مقاله جامع الکترونیک دیجیتال

االکترونیک دیجیتال

الکترونیک دیجیتال یک حوزه مهم در  مهندسی برق و کامپیوتر است که به طراحی و ساخت سیستم‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی با استفاده از سیگنال‌های دیجیتال می‌پردازد. امروزه، الکترونیک دیجیتال وسعت و کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف از جمله تلفن همراه، کامپیوتر، شبکه‌های ارتباطی، اینترنت اشیاء (IoT)، رباتیک ، خودروهای هوشمند و… دارد.

در این حوزه، برخی از تخصص‌های مهم عبارتند از:

۱. طراحی مدارهای الکترونیکی: شامل طراحی مدارهای مجتمع (IC) است که از قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستورها، گیت‌ها، مقاومت‌ها و خازن‌ها تشکیل شده‌اند. طراحی مدارهای الکترونیکی از مراحل شبیه‌سازی تا طراحی فیزیکی و ساخت مدارهای فعلی توسط شرکت‌های تولیدکننده مدارها را شامل می‌شود.

۲. برنامه‌نویسی میکروکنترلرها: میکروکنترلرها (Microcontrollers) از پردازنده‌های کوچکی تشکیل شده‌اند که در سیستم‌های الکترونیکی برای کنترل و سیطره بر دستگاه‌ها به کار می‌روند. برنامه‌نویسی و کدنویسی برای میکروکنترلرها، کنترل و راه‌اندازی وظایف مختلفی نظیر حسگرها، ماژول‌ها و رابط‌ ها را بر عهده دارد.

۳. طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های دیجیتال: شامل طراحی سیستم‌های منطقی با استفاده از مدارات مبتنی بر گیت‌های منطقی مانند AND، OR و NOT است. طراحی سیستم‌های دیجیتال در حوزه‌هایی مانند پردازش سیگنال، کدگذاری و رمزگشایی اطلاعات، کنترل سیستم‌ها و شبکه‌های ارتباطی استفاده می‌شود.

۴. آزمایشگاه الکترونیک دیجیتال: شامل نوسازی و تعمیر دستگاه‌های الکترونیکی، بررسی و اندازه گیری سیگنال‌ها، استفاده از ابزارهای اندازه‌گیری و تجهیزات آزمایشگاهی جهت بررسی و آزمایش قطعات و سیستم‌های الکترونیکی است.

ترانزیستورها

یک از مهم ترین قطعات در الکترونیک ترانزیستور میباشد و برای تقویت سیگنال یا سوئیچ کردن مورد استفاده قرار میگیرد این قطعه از مواد نیمه هادی (سیلیسیوم و ژرمانیوم) ساخته میشود و دارای پیوند های N و P است. به طور کلی ترانزیستورها به دو نو نوع تقسیم میشوند که عبارتند از:

ترانزیستورهای اتصال دو قطبی BJT

ترانزیستورهای اثر میدانی FET

با اعمال جریان به BJT ها و ولتاژ به FET ها بین ورودی و پایه مشترک آنها رسانایی بین پایه مشترک و خروجی افزایش پیدا میکند از این رو باعث کنترل شدت جریان بین آنها میشود.

در ادوات آنالوگ ترانزیستور ها به عنوان تقویت کننده صوت ، تصویر و… و منابع تغذیه تثبیت شده خطی و غیر خطی ( منبع تغذیه سوئیچینگ) به کار میروند. امروزه ترانزیستورها در مدار های مجتمع یکپارچه به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند.

گیت‌های منطقی

گیت های منطقی دارای ورودی وخروجی هستند که با دو ورودی جبر بولی را انجام میدهند و یک خروجی ارائه میکنند. داده ها دودویی یل باینری هستند که در آن منطق 1 درست یا زیاد است و منطق 0 کم یا غلط      می باشد.

7 گیت منطقی اصلی وجود دارد که عبارتند از:

AND، OR، XOR، NOT، NAND، NOR و XNOR

درک گیت های منطقی بسیار ساده و شبیه به عملیات جمع و ضرب است که در ادامه به توضح آنها میپردازیم

AND

یکی از گیت های اصلی میباشد و با یادگیری آن میتوانید بعضی از دروازه های منطقی مانند NAND را به طور کامل درک کنید این دروازه عمل ضرب یا (.) را در وردی های منطقی انجام میدهد

OR

این گیت عملیات جمع ساده را انجام میدهد و زمانی که هر دو ورودی صفر (0) باشند خروجی کم یا (0) است و در موارد دیگر خروجی 1 یا زیاد می باشد.

 NOT

این گیت عملیات معکوس را روی ورودی ها انجام میدهد و هر وقت ورودی 1 یا زیاد باشد خروجی 0 یا کم است و برعکس

 NAND

این گیت ترکیبی از گیت های ANDو NOT است و هنگامی که خروجی دروازه را معکوس کنید نتیجه خروجی در پایه دیگر است برای درک بهتر در انتهای این بخش جدول دروازه ها آمده است.

 NOR

این گیت ترکیبی یا عکس دروازه OR  است و وقتی که ورودی ها کم یا نادرست هستند نتیجه خروجی زیاد یا درست است.

 XOR

این گیتبه دروازه انحصاری NORنیز معروف است و اگر جدول را مشاهده کنید متووجه میشوید که اگر ورودی زاید باشد نتیجه هم زیاد یا درست است

 XNOR

گیت انحصاری NOR است که بر اساس این گیت عمل میکند وهنگامی که یک وارونگی در NOR وجود دارد حاصل XNOR  میشود.

 

مقاومت‌ها

مقاومت در الکترونیک جز پرمصرف ترین قطعات الکترونیکی به شمار میرود که وظیفه آن محدود کردن جریان الکتریکی یا افت مشخصی از ولتاژ و حفاظت مدار در برابر جریان های اضافی  را بر عهده دارد و واحد اندازه گیری آن اهم Ω می باشد.

 

کاربرد مقاومت الکتریکی

مقاومت ها قطعات پسیو هستند یعنی در مدارهای الکترونیکی تقویت انجام نمی دهند و فقط کاهنده جریان یا ولتاژ می باشند این میرایی باعث میشود که انرژی الکتریکی به صورت گرما (که مقاومت در برابر الکترون ها شار از خود نشان میدهد) تبدیل شود. وظیفه اصلی آن مقاومت کردن در برابر شاز الکترون ها است.

مقاومت ها میتوانند بصورت ترکیبی (سری و موازی) به یکدیگر متصل شوند که به عنوان کاهنده ولتاژ ، تقسیم کننده ولتاژ یا محدود کننده جریان در یک مدار الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند.

انواع مقاومت الکتریکی

دو نوع اصلی مقاومت داریم که عبارتند از: مقاومت های خط وغیر خطی

مقاومت های خطی

این نوع مقاومت ها مقادر آنها با دمای حرارت و ولتاژ اعمالی تغییر میکند. و به عبارتی مقدار جریان آن با ولتاژ اعمالی نسبت مستقیم دارد.

دو نوع مقاومت با خواص خطی وجود دارد:

مقاومت ثابت و متغییر

مقاومت ثابت

 سیم پیچی (بدنه فلزی دارد که بتوان روی آن هیت سینگ نصب کرد که توان این مقاومت ها خیلی بالا است)

 ترکیب کربن این مقاومت از درات کربن یا خمیر گرافیت ساخته شده است و مقدار توان پایینی دارد

 فیلم کربن

 فیلم فلزی

 

مقاومت سیم پیچی

این نوع مقاومت از سیم نازک نیکروم یا سیمی شبیه به آن روی سرامیک عایق با حلقه مارپیچی این نوع مقاومت در مقادیر دقیق و پایین اهمی ساخته میشود. این مقاومت ها توانایی عبور جریان بیشتر از 300 وات را دارند و همانطور که در بالا گفته شد از هیت سینگ برای جذب گرمای آن استفاده می شود.

ترکیب کربن

این نوع مقاومت ها از کربن یا خمیر گرافیت با توان پایین ساخته میشوند و به ختطر اینکه قیمت خیلی پایینی دارند در مدارات الکترونیکی زیاد مورد استفاده قرار میگیرند

 فیلم کربن

این نوع مقاومت ها شامل فلز فیلم و کربن و فیلم متال اکسید است که توسط رسوب فلزهای خالص مانند نیکل ، یا فیلم اکسید ماننداکسید قلع روی سطح یا میله سرامیک عایق ساخته می‌شوند.

 فیلم فلزی

این مقاومت ها دارای لایه ضخیمی از خمیر سرامیک و فلز به نام (CERAMIC METAL) روی بستر آلومینیوم هستند. وعموما در ساخت مقاومت های SMD و شبکه های چند مقاومتی در مدارات فرکانس بالا استفاده میشوند و دارای پایداری حرارتی بالا ، نویز پایین و نرخ ولتاژی بالا هستند ولی در برابر جریان های لحظه ای بالا ضعیف اند.

مقاومت‌های متغیر

پتانسیومتر و رئوستا هر دو جز مقاومت‌های متغییر هستند ، که از پتانسیومتر برای کنترل ولتاژ و از رئوستا برای کنترل جریان الکتریکی استفاده می‌شود.  رئوستا همان پتانسیومتر هست با این تفاوت که در رئوستا یکی از پایه های ثابت آزاد میماند.

مقاومت های غیر خطی

این نوع مقاومت ها نوعی مقاومت متغییر وابسته هستند که پارامتر های آنها با توجه به عوامل محیطی مانند دما ، رطوبت ، نور و… تغییر میکند.که عبارتند از:

مقاومت های وابسته به حرارت(ترمیستور)

این مقاومت ها با تغییر دمای محیط تغییر میکنند که به دو نوع تقسیم بندی میشوند:

PTC

این مقاومت که مخفف Positive Temperature Coefficient است ضریب دمای این قطعه با دما افزایش پیدا میکند

NTC

این مقاومت نیز مخفف Negative Temperature Coefficient می باشد که برعکس PTC عمل کرده و در دماهای منفی ضریب ان تغییر میکند.

مقاومت های وایسته به نور

مقاومت های وابسته به نور یا LDR  که مخفف Light Dependent Resistor با شدت نور مقاومت آن نیز تغییر میکند و هر چه نور بیشتری دریافت کنند مقاومت کمتری نیز خواهند داشت که از این مقاومتها در ساخت فتوسل ، ربات های نوریاب و… استفاده میشود.

مقاومت های وایسته به ولتاژ

VDR که مخفف Voltage Dependent Resistors است و معمولا برای ثابت نگه داشتن ولتاژ مدار استفاده میشوند از این قطعه برای محافظت از مدار در برابر ولتاژهای بالای لحظه ای Over Voltage مورد استفاده قرار میگیرد

مقاومت های MDR

این نوع مقاومت که مخفف Magnetic Dependent Resistor وابسته به میدان مغناطیسی میباشد که با اعمالمیدان مغناطیسی به آن تغییرات آن جوری است که با افزایش دما مقاومت آن کم میشود زیرا در ساخت آنها از مواد نیمه هادی با ضریب دمایی منفی استفاده میشود.

خازن ها

خازن قطعه ای الکترونیکی است که انرژی را در خور ذخیره میکند. و آن را با C  که مخفف Capacitor میباشد نشان میدهند.

خازن ها انواع مختلفی دارند که ساختمان داخلی آنها از دو صفحه فلزی ساخته میشوند و بین صفحات فلزی را با دی الکتریک ( آب ، سرامیک ، پلاستیک ، میکا و…)پر میکنند.

بار خازن ها

ظرفیت خارن ها یک کمیک فیزیکی است و بسته به نوع خازن ظرفیت آن تعریف میشود هرچه ظرفیت یک خازن بیشتر باشد انرژی بیشتری را در خود ذخیره میکند و واحد اندازه گیری آن فارار است.

ظرفیت اکثر خازن های مورد استفاده میلی فاراد mF ، میکروفاراد µF ، نانو فاراد nF و پیکو فاراد pF است.

انرژی ذخیره شده در خازن

وقتی صفحات خازن دارای بار الکتریکی میشوند انرژی را در خود ذخیره میکنند. به طور مثال وقتی یک باتری به خازن متصل میشود دائما باری از یک صفحه خازن جدا و به همان اندازه به صفحه دیگر منتقل میشودو با این کار خازن شارژ میشود.

انواع خازن

دو نوع خازن وجود دارد ، خازن های ثابت و متغییر

خازن های ثابت به دودسته تقسیم بندی میشوند:

خازن پلاریزه

دارای پایه های مثبت ومنفی هستند و برای مونتاژ آنها در مدار خیلی مهم است که پایه ها بصورت دقیق مونتاژ شوند ودر غیر اینصورت میسوزد.

و به دو دسته تقسم میشوند که در زیر آمده اند:

الکترولیتی
ابرخازنها

خازن های الکترولیتی

این نوع خازن ها وقتی استفاده میشوند که ظرفیت بالایی در مدار مورد نیاز باشد. این خازن ها معمولا در رنج میکرو فاراد µF ارائه میشوند و ظرفیت آنها ثابت است.

خازن های الکترولیتی به سه دسته تقسیم میشوند که عباتند از:

 آلومینیومی

این خازن ها از دو ورقه آلومینیومی و کاغد پیچیده شده ساخته میشوند که یکی از لایه ها اکسید روی آن ایجاد میشود که پایه مثبت یا آند آن را تشکیل میدهد و صفحه دیگر آن منفی یا کاتد است.

 تانتالیوم

این خازن ها از جنس تانتال هستند که با پوشش لایه ای از اکسید دی الکتریک پوشیده شده است مزیت این نوع خازن نسبت به بقیه وزن کم و ظرفیت خازنی بالا است و یکی از معایب قیمت بالای آنها است.
 نیوبیم

ابر خازن ها

ظرفیت این خازن ها کیلو فاراد KF است و برای ساخت آنها از فناوری نانو استفاده میشود و برای کاهش زمان شارژ باتری ماشین های برقی مورد استفاده قرار میگیرد

خازن های غیرپلاریزه

این خازن ها قطب مثبت و منفی ندارند و از هرجهتی میتوان آنها را مونتاژ کرد و از این بابت مشکلی وجود ندارد.

خازن های غیر پلاریزه سه دسته اند:

سرامیکی

به این خازن ها عدسی نیز گفته میشود که دی الکتریک به کار رفته در این خازن ها از جنس دیسک سرامیکی و ترکیب نقره است.

 میکا

این نوع خازن ها از صفحات نازک میکا ساخته میشوند.

 فیلم

در این خازن ها از دی الکتریک پلی استیرن، پلی کربنات یا تفلون استفاده میشود.

خازن های متغییر

ظرفیت خازن ها را میتوان با تغییر فاصله صفحات ، سطح صفحات و دی الکتریک آنها تغییر داد.