إلكترونيات

اَلْإِلِكْترُونِيَّاتهو مجال يختص بدراسة الشحنات الكهربية (الإلكتروناتالمتحركة) منالموصلاتاللافلزية(غالبًا ما يُطلق عليها أشباه موصلات)، في حين يشير مصطلحالكهرباءإلى تدفق الشحنات الكهربية من خلالموصلاتفلزية. على سبيل المثال، يندرج تدفق الشحنات الكهربية من خلالالسليكون- الذي يعد من اللافلزات - تحت إطار «الإلكترونيات» بينما يندرج تدفق الشحنات الكهربية من خلالالنحاس- الذي يعد من الفلزات - تحت إطار «الكهرباء». هذا، وقد بدأ التمييز بين هذين المصطلحين لأول مرة في حوالي عام 1906 عندما اخترع «لي دي فورست»الصمام الثلاثي (ترايود). وحتى عام 1950 كان يطلق على مجال الإلكترونيات اسم «التقنيات اللاسلكية»؛ وذلك لأنه كان يُستخدم في الأساس في التصميمات والنظريات الخاصة بكل منأجهزة الإرسالوأجهزة الاستقبالاللاسلكيةوالصمامات المفرغة.
علاوةً على ذلك، تعتبر دراسةأشباه الموصلاتوالتكنولوجيا الخاصة بها أحد فروع علمالفيزياء، بينما يعد تصميم وبناءالدوائر الإلكترونيةلحل المشاكل العملية أحد فروع علمهندسة الإلكترونيات. وهذا المقال يركز على الجوانبالهندسيةللإلكترونيات.
في الاجهزة الحديثة أصبحت الترانزستورات تستخدم بدلا من الصمامات الالكترونية المفرغة. فمثلا الهاتف المحمول يعمل بترانزستورات صغيرة الحجم وخفيفة، لا تصلح له الصمامات المفرغة فهي كبيرة الحجم، كما أن الهاتف المحمول يعملبمركمذو جهد صغير أقل من 10 فولت، بينما يحتاج الصمام المفرغ إلى مصدر كهربائي بجهد 150 فولت على الأقل. من دون الترانزستورات لم يكن في وسع الإنسان الذهاب إلى القمر.
إن المكونات الإلكترونية عبارة عنترانزستوراتومكثفاتومقاومات كهربيةموصولة فيدارة كهربيةأو دارات كهربية في نظام الإلكتروني معين لأداء وظيفة معينة، مثل نقل إشارة أو تخزين إشارة أو بث إشارة. يتم ذلك بمرور إلكترونات آتية من مصدر كهربي (مثلبطارية) في الدارة الكهربية وتؤدي الدارة الوظيفة المنوطة بها.النظام الإلكتروني قد يكون هاتف محمول أو مذياع (راديو) أو تلفاز أو حاسوب. وعمومًا، يتم تصنيع المكونات الإلكترونية بحيث يتم توصيلها ببعضها البعض - بجعلها عادةً تلتحمبلوحة دائرة مطبوعة- بهدف إنشاء دائرة إلكترونية لها وظيفة معينة (على سبيل المثال، لصنع جهاز استقبال لاسلكي أومضخم إلكترونيأو مولد ذبذبة). ويمكن أن توجد المكونات الإلكترونية في صورة فردية بسيطة أو في صورة مجمعة ملتحمة ببعضها البعض أكثر تعقيدًا كالتي توجد فيالدوائر المتكاملة. هذا، ومن الأمثلة الشائعة للمكونات الإلكترونيةالمكثفاتوالمقاوماتوالصمامات الثنائية (دايود)والترانزستوروغير ذلك.
تتكون معظم الأجهزةالتناظرية، مثل أجهزة الاستقبالاللاسلكية، من مجموعات من الدوائر الأساسية. وتستخدم الدوائر التناظرية مدى من الجهد الكهربي المتصل، وليس المنفصل كما هو الحال في الدوائر الرقمية.
ويعد عدد الدوائر التناظرية المختلفة التي تم تصميمها حتى الآن كبيرًا جدًا، خاصةً وأن مصطلح «الدائرة الإلكترونية» من الممكن أن يطلق على أي شيء بدءًا من المكون الواحد وحتى النظم التي تحتوي على آلاف المكونات.
في بعض الأحيان، يطلق على الدوائر التناظرية اسم «الدوائرالخطية» على الرغم من استخدام العديد من المؤثرات غير الخطية في الدوائر التناظرية مثل أجهزة الخلط والتضمين وغيرها. ومن الأمثلة الجيدة على الدوائر التناظرية الصمامات المفرغة ومضخمات الترانزستور ومضخمات التشغيل ومولدات الذبذبة.
في هذه الأيام، تُستخدم في بعض الدوائر التناظرية أحيانًا تقنيات رقمية أو حتى تقنيات المعالجات المصغرة (مايكروبروسيسور: تقنيات خاصة بالمعالجة الدقيقة) من أجل تحسين الأداء الأساسي للدائرة. وعادةً ما يطلق على هذا النوع من الدوائر اسم «الدوائر ذات الإشارة المختلطة». وفي بعض الأحيان، قد يكون من الصعب التمييز بين الدوائر الرقمية والتناظرية؛ لأنهما يحتويان على عناصر خاصة بالعمليات الخطية وغير الخطية. ويعد أحد الأمثلة على ذلك «المقارن» الذي يسحب مدى متصل من الجهد الكهربي (وهذا من خصائص الدوائر التناظرية) لكن يخرج مستوى واحد فقط من مستويين، كما هو الحال في الدوائر الرقمية الموضحة لاحقًا. وبالمثل، يمكن لمضخم الترانزستور عند تشغيله على جهد عالي بالنسبة له أن يكتسب صفاتالمفتاحالذي يتم التحكم فيه وبالتالي، يكون له مستويان من الخرج.
إن الدوائر الرقمية عبارة عن دوائر كهربية مبنية على عدد من مستويات الجهد الكهربي المنفصل. كما أنها تعتبر التطبيق العملي الأكثر شيوعًا لقواعد الجبر البووليني والأساس لكل أجهزة الكمبيوتر الرقمية. وبالنسبة لمعظم المهندسين، فإن مصطلحات «الدائرة الرقمية» و«النظام الرقمي» و«المنطق» مصطلحات تُستخدم على نحو متبادل في سياق الحديث عن الدوائر الرقمية. وبالنسبة للدوائر الرقمية فيستخدم معظمها مستويين من الجهد الكهربي يطلق عليهما «منخفض»(0)، و«عالٍ»(1). وغالبًا يكون مستوى الجهد الكهربي «منخفضًا» عندما يقترب من الصفر ويكون «عاليًا» عندما يزيد على ذلك، ويتوقف هذا الأمر على الجهد الكهربي المستخدم. وتجدر الإشارة هنا أنه تم عمل بعض نماذج أولية لأجهزة كمبيوتر تعتمد على ما يسمى بالمنطقالثلاثيالذي يحتوي على ثلاثة مستويات منطقية وليس مستويين فقط.
تتكون كل من أجهزةالكمبيوتروالساعاتالإلكترونيةوأجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة(التي تستخدم للتحكم في العمليات الصناعية) مندوائر رقمية. كما تعدوحدات معالجة الإشارات الرقميةمثالاً آخر على ذلك.
عناصر البناء في الأجهزة الإلكترونية:
الأجهزة المتكاملة:
يجب العمل على تبديدالحرارةالمتولدة عن الدوائر الإلكترونية وتشتيتها لمنع تلف الدوائر وضمان عملها بكفاءة على المدى الطويل. لذلك، يوجد العديد من التقنيات التي يمكن استخدامها لتبديد الحرارة ومنهاالمشتت الحراريومراوحالتبريد وغيرها من الوسائل المستخدمة فيتبريد الحاسوبمثلالتبريد بالمياه. أما عن الوسائل المستخدمة في هذه التقنيات من أجل تبديد الحرارة فتتمثل في انتقال الحرارة بواسطةالحَمْل الحراريوالتوصيل الحراريوالإشعاع.
تعتبر الضوضاء خاصية مصاحبة لجميع الدوائر الإلكترونية. ووفقًا لما جاء في كتاب، فإنه يتم تعريف الضوضاء على أنها تشويش غير مرغوب فيه يغطي على الإشارة الإلكترونية المفيدة، مما يؤدي إلى تعتيم أو غموض المحتوى المعلوماتي الخاص بها. جدير بالذكر أن الضوضاء تختلف في مفهومها عن تشويه الإشارة الناتج عن الدائرة الإلكترونية.
تعتبر دراسة الرياضيات جزءً لا يتجزأ من دراسة الإلكترونيات. لذا، فمن أجل إتقان دراسة الإلكترونيات، لا بد من إتقان دراسة القواعد الرياضية المتعلقة بتحليل الدوائر الإلكترونية.
يقصد بتحليل الدوائر الإلكترونية دراسة طرق الحل المطلوبة لمعرفة المتغيرات المجهولة المرتبطة بالأنظمة الخطية عمومًا مثل معرفة مقدار الجهد الكهربي عندعقدةمعينة أو التيار الكهربي فيفرعمعين منشبكةإلكترونية. ومن الأدوات التحليلية الشائع استخدامها في هذا المجالبرنامج بيسبايس SPICEلمحاكاة الدوائر الإلكترونية.
من المهم أيضًا لإتقان دراسة الإلكترونيات العمل على دراسة وفهم نظريةالمجال الكهرومغناطيسي.
في هذه الأيام، بات لمهندسي الإلكترونيات القدرة علىتصميمالدوائرالإلكترونية باستخدام مكونات جاهزة الصُنع مثلمصادر الإمداد بالطاقةوأشباه الموصلات(مثلالترانزستور)والدوائر المتكاملة. هذا وتشتمل برامج الكمبيوتر(EDA)الخاصة بأتمتة التصميم الإلكتروني على برامج الرسم التخطيطيبرامج الرسم التخطيطي Schematic Captureوبرامج تصميملوحات الدوائر المطبوعة. ومن أشهر التطبيقات والبرامج المستخدمة في مجموعة برامج EDA برنامج ملتيسموأوركادCadenceوORCADوEagle PCB وSchematic وMentor (PADS PCB وLOGIC Schematic)وAltium (Protel) وLabCentre Electronics (Proteus) وغيرها من البرامج والتطبيقات الأخرى.
لقد تم، على مدار سنوات عدة، استخدام العديد من الأساليب المختلفة من أجل توصيل المكونات الإلكترونية ببعضها البعض. على سبيل المثال، كان مهندسو الإلكترونيات في البداية يستخدمون لوحات تجارب خشبية لبناء الدوائر الإلكترونية عن طريق توصيل الأطراف النهائية للمكونات باستخدام الأسلاك. كما كان يتم توصيلها من خلالالتركيب المكدس للدائرةوالوصلات السلكية الالتفافية. أما الآن، فيتم استخداملوحات الدوائر المطبوعة(المصنوعة من المادة المثبطة للهبFR4)،والدوائر المتكاملة. تجدر الإشارة إلى أنه في خلال السنوات الأخيرة تم تسليط الضوء على المخاوف المتعلقة بتجميع المكونات الإلكترونية على البيئة والصحة، وخاصة فيما يتعلق بالمنتجات الإلكترونية الموجهة إلى دول الاتحاد الأوروبي. لذلك، أصدر الاتحاد الأوروبي قوانينالحد من المواد الخطرة (RoHS)والمعدات الكهربية والإلكترونية المخلفة (WEEE)، التي دخلت في حيز التنفيذ في شهر يوليو عام 2006.