البحث في الموقع

تحدثنا في المقالات السابقة عن اﻷسس والمفاهيم التي يجب استيعابها لتكوين الدوائر اﻹلكترونية والتعامل معها وإجراء بعض القياسات الكهربائية فيها. كما تعرّفنا على عناصر إلكترونية سميناها فعّالة لأنها تزوّد الدوائر بالطاقة أو تستهلك الطاقة لأداء عملها مثل البطاريات والترانزيستورات وأخرى سميناها ساكنة لأنها تبدد الطاقة أو تمررها فقط. ورأينا أن تنفيذ أية دائرة إلكترونية لها وظيفة محددة يمر بمرحلتين أساسيتين: اﻷولى: فهم الوظيفة المطلوبة وتصوّر طريقة تنفيذها. الثانية: اختيار العناصر اﻹلكترونية المناسبة وربطها بالطريقة الصحيحة ﻹنجاز الوظيفة. وقد يخطر لك السؤال التالي: "ماذا لو أردت أن أكرر هذه الوظيفة في عدة أماكن مختلفة من الدائرة؟" كأن احتاج عدة مؤقتات زمنية لمراقبة أشياء مختلفة، هل سأكرر الدائرة الكهربائية نفسها مرات عدة ثم أضيفها إلى الدائرة اﻷساسية أم ماذا؟ الجواب على هذا السؤال هو نعم وليس بالضرورة! نعم أي لا بد في الدائرة اﻹلكترونية من تكرار العناصر التي تؤدي وظيفة ما إن أردت استنساخ هذه الوظيفة أكثر من مرة، وليس بالضرورة لوجود شيء أبسط يحوّل هذه العناصر جميعها إلى عنصر واحد ضمن إطار فيزيائي واحد ندعوه دائرة متكاملة Integrated circuit. ما تحتاجه لإكمال التمارين العملية في هذا المقال إليك قائمة بالعناصر الإلكترونية والتجهيزات اللازمة لإكمال التطبيقات العملية: بطارية جهدها 5 فولط. مقاومات قيمها 1.2، 2.2، 10، 22 كيلو أوم. الدائرة المتكاملة NE555 (واحدة تكفي). الدائرة المتكاملة المنظمة للجهد 7805 (واحدة تكفي). المتحكم الصغري PIC16F84A (اختياري لمجرّد التعرف على شكله وتوزع أرجله وقراءة أرقامها). مؤشرات ضوئية (ليد) تعمل عند جهد 5 فولط أو أقل (ثلاثة تكفي). مكثفات سعتها 47 ميكرو فاراد وأخرى 1 ميكرو فاراد جهدها 16 فولط. مكثفات عدسية 20 نانو فاراد (اختيارية إن أردت توصيل دائرة المتحكم الصغري). هزاز كريستالي تردده 2 ميجا هرتز (اختياري لتوصيل دائرة المعالج الصغري). ديودات من طراز 1N4007 (يكفي اثنان). ترانزستورات قطبية من الطراز 2N2222. لوحة اختبار مثقبة (إن أردت فاﻷمر اختياري). مقياس كهربائي متعدد الوظائف AV multi-meter. الدائرة المتكاملة الدائرة المتكاملة Integrated circuits هي دائرة إلكترونية مخصصة ﻷداء وظيفة واحدة أو عدة وظائف، وتتكون ضمنًا من مجموعة من العناصر اﻷساسية مثل الترانزستورات والمكثفات والمقاومات التي تقوم بالعمل المطلوب. توضع هذه العناصر ضمن غلاف مغلق لا يظهر منه إلى العالم الخارج سوى أرجل معدنية تربط الدائرة المتكاملة بالعالم الخارجي. وقد يخطر في بالنا السؤال التالي: إن كانت الدائرة المتكاملة مكوّنة من نفس العناصر الأساسية التي نستخدمها فما فائدتها إذًا؟ إليك الجواب: حجم أصغر بكثير: تخيل أن الدائرة ستتكون من 12 ترانزيستور و10 مقاومات و3 مكثفات، ما الحجم الذي تشغله هذه العناصر مهما كان تصنيعها جيدًا وطريقة توصيلها احترافية؟ بالتأكيد ستشغل حجمًا لا بأس به. لكن إن صُنّعت ضمن دائرة متكاملة فقد لا تتجاوز أبعادها عدة ملليمترات في كل اتجاه. موثوقية أكبر بكثير: لربما قد لا حظت عند محاولتك تجريب التمارين التطبيقية التي طرحناها في المقالين السابقين صعوبة التوصيلات في بعض اﻷحيان أو هفوات صغيرة تُفقدك أعصابك قبل معرفة المشكلة، فما بالك بالدوائر التي يجب أن تؤدي وظيفتها بكل دقة؟ تضمن طريقة التصنيع المتبعة في الدوائر المتكاملة توصيلات غاية في الدقة وترتيبًا مثاليًا للعناصر إضافة إلى اﻷحجام الصغيرة جدًا لهذه العناصر. التعامل مع أرجل الدائرة دون الحاجة لأية تفاصيل تصميمية: لا حاجة لأن تعرف العناصر التي تتكون منها الدائرة اﻹلكترونية وكيف رُتبت، فما تتعامل معه فقط هي اﻷرجل التي يحدد صانعو الدائرة وظيفة كل منها وكيفية وصلها. ولا تخلو فكرة الدوائر المتكاملة من عيوب تتعلق بعدم القدرة على تصنيع دوائر متكاملة تتعامل مع استطاعات كهربائية كبيرة، وقدرتها المحدودة على التخلص من الحرارة الناتجة عن تشغيلها لصغر حجمها، و حساسيتها العالية للضجيج -وهي إشارات غير مرغوبة تصل إليها عن طريق التغذية أو اﻷجهزة المحيطة-. أنواع الدوائر اﻹلكترونية المتكاملة للدوائر اﻹلكترونية أنواع مختلف وتصنف عادة ضمن ثلاثة فئات واسعة: دوائر متكاملة تماثلية: وتتعامل مع قيم تماثلية تطبيق على أرجل الدخل وتعطي قيمًا تماثلية على أرجل الخرج نذكر منها دوائر منظمات الجهد الكهربائي ودارات قياس درجات الحرارة. دوائر متكاملة رقمية: وتتعامل مع قيم رقمية في دخلها وخرجها، نذكر منها المعالجات المصغّرة Microprocessor في الحواسب. تُبنى هذه الدوائر باستخدام ترانزستورات قطبية فتعرف عندها بعائلة TTL وباستخدام ترانزستورات حقلية MOSFET فتعرف باسم CMOS. دوائر رقمية تشابهية: تتعامل مع قيم رقمية في مداخلها وتعطي قيمًا تماثلية على المخارج أو العكس أو كلاهما (تتعامل مع الرقمي والتماثلي في الدخل والخرج)، نذكر منها الدوائر التي تحول درجات الحرارة مثلًا إلى أرقام وكذلك دوائر المتحكمات الصغرية micro-controller التي سنتحدث عنها في الفقرات القادمة. تغليف الدوائر المتكاملة عندما تُصنع الدوائر المتكاملة تظهر أرجلها إلى العالم الخارجي من حواف غلاف بلاستيكي أسود اللون عادة، وتُكتب عليه معلومات عن الشركة الصانعة وتاريخ الصنع ورقم الدائرة المميز ولواحق تتعلق بطريقة التغليف ومجالات العمل وغيرها وتختلف طريقة الترميز من شركة لأخرى لكن رقم الدائرة يبقى كما هو. أشكال أغلفة الدوائر المتكاملة تكون الأغلفة مستطيلة أو مربعة، وتخرج منها اﻷرجل وفق ترتيب محدد وتباعد محدد، وتصنف إلى: أغلفة من النوع DIP: وتكون مستطيلة تخرج اﻷرجل الطرفين بشكل متناظر. أغلفة من النوع SOP: وتكون مستطيلة أو مربعة، تخرج اﻷرجل من طرفيها وتكون صغيرة على شكل حرف L ومتقاربة من بعضها. أغلفة من النوع QFT: وتكون مربعة وصغيرة الحجم ومسطحة، تخرج اﻷرجل على شكل حرف L من جميع أطرافها. أغلفة من النوع BGA: وتكون مربعة الشكل وليس لها أرجل، بل يكون الخرج والدخل على شكل نقاط نافرة أسفل الدائرة وموزعة على صفوف في كل اﻷطراف. ترقيم أرجل الدوائر المتكاملة لكل رجل من أرجل الدائرة المتكاملة عمل محدد كأرجل تغذية وأرجل تأريض وأرجل دخل وخرج. ولكل رجل أيضًا رقم محدد، ويبدأ الترقيم بالرقم 1 وهي الرجل التي يقع إلى يسار حفرة الدائرية موجودة على سطح الغلاف يليه للأسفل الرقم 2 ثم تتزايد أرقام اﻷرجل بعكس جهة دوران عقارب الساعة. تطبيق عملي: تنظيم الجهد باستخدام الدائرة المتكاملة 7805 نحتاج في كثير من التطبيقات إلى مصدر جهد ثابت لا يتغيّر ودون ضجيج كي يستقر عمل الدائرة اﻹلكترونية. لهذا نستخدم نوع خاص من الدوائر التكاملية التي تُدعى بمنظمات الجهد ومنها الدائرة 7805. تعطي هذه الدائرة في خرجها جهدًا موجبًا مستقرًا قدره 5 فولط وتقدم تيارًا أعظميًا شدته 1.5 أمبير على أن يكون جهد مصدر التغذية الذي نريد تنظيمه أعلى من جهد الخرج بحدود 2 إلى 3 فولط. للدائرة 7805 ثلاثة أرجل مع خلفية معدنية لربطها مع جسم معدني أو مبدد حراري إذا كان التيار المستجر عبرها عاليًا لتخفيض الحرارة الناتجة عن عملها. فإذا أمسكتها بحيث تكون في مواجهتك تكون الرجل اليسارية هي رجل جهد الدخل الذي تريد تنظيمه والوسطى رجل التأريض واليمينة رجل الخرج التي تعطينا 5 فولط. شكّل الدائرة البسيطة التالية: صل رجل الدخل إلى المسرى الموجب للوحة المثقبة ثم صل معه القطب الموجب لمكثفة 1 ميكروفاراد ومهبط الديود. صل الرجل اﻷخرى للمكثفة مع المسرى السالب ومصعد الديود مع رجل الخرج. صل الرجل الوسطى مع المسرى السالب. صل رجل الخرج مع الرجل الطويلة للمؤشر الضوئي وصل رجله اﻷخرى مع رجل مقاومة 2.2 كيلو أوم والرجل اﻷخرى للمقاومة مع المسرى السالب. صل قطبي البطارية 8 فولط إلى المسريين الموجب والسالب للوحة المثقبة. استخدم مقياس اﻵفو لتحديد الجهد بين المسرى السالب و رجل الخرج للدائرة 7805 ماذا تجد؟ الدوائر المتكاملة القابلة للبرمجة تُعرّف عملية البرمجة في اﻹلكترونيات عمومًا بأنها طريقة تحديد وظيفة العنصر اﻹلكتروني والطريقة التي يتواصل فيها مع الدائرة المحيطة به. وكما ذكرنا قبل قليل أن الدوائر اﻹلكترونية المتكاملة قد تشتمل على عدة وظائف وعندها تكون برمجة هذه الدائرة هو تحديد الوظيفة التي نريدها أن تؤديها من بين وظائف عدة. وللبرمجة في عالم اﻹلكترونيات تصنيفان أساسيان: برمجة فيزيائية: نحدد فيها وظيفة الدائرة اﻹلكترونية بتغيير طريقة توصيلها مع الدائرة المحيطة، أي تفرض على الدائرة المتكاملة وظيفة معينة وفقًا لطريقة توصيل أرجلها مع عناصر إلكترونية أخرى محددة. وأغلب الدارات المتكاملة التماثلية متعددة الوظائف تبرمج بهذا الشكل. برمجة بالشيفرة: وفيها تُكتب برمجيات رقمية خاصة خارج هذه الدائرة ثم تنقل إليها، وقد تكون هذه البرمجيات دائمة أي تحمََّل مرة واحدة ولا يمكن تعديلها لاحقًا مثل الدائرة التكاملية التي تُحمّل برمجيات إقلاع الحاسب BIOS، ومن الممكن أيضًا تغيير هذه البرامج وتعديلها في أي وقت كما في الدوائر المتكاملة التي تُدعى المتحكمات الصغرية. تُدعى البرمجيات التي تُحمّل إلى الدوائر المتكاملة "برمجيات قيادة Firmeware" وتكتب باستخدام لغات برمجة منخفضة المستوى عادة، ويمكن استخدام لغات برمجة عالية المستوى مثل C++,C, بايثون. تطبيق عملي: البرمجة الفيزيائية للدائرة المتكاملة 555 تُصنف الدائرة 555 ضمن فئة المؤقتات أو الهزازات التي يتأرجح دخلها بين قيمة عليا (قيمة وصل) هي قيمة جهد تغذية الدائرة وقيم دنيا (قيمة فصل) هي 1.2 فولط وفقًا لطريقتي برمجة فيزيائية: اﻷولى تُدعى الوضع الوحيد الاستقرار وفيه تعمل الدائرة كمؤقت إذ تُبرمج كي يكون الخرج موصولًا لفترة زمنية محددة. الثانية: تُدعى الوضع غير المستقر وفيه يُبرمج الخرج كي يتبدل بين الفصل والوصل خلال أزمة محددة لكل حالة. تتكون الدائرة 555 من ثمانية أرجل، لا حاجة حاليًا لشرح وظيفة كل رجل، وما سنستعرضه هي طريقة برمجة الدائرة كي تعطي الوظيفتين السابقتين. لهذا استخدم العناصر التي أشرنا إليها سابقًا لتشكيل الدائرة التالية: برمجة الوظيفة الأولى: ضع الدائرة 555 لتكون أرجلها ضمن نصفين مختلفين للوحة المثقبة ثم صل الرجل رقم 1 (اﻷرضي) بالمسرى السالب والرجلين 8 (تغذية) والرجل 4 بالمسرى الموجب. صل الرجل رقم 7 بمقاومة R1 قيمتها 22 كيلو أوم ورجلها الثانية بالمسرى الموجب. صل الرجل رقم 2 بالرجل 6 بسلك ثم صلهما بالرجل الموجبة لمكثفة C1 قيمتها 47 ميكروفاراد وصل رجلها السالبة بالمسرى السالب. صل بمقاومة R2 قيمتها 22 كيلو أوم نقطة التقاء المقاومة 22 كيلو أوم والرجل 7 مع نقطة التقاء الرجل 6 والمكثفة. صل الرجل 5 إلى مكثفة 1 ميكروفاراد وصل رجلها السالبة باﻷرضي (بإمكانك تجاهل هذه الحركة حاليًا). صل أخيرًا رجل الخرج رقم 3 من خلال مقاومة 10 كيلو أوم بقاعدة الترانزستور وانتبه إلى أن يكون بعيدًا عن ثقوب الدائرة 555 ثم صل باعثه إلى المسرى السالب من خلال مقاومة 2.2 كيلو أوم وصل مؤشر ضوئي بين مجمّعه والمسرى الموجب. صل بطارية 8 فولط إلى المسريين الموجب والسالب للوحة المثقبة، وراقب ما يحدث. ستلاحظ كيف يضيء وينطفئ المصباح بشكل منتظم وباستمرار طالما أن الدائرة موصولة بالتغذية الكهربائية وتُبرمج فترتي اﻹضاءة والتوقف من خلال تحديد قيم المقاومتين R1 و R2 وسعة المكثفة C1 وفق المعادلتين البسيطتين التاليتين: t(off) = 0.0069xC1xR2 ..............(زمن الفصل بالثانية) t(on)= 0.0069xC1x(R1+R2)..........(زمن التوصيل بالثانية) برمجة الوظيفة الثانية: اتبع نفس الخطوات السابقة لكن لا تصل الرجل 2 بالرجل 6 بل اجعل السلك موصولًا بالرجل 2 وحرًا من الطرف اﻵخر. ضع السلك الموصول بالرجل 2 (رجل القدح) بالمسرى السالب للحظة ثم اخرجه وسترى أن الضوء يضيئ مدة زمنية محددة ثم ينطفئ، وتبرمج هذه المدة من خلال تحديد قيمة المقاومة R1 والمكثفة C1 وفق المعادلة التالية: t= 0.001xR1xC1.......(زمن الوصل بالثانية) المتحكمات الصغرية والدوائر المتكاملة المبرمجة بالشيفرة المتحكمات الصغرية هي دائرة عالية التكامل متعددة الوظائف من النوع الرقمي أو الرقمي-التشابهي المختلط. وهي دوائر قابلة للبرمجة بالشيفرة وبالتالي لابد أن تكون المتحكمات قادرةً على قراءة الشيفرة وتنفيذها. تُعد هذه الدائرة بمثابة حاسوب حقيقي لكنه مصغّر ومحدود اﻹمكانية وينقصه فقط لوحة مفاتيح وشاشة عرض (وفي الواقع يمكن وصل شاشات ولوحات مفاتيح خاصة إليه وبرمجته ليتواصل معهما). يمكن للمتحكمات الصغرية التعامل مع القيم التماثلية التي تأتيه من الوسط الخارجي، مثل قراءة درجات الحرارة عبر وصله بحساسات مناسبة، كما يمكنه التحكم بأجهزة تماثلية مثل التحكم بمحركات التيار المستمر. ولهذا نجد أن المتحكمات الصغرية هي غالبًا الدماغ الذي يقود الروبوتات. وإضافة إلى القيم التماثلية فهو قادر على فهم اﻹشارات الرقمية والمنطقية وقادر على التخاطب الرقمي مع الوسط الخارجي. البنية العامة للمتحكم الصغري يتكون المتحكم الصغري أيًا يكن نوعه أو الشركة المصنعة له من مكوّنات بنيوية أساسية هي: وحدة معالجة مركزية CPU وهي المسؤولة عن تنفيذ العمليات الرياضية والحسابية. وحدة إدارة الذاكرة (الكتابة والقراءة منها) بشقيها ذاكرة الوصول العشوائي RAM التي تُستخدم أثناء تنفيذ الشيفرة وذاكرة القراءة فقط ROM التي تخزن شيفرة البرنامج. وحدة إدارة الدخل والخرج. منافذ دخل وخرج. دوائر توقيت. ساعة داخلية. مبدلات رقمية تماثلية والعكس لتحويل كل منهما إلى اﻷخرى حسب الحاجة. وحدة وحدات قادر على الاتصال مع التجهيزات الخارجية وفق معايير مشتركة بين هذه العناصر (بروتوكولات نقل). لن نهتم في الواقع إلى هذه التفاصيل كثيرًا في بداية مشوارنا لكن لا بد من الانتباه لها عند شراء معالج صغري، إذ نهتم عادة بالنقاط التالية وبما يلائم مشروعنا: حجم ذاكرته. السرعة التي يعمل عندها. عدد بوابات الدخل والخرج وعدد اﻷرجل في كل منها. عدد اﻷرجل التي تقبل دخلًا تماثليًا. عدد المؤقتات ودقتها. عدد العدادات فيه ودقتها. عدد وحدات الاتصال مع تجهيزات الوسط الخارجي وأنواعها (نقل تسلسلي، تفرعي،…). دعم الاتصال مع مع تجهيزات أخرى باستخدام واجهات مثل USB وغيرها. يمكن للمتحكم الصغري أن يستخدم ساعته الداخلية لمزامنة قراءة الشيفرة وتنفيذها أو ساعة خارجية يؤمنها موّلد نبض خارجي وله أنواع كثيرة أشهرها الهزازات الكريستالية Crystal Oscillators التي تعمل عند ترددات مختلفة بما يلائم السرعة القصوى المطلوبة من المتحكم المستخدم. الهيكلية الخارجية للمتحكم يغلّف المتحكم الصغري بأحد طرق تغليف الدوائر التكاملية التي ذكرناها سابقًا ولا يخرج منه إلى الوسط الخارجي سوى اﻷرجل. تُرقم أرجل المتحكم الصغري كما تُرقم أرجل أي دائرة متكاملة أي من الرقم 1 للرجل التي تقع على يسار الحفرة المرجعية على السطح وتتزايد اﻷرقام بعكس دوران عقارب الساعة. البوابات ووظائف اﻷرجل تقسم اﻷرجل كما ذكرنا إلى: أرجل مخصصة لها وظيفة واحدة كأرجل التغذية والتصفير وأرجل الاتصال مع الساعة الخارجية. أرجل عامة للدخل والخرج أرجل عامة للدخل والخرج مع وظائف خاصة. تشكل كل مجموعة من اﻷرجل العامة مايُسمى بوابة Port وتضم كل بوابة ما بين 3 إلى 16 رجل وعادة ما تُصنع أرجل البوابة الواحدة وفق آلية محددة تجعلها متوافقة مع بعضها. ويمكن برمجة كل رجل لتكون دخل أو خرج بغض النظر عن بقية أرجل البوابة، لكن عندما تريد استخدام البوابة ككل فلابد أن تكون كل أرجل هذه البوابة دخل أو كلها خرج. يمكن لبعض اﻷرجل وليس جميعها أن تستقبل قيمًا تماثلية لأنها مبنية ومصممة لهذا الغرض لكن كل اﻷرجل قادرة على فهم القيم الرقمية أو المنطقية. أما الأرجل ذات الوظائف الخاصة، فإنها تؤدي هذه الوظائف عندما نحدد ذلك عن طريق البرنامج. وعندها تؤدي فقط هذه الوظيفة الخاصة ولا يمكن أن تستخدم للدخل أو الخرج العام. ومن هذه الوظائف نجد العدادات وتبادل البيانات مع تجهيزات أخرى. ومن الوظائف الخاصة أيضًا اﻷرجل التي تتصل بجهاز البرمجة وتنقل البرنامج الذي كتبناه من الحاسوب إلى المتحكم. تطبيق عملي: تعرّف على المتحكم PIC16f84A وهو متحكم صغري من إنتاج Microchip يعمل عند جهد 2 إلى 5.5 فولط وسرعة بين 32 كيلو هرتز و20 ميغا هرتز يمكن تحديدها من خلال الساعة الخارجية المتصلة به (هزاز النبضات). لهذا المتحكم بعض الميزات منها: بوابتين A و B تضم البوابة اﻷولى خمسة أرجل مرمّزة من A0 وحتى A4، بينما تضم الثانية ثمان أرجل مرمّزة من B0 وحتى B7. دارة مؤقت/ عداد (حسب برمجتها) مرمّزة بالاسم TMR0 متصلة بالرجل RA4، إذا لهذه الرجل وظيفة عامة (دخل أو خرج) ووظيفة خاصة (عد النبضات الواردة إلى هذه الرجل) ويمكن ضبط الوظيفة المطلوبة برمجيًا. لا يمكنه التعامل مع اﻹشارات التماثلية مباشرة أي لا يحتوي على أرجل مهيأة للتعامل مع القيم التماثلية ويحتاج إلى عنصر خارجي يُدعى محوّل تماثلي رقمي. يدعم الاتصال التسلسلي مع الحاسب وبعض التجهيزات اﻷخرى. ذاكرة برنامج مقدارها 2048 بايت وذاكرة عشوائية للعمل مقدارها 64 بايت. يبرمج باستخدام لغة خاصة به كما يبرمج باستخدام لغة C. لتوصيل المتحكم إلى دائرة إلكترونية اتبع الخطوات التالية: صل الرجل رقم 14 إلى منبع تغذية موجب بين 3 إلى 5 فولط، يمكنك بالطبع استخدام منظم الجهد 7805 الذي تحدثنا عنه في تطبيق عملي سابق، لأنه من الضروري تنظيم الجهد الواصل إلى المتحكم وإزالة أية آثار للضجيج. صل الرجل رقم 5 باﻷرضي (المسرى السالب). صل مهتز كريستالي تردده 2 ميغا هرتز مثلًا بين الرجلين 15 و 16 ثم صل كل رجل للمهتز بالمسرى السالب من خلال مكثف عدسي 20 نانو فاراد. هذا المهتز هو من سيحدد سرعة عمل المتحكم ويضبط توقيت العمل. صل الرجل رقم 4 بالمسرى الموجب. في هذه اللحظة سيدخل المتحكم في مرحلة اﻹقلاع وصولًا إلى مرحلة تنفيذ البرنامج الذي حمّلناه مسبقًا إلى ذاكرته. كتابة برنامج للمتحكم وتحميله لا بد قبل كل شيء من تعلّم لغة برمجة، وخاصة C أو ++C أو بايثون حتى تستطيع التفكير بطريقة برمجية إضافة إلى فهم صياغة الشيفرة. وعليك أن تعرف أن تعاملك في المتحكمات سيكون مع اﻷرجل أو مع وحدات الاتصال. عندما تحدد أحد اﻷرجل على أنه رجل خرج، سيمر تيار له نفس جهد التغذية وشدة أقصاها 25 ميلي أمبير إلى العنصر الذي تريده وذلك في حال أعطيته القيمة المنطقية 1. إن حددت أحد الأرجل على أنها رجل دخل، سيترقب المعالج بشكل مستمر وصول تيار جهده يماثل جهد التغذية إلى هذه الرجل ثم ينفّذ عملًا معينًا إذا حدث ذلك. إن أردت من رجل ذات وظيفة خاصة أن تنفّذ هذه الوظيفة، عليك أن تحدد ذلك في البرنامج. توضع الشيفرة كلها ضمن كتلة يعيد المتحكم تنفيذها باستمرار وينتقل من تعليمة إلى التي تليها بشكل متسلسل. لنحاول أن نكتب برنامجًا بسيطًا للمتحكم PIC16F84A ينتظر ورود إشارة على الرجل RA0 ثم يجعل الأضواء الموصولة مع اﻷرجل RA1, RA2, RA3 تعمل بالتناوب لمرة واحد على أن يكون هناك فاصل زمني بين كل منها مقداره 2 ثانية ثم تنطفئ. إليك البرنامج: #include <16F877A.h> // لاستخدام الميزات الخاصة بالمتحكم المطلوب #use delay(clock=2000000) // اختيار سرعة المعالج بالهرتز ويماثل تردد الهزاز الكريستالي void main() { /* نضع في هذه الكتلة تعليمات برنامج المتحكم الذي يكررهابشكل مستمر طالما أنه في حالة عمل */ if(input_state(pin_a0)){ /*ستُنفَّذ التعليمات التالية RA0 إذا وصل تيار جهد 5 فولط إلى الرجل */ output_high(pin_a1);//ٌ لتمرر تيارًا إلى المؤشر الضوئي RA1 تفعيل الرجل delay_ms(2000);// الانتظار مدة 2000 ميلي ثانية أي ثانيتين output_high(pin_a2);// لتمرر تيارًا إلى المؤشر الضوئي RA2 تفعيل الرجل delay_ms(2000);// الانتظار مدة 2000 ميلي ثانية أي ثانيتين output_high(pin_a3);// لتمرر تيارًا إلى المؤشر الضوئي RA3 تفعيل الرجل delay_ms(2000);// الانتظار مدة 2000 ميلي ثانية أي ثانيتين output_low(pin_a1);//وإطفاء المؤشر الضوئي RA1 قطع التيار عن الرجل output_low(pin_a2);//وإطفاء المؤشر الضوئي RA2 قطع التيار عن الرجل output_low(pin_a3);//وإطفاء المؤشر الضوئي RA3 قطع التيار عن الرجل }; } يُكتب هذا البرنامج ضمن أي محرر نصي ثم يُستخدم برنامج حاسوبي لتحويله إلى شكل يفهمه المتحكم وهو الترميز المنطقي بالأصفار 0 والواحدات 1 وتكون النتيجة ملف له الامتداد hex.. نحتاج بعد ذلك إلى تجهيزة خاصة تُدعى مبرمجة مهمتها نقل الملف السابق من الحاسوب إلى المتحكم، وستجد أنواعًا مختلفة من المبرمجات يخصص كل منها لعائلة أو أكثر من المتحكمات ويأتي مع كل مبرمجة التوصيلات الخاصة مع الحاسوب وبرنامج نقل ملف الشيفرة ودليل الاستعمال. وهذا الموضوع بالطبع خارج نطاق هذا المقال ويتطلب مزيدًا من الشرح والتوضيح. الخلاصة هكذا نكون قد انتهينا من سلسلة هذه المقالات التي تحدّثت عن علم اﻹلكترونيات والدارات الإلكترونية انطلاقًا من المفاهيم اﻷساسية وصولًا إلى المتحكمات القابلة للبرمجة والتي تُعد نواةً للتحكم بالروبوتات والحواسب المصغرة وأجهزة التحكم الصناعي وغيرها الكثير. فإن رأيت أنك مهتم بما قرأت شاركنا رأيك في نقاش الصفحة ودعنا نساعدك في توضيح ما يُشكل عليك فهمه وتوجيهك نحو خطوات قادمة. اقرأ أيضًا المقال السابق: أساسيات في عالم الإلكترونيات: تشكيل الدوائر اﻹلكترونية والعناصر الفعالة برمجة الروبوت: الدليل الشامل تجميع راسبيري باي والتحضير لاستخدامه تصميم وتنفيذ لعبة حسية تفاعلية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو تصميم وتنفيذ آلة موسيقية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو

تعرفنا في المقال السابق على بعض اﻷساسيات في علم اﻹلكترونيات مثل الجهد الكهربائي وشدة التيار وتعلمنا استخدام بعض العناصر اﻹلكترونة الساكنة passive component في تكوين بعض الدوائر البسيطة وقياس قيم الجهد والتيار باستخدام المقياس الكهربائي متعدد الوظائف (اﻵفو). نتابع في هذا المقال استعراض مفاهيم أخرى أساسية في تكوين الدوائر الإلكترونية ونلقي الضوء على بعض العناصر اﻹلكترونية التي تُدعى بالعناصر الفعّالة Active Components. ما تحتاجه لإكمال التمارين العملية في هذا المقال إليك قائمة بالعناصر الإلكترونية والتجهيزات اللازمة لإكمال التطبيقات العملية: بطارية جهدها 5 فولط. مقاومات قيمها 1.2، 2.2، 6.8، 10، 22 كيلو أوم مؤشرات ضوئية (ليد) تعمل عند جهد 5 فولط أو أقل (ثلاثة ويفضل من ألوان مختلفة). مكثفة سعتها 470 ميكرو فاراد وأخرى 330 ميكرو فاراد جهدها 16 فولط. ديودات من طراز 1N4007 (يكفي اثنان). ترانزستورات قطبية من الطراز 2N2222. ترانزيستور ذات أثر حقلي من النوع MOSFET وطراز 2N2905A (ثلاثة تكفي). لوحة اختبار مثقبة (إن أردت فاﻷمر اختياري) مقياس كهربائي متعدد الوظائف AV multi-meter. ترتيب العناصر اﻹلكترونية في الدوائر نشرح في هذا القسم طريقة توصيل العناصر اﻹلكترونية والهيكلية اﻷساسية للدوائر بشكل مبسط دون الخوض في التفاصيل لأنها تتطلب معارف رياضية متقدمة. الوصل على التسلسل والوصل على التفرّع وهما طريقتان لوصل العناصر في الدائرة اﻹلكترونية سنشرحهما بشكل مبسط: الوصل على التسلسل عندما نصل طرفي عنصرين معًا، ونترك طرفيهما اﻵخرين كي توصلا مع بقية عناصر الدائرة ندعو هذا الوصل وصلًا تسلسليًا. وقد نصل عنصرين أو أكثر وفق هذه الطريقة فيتكون فرع في الدائرة الكهربائية يمر في عناصره تيار ذو شدة محددة ويهبط الجهد عند طرفي كل عنصر ليكون الجهد الكلي بين طرفي هذه العناصر المتسلسلة هو مجموع هبوطات الجهود. الوصل على التفرع أو التوازي إذ وصلت رجلي عنصر أو طرفي عنصر مع بعضهما ثم وصلت كذلك الطرفين اﻵخرين مع بعضهما فإن هذا الوصل هو وصل على التفرع. وقد نصل عنصرين أو أكثر بهذه الطريقة فتتكون عدة فروع في الدائرة عددها هو عدد هذه العناصر الموصولة على التفرع. يكون هبوط الجهد متماثلًا في الفروع إذ وصل طرفاها إلى منيع التغذية الكهربائي بينما سيتوزع التيار على هذه الفروع حسب طبيعة كل فرع. وصل العناصر على التفرع إلى اليمين وعلى التسلسل إلى اليسار هيكلية الدائرة اﻹلكترونية تتكون الدائرة اﻹلكترونية بأبسط أشكالها من مصدر تغذية كهربائي وعنصر إلكتروني أو أكثر بحيث يخرج التيار الكهربائي من مصدر التغذية ويعود إليه. وعند ترتيب العناصر في الدائرة سواء على التسلسل أو التفرع أو بطريقة مختلطة نميّز فيها الأقسام التالية: العقدة: وهي نقطة التقاء ثلاثة فروع أو أكثر ولها قاعدة مهمة جدًا بخصوص التيارات المارة فيها وتنص أن مجموع شدات التيارات الداخلة إلى عقدة تساوي مجموع شدات التيارات الخارجة منها. أي إذا دخل على عقدة تيار شدته 3 أمبير وتفرّع إلى فرعين سيكون مجموع الشدتين في الفرعين الناتجين هو أيضًا 3 أمبير. الفرع: هو جزء من الدائرة مكون من عنصر واحد أو عدة عناصر موصولة على التسلسل. الحلقة: وهي دائرة فرعية محددة بعقدتين أو أكثر. وصل بعض العناصر على التسلسل والتفرع لكل عنصر إلكتروني وظيفة محددة وبالتالي طريقة ربط محددة في الدارة، وهكذا تبدأ الفروع والحلقات والعقد بالظهور لهيكلة الدائرة وتزداد صعوبة الحسابات الكهربائية. لكننا سنبقي اﻷمور في مقالنا بسيطة قدر اﻹمكان مبتعدين عن أية حسابات رياضية صعبة. وصل العناصر الإلكترونية على التسلسل والتفرع وصل منابع التغذية توصل منابع التغذية الكهربائية على التسلسل والتفرع لزيادة الجهد الكلي في الدائرة أو زيادة شدة التيار الذي يمكن للعناصر استجراره منها. عند وصل منبعي تغذية أو أكثر على التسلسل بوصل القطب الموجب للأولى مع السالب للثاني حصلنا على مصدر تغذية جهده الكلي يساوي مجموع جهدي المنبعين. فلو وصلنا بطاريتين جهد كل منهما 1.5 فولط على التسلسل سنحصل على مصدر تغذية جهده 3 فولط. وعند وصل منبعي تغذية على التفرع بوصل القطبين الموجبين معًا والسالبين معًا بحيث تكون اﻷقطاب المشتركة هي من تغذي الدائرة الكهربائية، سيتمكن مصدر التغذية الجديد من استجرار تيار أكبر لعناصر الدائرة، أو على اﻷقل تغذية الدائرة لفترة أطول. وصل المقاومات اتبع القواعد البسيطة التالية: وصل مقاومات على التسلسل يعطي مقاومة جديدة قيمتها مجموع قيم المقاومات السابقة. فلو كان لديك مقاومات قيمها 2 كيلو أوم فقط وتحتاج إلى مقاومة 6 كيلو أوم، صل عندها ثلاثًا منها على التسلسل. وصل مقاومتين لهما القيمة ذاتها على التفرع يعطي مقاومة قيمته نصف قيمة إحداهما ووصل ثلاثة لها القيمة ذاتها سيعطي مقاومة لها ثُلث قيمة إحداها وهكذا. فلو كان لديك مقاومات قيمها 3 كيلو أوم وتحتاج إلى مقاومة قيمتها 1 كيلو أوم صل ثلاثة منها على التفرع. وصل المكثفات اتبع القواعد البسيطة التالية: وصل مكثفتين لهما القيمة ذاتها على التسلسل يعطي مكثفة سعتها نصف سعة إحداهما ووصل ثلاثة لها السعة ذاتها سيعطي مكثفة لها ثُلث سعة إحداها وهكذا. فلو كان لديك مكثفات قيمها 10 ميكروفاراد وتحتاج إلى مكثفة سعتها 5 ميكروفاراد صل اثنتين منها على التسلسل. وصل مكثفات على التفرع يعطي مكثفة جديدة سعتها مجموع سعات تلك المكثفات. فلو كان لديك مكثفات سعاتها 1 ميكروفاراد فقط وتحتاج إلى مكثفة سعتها 4 فاراد ، صل عندها أربعةً منها على التفرع. وصل الديودات اتبع القواعد البسيطة التالية: توصل الديودات على التسلسل (مهبط>مصعد>مهبط>مصعد) لأسباب عديدة منها ضمان الحماية عند تيارات أعلى ومنها تخفيض الجهد أكثر بين طرفي الوصلة إذ يخفض كل ديود الجهد بحدود 0.6 فولط (وفق مادة تصنيعه). توصل الديودات على التفرع عندما لا تريد أن يؤثر توصيله على شدة التيار الذي يصل العنصر اﻹلكتروني التالي. تتوزع شدات التيار في الفروع الخارجة من عقدة كلًا حسب مقاومته المرجع المشترك (اﻷرضي) هذا المصطلح شائع كثيرًا ومربك كثيرًا، لهذا سنشرح اﻷمر بالبساطة الممكنة دون أية تعريفات مدرسية. تعمل الدوائر اﻹلكترونية بين نقطتين لهما جهد مختلف وتتحرك الشحنات من الجهد اﻷعلى إلى اﻷدنى. لكن عندما تضم الدوائر عددًا كبيرًا من العناصر وقد تضم أيضًا عدة مصادر تغذية نحتاج إلى نقطة مرجعية لنقيس الجهد عند أية نقطة من الدائرة بالنسبة لها تُدعى هذه النقطة بالمرجع المشترك أو اﻷرضي وقد تكون نقطة من الدائرة أو خارجها ونعتبر أن قيمة جهدها هو الصفر . لا تكترث كثيرًا اﻵن لهذا الموضوع، ففي معظم دوائرك التي ستغذيها من مصدر تغذية محدد اعتبر أن اﻷرضي هو القطب السالب لمصدر التغذية وأرح نفسك، وإن رأيت في أحد المراجع رمز المرجع المشترك وأردت تطبيق الدائرة الموجودة، صل اﻷرضي بالقطب السالب. نظرة ثانية إلى العناصر اﻹلكترونية: عناصر إلكترونية فعّالة العناصر الفعّالة Active Components هي عناصر تقدم الطاقة الكهربائية للدائرة أو تستهلك جزءًا من الطاقة لتؤدي وظيفتها أو تعمل على تضخيم اﻹشارات الكهربائية. من اﻷمثلة عنها مصادر التغذية التي تحدثنا عنها في مقالنا السابق وسنتحدث اليوم عن أحد أهم العناصر الفعالة وهو الترانزيستور Transistor. الترانزيستوارت الترانزيستور هو عنصر إلكتروني فعال يُستخدم كمفاتيح إلكترونية يمكن التحكم بها كهربائيًا أو كمضخمات لزيادة قوة اﻹشارة الكهربائية. تُستخدم هذه العناصر بكثرة في الدوائر اﻹلكترونية وهي اﻷساس في تصنيع الكثير الكثير من الدوائر المتكاملة Integrated circuits واختصارًا IC. آلية عمل الترانزستور إن الفكرة اﻷساسية خلف تصنيع الترانزستور هو استخدام تيار كهربائي صغير جدًا أو جهد كهربائي صغير جدًا كي نفتح الطريق أما التيار الكهربائي اﻷساسي للمرور ضمن العنصر المطلوب أو إيقافه. و الترانزيستورات أنواع مختلفة وفقًا لطبيعة تصنيعه وتجميع أحزاءه، ونميّز النوعين الرئيسيين التاليين: الترانزستورات القطبية: وتستخدم تيارًا صغيرًا للتحكم بمرور تيار كهربائي أكبر (التيار الرئيسي) يغذي العنصر المطلوب. يتكون هذا الترانزيستور من غلاف يخرج منه ثلاثة أرجل يُدعى أحدها مجمّع Collector والثاني قاعدة Base والثالث باعث Emitter. تغلق هذه الترانزيستورات بشكل طبيعي الطريق أما التيار الرئيسي لكن بمجرد مرور تيار صغير بين القاعدة والباعث تفتح الطريق أمام التيار الرئيسي ويتناسب عندها شدة التيار الرئيسي المار في العنصر الذي نريد التحكم به طردًا مع شدة التيار المار بين الباعث والقاعدة. ولهذه الترانزيستورات نموذجان، اﻷول هو الترانزيستور NPN ويفتح إن كان جهد القاعدة أكبر من جهد الباعث واﻵخر هو الترانزيستور PNP ويفتح إن كان جهد القاعدة أقل من جهد الباعث. الترانزستورات ذات اﻷثر الحقلي: لا حاجة في هذه الترانزيستورات إلى مرور تيار كهربائي بين أحد الرجلين حتى تعمل بل تحتاج إلى تطبيق جهد بسيط. تتكون هذه الترانزيستورات من ثلاثة أرجل أيضًا هي المصرف Drain ورمزه D واﻵخر بوابة Gate ورمزه G والثالث منبع Source ورمزه S. لهذه الترانزيستورات أنواع وتقنيات تصنيع مختلفة أكثرها فعند تطبيق جهد بسيط على البوابة يمر يفتح الترانزيستور للتيار الرئيسي الطريق كي يمر من المصرف إلى المنبع أو يغلق الطريق أمامه. وهذه هي الميزة الرئيسية الترانزستورات الحقلية عن القطبية فهي قد تكون في الوضع الطبيعي مغلقة أو مفتوحة وعند تطبيق جهد على البوابة تُفتح أو تُغلق الطريق امام التيار الرئيسي. لهذا السبب نجد تصنيفات أخرى له ومن الضروري الانتباه إليها لأن لكل منها فائدته في الدائرة وسنوضحها في الجدول التالي: الترانزيستور من النوع المعزِّز Enhancing الترانزيستور من النوع المبدد Depletion معزز بقناة N: يكون مغلق بشكل طبيعي لكن عند تطبيق جهد موجب صغير على البوابة يفتح مبدد بقناة N: يكون مفتوحًا بشكل طبيعي لكن عند تطبيق جهد سالب صغير على البوابة يُغلق معزِّز بقناة P: يكون مغلق بشكل طبيعي لكن عند تطبيق جهد سالب صغير على البوابة يفتح مبدد بقناة P: يكون مفتوحًا بشكل طبيعي لكن عند تطبيق جهد موجب صغير على البوابة يُغلق إلى اليمين ترانزيستور قطبي وإلى اليسار ترانزستور حقلي MOSFET استخدامات الترانزيستور للترانزستورات تطبيقات عملية كثيرة لكننا سنهتم فقط بعملها كمفاتيح إلكترونية، ولهذا الغرض فإن أكثر التوصيلات شيوعًا تكون على الشكل التالي: يوصل العنصر اﻹلكتروني (سواء مؤشر ضوئي أو غيره) والذي نريد التحكم بمرور التيار ضمنه بين الطرف الموجب لمصدر التغذية والمجمّع أو المصرف بينما يتصل الباعث أو المنبع مع الطرف السالب لمصدر التغذية أو المرجع المشترك (الأرضي). لكن ولأن الترانزيستور وظيفة أخرى لا نحتاجها هنا وهي وظيفة التضخيم، فمن اﻷفضل وصل مقاومة بين الباعث أو المنيع والمرجع المشترك كي نحدد شدة التيار التي يحتاجها العنصر اﻹلكتروني الذي نتحكم به. أما عن كيفية تطبيق الجهد على البوابة أو تمرير تيار التحكم (التيار الصغير) بين القاعدة و الباعث فهذا أمر يعود لك وفقًا لطبيعة الدائرة التي تصممها. تطبيق عملي: دارة تغذية مؤقتة لحفظ معلومات الدائرة في الذواكر ستجد مع تمرسك في تصميم الدوائر اﻹلكترونية أنك تحتاج إلى عناصر إلكترونية خاصة تُدعى الذواكر وتُستخدم لحفظ حالة الدائرة اﻹلكترونية عند إطفاء الدائرة أو عند حدوث خلل في التغذية الرئيسية كأن تحفظ قيمة عداد معين أو تخزّن توقيتًا مهمًا وغيرها. ومن غير المجدي الكتابة إلى الذاكرة في كل لحظة لأنها سترهق الذاكرة وتقصر عمرها الافتراضي الذي يقدر بعدد محدد من عمليات القراءة والكتابة. لهذا تزوّد الدوائر المماثلة بنظام تغذية ثانوي (بطارية ليثيوم دائرية عادةً) يعمل فقط ولفترة قصيرة جدًا عند انقطاع التغذية الرئيسية وذلك لتخزين حالة الدائرة. سنحاول في هذا التمرين تنفيذ مشروع لتحقيق الهدف ذاته. وفيه نحاكي مصدر تغذية رئيسي وآخر ثانوي عن طريق تشكيل مسريين موجبين ومسريين سالبين يمثلان مصدري تغذية منفصلين ثم نستخدم مكثفة تشحن من مصدر التغذية الرئيسي وعند انقطاع التغذية الرئيسية تفرّغ شحنتها مما يؤدي إلى مرور تيار في قاعدة ترانزستور ثنائي القطبية لفترة صغيرة حتى ينتهي تفريغها وخلال فترة التفريغ يمرر الترانزيستور التيار من مصدر التغذية الثانوي إلى مؤشر ضوئي يحاكي الذواكر ليضيء مستغلًا طاقة المنبع الثانوي كما تستغله عناصر الذاكرة لتخزين حالة الدائرة. نحتاج في هذا التطبيق إلى: مكثفة مستقطبة سعتها 330 ميكروفاراد جهدها 16 فولط. ترانزيستور قطبي من لطراز 2N2222. ديود من طراز 1N4007. مؤشران ضوئيان أخضر وأحمر جهد تشغيلهما لا يزيد عن 5 فولط. مقاومتين 2 كيلو أوم وأخرى قيمتها 10 كيلو أوم. منبع تغذية جهده 5 فولط. لوحة اختبار مثقبة. استخدم العناصر السابقة لتشكيل الدائرة التالية: دائرة إلكترونية على لوحة مثقبة تضم مكثف وديود وترانستور وبطارية ومقاومات ومؤشرات ضوئية صل رجل المقاومة 10 كيلو أوم إلى المسرى الموجب اليميني (الذي يمثل مصدر التغذية الرئيسي) والرجل اﻷخرى إلى الرجل اﻷطول للمؤشر الضوئي اﻷخضر ثم صل رجل المؤشر اﻷخرى إلى المسرى السالب. صل الرجل السالبة للمكثفة مع المسرى السالب ثم صل الرجل الموجبة مع مقاومة 2 كيلو أوم ثم صل الرجل اﻷخرى للمقاومة مع قاعدة الترانزيستور حتى تفرّغ المكثفة شحنتها عبر قاعدة الترانزيستور وتسمح له بتمرير التيار من مصدر التغذية الثانوي. صل مهبط الديود مع قاعدة الترانزيستور أيضًا ومصعده مع المسرى الموجب اليميني. إن الغاية من ذلك منع تيار شحن المكثفة من المرور عبر قاعدة الترانزيستور وفتح الترانزيستور فهذا يؤدي إلى تشغيل مصدر الطاقة الثانوي دون مبرر. في هذه الحالة يطبق الديود جهدًا موجبًا على القاعدة يعادل تمامًا جهد شحن المكثف فلن يمر تيار في القاعدة عندها ولن يفتح الترانزيستور. صل باعث الترانزيستور مع رجل مقاومة 2 كيلو أوم وصل الرجل اﻷخرى مع المسرى السالب ونستخدم هذه المقاومة لتحديد شدة التيار التي ستمر بالمؤشر الضوئي اﻷحمر الذي يحاكي الذواكر. صل أخيرًا الرجل الأطول للمؤشر الضوئي اﻷحمر مع المسرى الموجب اليساري (الذي يمثل التغذية الثانوية) والرجل اﻷخرى مع مجمع الترانزيستور، إذ يمر في هذا الفرع التيار الثانوي. صل القطب الموجب للبطارية بسلك مع المسرى الموجب اليميني وبسلك آخر مع المسرى الموجب اليساري ثم صل القطب السالب مع المسرى السالب المشترك (يمثل هنا مرجع مشترك). ستلاحظ أن المؤشر اﻷخضر سيضيء وفي نفس الوقت تُشحن المكثفة، ولن يضيء المؤشر اﻷحمر لأن الترانزستور الذي يتحكم بتيار التغذية الثانوي مغلق. اسحب السلك الذي يصل قطب البطارية الموجب مع المسرى اليميني محاكيًا انقطاع التغذية الرئيسية، عندها سبطفىء المؤشر اﻷخضر ويعمل المؤشر اﻷحمر لفترة حوالي 10 -20 ثانية ثم ينطفئ محاكيًا استخدام التيار الثانوي لفترة معينة كافية للذواكر بإنجاز عملها. هل يمكنك تفسير ما يحدث؟ مدخل إلى الدوائر الإلكترونية التماثلية والرقمية يُعد مفهومي المقدار التماثلي والرقمي أمرًا مهمًا في فهم التطبيقات المتقدمة لعلم اﻹلكترونيات، وقد لا تحتاج إلى التعمق في هذه المفاهيم حاليًا لكن من المفيد إلقاء نظرة عليهما. المقادير التماثلية نقول عن مقدار أنه تماثلي Analogue إذا تغيّرت قيمته تدريجيًا مع الوقت زيادة أو نقصانًا كزيادة شدة اﻹضاءة أو انخفاضها وتغير قيمة المقاومة تدريجيًا من قيمة إلى أخرى وارتفاع حرارة جهاز أو انخفاضها وهكذا. وتتميز هذه المقادير بأن تغيرها تدريجي بين القيمة العليا والدنيا. تُدعى الدوائر اﻹلكترونية التي تعطي خرجًا تماثليًا بالدوائر التماثلية، مثل الدوائر التي تتحكم بشدة اﻹضاءة أو شدة الصوت أو الحرارة. تطبيق عملي: إضاءة متفاوتة سنستفيد في هذا التطبيق من ترانزستورات حقلية نتحكم فيها بالتيار الذي يستجره المؤشر الضوئي بتغيير الجهد الموجب المطبق على بوابة كل منها. لهذا شكل الدائرة البسيطة التالية من ثلاث مقاومات 2 كيلو وواحدة 1 كيلو وثلاث ترانزستورات حقلية كالتي أرنا إليها في بداية الفقرة: دائرة إلكترونية على لوحة مثقية تضم ترانزستورات ومقاومات ومؤشرات ضوئية وبطارية لا تصل بوابة الترانزستور اﻷول (الرجل في المنتصف وحولها نقطة عادة) مع أي شيء وصل منبعه بمقاومة 2 كيلو أوم ومنها إلى المسرى السالب. صل الرجل اﻷطول للمؤشر الضوئي اﻷول مع المسرى الموجب واﻷخرى مع مصرف الترانزيستور. ضع هذه الدارة إلى يمين اللوحة المثقبة. صل بوابة الترانزستور الثاني مع مقاومة 1 كيلو أوم ثم صلها مع منبع التغذية الموجب. صل بعد ذلك منبعه ومصرفه بنفس طريقة الوصل السابقة. ضع هذه الدارة في الوسط. صل بوابة الترانزستور الثالث مع المسرى الموجب مباشرة، ثم صل منبعه ومصرفه كما في الحالتين السابقتين تمامًا. صل قطبي البطارية إلى المساري المناسبة، وراقب ما يحدث؟ هل تستطيع تحديد نوع الترانزستور الحقلي؟ المقادير الرقمية نقول عن مقدار أنه رقمي Digital إذا أخذ إحدى قيمتين فقط عليا ودنيا ولا يكون الانتقال بينهما تدريجيًا بل لحظيًا مثل تشغيل وإطفاء مؤشر ضوئي. تُستخدم القيمة الرقمية للتحقق من حالة شيء ما إن كان موصولًا أو مفصولًا. وتُبنى النظم المنطقية على أساس المقادير المنطقية فلو كانت قيمة الجهد عند نقطة ما 5 فولط مثلًا كانت القيمة المنطقية الموافقة هي 1 وإن كانت أقل من 1 فولط تكون القيمة المنطقية الموافقة 0 وهكذا. تطبيق عملي: بوابة AND منطقية باستخدام الترانزيستورات القطبية بوابة AND (معناها وَ بالعربية) هي عنصر إلكتروني يوصل التيار إلى خرجه إذا طبق على جميع مداخلها إشارة (تيار كهربائي طبعًا) أي حتى يعمل مثلًا المؤشر الضوئي الموصول إلى خرجها لا بد من تطبيق جهد ثابت على كل مداخلها. لتصميم بوابة AND ترانزيستورية ذات مدخلين ومخرج وتعمل كعنصر رقمي، شكّل الدائرة اﻹلكرتونية التالية من ترانزستورين قطبيين ومقاومتين أكبر من 20 كيلو أوم (كي لا نستهلك تيارًا كبيرًا) ومؤشر ضوئي: دائرة إلكترونية على لوحة مثقبة تضم ترانزيستورات ومقاومات ومؤشر ضوئي وبطارية صل مجمع الترانزستور الأول مع المسرى الموجب وصل باعثه مع مجمع الثاني ثم صل باعث الثاني مع الرجل اﻷطول للمؤشر الضوئي ورجله اﻷقصر مع مقاومة 2 كيلو أوم ومنها إلى المسرى السالب. يكون عندها باعث الترانزيستور الثاني هي مخرج البوابة أو رجل الخرج لها. صل قاعدة كل منهما بمقاومة أكبر من 20 كيلو أوم ثم صلهما إلى المسرى الموجب. تمثل القاعدتين مداخل البوابة أو أرجل الدخل. صل البطارية إلى اللوحة، ماذا سيحدث؟ سيعمل الضوء لأن كلا المدخلين متصلان بجهد محدد. افصل اﻵن أي مقاومة منهما أو كلاهما عن المسرى الموجب و ينطفئ المؤشر. ما يحدث أن وصل قاعدة الترانزيستور اﻷول إلى جهد موجب سيمرر التيار من باعثه إلى مجمع الثاني وإن وصلت قاعدة الترانزيستور الثاني أيضًا إلى جهد موجب سيمرر التيار بدوره إلى المؤشر. وسيؤدي فصل أي من القاعدتين إلى عدم مرور التيار إلى المؤشر الضوئي. تهانينا لقد صممت اﻵن ابسط دائرة متكاملة لها ثلاثة أرجل مدخلين ومخرج، هل يمكنك إضافة بوابة دخل إضافية؟ الخلاصة أكملنا في هذا المقال ما بدأناه في المقال السابق من حيث التوسع قليلًا في شرح مفاهيم جديدة في الدوائر اﻹلكترونية والتعرف على الترانزيستورات وهي عناصر فعّالة شديدة الأهمية من خلال عدة تطبيقات عملية مفيدة تمهد لنا الطريق لمفهوم الدارات المتكاملة التي سنناقشها في مقال لاحق. اقرأ أيضًا المقال السابق: أساسيات في عالم الإلكترونيات: التيار والجهد والعناصر الساكنة طريقة عمل الرابط الديناميكي مع المكتبات في معمارية الحاسوب ما هي لوحة أردوينو Arduino؟ تصميم وتنفيذ آلة موسيقية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو

لربما قادك الفضول يومًا ما إلى فك مقبض لعبة بلاي ستيشن لغاية ما أو حاولت فك جهاز التحكم عن بعد لشاشة العرض في المنزل لتجد الخلل فيه بعد أن جرّبت طريقة "اﻹصلاح بالضرب المتكرر"ولم تفلح! في كلتا الحالتين ستجد لوحة خضراء اللون غالبًا تنتظم عليها قطع مختلفة اﻷحجام واﻷشكال وتنتظم وفق ترتيب محدد تصل بينها خطوط ناعمة محفورة ضمن جسم اللوحة. إنها الدائرة اﻹلكترونية التي تعطي للجهاز وظيفته. وتحتاج معظم التجهيزات الكهربائية واﻹلكترونية إلى هذه الدوائر اﻹلكترونية لتنظيم تغذيتها بالطاقة الكهربائية والربط بين أجزائها المختلفة ونقل اﻹشارات فيما بينها لأداء الوظيفة المطلوبة. إن الغاية اﻷساسية من الدوائر اﻹلكترونية هو التحكم بجريان التيار الكهربائي ﻹنجاز عمل مفيد أو إرسال نبضات كهربائية (تُدعى إشارات) أو استقبالها. ويُعد علم اﻹلكترونيات أساسًا للكثير من العلوم اﻷخرى مثل الاتصالات وعلوم الحاسب إضافة إلى دوره المحوري في تطوير مختلف أنظمة التحليل والقياس والمراقبة. سيكون علم اﻹلكترونيات محور مقالنا الذي نحاول فيه توضيح الكثير من المفاهيم اﻷساسية من خلال أمثلة تطبيقية بسيطة مبتعدين قدر اﻹمكان عن التفاصيل المربكة والحسابات الرياضية. ما تحتاجه لإكمال التمارين العملية في هذا المقال إليك قائمة بالعناصر الإلكترونية والتجهيزات اللازمة لإكمال التطبيقات العملية: بطارية جهدها 5 فولط. مقاومات قيمها 1.2، 2.2، 6.8، 10 كيلو أوم مؤشرات ضوئية (ليد) تعمل عند جهد 5 فولط أو أقل (ثلاثة ويفضل من ألوان مختلفة). لوحة اختبار مثقبة (إن أردت فاﻷمر اختياري) مقياس كهربائي متعدد الوظائف AV multi-meter. مكثفة سعتها 470 ميكرو فاراد. ديودات من طراز 1N4007 (يكفي اثنان). مفاهيم أساسية في اﻹلكترونيات نغطي في هذه الفقرة بعض أساسيات الكهرباء الضرورية لفهم عمل مختلف العناصر اﻹلكترونية واختيار المناسب منها لدوائرك. الشحنات الكهربائية: حركتها وطاقتها تحمل الطاقة الكهربائية جسيمات دقيقة دُعيت سابقًا بالشحنات charges قبل أن تُكتشف طبيعتها الفعلية وهي اﻹلكترونات (ومن هنا جاءت التسمية علم اﻹلكترونيات). تستمد الشحنات الكهربائية طاقتها من عنصر في الدائرة اﻹلكترونية يُدعى الموّلد أو المنبع الذي يدفع هذه الشحنات إلى الحركة وينقل الطاقة الكهربائية إلى بقية عناصر الدائرة لتؤدي عملًا مفيدًا يستهلك جزءًا من الطاقة ويعود الجزء الباقي إليه فتكتمل الدائرة. تخيّل الأمر كما لو أن الشحنة الكهربائية هي سيارة مخصصة لنقل وجبات غذائية من المطبخ إلى نقاط العمل المختلفة في معمل ما. حيث تستهلك كل نقطة عمل كمية من الوجبات اللازمة للعمال فيها وتعود السيارات إلى المطبخ مع ما تبقى من وجبات. ولربما سمعت أن هنالك شحنات سالبة وأخرى موجبة، ولأن الموضوع معقد إلى حد ما، دعونا نتفق على أن الشحنة التي تحمل كامل طاقتها موجبة لأنها تساهم في تنفيذ اﻷعمال والشحنة التي استهلكت طاقتها وعادت إلى منبع الطاقة سالبة لأنه تستهلك طاقة المنبع. وهكذا تكون وظيفة المنبع تزويد الشحنات بالطاقة ثم تحريكها لنقل هذا الطاقة إلى النقاط المختلفة من الدائرة. مصادر التغذية الكهربائية المستخدمة في الدوائر اﻹلكترونية يُستخدم في الدوائر اﻹلكترونية نوعان من التيار الكهربائي اﻷول يُدعى تيارًا مستمرًا Direct Current ويرمز له اختصارًا DC واﻵخر هو التيار المتناوب Alternating Current ويرمز له اختصارًا بالرمز AC. يختلف كل من النوعين عن اﻵخر بطريقة توليدهما وانتقالهما في الدوائر لكننا سنتعامل غالبًا مع التيار المستمر في الدوائر اﻹلكترونية، وإن كان ولابد من استخدام المتناوب، ستجد في الدائرة اﻹلكترونية دائرة فرعية لتحويله إلى تيار مستمر أو تزوّد التجهيزة بمحوّل كهربائي خارجي يحوّل التيار المتناوب إلى مستمر ولربما عرفته سابقًا باسم "شاحن charger" عندما تصل الهاتف المحمول به لتشحنه! فالشاحن في الواقع هو محوّل كهربائي لتحويل التيار المنزلي المتناوب إلى مستمر. نحصل على التيار المستمر لتغذية دوائرنا الكهربائية من مصدرين أساسيين: البطاريات: ولها أنواع وأشكال مختلفة وتتراوح جهودها بين 1.5 فولط و 24 فولط (سنتحدث عن الجهد لاحقًا). ومنها ما هو قابل لإعادة الشحن بعد استهلاك طاقتها مثل بطاريات الهواتف المحمولة ومنها ما يستخدم لمرة واحدة مثل بعض بطاريات الألعاب لكن البطاريات القابلة للشحن بدأت تحل محلها تدريجيًا. للبطارية قطبان اﻷول موجب وتجد بجواره الرمز (+) أو يكون أحمر اللون، واﻵخر سالب وتجد بجواره الرمز (-) أو يكون أسود اللون. المحولات: ويستخدمها المحترفون أو الهواة المتمرسون إذ تتصل بتيار المنزل المتناوب وتحوّله إلى تيار مستمر قابل للضبط على القيم المطلوبة وتتميز هذه المحولات باستقرار عملها. وللمحولات مدخلين لتوصيلها مع التيار المتناوب، وتجد بجوارهما رموزًا مثل (~) أو (L) أو (N)، أو قد يأتي مع كابل لوصله مباشرة بمأخذ التيار المتناوب. وله أيضًا مخرجين للتيار المستمر أو أكثر أحدهما موجب واﻵخر سالب. تنبيه: يُرجى الحذر عند استخدام مصادر الطاقة الكهربائية وخاصة عند استخدام المحولات والبطاريات ذات الجهود المرتفعة. ويمنع اﻷطفال من التعامل معها إلا بوجود اﻷهل أو مدرّب مختص. الجهد الكهربائي وشدة التيار الجهد الكهربائي ببساطة هو الفرق بين طاقة الشحنات قبل دخولها إلى العنصر اﻹلكتروني وبعد خروجها ويحدد مصدر التغذية أعلى قيمة لطاقة الشحنات ويُقاس بواحدة الفولط volt ويرمز لها اختصارًا v. وتحتاج العناصر إلى مقدار معين من الطاقة حتى تعمل وإذا زاد مقدار هذه الطاقة أكثر من الحدود المسموحة ستُخرّب العنصر. لهذا تجد في ورقة مواصفات أية عنصر مجال الجهد الكهربائي الذي يعمل عنده. فالمؤشرات الضوئية تعمل عادة عند جهد يتراوح بين 3.5 إلى 5 فولط، وقد تجد أنواعًا تعمل عند جهد أعلى أو أقل لهذا نستخدم ما يناسب الجهد الأعظمي في الدائرة وهو جهد مصدر التغذية. فلو استخدمت بطارية توّلد طاقة مقدارها 5 فولط سيكون هذا الجهد هو أعلى جهد يمكن قياسه في الدائرة وبالتالي عليك استخدام عناصر إلكترونية قيمة جهودها أقل أو تساوي 5 فولط. أما شدة التيار الكهربائي فتمثل كمية الشحنات التي تمر في العنصر الكهربائي وكلما احتاج العنصر إلى كمية أكثر من الشحنات المحمّلة بالطاقة زادت شدة التيار التي يستجرها من مصدر التغذية والعكس صحيح. تقدر شدة التيار الكهربائي الذي يستجره العنصر بواحد اﻷمبير Amper ويرمز له اختصارًا A. يختلف استجرار العناصر للتيار الكهربائي وفقًا لطبيعة عملها فالمؤشر الضوئي مثلًا قد يحتاج إلى 100 ميلي أمبير (أي عُشر الأمبير). ويحاول مصدر التغذية عمومًا تزويدك بشدة التيار التي تحتاجها لكن إلى حد معّين يتعلق بطريقة تصميمه وقد تُذكر شدة التيار العظمى التي يقدمها المنبع أحيانًا وقد لا تذكر، لكن بشكل عام إن كان جهد تشغيل العنصر أقل من جهد مصدر التغذية، سيتدبر مصدر التغذية شدة التيار التي يحتاجها العنصر. تطبيق عملي: استخدام مقياس اﻵفو متعدد الوظائف AV mutit-meter يستخدم المقياس الكهربائي متعدد الوظائف لقياس الجهد الكهربائي بين طرفي العناصر اﻹلكترونية لمعرفة استهلاكها من الطاقة، كما يستخدم لقياس شدة التيار الكهربائي في أحد فروع الدائرة إضافة إلى العديد من القياسات اﻷخرى التي نتكلم عنها تباعًا. من أكثر المقاييس شيوعًا في وقتنا الراهن نجد المقاييس اﻹلكترونية التي تقيس قيمة الجهد أو شدة التيار وتعرضه رقميًا على شاشة الجهاز. يتكون المقياس بأبسط أشكاله من كابلين في نهاية كل منهما مسبر على شكل إبرة ومفتاح قابل للدوران ننقله إلى مجال القياس ونوع القيمة التي نقيسها. فإن أردت أن تقيس جهد التيار المستمر الذي نتوقعه بين 0 إلى 10 فولط، نحرّك المفتاح ليصل إلى مجال قياس الجهد المستمر (قد يكون له لون معين وتجد إلى جواره الرمز ⎓) ثم نحدد مجال القياس من 0-10 ونشغل المقياس. ونضع بعد ذلك نهايتي المسبرين على طرفي العنصر ونقرأ القيمة الظاهرة. جرّب أن تشكل الدائرة البسيطة التالية: دائرة إلكترونية على لوحة اختبار مثقبة تضم مقاومة وبطارية ومؤشر ضوئي نحتاج إلى بطارية جهدها 5 فولط وعنصر مقاومة بقيمة 5 أوم ومؤشر ضوئي يعمل عند جهد 5 فولط ومقياس آفو، أسلاك نحاسية مغلّفة ﻹجراء التوصيلات قطرها 0.5 ميلي متر ولوحة اختبار مثقبة. صل القطب الموجب للبطارية بسلك ثم اغرس نهايته اﻷخر في إحد المجاري الأفقية للوحة المثقبة وافعل اﻷمر ذاته مع القطب السالب وانتبه إلى عدم توصيلهما إلى نفس المجرى. صل بعد ذلك أحد أرجل عنصر المقاومة إلى المجرى الموجب والرجل اﻷخرى إلى أحد المجاري العمودية ثم صل الرجل الأطول للمؤشر الضوئي إلى نفس مجرى المقاومة وجله اﻷقصر إلى مجرى عمودي جديد ثم صل المجرى الجديد بسلك إلى المجرى السالب. سترى عندها أن المؤشر أصدر ضوءًا. قياس الجهد بين طرفي المؤشر الضوئي صل الكبل اﻷسود إن لم يكن موصولًا إلى المقياس بالمأخذ اﻷسود وستجد إلى جواره عادة الكلمة "COM"، ثم صل الكابل الأحمر بالمأخذ اﻷحمر وقد تجد إلى جواره الرمز (V). حرّك مفتاح الوظائف حتى يصل إلى مجال قياس الجهد المستمر وهو المجال المعلّم بالرمز (⎓). اختر المجال 10 أو 20 فولط (أي أنك تريد القياس في المجال بين 0 و 10 فولط أو 0 إلى 20 فولط وفقًا لنوع المقياس الذي تستخدمه). اضغط زر تشغيل المقياس. تظهر عادة على الشاشة القيمة 0.00 ويكون المقياس جاهزًا للعمل. ولقياس الجهد بين طرفي المؤشر ضع مسبري المقياس على رجلي المؤشر مباشرة أو ضمن المجريين الخاصيين بهما في اللوحة المثقبة واقرأ نتيجة المقياس بواحدة الفولط. قياس شدة التيار الذي يمر في الدائرة بدل مأخذ الكابل اﻷحمر إلى مأخذ قياس شدة التيار وتجد إلى جواره الرمز (A) أو (mA) وقد تجد مأخذين أحدهما أحمر اللون واﻵخر أسود، اختر المأخذ إن وجد. حرك مفتاح الوظائف إلى حتى يصل مجال قياس شدة التيار المستمر وهو المجال المعلّم بالرمز ثم اختر المجال (10 mA). اضغط زر تشغيل المقياس لقياس شدة التيار نستخدم أسلوبًا مختلفًا عن قياس الجهد ندعوه الوصل على التسلسل، لهذا عليك فصل رجل اﻷقصر للمؤشر الضوئي عن المجرى السالب ثم وصله بالمسبر اﻷحمر الموجب للمقياس ثم وصل المسبر الأسود السالب للمقياس مع القطب السالب، أي نوصل المقياس وكأنه جزء من تسلسل الدائرة. اقرأ النتيجة اﻵن بواحدة الميلي أمبير مقياس متعدد الوظائف يقيس إلى اليمين الجهد وإلى اليسار شدة التيار نظرة أولى إلى العناصر اﻹلكترونية اﻷساسية: العناصر الساكنة العناصر الساكنة Passive components هي عناصر مهمتها الفعلية استغلال التيار الكهربائي بتحويله إلى ضوء أو حرارة أو تبديده بكل بساطة أو إيقاف جريانه. فيما يلي شرحًا مبسطًا لبعض العناصر اﻹلكترونية الساكنة شيوعًا ومبررات استخدامها المقاومات المقاومة resistor هو عنصر تعيق تدفق الشحنات الكهربائية مسببة انخفاضًا في شدة التيار الكهربائي الذي يصلها. وللمقاومات انواع كثيرة تتعلق بطريقة تصنيعها، وتقاس قيمتها بوحدة اﻷوم Ohm. للمقاومة رجلان تواصلانها مع الدائرة، ولا فرق أين ستل كل رجل وأكثرها شيوعًا في عالم الهواة هي المقاومات السيراميكية التي تظهر على شكل قطعة منفوخة الطرفين وعليها خطوط ملونة تدلك وفق ترتيبها على قيمة هذه المقاومة. لكن إن لم ترد تعلّم قراءة هذه الخطوط حاليًا فاستعن بمقياس آفو. مقاومة سيراميكية في الأعلى ورمزها في المخططات الإلكترونية في الأسفل استخدامات عنصر المقاومة إن الاستخدام اﻷساسي للمقاومة هو تحديد شدة التيار الذي تريده أن يمر في فرع من فروع الدائرة. فلو عدنا إلى تطبيقنا العملي السابق الذي وصلنا فيه الدائرة التي التي تنير المؤشر الضوئي نلاحظ أننا استخدمنا مقاومة قياسها 5 كيلو أوم وذلك لجعل التيار الذي يمر في الدائرة (باعتبارها فرع واحد أو حلقة واحدة) هي 100 ميلي أمبير كي يتناسب مع التيار الذي يحتاجه المؤشر الضوئي لأن أية الشدة الزائدة للتيار ستؤدي إلى تخريب هذا العنصر. تطبيق عملي: مقاومات مختلفة وإضاءة مختلفة استخدم نفس منيع التيار الكهربائي الذي استخدمناه في المثال السابق ونفس اللوحة المثقبة (إن قررت استخدام واحدة) ثم ركب الدائرة البسيطة التالية المكونة من ثلاث مقاومات مختلفة وثلاث مؤشرات ضوئية: مخطط دائرة إلكترونية لتشغيل مؤشرات ضوئية بمستويات إضاءة مختلفة صل أولًا أحد أرجل المقاومة 1 كيلو أوم بالمسرى الموجب للوحة المثقبة ثم الرجل اﻷخرى بالرجل الطويلة للمؤشر الضوئي اﻷول والرجل اﻷقصر له بالمسرى السالب. كرر نفس الخطوات مع المقاومة 6.8 والمؤشر الضوئي الثاني ثم المقاومة 10 كيلو أوم والمؤشر الثالث. صل بعد ذلك القطب الموجب للبطارية مع المسرى الموجب والقطب السالب مع المسرى السالب. راقب ما يحدث وسجل النتائج في مذكرتك. تمرين إضافي: جرّب أن تستخدم مقياس اﻵفو لقياس هبوط الجهد وشدة التيار عند كل مقاومة بنفس أسلوب القياس الذي تعلمناه سابقًا. هل يمكنك ربط قيمة الجهد وشدة التيار وقيمة المقاومة مع بعضها البعض؟ المكثفات المكثفات Capacitors هي عناصر إلكترونية مهتمها التخزين المؤقت للشحنات الكهربائية. للمكثفات أشكال وأنواع عديدة ولكل منها استخداماته الخاصة، لكن أكثر ما قد تصادفه كهاوٍ ستجد المكثفات الكهرليتية اﻷسطوانية الشكل والمكثف السيراميكي عدسي الشكل (على شكل حبة العدس). مكثفتان سيراميكية عدسية إلى اليمين وكهرليتية مستقطبة إلى اليسار في الأعلى ورمز المكثفة في المخططات الإلكترونية في الأسفل للمكثفة سعة معينة لتخزين الشحنات الكهربائية وتقاس هذه السعة بوحدة الفاراد Farad ولأنها واحد كبيرة سترى أن الوحدات اﻷكثر استخدامًا هي الميكروفاراد (وهو جزء من مليون من الفاراد) والنانو فاراد (وهو جزء من بليون من الفاراد). تكتب قيمة السعة على جسم المكثفة اﻷسطوانية مباشرة وتعطى على شكل رموز على على العدسية.إضافة إلى ذلك لا بد من الانتباه إلى جهد الشن للمكثف ويكتب على غلافها مباشرة ولا يجب أبدًا وصلها إلى جهد أعلى من الجهد الاسمي المحدد لها. تتميز المكثفات الكهرليتية بأنها مستقطبة أي يجب وصل الرجل ذات القطبية الموجبة مع المسرى الموجب والرجل ذات القطبية السالبة مع المسرى السالب. نميّز الرجل السالب للمكثفة بوجود خط أبيض عريض طولي على جانب جسم المكثفة وبداخله إشارة (-). عند وصل رجلي المكثفة إلى مصدر تغذية كهربائي تبدأ بتجميع الشحنات خلال فترة زمنية محدد تتعلق بسعة المكثفة وجهد مصدر التغذية، لهذا يرتفع الجهد بين طرفيها وصولًا إلى جهد الشحن (جهد مصدر التغذية). تحتفظ المكثفة بشحنتها طالما لا تتصل بعناصر إلكترونية تستنزف شحنتها، لكن عند ربطها مع مقاومة مثلًا أو مؤشر ضوئي ونظرًا لكونها تمثل منبع تغذية ضعيف جدًا تستهلك تلك العناصر طاقتها (الشحنة المختزنة فيها) تدريجيًا ونقول أن المكثفة عندها في مرحلة تفريغ الشحنة. أين تستخدم المكثفات؟ تمنع المكثفات مرور التيار الكهربائي في دوائر التيار المستمر أو في فرع منها وذلك عندما تصل إلى كامل شحنتها. لكنها في المقابل لا تمنع مرور التيار المتناوب لطبيعتها الخاصة. لذلك ستجد أن استخدامها بالنسبة لك كهاوٍ أو مبتدئ ينحصر في عدة أعمال فقط: تزويد المفاتيح اﻹلكترونية (مثل الترانزستورات التي نتكلم عنها لاحقًا) بتارات أو جهود صغيرة خلال فترة وجيزة ومحسوبة كي تعمل هذه المفاتيح خلال هذه الفترة الصغيرة. لهذا اﻷمر عدد كبير جدًا من التطبيقات العملية. تنعيم التيار المستمر الناتج عن محوّلات تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر. ترشيح الضجيج الناتج عن مصادر التغذية وخاصة المحوّلات، فالضجيج يشبه في طبيعته التيار المتناوب لهذا نستخدم المكثفة في تمريرها خارج الدائرة. تطبيق عملي: مراقبة تفريغ المكثفة استخدم المكثفة والمقاومتين والمؤشر الضوئي لتشكل الدائرة البسيطة التالية، واستخدم أسلاك التوصيل إن أردت: لوحة اختبار مثقبة المسرى السالب في الخط الأفقي الأول والموجب في الثاني مع مكثفة ومقاومة ومؤشر ضوئي وبطارية صل الرجل الأولى للمقاومة 2 كيلو أوم مع المسرى الموجب للوحة المثقبة ثم صل الرجل الثانية مع الرجل اﻷطول للمؤشر الضوئي. صل الرجل الثانية للمؤشر الضوئي. صل الرجل الأولى للمقاومة 10 كيلو أوم إلى الرجل الموجبة للمكثفة والرجل الثانية للمقاومة إلى المسرى الموجب. صل الرجل السالبة للمكثفة مع المسرى السالب. صل بعد ذلك القطب الموجب للبطارية بسلك مع المسرى الموجب والقطب السالب للبطارية مع المسرى السالب وراقب كيف يضيء الموشر مباشرة. اسحب السلك القادم من البطارية من المسرى الموجب، ماذا تلاحظ؟ عند تزويد الدائرة بالتغذية الكهربائية يضيء المؤشر الضوئي وتبدأ المكثفة بالشحن حتى تمتلئ، وبمجرد فصل القطب الموجب للتغذية عن الدائرة تفرّغ المكثفة شحنتها في الدائرة، لهذا لا ينطفئ المؤشر مباشرة بل ببطئ حتى تنفذ شحنة المكثفة. ثنائي المساري (الديود) ثنائي المسار اﻹلكتروني أو الديود diode وهو الاسم اﻷكثر شيوعًا هو عنصر إلكتروني ذو طبيعة خاصة يمرر التيار الكهربائي باتجاه واحد فقط ومن النقطة ذات الجهد اﻷعلى إلى النقطة ذات الجهد اﻷقل ولا يمرر التيار بشكل معاكس. صورة واقعية لديود في الأعلى وتمثيله في المخططات الإلكترونية في الأسفل ومن الميزات المهمة التي ينبغي الانتباه إليها عند استخدام الديود هو الجهد اﻷعظمي الذي يمكن تطبيقه بين طرفية فلا يجب أن تتجاوز قيمة الجعد القيمة العظمى المسموحة فقد يتعرض للاحتراق أو الانفجار. تُدعى رجل الديود التي توصل إلى النقطة اﻷكثر إيجابية بالمصعد Anode والرجل التي توصل إلى النقطة اﻷقل سلبية مهبطًا cathode، وبإمكانك تمييز المهبط من الخط اﻷبيض المجاور له على جسم الديود. ويشبه الدود في شكله شكل المقاومة لكنه أسود اللون دون انتفاخات في طرفيه. أين يُستخدم الديود للديود وظيفة واحدة هو منع التيار الكهربائي من المرور في أحد فروع الدائرة، ولهذه الوظيفة تطبيقات عملية كثيرة مثل: الحماية من عكس القطبية أي وصل القطب الموجب لمنبع التغذية بالخطأ إلى المسرى السالب للدائرة. تخفيض الجهد في أحد فروع الدائرة فكل ديود يخفض الجهد بحدود 0.6 فولط تقريبًا. تطبيقات خاصة بالتيار المتناوب وهي خارج إطار هذا المقال. تطبيق عملي: منع مرور التيار الكهربائي استخدم المقاومتين والديودين والمؤشرين الضوئيين لتنفيذ الدائرة البسيطة التالية: لوحة اختبار مثقبة تضم ديود ومؤشر ضوئي ومقاومة وبطارية صل مصعد الديود مع المسرى الموجب والمهبط مع طرف المقاومة، ثم صل طرفها اﻵخر مع الرجل اﻷطول للمؤشر الضوئي والرجل اﻷقصر مع المسرى السالب. صل مهبط الديود مع المسرى الموجب والمصعد من طرف المقاومة، ثم صل طرفها اﻵخر مع الرجل اﻷطول للمؤشر الضوئي والرجل اﻷقصر مع المسرى السالب. صل البطارية إلى مساري الدائرة، ولاحظ كيف يضيء أحد المؤشرين ولا يضيء اﻵخر، هل يمكنك تفسير ذلك؟ الخلاصة تعرفنا في هذا المقال على بعض أساسيات علم الكهرباء وألقينا نظرة علمية وعملية على بعض العناصر اﻷساسية الهامة في تكوين الدوائر اﻹلكترونية. سنتابع في الجزء الثاني من هذا المقال التعرف على أمور هامة في تكوين الدوائر اﻹكترونية ونتعرف على مزيد من العناصر المهمة. اقرأ أيضًا المقال السابق: دليلك الشامل إلى تعلم أساسيات التحكم وقيادة اﻵلات برمجة الروبوت: الدليل الشامل تجميع راسبيري باي والتحضير لاستخدامه تصميم وتنفيذ لعبة حسية تفاعلية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو تصميم وتنفيذ آلة موسيقية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو

يزداد اعتماد البشر على اﻵلات يومًا بعد يوم، ويبتكر اﻹنسان وسائل مختلفة لتطوير هذه اﻵلات وتسهيل قيادتها والتعامل معها. وقد راكم البشر معارفهم في بناء اﻵلات وتسخيرها منذ القدم، لكننا سنقفز في الزمن إلى أواخر القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين، إذا ساهمت جهود العديد من المخترعين وعلى رأسهم أديسون وتيسلا في وصول الطاقة الكهربائية (التي اكتشفت واستخدمت سابقًا) بشكل محدود إلى المنازل واخترعت المحركات الكهربائية. وقد تمّيزت هذه الطاقة بنظافتها وسهولة التحكم بها، وتوجيهها نحو المكان المطلوب بالكمية المطلوبة، وإمكانية وصل وفصل التجهيزات التي تعمل عليها عن مصادر التغذية بشكل آني. والكهرباء هي اﻵن بلا شك العماد اﻷساسي لحضارتنا الراهنة بكل تفاصيلها. وقد رافق الاستخدام المتزايد لهذه الطاقة نشوء العديد من العلوم القائمة عليها كعلم اﻹلكترونيات، وعلوم توليد الطاقة الكهربائية ونقلها وتوزيعها، وعلوم التحكم اﻵلي اﻹلكتروني، وصولًا إلى بناء الروبوتات. ومع تطور تلك العلوم ظهرت الحاجة إلى فنيين ومختصين ومهندسين وعلماء لصيانة المنظومات التي تعتمد على الطاقة الكهربائية وتطويرها، وتطوير أساليب التحكم بالتجهيزات الكهربائية من أجل قيادتها بالشكل اﻷمثل واﻷكثر فعالية. ويمر هؤلاء بمسارات تعليمية وتقنية مختلفة لبلوغ المستوى العلمي والفني المناسب لتأدية عملهم. وحتى لو تباعدت هذه المسارات التعليمية عن بعضها في مرحلة ما نظرًا لتشعب علوم الطاقة الكهربائية وتجهيزاتها، فهنالك مسارات أساسية لا بد أن يمر بها جميع المهتمين في هذا المجال والتي تشكل حجر اﻷساس في مسيرتهم العلمية والفنية وهذا ما سنناقشه في مقالنا. هذا المقال موجّه إلى كل الطلاب اليافعين الراغبين في احتراف علوم اﻹلكترونيات والتحكم باﻵلات والروبوتات وإلى أهاليهم. إذ سنناقش فيه المسارات التعليمية التي توصلهم إلى المكان المطلوب وما الذي عليهم معرفته، وما الفوائد المتوقعة من هذه المسارات وكيف نجنيها؟ حتى تتكون لديهم صورة واضحة عن هذا الاختصاصات ونضعهم على الطريق الصحيح للانطلاق. المسارات الرئيسية لتعلم التحكم المبرمج والروبوتات نستعرض سريعًا في هذه الفقرة أهم المسارات التعليمية وفق التسلسل المنطقي الصحيح، ثم نفصّل فيها في فقرات تالية: مسار تعلم اﻹلكترونيات. مسار التحكم الصناعي وقيادة اﻵلة. مسار اﻹلكترونيات المبرمجة والمتحكمات المصغّرة. مسار وحدات التحكم المتكاملة والحواسب المصغّرة. مسار علوم الروبوت. مسار تعلم اﻹلكترونيات علم اﻹلكترونيات مجال واسع وشديد التشعب ودراسته ليست بالأمر بالسهل وهو يحمل الكثير من التحديات، لكنه مع ذلك علم ممتع وتخصصاته مطلوبة في كل مجالات حياتنا المعاصرة. ما هو علم اﻹلكترونيات يُعرف علم اﻹلكترونيات بأنه علم يدرس ويبحث في إنتاج عناصر كهربائية قادرة على التحكم بالتيار الكهربائي وتوجيهه نحو عناصر محددة في المكان المحدد والتوقيت المحدد. ولكل عنصر إلكتروني وظيفة محددة: فمنها ما يخفض شدة التيار الكهربائي، ومنها يرفعه، ومنها ما يمتص الطاقة الكهربائية ويحوّلها إلى ضوء، وأخرى تمتص الضوء وتحوّله إلى تيار كهربائي. لكن ما الفائدة من كل ذلك؟ للإجابة عن هذا السؤال سنتخيل أنك تريد أن تتحكم بشدة الإضاءة في غرفتك، فقد تريدها أن تكون قوية عندما تجلس إلى طاولة الدراسة وأن تكون منخفضة جدًا عندما تجلس إلى شاشة الحاسب لتلعب إحدى ألعابك المفضلة، فكيف يساعدنا علم اﻹلكترونيات؟ اﻷمر بغاية البساطة. إذ تتعلق شدة اﻹضاءة بزيادة شدة التيار الكهربائي الي يصلها، وهكذا نستخدم مثلًا عنصرًا يُدعى "مقاومة متغيرة Variable resistor". يأتي هذا العنصر على شكل مفتاح يمكن تدويره. فعندما يدور هذا المفتاح باتجاه معين يزيد تدفق التيار عبره إلى اﻹضاءة وتزيد شدتها وإن أدرته بالاتجاه المعاكس يعيق تدفق التيار الكهربائي وتقل شدة اﻹضاءة. هل ذكرّك هذه اﻷمر بشيء ما؟ تمامًا صنبور المياه! لكن ماذا لو أردت أن تفعل ذلك دون أن تضطر إلى مغادرة اللعبة التي تستمتع بها كثيرًا وتصل إلى المفتاح المثبّت على جدار الغرفة، هل هناك حل في عالم اﻹلكترونيات؟ بالتأكيد يوجد حل! مخطط لدائرة إلكترونية كيف تبدأ رحلتك في تعلم اﻹلكترونيات عليك في المرحلة اﻷولى أن تتعلم بعض الأساسيات التي سنلخصها في النقاط التالية: التعرف على مفاهيم ضرورية مثل الجهد الكهربائي، والتيار الكهربائي، وحركة التيار في اﻷسلاك. إجراء بعض الحسابات الكهربائية البسيطة لتحديد العناصر المناسبة لدائرتك اﻹلكترونية. تصميم بعض الدوائر البسيطة التي تهدف إلى تعليمك التعامل مع العناصر اﻹلكترونية اﻷساسية. اختيار مصادر التغذية الكهربائية التي تلزمك والطريقة الصحيحة في توصيلها مع الدائرة. تعلّم قراءة مواصفات العناصر اﻹلكترونية اﻷساسية، والطريقة الصحيحة في توصيلها مع مصدر التغذية الكهربائية. استكشاف اﻷخطاء الناتجة في الدوائر اﻹلكترونية البسيطة. استخدام بعض أجهزة القياس اﻷساسية مثل "المقياس متعددة الوظائف Multi-meter" الذي تستخدمه في قياس الكثير من المقادير الكهربائية مثل الجهد، وشدة التيار، ومقاومة العناصر، وتفقد صحة التوصيل بين عنصرين، وتحديد نقاط الانقطاع في الدائرة وغيرها. أما في المرحلة الثانية فيُفترض بك أن تتعلم العمل مع المفاتيح اﻹلكترونية بأنواعها المختلفة، وهي عناصر تمنع أو تسمح للتيار الكهربائي بالمرور وفق شروط كهربائية خاصة، ولها أهمية كبيرة في التحكم بدوائرك. ثم تتعرف في المرحلة الثالثة على العناصر اﻹلكترونية المتكاملة وهي دوائر إلكترونية كاملة لها وظيفة أو عدة وظائف، تُصنّع ضمن غلاف واحد لا يُرى منها سوى بضعة أرجل تربطها مع بقية العناصر. ومع تقدمك في هذا المسار ستتعلم أسماء ووظائف العديد منها وتتعلم طريقة استخدامها. تساعدك الكثير من البرامج الحاسوبية الخاصة والتي تُدعى بالمحاكيات في تصميم الدوائر اﻹلكترونية، والتأكد من سلامة عملها قبل أن تنجزها في الواقع. إذ يسهّل عليك تعلم أحد هذه البرامج إجراء الحسابات وتجربة العناصر التي تعتقد أنها مناسبة قبل أن تتخذ قرارك النهائي. ما الذي تتوقعه من تعلم اﻹلكترونيات؟ ستكون في نهاية هذا المسار قادرًا على: البحث عن العناصر التي تحتاجها من خلال شبكة اﻹنترنت. فهم ميزات العناصر اﻹلكترونية، وطريقة توصيلها من خلال القراءة الصحيحة، وفهم ورقة المواصفات الخاصة data sheet بالعنصر والتي تقدمها الجهة المصنعة له. تنظيم مجموعتك الخاصة من العناصر اﻹلكترونية التي أتقنت استخدامها وألفت طريقة توصيلها وحل مشاكلها. فهم الكثير من الدوائر اﻹلكترونية المختلفة وتحليل عملها للاستفادة من اﻷفكار المطبقة ضمنها. التواصل الفعّال مع أعضاء المجتمعات الافتراضية التي تهتم باﻹلكترونيات على شبكة اﻹنترنت لتجد حلولًا للمشكلات التي تعترضك. تحليل وتطبيق الكثير من المشاريع المميزة الجاهزة والتعلم منها لتطوير أفكارك. مسار التحكم الصناعي وقيادة اﻵلة بعد أن تتعلم أساسيات اﻹلكترونيات وربما في نهاية المرحلة اﻷولى وبداية الثانية، ستكون قادرًا على الانطلاق في هذا المسار المميز على الصعيدين العلمي والمهني. وإن كنت ملمًا بأساسيات الطاقة الكهربائية وتوصيل العناصر الكهربائية، يمكنك الانطلاق في هذا المسار على التوازي مع مسار تعلم اﻹلكترونيات. ماذا نقصد بالتحكم وقيادة اﻵلات؟ نقصد بقيادة اﻵلات القدرة على تشغيلها في الوقت المناسب ﻹنجاز عمل محدد وخلال فترة محددة، تخيّل مثلًا آلة تغليف ألواح الشوكولا، ما الذي قد يحدث إن لم تكن حركة هذه اﻵلة دقيقة؟ وما الذي قد يحدث إن لم تنجز تغليف اللوح قبل وصول اللوح التالي؟ ماذا لو كان عملها مرتبطًا بعمل آلة تسبقها؟ إن اﻹجابة عن هذه اﻷسئلة هو جوهر هذا المسار التعليمي. تتكون اﻵلات على مختلف أنواعها من محرّكات وأجزاء متحركة أخرى ترتبط بها، وتتكامل هذه اﻷجزاء لأداء وظيفة معينة، وعندما تجتمع عدة آلات تشكل خطًا آليًا، وهكذا سيكون التحكم بهذه اﻵلات وقيادتها بالطريقة الصحيحة أمرًا جوهريًا في نجاح هذا الخط اﻵلي. وللتحكم الصناعي نوعان: اﻷول تقليدي يعتمد على عناصر كهربائية مخصصة لأداء كل وظيفة من وظائف اﻵلة، والثاني مبرمج ترتبط فيه هذه اﻵلات بوحدات خاصة تُدعى وحدات التحكم المبرمجة تقودها معًا عن طريق برمجيات قيادة خاصة تطوّر خارج وحدات التحكم ثم تنقل إليه، وباﻹمكان تعديلها في أي وقت دون الحاجة إلى إيقاف خط اﻹنتاج لفترات طويلة. إذًا فالتحكم الصناعي هو قيادة اﻵلات واﻷجزاء المتحركة اﻷخرى ﻷداء وظائفها بالشكل اﻷنسب، أما كيف ستنطلق في تعلم هذه المسار، فهذا ما نناقشه تاليًا. كيف تبدأ رحلتك في مسار التحكم الصناعي وقيادة اﻵلات؟ عليك في المرحلة اﻷولى أن تتعلم بعض النقاط اﻷساسية ونلخصها كالتالي: التعرف على نوعي التيار الكهربائي المستخدمان في تغذية اﻵلات، وهما التيار المستمر والتيار المتناوب والتعرف على خصائصهما ومجالات استخدامهما. الاطلاع على أنواع المحركات المختلفة، وطريقة تشغيلها وإطفائها، ونوع التغذية الكهربائية التي تحتاجها. التعرّف على عناصر فصل ووصل أجهزة الحركة وعناصر التوقيت واﻷزرار والمبدلات وغيرها من العناصر اﻷساسية في دوائر التحكم الصناعي. تعلم توصيل دوائر بسيطة للتحكم في تشغيل محركات صغيرة أو منظومات إضاءة بسيطة. تعلم قراءة مخططات دوائر التحكم والتمييز بينها وبين مخططات دوائر التغذية الكهربائية. تعلم استخدام عناصر حماية الدوائر مثل قواطع الحماية والمنصهرات fuse. ستألف في نهاية هذه المرحلة الكثير من اﻷفكار التي تتعلق بالمحركات وأساليب فصل ووصل الطاقة عنها وعن اﻷجزاء اﻷخرى من اﻵلة وطريقة التحكم بها. توسّع المرحلة الثانية معارفك من خلال الاطلاع على تجهيزات مراقبة التغذية الكهربائية وعلى الحساسات الصناعية التي تعطيك معلومات هامة عن وضع اﻵلة أو أجزائها مثل حساسات تقدير المسافة، وحساسات اكتشاف الحركة وغيرها. وهي عناصر غاية في اﻷهمية ولها دور مفصلي في تحقيق التشغيل المتوازن للآلة. وستطلع في المرحلة الثالثة على أسلوب التحكم المبرمج، وفهم آلية عمل وحداته وطرق توصيلها واستثمارها مثل وحدات "الدوائر المنطقية القابلة للبرمجة PLC". أما تعلّم برمجة هذه الوحدات فهذا أمر اختياري ويتعلق بمدى جديتك في تطوير مهنتك. فقد تطلب من مختصين أن يبرمجوا لك هذه الوحدات لتنفيذ الوظائف التي تريدها ثم تقوم بتركيبها ووصلها، وقد تحاول أن تتعلم برمجتها بنفسك وهنا لابد من مرحلة رابعة تتعلم فيها أساسيات البرمجة عمومًا ثم تنتقل إلى اﻷساليب البرمجية الخاصة بالوحدات المبرمجة. وحدة دائرة منطقية قابلة للبرمجة PLC ما الذي تتوقعه من تعلم التحكم الصناعي وقيادة اﻵلات؟ ستكون قادرًا عند إكمال هذا المسار التعليمي على: فهم أساليب التحكم باﻵلات وقيادة اﻷجزاء المتحركة. تمييز مخططات التحكم عن مخططات التغذية الكهربائية للآلات وقرائتها جيدًا. تمييز معظم عناصر التحكم الكهربائي التقليدي في الدوائر الكهربائية. اكتشاف أخطاء دوائر التحكم وحل مشاكلها. إنجاز دوائر تحكم خاصة بك لقيادة منظومات آلية محدودة. استخدام وحدات التحكم المبرمج وتوصيلها بالشكل الصحيح. فهم طريقة برمجة وحدات التحكم. كتابة برامج كاملة لقيادة اﻵلات إن تابعت حتى نهاية المرحلة الرابعة من هذا المسار. مسار اﻹلكترونيات المبرمجة والمتحكمات الصغرية يتابع في هذا المسار كل من يريد تحقيق الأهداف التالية: يريد التعمق في التحكم اﻵلي المبرمج. يرغب في فهم تفاصيل تصميم وحدات التحكم المبرمج. أكمل مسار اﻹلكترونيات ويريد تهيئة نفسه للعمل على الروبوتات دون المرور بمسار التحكم الصناعي. أكمل المسارين السابقين ويريد تعزيز قدراته في التحكم باﻵلات ومخاطبتها وصولًا إلى العمل مع الروبوتات وبناء أنظمة انترنت اﻷشياء. ما هي اﻹلكترونيات المبرمجة والمتحكمات الصغرية؟ هي دوائر إلكترونية متكاملة يمكن أن تتغير وظيفتها وفقًا لبرنامج مخصص يُكتب خارجها ثم ينقل إليها. وتقسم هذه الدوائر عمومًا إلى صنفين عامين أولهما دوائر متكاملة تُبرمج كي تؤدي وظيفة إلكترونية محددة مثل "مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة FPGA"، وثانيهما دوائر تتتحكم ببقية العناصر الكهربائية واﻹلكترونية وتتبادل المعلومات مع محيطها وتُدعى بالمتحكمات الصغرية Micro-controller وهي بمثابة دماغ مصغّر يتحكم بالدائرة اﻹلكترونية الخارجية كما نريد. تبدأ هنا ملامح التخاطب مع اﻵلة بالظهور، فهذه المتحكمات قادرة على التواصل مع محيطها وتحسس التغيرات فيها. وستتمكن من استخدام هذه المتحكمات مثلًا في تصميم دوائر تفهم إشارات يدك أو تحلل صوتك لتأمر بعض الطرفيات المتصلة بدائرتها بتنفيذ عمل معين مثل فتح باب أو تشغيل جهاز ما. لوحة تشغيل متحكم صغري يظهر المتحكم في وسطها كيف تبدأ رحلتك في تعلم اﻹلكترونيات المبرمجة؟ عليك في المرحلة اﻷولى تعلّم البرمجة، والتفكير كمبرمج، فلن تستطيع إكمال هذا المسار دون أن تتقن أساسيات البرمجة والتفكير المنطقي، ستجد الكثير من لغات البرمجة والكثير من اﻵراء المتضاربة حول اختيار اللغة الأفضل، لكني أنصحك بتعلم لغة بايثون إذ تُعد عمومًا من اللغات القوية وسهلة التعلم نتيجة لصياغتها القريبة من صياغة الجمل في اللغة اﻹنكليزية، وإن أردت فعلًا احتراف هذا المجال من أوسع أبوابه فعليك بلغتتي C أو ++C فهما أكثر اللغات استخدامًا في هذا المجال واﻷمر يعود إليك أولًا وأخيرًا. تحتاج في المرحلة الثانية إلى التعرّف على أقسام المتحكمات الصغرية وميزاتها المختلفة، وما الذي تقدّمه لك كل شركة مصنعة وكل عائلة من خلال أوراق المواصفات الخاصة بهذه المعالجات. وهكذا ستكون قادرًا على اختيار المعالج الذي يناسب مشروعك. ولا بد في هذه المرحلة من تفهم طريقة توصيل المتحكم مع بقية عناصر الدائرة اﻹلكترونية وتتدرب على كتابة برامج بسيطة لهذا المتحكم وتعرف كي تنقلها إليه. ولا تنس أن مسار تعلّم اﻹلكترونيات ضروري جدًا في هذه المرحلة. وعليك في المرحلة الثالثة تعلّم طريقة وصل بعض الطرفيات اﻷساسية إلى المتحكم مثل لوحات المفاتيح وبعض أنواع شاشات العرض لتتمكن من إدخال بعض القيم وإخراج نتائج مرئية لما ينفذه برنامجك. وغالبًا ما تستفيد في هذه المرحلة من مكتبات برمجية جاهزة للتحكم بأكثر الطرفيات شيوعًا وكل ما عليك حينها هو دمجها مع شيفرتك وتعلم كيفية استخدامها. أما المرحلة الرابعة واﻷخيرة فهي مرحلة تعلّم العمل على المحاكيات، وهي برمجيات تقرأ شيفرتك وتريك نتيجة تنفيذها قبل ترحيلها إلى المتحكم وبالتالي ستوفّر عليك الوقت والجهد وخاصة عند تصميم دوائر أكثر تعقيدًا. هذا المسار شديد الخصوصية، فلكل متحكم طريقة مختلفة في البرمجة وطريقة مختلفة في نقل البرنامج إليه وبيئات عمل حاسوبية مختلفة لبرمجته، لكنها تتشابه إجمالًا في الخطوط العريضة ولن يصعب عليك في نهاية هذا المسار من تعلم برمجة متحكمات أخرى وبأقل جهد. ما الذي تتوقعه من تعلم برمجة المتحكمات الصغرية؟ ستكون قادرًا عند إكمال هذا المسار التعليمي من: اختيار المتحكم الصغري الملائم لمشروعك. تصميم الدائرة اﻹلكترونية اللازمة لاستثمار وتشغيل المتحكم. التعامل مع الحساسات والتحكم بتشغيل الكثير من التجهيزات الكهربائية. التعرف على بروتوكولات نقل المعطيات بين اﻷجهزة واستخدامها للتواصل مع التجهيزات المختلفة. كتابة برمجيات صحيحة ونقلها إلى المتحكمات لتنفيذها. مسار وحدات التحكم المتكاملة والحواسب المصغّرة يأتي هذا المسار متممًا ومكملًا للمسارين السابقين، وهو موجّه لمين يريد احتراف بناء أنظمة تحكم متكاملة سواء على الصعيد الصناعي كأنظمة إدارة المعامل أو على الصعيد التقني مثل بناء الروبوتات والتجهيزات اﻹلكترونية الذكية وأجهزة القياس والتحليل اﻵلي (وتُدعى أنظمة هذه التجهيزات باﻷنظمة المدمجة embedded systems) ما هي الوحدات المتكاملة وما هي الحواسب المصغّرة؟ تُعرّف وحدة التحكم المتكاملة control module بأنها دائرة إلكترونية لها تصميم محدد تضم متحكمًا أو معالجًا مصغرًا يحلل البيانات التي تصل إليه عبر نقاط محددة تُدعى نقاط الدخل ويصدر بيانات أو إشارات إلى نقاط أخرى تُدعى نقاط الخرج. لن تحتاج في الوحدات المتكاملة إلى الغوص في تفاصيل المعالج أو دائرته بل كل ما عليك فعله هو معرفة كيفية التعامل مع نقاط الدخل والخرج وكتابة برامج للتعامل معها مباشرة. نذكر من هذه الوحدات على سبيل المثال لوحات أوردوينو Arduino الشهيرة. تختلف الحواسب المصغّرة عن وحدات التحكم المتكاملة بأنها تمتلك نظام تشغيل حاسوبي وتستطيع الارتباط بطرفيات الحاسوب مثل شاشات العرض ومكبرات الصوت، كما تُكتب برامجها وتُنفّذ كما تكتب برامج الحاسوب تمامًا. لكنها تختلف عن الحواسب بوجود نقاط الدخل والخرج التي يمكنك التحكم فيها من خلال برامجك وربطها بما تشاء من الطرفيات وفق أسس محددة. من أشهر الأمثلة عليها الحاسوب المصغّر راسبيري باي Raspberry pi. الحاسوب المصغّر راسبيري باي 4 كيف تبدأ مسار الوحدات المتكاملة والحواسب المصغّرة؟ لابد أولًا أن تكمل مسار علم اﻹلكترونيات فهو مسار أساسي جدًا، ثم تنتقل بعد ذلك إلى مسار الإلكترونيات المبرمجة والمتحكمات الصغرية، إذ يساعدك هذا المسار على فهم طريقة كتابة البرامج المخصصة لوحدات التحكم المتكاملة والحواسب المصغّرة دون أدنى جهد. لكن إن قررت تخطي هذا المسار فلا بد على اﻷقل من تعلم إحدى لغتي البرمجة بايثون أو ++C، لكنك ستبذل جهدًا كبيرًا لفهم النقاط التي تتعلق ببرمجة المتحكمات الصغرية. إن العمل مع وحدات التحكم المتكاملة أكثر صعوبة من العمل مع الحواسب المصغّرة لأنه عليك في الواقع أن تبني نظام القيادة الخاص بها بنفسك بينما ستتعامل حرفيًا مع نظام تشغيل جاهز ومتطور في الحواسب المصغّرة. ننصحك بداية باقتناء لوحة أوردوينو (أيًا كان طرازها) ثم تتعلم طريقة توصيل الطرفيات إليها وكيفية كتابة برامج لها ونقلها إلى المتحكم الذي يقود اللوحة. بإمكانك التعرف على اللغة المستخدمة في برمجة هذه اللوحة من خلال موسوعة حسوب التي تقدم توثيقًا عربيًا متكاملًا لها. تساعدك أيضًا المحاكيات الحاسوبية في التأكد من صحة شيفرتك قبل نقلها إلى الوحدة. ويمكنك البحث في اﻹنترنت عن مشاريع جاهزة بسيطة والاشتراك في المناقشات وطرح اﻷسئلة ضمن مجتمعات أوردوينو الافتراضية وستجد بالتأكيد حلولًا لمعظم مشاكلك. وإن قررت العمل مع الحواسب المصغرة، بإمكانك شراء حاسوب راسبيري باي ثم العمل ضمن سلسلة مقالات "دليل راسبيري باي" التي تقدمها أكاديمية حسوب عن طريقة استخدام هذا الحاسوب من الصفر وحتى مرحلة تطبيق المشاريع المختلفة، كما ستجد في اﻷكاديمية كمًا جيدًا من المقالات ومقاطع الفيديو العملية التي تساعدك على التعلم بصورة أفضل. ما الذي تتوقعه من تعلم برمجة وحدات التحكم المتكاملة والحواسب المصغّرة؟ ستكون قادرًا عند إكمال هذا المسار التعليمي من: اختيار وحدة التحكم المتكاملة أو الحاسوب المصغّر الذي يلبي احتياجك. وصل الطرفيات إلى وحدات التحكم بالشكل الصحيح. كتابة برامج وتطبيقات لتنفيذ مختلفة اﻷفكار التي تتعلق بالتحكم بالوسط المحيط وتبادل البيانات معه. تصميم وتحريك روبوتات بسيطة. تعلم الأساسيات اللازمة لبناء منظومات إنترنت اﻷشياء IoT والروبوتات المتقدمة. مسار الروبوتكس يشمل علم الروبوتات علوم الحركة واﻹلكترونيات واﻵلات والبرمجة، فغايته اﻷساسية التخاطب الفعال مع آلة تستطيع من تلقاء نفسها تنفيذ أعمال متكاملة عالية التعقيد بناء على برمجيات صممت خصيصًا لإنجاز تلك اﻷعمال. كيف تبدأ مسار تعلم تصميم الروبوتات وبرمجتها عليك في المرحلة اﻷولى أن تكمل مسار علم اﻹلكترونيات ثم تنتقل إلى مسار التحكم الصناعي وقيادة اﻵلة فالروبوتات في معظمها آلات متحركة ولا بد من التعامل مع المحركات والحساسات التي تساعدها على التوجه والحركة. أتقن في المرحلة الثانية مسار المتحكمات المصغّرة وكيفية التخاطب مع الطرفيات المختلفة مثل المحركات الصغيرة والحساسات. أما إذا أردت استخدام طرفيات جاهزة مثل أنظمة قيادة محرّك متكاملة أو أنظمة حساسات جاهزة، فعليك الانتقال إلى مسار الوحدات المبرمجة المتكاملة وستجد كمًا هائلًا من الطرفيات التي تساعدك على بناء الروبوتات. ولا بد في المرحلة الثالثة من الإطلاع على طريقة عمل بعض الروبوتات الجاهزة واﻷجزاء المكوّنة منها وطريقة برمجتها ثم تجريب بعض المشاريع الجاهزة كي تطلع على التجهيزات الأكثر استخدامًا وطريقة توصيلها وعملها، وسيكسبك ذلك خبرة عملية ويساعدك في تجنب الكثير من اﻷخطاء التي يقع فيها المبتدئين. في الواقع تتشعب علوم الروبوتات وأنواعها كثيرًا ولكل منها طريقة عمل محددة وأسلوب برمجة محددة، وللاطلاع أكثر على هذا الموضوع عُد إلى مقال "دليلك الشامل إلى برمجة الروبوت" فستجد فيه كل ما تحتاجه حول تعلم برمجة الروبوت. صورة تمثيلية لروبوت متحرك ماذا تتوقع من تعلم الروبوتكس ستكون قادرًا عند إكمال هذا المسار التعليمي من: فهم آلية عمل الروبوتات بأنواعها. استخدام الروبوتات بفعالية أيًا كان نوعها. برمجة رويوت معين لينفذ أية أعمال تريدها. تصميم روبوتات بسيطة إلى متوسطة التعقيد من الصفر وبرمجتها. الخلاصة قدمنا في هذا المقال فكرة عن المسارات التعليمية التي تلزم أي شخص يرغب في احتراف العمل مع الأنظمة المدمجة والروبوتات وشرحنا فيها بشكل مبسط ما يضمه كل مسار وماهي المراحل التي يمر بها والنتيجة المتوقعة لما تعلمّه في نهاية كل مسار. مع ذلك، ليس من الضرورة التقيد تمامًا بالترتيب الذي اقترحناه لكنه النهج اﻷسلم لليافع الذي لا يمتلك شيئًا سوى العزيمة والالتزام! اقرأ أيضًا تجميع راسبيري باي والتحضير لاستخدامه إنشاء كتاب تفاعلي باستخدام سكراتش وحاسوب راسبيري باي تصميم وتنفيذ لعبة حسية تفاعلية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو تصميم وتنفيذ آلة موسيقية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو برمجة الروبوت: الدليل الشامل