ايات جمال البرق
04-06-2007, 16:00
الإلكترونيات والضوء
في معظم النبائط الإلكترونية يستفيد المصنعون من قدرة الإلكترونات على امتصاص الطاقة وإطلاقها في شكل ضوء. وتشتمل هذه النبائط الإلكترونية البصرية على النبائط الحساسة للضوء والنبائط الباعثة للضوء والعارضات البلورية السائلة.
النبائط الحساسة للضوء. تسمى أيضًا العيون الكهربائية، وهي نبائط تستخدم الطاقة الضوئية لإنتاج التيار الكهربائي أو التحكم فيه. ويتكون قلب النبيطة من ثنائي حساس للضوء يسمى الثنائي الضوئي، ويصنع عادة من السليكون. ويشبه الثنائي الضوئي الثنائي العادي، ولكنه يحتوي على نافذة أو عدسة تسمح بسقوط الضوء على الوصلة م س. ويدفع هذا الضوء بعض الإلكترونات خارج روابطها البلورية، حيث تنتج عن ذلك إلكترونات حرة وفجوات يمكنها السريان. وتولد بعض الثنائيات الضوئية، مثل الخلايا الشمسية، تيارًا كهربائيًا، حيث تزود ألواح من الخلايا الشمسية معظم الأقمار الصناعية، والعديد من النبائط الإلكترونية الصغيرة مثل الحاسبات الآلية، بالقدرة. وتستخدم ثنائيات ضوئية أخرى في قطع ووصل إمداد القدرة الخارجي. انظر: الضوء (الأشكال: الظاهرة الكهروضوئية للضوء).
النبائط الباعثة للضوء. تستخدم التيار الكهربائي لإنتاج الضوء. وتصنع معظم الثنائيات الباعثة للضوء من زرنيخيد الجاليوم أو أي مركب شبه موصل آخر يطلق الطاقة في شكل ضوء، بدلاً عن الحرارة. وعندما يمر التيار عبر الثنائي الباعث للضوء تتحد الإلكترونات الحرة والفجوات الموجودة بالقرب من الوصلة م س. وعندما "يسقط" إلكترون حر داخل فجوة، تنطلق حزمة صغيرة من الطاقة الضوئية يسمى الفوتون. وبإمرار تيار قوي مناسب تتوهج منطقة الوصلة في الرقاقة بشدة. وتستخدم مجموعات من الثنائيات الباعثة للضوء في العديد من العارضات.
وليزرات شبه الموصل ثنائيات خاصة تنتج حزمة رقيقة جدًا وقوية من الضوء. ولليزرات استخدامات عديدة في الاتصالات والصناعة والطب والعلوم. ففي الاتصال البصري الليفي، على سبيل المثال، تحول حزمة ليزرية الإشارات الكهربائية لمكالمة هاتفية أو صورة تلفازية إلى نبضات فوتونية. وتنتقل الإشارات الفوتونية بسرعات عالية على خيوط زجاجية شعرية دقيقة تسمى الألياف البصرية، دون فقدان الكثير من قوتها أو وضوحها.
العارضات البلورية السائلة. تستخدم عادة في الحاسبات الآلية والساعات الرقمية والحواسيب. وفيها توضع طبقة رقيقة من بلورة سائلة بين شريحتين زجاجيتين. ويعكس العارض الضوء عادة، ولكن الإشارة الفولتية تسبب إظلام أجزاء منه، وهذه الأجزاء المظلمة هي التي تشكل الرقم أو الحرف.
كيف تعالج الدائرة الإلكترونية المعلومات
تعالج الدوائر المعلومات بتجميع الإشارات الدخلية لإنتاج معلومات جديدة حسب التعليمات. وتعتمد الطريقة التي تعالج بها الدائرة المعلومات على نوع الإشارات التي تعمل فيها.
تعالج الدوائر الإلكترونية نوعين من الإشارات: 1- إشارات رقمية 2- إشارات قياسية. وتمثل الإشارات الرقمية بعدد محدود من الإشارات الفولتية، لكل منها قيمة مميزة. أما الإشارات القياسية فتتفاوت باستمرار في الفولتية والتيار حسب المعلومات الدخلية. ويمكن أن تمثل فولتية متراوحة تغييرات الضوء والصوت ودرجة الحرارة والضغط وموضع الجسم.
الدوائر الرقمية. تعالج الدوائر الرقمية المعلومات بعدِّ الإشارات أو المقارنة بينها. والعديد منها تعالج المعلومات أسرع بكثير من الدوائر القياسية، ولذا تؤدي معظم المعالجات بالدوائر الرقمية.
وفي المعالجة الرقمية تترجم كل البيانات الدخلية ـ الكلمات والأرقام وغيرها من المعلومات ـ إلى أرقام ثنائية، وهي مجموعات من واحدات وأصفار. وتطلق كلمة ثنائي (مكون من اثنين) على الشفرة لأن المعالجة تستخدم رقمين فقط. ويمكن تمثيل أي رقم ثنائي بتوليفة من الدوائر أو النبائط التي تكون في إحدى حالتين. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تكون الدائرة موصولة أو مقطوعة. وتمثل إحدى الحالتين بالرقم 1، والآخر بالرقم صفر، ويسمى كل 1 أو صفر البت. وتعمل العديد من النظم ببتات في مجموعات تسمى الكلمات، وتسمى الكلمة التي تتكون من 8 بتات البايت.
وتتطلب المعالجة الرقمية ثلاثة عناصر أساسية 1- دوائر الذاكرة، ووظيفتها تخزين البيانات 2- الدوائر المنطقية، ووظيفتها تغيير البيانات 3- دوائر التحكم، ووظيفتها توجيه عمليات النظام. وتربط قنوات سلكية تسمى الناقلات العناصر، بعضها ببعض، وبالدائرة كلها. ويجمع معالج دقيق هذه العناصر على رقاقة واحدة.
دوائر الذاكرة. تخزن البتات بصفة دائمة أو مؤقتة. ويحوي نوع شائع من دوائر الذاكرة آلاف المكثفات مرتبة في صفوف. وتمسك هذه المكثفات البتات في شكل شحنة كهربائية أو في شكل انعدام الشحنة الكهربائية. ويوصل موصل فلزي كل مكثف إلى النظام، بينما تعمل ترانزستورات وثنائيات مفاتيح بين المكثفات والثنائيات. وعندما تفتح إشارة ما مفتاحًا تنتقل البتات عبر الموصل، وعندئذ تعيد دوائر أخرى تخزين البتات بإعادة شحن المكثفات بسلسلة الشحنات نفسها.
وهناك نوعان أساسيان من دوائر الذاكرة ـ ذاكرة الوصول العشوائي (الرام) وذاكرة القراء فقط (الروم). وفي ذاكرة الوصول العشوائي يمكن محو المعلومات أو الإضافة إليها، حيث تخزن الدوائر المعلومات أثناء تزويدها بالقدرة، وعند قطع القدرة تزول كل الشحنات المخزنة. وتستخدم دوائر ذاكرة الوصول العشوائي في نبائط مثل الحواسيب وبعض الحاسبات، التي تحتاج تخزين كميات كبيرة من المعلومات لفترات قصيرة.
وتخزن ذاكرة القراءة فقط المعلومات التي توضع فيها عند الصنع بصفة دائمة. وهذه المعلومات لايمكن محوها أو الإضافة إليها. وتحتوي ذاكرة القراءة فقط بصفة عامة على تعليمات أو برامج لتشغيل النظام.
ولا تخزن كل الذاكرات في دوائر. فالحواسيب، على سبيل المثال، تستخدم أيضًا نبائط ذاكرة خارجية، مثل الأقراص الممغنطة أو الشرائط الممغنطة، يدخلها المستخدمون في النظام. ومن أنواع الذاكرة أيضًا القرص المدمج (سي دي)، والذي يخزن المعلومات على أسطوانة بلاستيكية. وبإمكان ذاكرة القراءة فقط ـ القرص المدمج (سي دي ـ روم) تخزين البيانات والصور والأصوات والبرامج.
الدوائر المنطقية. وتسمى أيضًا المعالجات. تعالج هذه الدوائر البيانات حسب التعليمات. وفيها تمر البتات عبر سلسلة من المفاتيح التي تغيرها بطريقة أو أخرى. فقد تضيف مجموعة من المفاتيح عددًا معينًا إلى عدد آخر، وتسمى مثل هذه المجموعة الجامع، وقد يتكون من مئات المفاتيح. وفي أثناء المعالجة تخزن البتات مؤقتًا في مناطق تسمى السجلات، في انتظار التعليمة التالية.
وبإمكان توليفة أخرى من المفاتيح المقارنة بين بتين، وتوليد خرج خاص على أساس مجموعة من القوانين مصممة بصفة خاصة للمعالج. وتستخدم هذه الدوائر أرقامًا ثنائية لتمثيل أفكار مثل "صواب" أو "خطأ"، عوضًا عن 1 أو صفر.
ويولد المصممون مناطق في الرقاقة يمكنها عد الإشارات، أو المقارنة بينها، بالجمع بين مجموعات صغيرة من الدوائر، تحدث تغييرات طفيفة في بت واحد أو بتين. وتسمى هذه المجموعات عادة البوابات المنطقية. وهناك ثلاث بوابات أساسية هي : 1- البوابة لا 2- البوابة و 3- البوابة أو. وعند توليفها بأعداد كبيرة تستطيع هذه البوابات حل المسائل الرياضية أو المنطقية المعقدة.
وتغير البوابة لا، والتي تسمى أيضًا العاكس البت من واحد إلى صفر، أو من صفر إلى واحد. ولهذه الوظيفة عدة استخدامات، حيث يشتمل الجمع، على سبيل المثال، على تغيير الأصفار إلى واحدات، والواحدات إلى أصفار.
ويولد كل من البوابة و والبوابة أو إشارة خرجية واحدة من إشارتين دخليتين أو أكثر. وتتطلب البوابة و أن تكون كل الإشارات الدخلية صحيحة ـ وتمثل عادة بالرقم 1 ـ لإنتاج إشارة خرجية صحيحة أو 1، بينما تتطلب البوابة أو إشارة دخلية صحيحة واحدة فقط لإنتاج إشارة خرجية صحيحة.
دوائر التحكم. توجه وتنسق عمل كل أجزاء النظام الأخرى حسب التعليمات المخزنة في دوائر الذاكرة. ومن المهام الرئيسية لدائرة التحكم ضبط حركة البتات عبر النظام. ولأداء هذه المهمة يولد مذبذب يسمى الساعة دفعات مستمرة. وتتحرك البتات عبر الدائرة حسب إيقاع الساعة.
الدوائر القياسية. تحل المسائل بقياس كميات متغيرة باستمرار، مثل درجة الحرارة والسرعة والضغط. وتعمل العديد من النبائط الشائعة الاستخدام، مثل مقاييس السرعة والترمومترات، بوصفها حواسيب قياسية. وتدخل دوائر قياسية صغيرة في تركيب عدد من النظم الإلكترونية التي تتحكم في أعمال ماكينات أخرى، كما تستخدم الدوائر القياسية في معدات الملاحة. وللمزيد من المعلومات عن المعالجة القياسية انظر : الحاسوب القياسي .
في معظم النبائط الإلكترونية يستفيد المصنعون من قدرة الإلكترونات على امتصاص الطاقة وإطلاقها في شكل ضوء. وتشتمل هذه النبائط الإلكترونية البصرية على النبائط الحساسة للضوء والنبائط الباعثة للضوء والعارضات البلورية السائلة.
النبائط الحساسة للضوء. تسمى أيضًا العيون الكهربائية، وهي نبائط تستخدم الطاقة الضوئية لإنتاج التيار الكهربائي أو التحكم فيه. ويتكون قلب النبيطة من ثنائي حساس للضوء يسمى الثنائي الضوئي، ويصنع عادة من السليكون. ويشبه الثنائي الضوئي الثنائي العادي، ولكنه يحتوي على نافذة أو عدسة تسمح بسقوط الضوء على الوصلة م س. ويدفع هذا الضوء بعض الإلكترونات خارج روابطها البلورية، حيث تنتج عن ذلك إلكترونات حرة وفجوات يمكنها السريان. وتولد بعض الثنائيات الضوئية، مثل الخلايا الشمسية، تيارًا كهربائيًا، حيث تزود ألواح من الخلايا الشمسية معظم الأقمار الصناعية، والعديد من النبائط الإلكترونية الصغيرة مثل الحاسبات الآلية، بالقدرة. وتستخدم ثنائيات ضوئية أخرى في قطع ووصل إمداد القدرة الخارجي. انظر: الضوء (الأشكال: الظاهرة الكهروضوئية للضوء).
النبائط الباعثة للضوء. تستخدم التيار الكهربائي لإنتاج الضوء. وتصنع معظم الثنائيات الباعثة للضوء من زرنيخيد الجاليوم أو أي مركب شبه موصل آخر يطلق الطاقة في شكل ضوء، بدلاً عن الحرارة. وعندما يمر التيار عبر الثنائي الباعث للضوء تتحد الإلكترونات الحرة والفجوات الموجودة بالقرب من الوصلة م س. وعندما "يسقط" إلكترون حر داخل فجوة، تنطلق حزمة صغيرة من الطاقة الضوئية يسمى الفوتون. وبإمرار تيار قوي مناسب تتوهج منطقة الوصلة في الرقاقة بشدة. وتستخدم مجموعات من الثنائيات الباعثة للضوء في العديد من العارضات.
وليزرات شبه الموصل ثنائيات خاصة تنتج حزمة رقيقة جدًا وقوية من الضوء. ولليزرات استخدامات عديدة في الاتصالات والصناعة والطب والعلوم. ففي الاتصال البصري الليفي، على سبيل المثال، تحول حزمة ليزرية الإشارات الكهربائية لمكالمة هاتفية أو صورة تلفازية إلى نبضات فوتونية. وتنتقل الإشارات الفوتونية بسرعات عالية على خيوط زجاجية شعرية دقيقة تسمى الألياف البصرية، دون فقدان الكثير من قوتها أو وضوحها.
العارضات البلورية السائلة. تستخدم عادة في الحاسبات الآلية والساعات الرقمية والحواسيب. وفيها توضع طبقة رقيقة من بلورة سائلة بين شريحتين زجاجيتين. ويعكس العارض الضوء عادة، ولكن الإشارة الفولتية تسبب إظلام أجزاء منه، وهذه الأجزاء المظلمة هي التي تشكل الرقم أو الحرف.
كيف تعالج الدائرة الإلكترونية المعلومات
تعالج الدوائر المعلومات بتجميع الإشارات الدخلية لإنتاج معلومات جديدة حسب التعليمات. وتعتمد الطريقة التي تعالج بها الدائرة المعلومات على نوع الإشارات التي تعمل فيها.
تعالج الدوائر الإلكترونية نوعين من الإشارات: 1- إشارات رقمية 2- إشارات قياسية. وتمثل الإشارات الرقمية بعدد محدود من الإشارات الفولتية، لكل منها قيمة مميزة. أما الإشارات القياسية فتتفاوت باستمرار في الفولتية والتيار حسب المعلومات الدخلية. ويمكن أن تمثل فولتية متراوحة تغييرات الضوء والصوت ودرجة الحرارة والضغط وموضع الجسم.
الدوائر الرقمية. تعالج الدوائر الرقمية المعلومات بعدِّ الإشارات أو المقارنة بينها. والعديد منها تعالج المعلومات أسرع بكثير من الدوائر القياسية، ولذا تؤدي معظم المعالجات بالدوائر الرقمية.
وفي المعالجة الرقمية تترجم كل البيانات الدخلية ـ الكلمات والأرقام وغيرها من المعلومات ـ إلى أرقام ثنائية، وهي مجموعات من واحدات وأصفار. وتطلق كلمة ثنائي (مكون من اثنين) على الشفرة لأن المعالجة تستخدم رقمين فقط. ويمكن تمثيل أي رقم ثنائي بتوليفة من الدوائر أو النبائط التي تكون في إحدى حالتين. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تكون الدائرة موصولة أو مقطوعة. وتمثل إحدى الحالتين بالرقم 1، والآخر بالرقم صفر، ويسمى كل 1 أو صفر البت. وتعمل العديد من النظم ببتات في مجموعات تسمى الكلمات، وتسمى الكلمة التي تتكون من 8 بتات البايت.
وتتطلب المعالجة الرقمية ثلاثة عناصر أساسية 1- دوائر الذاكرة، ووظيفتها تخزين البيانات 2- الدوائر المنطقية، ووظيفتها تغيير البيانات 3- دوائر التحكم، ووظيفتها توجيه عمليات النظام. وتربط قنوات سلكية تسمى الناقلات العناصر، بعضها ببعض، وبالدائرة كلها. ويجمع معالج دقيق هذه العناصر على رقاقة واحدة.
دوائر الذاكرة. تخزن البتات بصفة دائمة أو مؤقتة. ويحوي نوع شائع من دوائر الذاكرة آلاف المكثفات مرتبة في صفوف. وتمسك هذه المكثفات البتات في شكل شحنة كهربائية أو في شكل انعدام الشحنة الكهربائية. ويوصل موصل فلزي كل مكثف إلى النظام، بينما تعمل ترانزستورات وثنائيات مفاتيح بين المكثفات والثنائيات. وعندما تفتح إشارة ما مفتاحًا تنتقل البتات عبر الموصل، وعندئذ تعيد دوائر أخرى تخزين البتات بإعادة شحن المكثفات بسلسلة الشحنات نفسها.
وهناك نوعان أساسيان من دوائر الذاكرة ـ ذاكرة الوصول العشوائي (الرام) وذاكرة القراء فقط (الروم). وفي ذاكرة الوصول العشوائي يمكن محو المعلومات أو الإضافة إليها، حيث تخزن الدوائر المعلومات أثناء تزويدها بالقدرة، وعند قطع القدرة تزول كل الشحنات المخزنة. وتستخدم دوائر ذاكرة الوصول العشوائي في نبائط مثل الحواسيب وبعض الحاسبات، التي تحتاج تخزين كميات كبيرة من المعلومات لفترات قصيرة.
وتخزن ذاكرة القراءة فقط المعلومات التي توضع فيها عند الصنع بصفة دائمة. وهذه المعلومات لايمكن محوها أو الإضافة إليها. وتحتوي ذاكرة القراءة فقط بصفة عامة على تعليمات أو برامج لتشغيل النظام.
ولا تخزن كل الذاكرات في دوائر. فالحواسيب، على سبيل المثال، تستخدم أيضًا نبائط ذاكرة خارجية، مثل الأقراص الممغنطة أو الشرائط الممغنطة، يدخلها المستخدمون في النظام. ومن أنواع الذاكرة أيضًا القرص المدمج (سي دي)، والذي يخزن المعلومات على أسطوانة بلاستيكية. وبإمكان ذاكرة القراءة فقط ـ القرص المدمج (سي دي ـ روم) تخزين البيانات والصور والأصوات والبرامج.
الدوائر المنطقية. وتسمى أيضًا المعالجات. تعالج هذه الدوائر البيانات حسب التعليمات. وفيها تمر البتات عبر سلسلة من المفاتيح التي تغيرها بطريقة أو أخرى. فقد تضيف مجموعة من المفاتيح عددًا معينًا إلى عدد آخر، وتسمى مثل هذه المجموعة الجامع، وقد يتكون من مئات المفاتيح. وفي أثناء المعالجة تخزن البتات مؤقتًا في مناطق تسمى السجلات، في انتظار التعليمة التالية.
وبإمكان توليفة أخرى من المفاتيح المقارنة بين بتين، وتوليد خرج خاص على أساس مجموعة من القوانين مصممة بصفة خاصة للمعالج. وتستخدم هذه الدوائر أرقامًا ثنائية لتمثيل أفكار مثل "صواب" أو "خطأ"، عوضًا عن 1 أو صفر.
ويولد المصممون مناطق في الرقاقة يمكنها عد الإشارات، أو المقارنة بينها، بالجمع بين مجموعات صغيرة من الدوائر، تحدث تغييرات طفيفة في بت واحد أو بتين. وتسمى هذه المجموعات عادة البوابات المنطقية. وهناك ثلاث بوابات أساسية هي : 1- البوابة لا 2- البوابة و 3- البوابة أو. وعند توليفها بأعداد كبيرة تستطيع هذه البوابات حل المسائل الرياضية أو المنطقية المعقدة.
وتغير البوابة لا، والتي تسمى أيضًا العاكس البت من واحد إلى صفر، أو من صفر إلى واحد. ولهذه الوظيفة عدة استخدامات، حيث يشتمل الجمع، على سبيل المثال، على تغيير الأصفار إلى واحدات، والواحدات إلى أصفار.
ويولد كل من البوابة و والبوابة أو إشارة خرجية واحدة من إشارتين دخليتين أو أكثر. وتتطلب البوابة و أن تكون كل الإشارات الدخلية صحيحة ـ وتمثل عادة بالرقم 1 ـ لإنتاج إشارة خرجية صحيحة أو 1، بينما تتطلب البوابة أو إشارة دخلية صحيحة واحدة فقط لإنتاج إشارة خرجية صحيحة.
دوائر التحكم. توجه وتنسق عمل كل أجزاء النظام الأخرى حسب التعليمات المخزنة في دوائر الذاكرة. ومن المهام الرئيسية لدائرة التحكم ضبط حركة البتات عبر النظام. ولأداء هذه المهمة يولد مذبذب يسمى الساعة دفعات مستمرة. وتتحرك البتات عبر الدائرة حسب إيقاع الساعة.
الدوائر القياسية. تحل المسائل بقياس كميات متغيرة باستمرار، مثل درجة الحرارة والسرعة والضغط. وتعمل العديد من النبائط الشائعة الاستخدام، مثل مقاييس السرعة والترمومترات، بوصفها حواسيب قياسية. وتدخل دوائر قياسية صغيرة في تركيب عدد من النظم الإلكترونية التي تتحكم في أعمال ماكينات أخرى، كما تستخدم الدوائر القياسية في معدات الملاحة. وللمزيد من المعلومات عن المعالجة القياسية انظر : الحاسوب القياسي .