خانه / مقالات / الکترونیک دیجیتال / ترانزیستور چیست و چرا اهمیت دارد
ترانزیستور لامپ خلا رله و کامپیوتر

ترانزیستور چیست و چرا اهمیت دارد

از لامپ خلا تا ترانزیستور و منطق ریاضی!

اکثرا گفته می شود که ترانزیستور عنصر اصلی در تمام الکترونیک است. قدرت کامپیوتر های مدرن تماما به استفاده از ترانزیستور ها به صورت مدار مجتمع تکیه دارد. ارتباط میان لامپ خلا ، رله ، کلید های الکترومغناتیسی ، ترانزیستور و کامپیوتر  در چیست ؟ 

کامپیوترهاییکه رسیدن به عصر نوین اطلاعات بدون آنها ناممکن بود.

اما چه چیز سبب می شود که ترانزیستور تا این اندازه از اهمیت بنیادی برخوردار باشد؟

برای درک پاسخ، یک نسل عقب تر یعنی لامپ خلا را بررسی می کنیم. این لامپ ها کاربردی مشابه ترانزیستور اما ساختاری متفاوت داشتند.

لامپ خلا( دو قطبی)

در ساده ترین حالت یک لامپ خلا متشکل از یک لوله ی خلا  شیشه ای بسته است.

الکترود در دو انتهای آن و درون لوله تعبیه شده اند.

این دو الکترود از طریق سیم هایی به بیرون لوله راه دارند.

با اتصال این سیم ها به دو سر یک منبع ولتاژ، یک مدار الکتریکی ساده تشکیل می شود.

لامپ خلأ و ترانزیستور

شکل1. لوله خلا در یک مدار ساده

در این حالت عملا هیچ ولتاژی نمی تواند در مدار جریانی برقرار کند. با گرم شدن کاتد، الکترون های آن انرژی کافی برای جدا شدن از سطح فلز را دارند.

الکترون های جدا شده در میدان بین دو الکترود به حرکت در می آیند. به این ترتیب جریان در مدار برقرار می شود.

کاتد می تواند توسط یک مدار جدا گرم شود.

ترانزیستور لامپ خلا رله کامپیوتر

شکل2. لامپ خلا دو قطبی(دیود)

با جابجایی اتصال آند و کاتد به منبع، جهت میدان در تیوب عوض می شود. الکترون هایی که از الکترود گرم جدا شده بودند به آن بر می گردند. بنا بر این جریانی در مدار برقرار نمی شود. به این ترتیب عنصری در دست است که جریان را تنها در یک جهت از خود عبور می دهد (معادل دیود امروزی). مثلا می توان در نیروگاه ها به دلیل صرفه های اقتصادی برق را به صورت متناوب تولید کرد.

به این ترتیب در صورت نیاز می توان در هرکجا از شبکه توزیع آن را به برق مستقیم تبدیل نمود. در صنعت الکترولیز و جوشکاری و … برق مستقیم به کار می رود.

لامپ های خلا سه قطبی و بیشتر و ترانزیستور

با کمی تغییر در ساختار لامپ های دو قطبی می توان عناصر دیگر با کاربرد های متفاوتی ساخت. با قرار دادن صفجه مشبک فلزی(شبکه) بین آند و کاتد یک لامپ سه قطبی (تترود) به دست می آید.

اختلاف پتانسیل شبکه با کاتد به دلخواه قابل تغییر است.

اگر پتانسیل شبکه از کاتد بیشتر باشد، میدان الکتریکی بین شبکه و کاتد (نسبت به حالتی که شبکه وجود نداشت) بیشتر می شود. بنابراین به الکترون ها نیروی بیشتری وارد می شود.

با اعمال نیروی بیشتر، الکترون ها با تعداد و شتاب بیشتری به سمت آند حرکت می کنند.

به این ترتیب جریان در مدار افزایش می یابد. حال اگر پتانسیل شبکه از کاتد کمتر باشد، میدان بین شبکه و کاتد ضعیف و شتاب الکترون ها کمتر می شود. در این حالت جریان الکتریکی مدار افت می کند( و یا می تواند قطع شود). جریان مدار نسبت به ولتاژ دو سر شبکه و کاتد بسیار حساس است. تغییرات کوچک در این ولتاژ می تواند تغییرات بزرگی را در جریان مدار ایجاد کند. شبکه به دلیل شکل خاص خود تقریبا مانعی بر سر راه الکترون ها نیست. اکثر الکترون ها بدون برخورد از آن عبور می کنند.

لامپ خلأ و ترانزیستور

شکل3 .لامپ خلا سه قطبی(تترود)

لامپ های سه قطبی در گذشته، همان نقش ترانزیستور امروزی را داشته اند.

ENIAC کامپیوتر ساخته شده با لامپ خلا بود.

لامپ های بیشتر از سه قطبی تعداد شبکه بیشتری دارند.

  • کاربردها:

خاصیت کلیدزنی و ترانزیستور:

در واقع جریان مدار اصلی را می توان توسط ولتاژ مدار دیگر کنترل کرد.

به عبارت دیگر لامپ سه قطبی یک کلید قابل کنترل است(خاصیت کلید زنی و ترانزیستور).

این خاصیت پیاده سازی سیستم های اتوماتیک را ممکن می سازد. مثلا می توان کنترل ولتاژ شبکه را به یک سنسور دما مانند ترمیستور ، RTD یا ترموکوپل واگذار کرد.

در این صورت می توان کنترل یک فرآیند ساده مثل وضعیت دمایی یک محیط را به صورت خودکار انجام داد.

در اتوماسیون صنعتی کنتاکتور (کلید الکترومغناطیسی یا رله که مشابه ترانزیستور می‌باشند) عنصر اصلی مدار فرمان سیستم های خودکار است.

هم چنین با استفاده از رله ها می توان گیت های منطقی را پیاده سازی کرد.

این امر امکان ساخت کنترلر ها را تنها با استفاده از رله ممکن می سازد. حتی می توان با آنها CPU و به عبارت دیگر کامپیوتر برنامه پذیر ساخت !

می توان کامپیوتر برنامه پذیر را به صورت کاملا مکانیکی ساخت. ماشین بافندگی ژاکارد و موتور تحلیلی بابیج نمونه های مکانیکی کامپیوتر های برنامه پذیرند. 

ARRA و Harvard Mark II و Zuse Z2و  Zuse Z3 کامپیوتر های الکترومکانیکی هستند که با رله ساخته شده بودند. که می‌توانند مشابه کامپیوتر های امروزي ترانزیستور ی عمل کنند

شکل4. کامپیوتر ساخته شده با رله (ARRA)

  • دیگر کاربرد ها :

از کابرد های دیگر لامپ های خلا تقویت کنندگی است . همان طور که اشاره شد، جریان مدار اصلی نسبت به تغییرات ولتاژ بین شبکه و کاتد حساس است.

پس یک سیگنال ضعیف در شبکه، سیگنالی بزرگتر و به همان شکل را در جریان مدار اصلی ایجاد می کند .

معمولا سیگنال دریافتی از آنتن ضعیف است و برای استفاده نیاز به تقویت دارد.

از این خاصیت می توان در گیرنده های رادیویی استفاده کرد.

از این رو به لامپ خلا در گذشته لامپ رادیو هم گفته می شد.

در ترانزیستور ها هم مانند لامپ های خلا خاصیت تقویت کنندگی وجود دارد.

همچنین از لامپ خلا (ترانزیستور) می توان برای تبدیل برق مستقیم به متناوب استفاده کرد.

این کار با اتصال مناسب بین سیم پیچ های تزویج شده و لامپ خلا امکان دارد.

مبانی تئوری ” ترانزیستور “

در واقع اختراع ترانزیستور، مهمترین اختراع قرن بیستم ، انقلاب فکری نبود بلکه انقلابی در تکنولوژی ساخت بود.

سرعت تغییروضعیت ترانزیستور ها بسیار بالاست.

توان مصرفی آنها کم است و بازده زیادی دارند. مهم تر اینکه می توان آنها را تا ابعاد نانو متر کوچک ساخت.

رله ها، لامپ های خلا و ترانزیستور از نظر کاربرد کلید زنی معادل یکدیگرند.

این یگانگی و امکان ساخت کامپیوتر به شیوه کاملا مکانیکی، سوال مهمی را مطرح می کند: 

مستقل از فناوری ساخت، آیا ممکن است وجود ” ترانزیستور ” در هر “ماشین” لازم باشد؟

معنا و حدود واژه های ” ترانزیستور ” و “ماشین” در جمله اخیر، تنها پس از بررسی های تئوری روشن می شود.

پاسخ این پرسش به مبانی منطق ریاضی باز می گردد.

در واقع با این نگاه، ” ترانزیستور ” از یک قطعه سیلیکونی به یک مفهوم بنیادی تعمیم می یابد.

این مفهوم می تواند حتی به صورت کاملا مکانیکی و در موقعیت های دور از انتظار نیز مصداق داشته باشد. برای مثال یک شیر آب مصداق مفهوم ” ترانزیستور ” ، و قفل در منزل شما، یک حافظه قابل خواندن و نوشتن است !

 

کانال تلگرام

درباره ی جواد قره باغی

جواد
تحصیلات: کارشناسی مهندسی مخابرات حوزه کاری: مخابرات و الکترونیک دیجیتال مبتنی بر تراشه های FPGA علاقه: الگوریتم های پردازش سیگنال ، تئوری اطلاعات

همچنین ببینید

Throughput Bandwidth

Throughput چیست ؟ و چه تفاوتی با Bandwidth دارد ؟

Throughput یا Bandwidth ؟ در این مقاله به مفهوم پهنای باند Bandwidth و Throughput می …

دیدگاه بگذارید

avatar

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

  عضویت  
اطلاع رسانی کن از
طراحی سایت