الترانزستور والبوابات المنطقية

إذا اعتبرنا دائرة المجمع V_CC = V_CE + I_CR_C حيث V_CC جهد البطارية و V_CE هو فرق الجهد بين المجمع والباعث و I_C هو تيار المجمع و R_C هي المقاومة الموجودة في الدائرة. نجد أنه كلما زاد I_C فإن V_CE تقل، حتى تصل إلى أقل قيمة لها حوالي 0.2V عندما يكون تيار القاعدة كبيراً. أي أنه إذا اعتبرنا القاعدة هي الدخل Input والمجمع هو الخرج Output والباعث مشترك (متصل بجهد الأرضي)، فإن سلوك الترانزستور يكون على النحو التالي: إذا كان الدخل كبيراً فإن الخرج صغير. وإذا كان الدخل صغيراً فإن الخرج كبير. وتسمى هذه النبيلة «عاكس». Inverter أي إذا أعطينا جهداً موجياً على القاعدة يسرى تيار في المجمع بحيث يكون فرق الجهد على المجمع صغيراً. وبالعكس إذا كان فرق الجهد على القاعدة صغيراً أو سالباً ينقطع التيار في المجمع ويصبح فرق الجهد على المجمع كبيراً، أي يكون الخرج كبيراً. وهكذا يستخدم الترانزستور كمفتاح Switch يوصل التيار أو لا يوصل التيار. ويمكن الاستدلال على قطبية الترانزستور باستخدام أوميتر (كيف؟).

جميع الأجهزة الإلكترونية تتعامل مع الكميات الطبيعية وتحولها إلى إشارات كهربية. فمثلاً الميكروفون يحول الصوت إلى إشارة كهربية. وكاميرا الفيديو تحول الصورة إلى إشارة كهربية. وكذلك في التليفزيون تتحول الصورة والصوت إلى إشارة كهربية ثم إلى إشارة كهرومغناطيسية في الإرسال، ثم تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية. وعند الطرف المستقبل يتم تحويل الإشارة الكهرومغناطيسية إلى إشارة كهربية في الهوائي (الإيريل) ثم إلى صوت وصورة في جهاز الاستقبال. الإلكترونيات التي تتعامل مع الكميات الطبيعية كما هي تسمى إلكترونيات تناظرية Analog Electronics. ولكن ظهر نوع حديث من الإلكترونيات يسمى الإلكترونيات الرقمية Digital Electronics.

في هذه الحالة فإن الإشارة الكهربية لا ترسل متصلة (أي تأخذ أي قيمة حسب حالتها) ولكنها تحول إلى شفرة Code أساسها قيمتان فقط هما 0 و 1. مثلاً إذا أردنا أن نعبر عن قيمة 3 نكتبها 11 حيث رقم 2 يرمز إلى النظام الثنائي (وليست هذه أحد عشر) ولكنها 3 = 1 × 2⁰ + 1 × 2¹. كما نكتب 17 مثلاً في النظام العشري 17 = 7 × 10⁰ + 1 × 10¹. كذلك نكتب أي عدد في النظام الثنائي Binary في خانات تقابل الأحاد و العشرات ولكنها تكون خانة 2⁰ وخانة 2¹ وخانة 2²... الخ. وهكذا يتم تشفير Coding كل عدد وكل حرف. ويتم تحويل كل الإشارات الكهربية المتصلة إلى إشارات رقمية عن طريق جهاز يسمى محول تناظري رقمي Analog to Digital Converter. وفي الطرف المستقبل يتم التحويل العكسي من إشارة رقمية إلى إشارة تناظرية عن طريق محول رقمي تناظري Digital to Analog Converter.

ما الحكمة في ذلك؟ توجد في الطبيعة إشارات كهربية غير منتظمة وغير مفيدة تسمى الضوضاء الكهربية Electrical Noise مصدرها الحركة العشوائية للإلكترونات. فالإلكترونات شحنات إذا تحركت فإنها تسبب تياراً عشوائياً. هذه الإشارات العشوائية تسبب تداخلاً في الإشارات التي تحمل المعلومات وتشوشها. وكلنا نلاحظ ذلك مثلاً في محطة إذاعة ضعيفة أو في محطة تليفزيون ضعيفة أو هوائي (إيريال) ضعيف، فتظهر نقاط بيضاء وسوداء على الشاشة. والضوضاء تضاف دائماً إلى الإشارات التي تحمل المعلومات ويصعب التخلص منها. أما في حالة الإلكترونيات الرقمية فإن المعلومة ليست في قيمة الإشارة (التي قد تضاف الضوضاء إليها وتشوهها) ولكن المعلومة تكمن في الشفرة أو الكود، هل لدينا 0 أو 1؟ ولا يهم إن كانت قيمة الجهد المخصص للحالة 0 أو الحالة 1 مضاف عليها ضوضاء. هذه هي الميزة الكبيرة للإلكترونيات الرقمية.

ولذلك دخلت حياتنا في العصر الحديث على نطاق واسع مثل التليفون المحمول والقنوات الفضائية الرقمية واقراص الليزر المدمجة CD. ومما زاد من اهميتها اختراع الكمبيوتر المبني على الإلكترونيات الرقمية. فكل ما يدخل إلى الكمبيوتر سواء اعداد او حروف يتحول إلى شفرات ثنائية Binary Code. كذلك تجرأ الصور إلى عناصر صغيرة تسمى Pixels وتحول ايضا إلى شفرة. ويقوم الكمبيوتر بجميع العمليات الحسابية باستخدام الجبر الثنائي Boolean (Binary) Algebra. كما يقوم بتخزين المعلومات في الذاكرة المؤقتة RAM أو الذاكرة المستديمة مثل القرص الصلب Hard Disk على مغنطة في اتجاه معين مما يعنى 0 و المغنطة في اتجاه مضاد. مما يعنى 1.

تعتمد كثير من التطبيقات الحديثة للإلكترونيات مثل دوائر الحاسب ووسائل الاتصالات الحديثة على عناصر رقمية من دوائر إلكترونية يطلق عليها البوابات المنطقية Logic Gates، وهي الدوائر التي تستطيع أن تقوم بعمليات منطقية مثل العكس أو التوافق أو الاختيار، وهي مبنية على الجبر الثنائي - أساس الإلكترونيات الرقمية - وأهمها:

١ - بوابة العاكس Inverter (NOT) لها مدخل واحد ومخرج واحد ويمكن تمثيل عملها كما. الرسم المكافئ لبوابة العاكس عند غلق المفتاح لا يضاء المصباح. رمز بوابة العاكس Not.

٢ - بوابة التوافق AND، لها مدخلان أو أكثر ومخرج واحد ويمكن تمثيل عملها. أي لا يكون هناك خرج إلا إذا اتفق الدخلان على نفس قيمة 1، أي لابد من توافر شرطين (أو أكثر) معا ليكون هناك خرج 1، ويمكن تمثيلها بمفتاحين على التوالي لابد من غلقهما معا ليمر تيار ويضئ المصباح. رمز بوابة التوافق AND. الرسم المكافئ لبوابة التوافق AND حيث لا يضئ المصباح إلا إذا أغلق المفتاحان معا. حالات بوابة التوافق.

٣- بوابة الاختيار OR، لها مدخلان أو أكثر ومخرج واحد ويمكن تمثيل عملها كما. أي يلزم توافر أحد دخلين ليكون الخرج 1 ويمكن تمثيلها بمفتاحين على التوازي يكفي غلق أيهما ليمر تيار. جميع العمليات التي يقوم بها الكمبيوتر مبنية على استخدام هذه البوابات وغيرها. الرسوم المكافئ لبوابة الاختيار OR حيث يضئ المصباح إذا أغلق أي من المفتاحين.