהסעת חום בין חלקי המנוע השונים ובספיחת לכלוך.
מנוע בעירה פנימית
מנוע בעירה פנימית או מנוע שרפה פנימית הוא מנוע חום השורף דלק, והופך את אנרגיית החום הנוצרת בשרפה לאנרגיית לחץ, אשר מנוצלת לביצוע עבודה מכנית. הוא נקרא כך משום ששריפת הדלק והעבודה המכנית נעשות בתוך המנוע עצמו, למשל בצילינדר של מנוע בוכנאי. במנוע בעירה חיצונית, לעומת זאת, שריפת הדלק מתבצעת במכלול נפרד וחיצוני למנוע, למשל בדוד קיטור, בעוד שהעבודה המכנית נעשית בתוך המנוע עצמו, למשל בטורבינת קיטור.
עם מנועי בעירה פנימית נמנים מנועי דיזל ובנזין בוכנאיים, טורבינות גז ומנועים סילוניים.
היסטוריה.
מנועי הבעירה הפנימית המוקדמים ביותר היו כנראה רקטות וזיקוקים שפותחו בידי הסינים עוד במאה ה-3 לפנה"ס, תוך שימוש באבק שרפה. אלו היו למעשה צעצועים עד למאה ה-11 שבה החלו לשמש ככלי נשק. פרנסואה איזק דה ריבז בנה את מנוע הבעירה הפנימית הראשון שהתבסס על בעירה לסירוגין ב-1807. עם זאת, המנוע לא היה שימושי מכיוון שהוא יצר כוח מזערי ודרש תערובת של מימן וחמצן בתור דלק.
הפטנט הראשון למנוע בעירה פנימית ניתן בארצות הברית ב-1826 לסמואל מורי. ב-1859 הבלגי אטיין לנואר המציא בצרפת את מנוע הבעירה פנימית הראשון שהיה בעל ערך שימושי. הוא התבסס על גז פחמי שנשאב לתוך הצילינדר בתחילת כל פעימה ואז הוצת כדי לדחוף את הבוכנה לצד השני של הצילינדר. תהליך זה חזר על עצמו גם בצד השני של הצילינדר ולפיכך מנוע זה היה בעל פעולת שרפה כפולה. בשנת 1863 בנה את דגם הרכב היפומוביל.