נוסח השאלה המלא: לפי הידוע לי בכל רכב ובהרבה מקומות אחרים ניתן להפעיל מערכות באמצעות המחשב, המחשב יוצר את המגעים החשמליים שמפעילים את המערכות. רציתי לדעת כיצד יוצר המחשב את המגעים החשמליים.
בנוסף, האם הכח החשמלי שצריך לפעול במערכת שהופעלה ע"י המחשב הוא פונקציה של הכח החשמלי שבמחשב, או שגם מחשבון בגודל שנמצא בשעון יד יכול להפעיל תחנת כח.
אולי כדאי שתסבירו גם אם הכח החשמלי שיעבור בהמשך לאותה נקודת הפעלה תעבור דרך המחשב, או שהמחשב רק גורם להפעלת המערכת ומכאן והלאה אפשר לסגור אותו.
שלום אבי,
זוהי שאלה מורכבת שאוכל רק לענות עליה בראשי פרקים, אעשה כמיטב יכולתי.
מחשב הוא יחידה שתפקידה עיבוד נתונים על פי תכנית מוגדרת היטב. מחשב מקבל קלט ומוציא פלט ע"פ האלגוריתם אותו הוא מבצע. פלט המחשב יכול להיות אות וידאו, כפי שאנו רגילים לראות על מסך המחשב, או אות אחר למערכת בקרה כלשהיא. כשם שהמחשב מעביר אות למסך, אך המסך כיחידה נפרדת על כל מערכותיו צריך להציג אותו, כך המחשב יכול להורות למערכת על כיבוי תחנת הכח, והיא תכבה את המערכות, גם זהו פלט אפשרי. נחזור לנקודה זו בהמשך.
פעולת המחשב מבוססת על יכולתו לבצע פעולות לוגיות פשוטות של עיבוד נתונים. אנסה להסביר בקצרה ככל האפשר על התהליך הפיסיקלי מאחורי פעולה אחת. האופרטור הלוגי NOT. נבנה אותו באמצעות טרנזיסטור ביפולרי:
תרשים סכמטי של גביש סיליקון, לכל אלקטרון יש מקום. כל התמונות מויקיפדיה.
הטרנזיסטור הביפולרי עשוי חומר מוליך למחצה, זהו חומר אשר ניתן בפשטנות (פשטנות רבה מאוד, חשוב להדגיש) להסתכל עליו כעל חומר שבמצבו הטבעי לכל אלקטרון 'יש מקום'. אם ניקח את החומר (לדוג' סיליקון) ו'נחליף' אחוז מסויים מהאטומים בו באטומים שלהם אלקטרון (ופרוטון) אחד יותר, נקבל אלקטרונים נוספים ש'לא ישתלבו' בחומר שלנו ויהיו למעשה חופשיים, זהו מוליך למחצה מאולח מסוג n(negative). לעומת זאת, אם נחליף אותם באטומים שלהם אלקטרון אחד פחות, האלקטרונים האחרים בחומר ינסו להשלים את החסר ע"י קפיצה ממקום למקום, מה שייצור תנועה של 'חור'- כמו בועות שעולות בשמפו כשלוקחים קצת- שניתן להסתכל עליו כעל מטען חיובי חופשי. זהו חומר מאולח מסוג p(positive).
סכמה של יצירת צומת p-n, בשלב השני (הראשון הוא החיבור) הדיפוזיה מתחילה, ובשלישי נותרת החומה.
מה יקרה כאשר נצמיד חומר מסוג nלחומר מסוג p? תווצר לנו "צומת p-n". נתמקד באיזור הצומת- בתהליך טבעי של דיפוזיה, אותו תהליך שאחראי להתפשטות ריחות נעימים (או פחות) באוויר, האלקטרונים שבצד השלילי ינסו לזלוג לצד החיובי, שם יש פחות אלקטרונים, וחורים ינסו לזלוג בכיוון ההפוך. אבל חשוב לזכור שבצד השלילי (ולהפך בחיובי) לא הוספנו סתם אלקטרונים, אלא אטומים שלהם אלקטרון ופרוטון נוספים- ברגע שאלקטרון "עבר צד", הצד המאולח שלילית, שעד לרגע זה היה נייטרלי, הפך חיובי, ולהפך. כך שבעוד תהליך הדיפוזיה קורה, נוצר מתח על הצומת, כשהפוטנציאל בצד הnגבוה מזה שבצד הp. המתח, מצידו, מנסה למשוך אלקטרונים חזרה לצד הnבו הפוטנציאל גבוה. יווצר מצב, אם כן, שבו נבנתה "חומה" מספיק גדולה כדי למנוע את הזרימה לחלוטין.
אם נחבר את שני צדדי הצומת למקור מתח חיצוני, נחבר את הpל'+' ואת הnל'-' (ממתח קדמי), המתח המופעל יהיה הפוך מהמתח שיוצרת החומה, וכשהמתח יהיה מספיק גדול החומה לא תוכל למנוע את הזרימה הדיפוסיבית.
עכשיו ניקח שני חומרים מסוג nונשים ביניהם שכבה דקה של חומר p, נקרא לשכבה העליונה 'פולט' (emitter), לתחתונה 'קולט' (collector), ולאמצעית 'בסיס', על הצומת התחתונה נפעיל ממתח אחורי, כך שהחומה אפילו גדולה יותר. אם על הצומת 'בסיס-פולט' מופעל ממתח אחורי- גם כאן תהיה חומה ולא יקרה כלום. אבל אם היא תהיה בממתח קדמי אלקטרונים יזרמו במורד הבסיס, ואז, החומה של הצומת התחתונה שמונעת זרימת אלקטרונים מלמטה למעלה, מפעילה על האלקטרונים כח כלפי מטה וכך ה'קולט'- קולט אותם. בטרנזיסטור הזה, הנקרא n-p-n, תחת התנאים דלעיל, יזרמו אלקטרונים מהפולט לקולט.
_Cross-section.svg_.png)
תרשים של טרנזיסטור ביפולרי.
הטרזיסטור יכול לשמש כמפסק אלקטרוני, כאשר המתח על הבסיס נמוך משני ההדקים האחרים אין זרימה, וכאשר המתח נמצא מעל מתח הפולט ומתחת לקולט- תהיה זרימה. מפסק זה יעיל לזרמים נמוכים, ואם נרצה לכבות את תחנת הכח סביר שנרצה באמצעות האות החשמלי להפעיל התקן חשמלי כלשהו שיכבה את השאלטר בצורה מכנית. אבל בוא נתבונן על המעגל הבא:
הפולט מחובר לאדמה (0V), הקולט מחובר למתח גבוה כלשהו (למשל 5V שיסמל עבורנו 'אמת') עם נגד ביניהם, והבסיס מקבל את האות שלנו. אם הבסיס יקבל 'שקר', ז"א 0V, אף צומת לא תהיה בממתח קדמי שיאפשר זרימה, לא יהיה מפל מתח על הנגד ואות היציאה יהיה 5V- אמת.
אם הבסיס יקבל 'אמת'- צומת פולט בסיס תהיה בממתח קדמי ותהיה זרימה, הזרימה תפיל מתח על הנגד כך שהמתח על הקולט יהיה נמוך מהמתח אליו הנגד מחובר ואות היציאה יהיה 'שקר' (אמנם על הצומת בסיס-קולט ישנו ממתח קדמי גם, אך המעגל יתייצב כך שהמתח עליה יהיה עדיין נמוך מהמתח על פולט-בסיס).
באופן דומה ניתן להרכיב אופרטורים לוגיים שונים ולבצע כל עיבוד נתונים שמחשבים מבצעים.
האופרטורים הלוגיים השונים וסימוניהם
כפי שהגדרנו לעיל, המחשב מעבד את הנתונים, ולכן מעגל שמעבד נתונים עבור מחשבון יכול לעבד נתונים גם עבור תחנת כח (אבל כדאי להחליף 'תוכנה'), אמנם אם אתה מעוניין לבצע פעולות מסובכות יותר ובזמן קצר יותר המחשב שלך יצטרך להיות גדול יותר יפה יותר מהיר יותר חזק יותר. ספק הכח של המחשב צריך רק לדאוג לממתחים על הרכיבים שמרכיבים אותו עצמו. אבל כדאי מאוד להשתמש במערכת חזקה יותר ממסך של מחשבון כדי לכבות את תחנת הכח שאתה מתכוון לבנות.
אלעד יעקבי
המחלקה לחומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
