راه اندازی لامپ ماوراء بنفش و لامپهای فلورسنت با 6 ولت

روشن کردن لامپ فرابنفش

این نقشه یک مدار بسیار ساده لامپ فرابنفش یا لامپ های مهتابی کوچک است که نیاز به ولتاژ 6 ولت دارد. معمولاً از لامپهای فرابنفش برای ساخت دستگاههای تست اسکناس و یا دستگاههای جذب حشرات و پشه کش های برقی استفاده می شود. همچنین از لامپهای فلورسنت کوچک نیز جهت ساخت چراغ های روشنایی دستی و روشنایی اضطراری استفاده می شود. جهت مشاهده نقشه کامل، شماتیک، PCB و لیست قطعات ادامه مطلب را مطالعه نمایید.

در زیر نقشه پشت و روی فیبر مدار را ملاحظه می کنید ( به جهت قرار گرفتن Q1 و استفاده از هیت سینک دقت کنید )

ارسال توسط سید حمید موسوي ونهری

دانشمندان ايالت كاليفرنيا اولين كليد الكتريكي ساخته شده از نانولوله‌هاي كربني را توليد كردند. آنها اميدوارند با جايگزيني اين كليدها به جاي كليدهاي الكتريكي رايج در تراشه‌هاي كامپيوتري، قطعات سريع‌تر و ارزا‌ن‌تري بسازندقبل از استفاده از ذرات كاتاليستي آهن تقويت‌شده با تيتانيوم، ترانزيستورهاي جديد از نانولوله‌هاي‌ مستقيم(تک‌شاخه) ساخته مي‌شدند اما استفاده از اين ذرات كاتاليستي باعث ايجاد شيوه جديدي در رشد نانولوله‌ها مي‌شود، كه شبيه به فرايند شاخه شاخه شدن درختان است؛ به گونه‌اي كه براي ساخت يك لوله‌
Y
شكل ، ذرات كاتاليست در محل انشعاب نانولوله‌ اصلي قرار داده مي‌شوند.در اتصالات الكتريكي، الكترون‌ها از يكي از بازوهاي Y حرکت مي‌کنند و ابتدا به داخل ذرات كاتاليست قرار گرفته در محل انشعاب جريان مي‌يابند و سپس وارد بازوي ديگر شده و نهايتاً به بيرون جريان پيدا مي‌كنند. با اعمال يك ولتاژ مشخص به نانولوله‌ پايه مي‌توان اين حركت را كنترل كرد، يا به قول مهندسان طراحي تراشه‌هاي الكتريكي، جريان الكترون‌ها را گيت كرد، يعني يك ولتاژ تغذيه مثبت، جريان را به سمت توليد سيگنال "روشن" تحريك مي‌كند و سيگنال "خاموش" از طريق معكوس كردن جريان تا توقف حركت الكترون‌ها ايجاد مي‌گردد.در حال حاضر كمترين ضخامت ترانزيستورها در حدود 100 نانومتر است اما اين نانولوله‌هاي Y شكل مي‌توانند به نازكي تنها چند نانومتر باشند.Prabhakar Bandaru استاد مهندسي دانشگاه ساندياگو كاليفرنيا اظهار داشت :" اندازه كوچك و رفتار کليدزني مهيج اين نانولوله‌ها آنها را به گزينه‌هاي مناسبي در ايجاد نسل جديدي از ترانزيستورها تبديل كرده است."وي افزود:"اين پديده به طرز سريع ومؤثري نانولوله‌هاي Y شكل را به كوچك‌ترين ترانزيستورهاي كنوني تبديل مي‌كند كه سرعت کليدزني آنها بسيار بالا است و قابليت گيت‌كردن سه جانبه را نيز دارا هستند. در تلاش‌هاي پيشين براي ساخت ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله‌هاي كربني، از گيت‌هاي فلزي مجزا به عنوان اجزاي داخلي استفاده مي‌شد.وي گفت: ما معتقديم اين كشف بيانگر نمونه‌اي از نقش فناوري‌نانو در كوچك‌سازي اشيا است. در مقياس نانو مي‌توان عملکردها را با هم تركيب كرد، طوري كه در مورد اين ترانزيستور براي دارا بودن سه جزء گيت، خروجي و منبع مجبور نيستيم هريك را به صورت جداگانه بسازيم و سپس بهم اسمبل كنيم."اين تيم تحقيقاتي، براي بهبود قابليت‌هاي گيت‌ها در اتصالات Y شکل، در حال آزمايش انواع ديگري از ذرات كاتاليست هستند و تلاش مي‌كنند اتصالات را به شكل حروف ديگري از الفبا مانند X وT نيز بسازند.پروفسور Bandaru در ادامه اظهارات خود افزود:"اگر بتوانيم اين نانوابزار را به سادگي بسازيم، دستكاري كنيم و در مقياس‌هاي بزرگتر به هم اسمبل كنيم، آنها خواهند توانست اساس نوع جديدي از فناوري‌نانو و فناوري ساخت ترانزيستور باشند."
به جز اندازه كوچك، نانولوله‌ها در مقايسه با فناوري‌ مبتني بر سيليكون داراي اين مزيت مي‌باشند،كه بجاي فرايند پيچيده ليتوگرافي و لايه‌نشاني در ساخت مدارات سيليكوني ، براي ساخت نانولوله‌ها از يك فرايند شيميايي ارزان قيمت استفاده مي‌شود.

وي افزود: با توليد كنتور و فلومتر مگاب 3000 و ورود آن به بازار مصرف، جمهوري اسلامي ايران به جمع معدود كشورهاي صاحب فن آوري توليد كنتور و فلومتر الكترومغناطيسي فلنجي در جهان پيوست.


تيرداد خاطر نشان كرد: تنها با سرمايه گذاري چند ميليون توماني جهت توليد انبوه فناوري كه پس از چهار سال و نيم تحقيقات علمي و فن‌آوري حاصل شده، علاوه بر نيل به خودكفايي صنعتي، مي‌توان از خروج ميليونها دلار ارز كه همه ساله جهت واردات اين نوع كنتور صرف مي‌شود، جلوگيري كرد.


تيرداد در ادامه گفت: دقت بالا و دامنه وسيع كاربرد كنتورهاي الكترومغناطيسي آنها را در رديف پرمصرف ترين نوع كنتورها در جهان قرار داده كه جهت اعمال مديريت مصرف آب، بهترين و دقيق‌ترين وسيله اندازه‌گيري در دست مديران و متوليان آب كشور است.


وي در تبيين كاربردهاي كنتورهاي الكترومغناطيسي «مگاب 3000» به مواردي چون تاسيسات آب و فاضلاب، خطوط آبرساني شهري و روستايي، صنايع شيميايي، غذايي، دارويي، كاغذسازي و ... اشاره كرد.

.آی سی های دیجیتال CMOSساده و ارزان قیمت بوده و جریان مصرفی آنها در حال سکون نزدیک صفر م باشد.همچنین امپدانس ورودی بسیار بالایی داشته و می توانند با محدوده وسیعی از ولتاژ تغذیه نیز کار کند درنتیجه کار با آنها نسیار ساده می باشد.در اوایل دهه 1970آی سی های کاربردی CMOSبا نام سری 4000 و به صورت خانواده ای جدید از آی سی های با سرعت متوسط ارائه شدند که چشم انداز اقتصادی درخشانی را به دنبال داشت.سرعت عملکرد این خانواده جدید به اندازه آی سی های سریع TTL(سر نام کلمات Transistor-Transistor-Logic) نبود آی سی های TTL که رقیب CMOSبه شمار می آمدنددر آن زمان تحت نام سری74 ارائه می شدند.اما در اواسط دهه 1980نوع جدیدی از CMOS سریع تولید شد که عملکرد آن ازTTL نیز بهتر بود.این سری از آی سی های CMOS به عنوان عضو جدیدی از تراشه های سری 74معرفی شدند.مزایای این نوع جدید CMOS بسیارزیاد بود به طوری که از سال 1994 تراشه های

CMOS سری 74 نست به TTLعمومیت بیشتری پیدا کرده و امروزه CMOCرایج ترین تکنولوژی در آی سی های منطقی موجود در بازار به شمار می آید.

جریان مصرفی آی سی های CMOSجدید در حالت سکون معمولا0.01میکرو آمپر می باشد .ای سی های CMOSسری4000را می توان با ولتاژتغذیه 3-15ولت و سری 74را می توان با ولتاژ تغذیه 2-6ولت مورد استفاده قرار داد.امپدانس ورودی این مدارهای مجتمع در محدوده میلیون اهم بوده و ایمنی این آی سی ها در مقابل نویز بسیار عالی می باشد

همچنین امپدانس ورودی بسیار بالایی داشته و می توانند با محدوده وسیعی از ولتاژ تغذیه نیز کار کند درنتیجه کار با آنها نسیار ساده می باشد.در اوایل دهه 1970آی سی های کاربردی CMOSبا نام سری 4000 و به صورت خانواده ای جدید از آی سی های با سرعت متوسط ارائه شدند که چشم انداز اقتصادی درخشانی را به دنبال داشت.سرعت عملکرد این خانواده جدید به اندازه آی سی های سریع TTL(سر نام کلمات Transistor-Transistor-Logic) نبود آی سی های TTL که رقیب CMOSبه شمار می آمدنددر آن زمان تحت نام سری74 ارائه می شدند.اما در اواسط دهه 1980نوع جدیدی از CMOS سریع تولید شد که عملکرد آن ازTTL نیز بهتر بود.این سری از آی سی های CMOS به عنوان عضو جدیدی از تراشه های سری 74معرفی شدند.مزایای این نوع جدید CMOS بسیارزیاد بود به طوری که از سال 1994 تراشه های

CMOS سری 74 نست به TTLعمومیت بیشتری پیدا کرده و امروزه CMOCرایج ترین تکنولوژی در آی سی های منطقی موجود در بازار به شمار می آید.

جریان مصرفی آی سی های CMOSجدید در حالت سکون معمولا0.01میکرو آمپر می باشد .ای سی های CMOSسری4000را می توان با ولتاژتغذیه 3-15ولت و سری 74را می توان با ولتاژ تغذیه 2-6ولت مورد استفاده قرار داد.امپدانس ورودی این مدارهای مجتمع در محدوده میلیون اهم بوده و ایمنی این آی سی ها در مقابل نویز بسیار عالی می باشد

در نیم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم، که باعث پیشرفتهای عظیم اقتصادی در کشورهای سرمایه گذار و ایجاد فاصله شدید بین کشورهای جهان شد. متأسفانه در کشور ما بدلیل فقدان جرات علمی و عدم تصمیم گیری بموقع ، به این فرصتها پس از گذشت سالیان طلائی آن بها داده می‌شد که البته سودی هم برای ما به ارمغان نمی آورد، همچون فنآوری الکترونیک و کامپیوتر در دو سه دهه گذشته که امروزه علیرغم توانائی دانشگاهی و داشتن تجهیزات آن ، هیچگونه حضور تجاری در بازارهای چند صد میلیاردی آن نداریم. فناوری نانو جدیدترین این فرصتهاست، که کشور ما باید برای حضور یا عدم حضور در آن خیلی سریع تصمیم خود را اتخاذ کند
علم و فناوری نانو (نانو علم و نانو تکنولوژی) توانائی بدست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملکولی) و بهره برداری از خواص و پدیده‌های این بعد در مواد ، ابزارها و سیستمهای نوین است. این تعریف ساده خود در برگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته‌ای خود ، در آینده در برگیرنده همه فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوریهای موجود ، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را بصورت «یک حرف از علم» یکپارچه خواهد کرد
میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری (ملکولی) _مثل یک درخت یا یک میکروب_ ساخته می‌شود.
علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی‌نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی‌شوند. فناوری نانو کاربردهای را به منصه ظهور می‌رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه بر جا می‌گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است.
به عنوان مثال:
ساخت مواد بسیار سبک و محکم برای مصارف مرسوم یا نو
ورشکستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو
کاهش یافتن شدید تقاضا برای سوختهای فسیلی
همه گیر شدن ابر کامپیوترهای بسیار قوی ، کوچک و کم مصرف
سلاحهای سبکتر ، کوچکتر ، هوشمندتر ، دور بردتر ، ارزانتر و نامرئی‌تر برای رادار
شناسائی فوری کلیه خصوصیات ژنتیکی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری
ارسال دقیق دارو به آدرسهای مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر
از بین بردن کامل عوامل خطرناک جنگ شیمیائی و میکروبی
از بین بردن کامل ناچیزترین آلاینده‌های شهری و صنعتی
سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند
تولید انبوه مواد و ابزارهائی که تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده‌اند
و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر.

) مولتی ویبراتور آ ستابل ( A Stable MUB ) :

مولتی ویبراتور آستابل یا ناپایدار دارای دو حالت پایدار می باشد و خروجی آن به صورت متناوب و بدون تحریک خارجی بین دو حالت پایدار 1 و 2 تغییر میکند که فرکانس این تغییر توسط عناصر زمانی مدار که غالبا" عناصر R و C می باشند ، تعیین می شود. به زبان ساده تر سیگنال خروجی یک مولتی ویبراتور آستابل یک سیگنال مربعی می باشد که فرکانس آن به عناصر مدار وابسته است.

کاربرد :

مولتی ویبراتور آستابل اصولا" یک مولّد موج مربعی می باشد و به همین دلیل دارای کاربردهای زیاد و متنوعی است که در این بخش تنها به نمونه ای از آنها اشاره می کنم :

___ سیستم کلاک در سیستمها ی دیجیتال

___ مبدل های DC به DC

___ منابع تغذیه سوییچینگ

___ فلاشرها ( فلاشر راهنمای اتومبیل و ... )

2) مولتی ویبراتور بی استابل ( B Stable MUB ) :

مولتی ویبراتور بی استابل همان مولتی ویبراتور آستابل می باشد با این تفاوت که تغییر حالت خروجی از یک حالت پایدار به حالت پایدار دیگر خودکار نیست و باید برای تغییر حالت حتما" از تحریک خارجی استفاده کرد. یک فلیپ فلاپ RS یک مولتی ویبراتور بی استابل می باشد.

کاربرد :

در این بخش تنها به نمونه ای از کاربردهای مولتی ویبراتور بی استابل اشاره شده است :

___ سیستم های دیجیتال

___ شمارنده های پالس

___ اشمیت تریگرها

3) مولتی ویبراتور مونو استابل ( Mono Stable MUB ) :

یک مولتی ویبراتور مونو استابل دارای یک حالت پایدار و یک حالت نا پایدار می باشد. در حالت عادی خروجی در حالت پایدار قرار دارد ، در صورت تحریک خارجی مناسب مولتی ویبراتور ، خروجی برای یک مدت زمان مشخصی که توسط عناصر زمانی مدار مشخص می شود به حالت نا پایدار می رود و بعد از سپری شدن زمان مذکور به حالت پایدار خود بر می گردد. یک تایمر الکترونیکی یک مولتی ویبراتور مونو استابل می باشد.

کاربرد :

در این بخش تنها به نمونه ای از کاربردهای مولتی ویبراتور مونو استابل اشاره شده است :

___ تایمرها

___ سیستم های دارای اسیلاتور Watchdog

___ تریگر عناصر الکترونیکی قدرت ( تریستورها ، SCR ها و ... )

واژه یکپارچه از لحاظ ادبی که به معنای تک سنگی بوده و به مفهوم آن است که کل مدار در یک قطعه واحد از نیم رسانا جا داده شده است. مهمترین عنصر تکنولوژی IC تراشه یکپارچه است که می‌تواند دارای هزاران یا میلیونها ترانزیستور منفرد باشد، این مدارها روی پولک Si به قطر 6 یا 8 اینچ ساخته می‌شوند. پس این مدارها با استفاده از زدایش انتخابی ، برش یا خراش توسط تیغه الماسی یا لیزر و شکستن آن به مربعها یا مستطیلهای کوچک از مدارهای منفرد تفکیک می‌شود و پس از آن هر مدار روی یک بستر مناسب نصب شده و اتصال زنی و بسته بندی انجام می‌گیرد.

فرآیند ساخت
نقاب گذاری و آلایش انتخابی
هدف از فرآیند ساخت ، آلایش انتخابی نواحی معین از نیم رسانا و اتصال مناسب عناصر بدست آمده بوسیله یک الگوی فلز کاری است. با منظور کردن مراحل اکسایش ، تعداد عملیات بکار رفته در ساخت یک مدار می‌تواند کاملا زیاد باشد به عنوان مثال ترانزیستور نفوذ داده شده را در نظر می‌گیریم، مراحل اساسی عبارتند از:

رشد لایه اکسید اول
بازکردن یک پنجره در SiO2 برای نفوذ بیس
انجام نفوذ بر
رشد یک لایه اکسید دوم
باز کردن یک پنجره برای نفوذ امیتر
انجام نفوذ فسفر
رشد یک لایه اکسید سوم
باز کردن پنجره‌هایی برای اتصالات بیس و امیتر
تبخیر Al روی سطح
برداشتن Al بجز در الگوهای فلز کاری مورد نظر
در این مثال ساده دو مرحله اکسایش ، دو نفوذ و یک فلز کاری بکار رفته است. تعداد نقابهای لازم 4 عدد است، دو تا برای نفوذ ، یکی برای پنجره‌های اتصالات و یکی برای تعریف فلز کاری. برای مدارهای مجتمع مراحل خیلی بیشتر و در نتیجه نقابهای خیلی زیادی لازم است. نکته مهم کاهش ابعاد هر مدار و استفاده از پولکهای بزرگ به منظور افزایش تعداد قطعات قابل استفاده از تولید گروهی است. مفهوم این امر این است که نقابهای مختلف باید بسیار دقیق بوده و در طی هر مرحله لیتوگرافی نوری بخوبی همراستا شوند.
در حالت کلی یک نسخه دقیق از الگوی مورد نظر برای یکی از مراحل نقاب گذاری ، برای عضوی از آرایه مدارها تهیه می‌شود. این نسخه اولیه عکسبرداری شده و ابعاد آن کاهش می‌یابد. سپس یک دوربین با تکرار مرحله‌ای برای عکسبرداری از الگوی کوچک شده و انجام کوچک سازی نهایی مورد استفاده قرار گرفته و این روند را برای هر مستطیل در آرایه نهایی که می‌تواند دارای صدها الگوی مشابه باشد تکرار می‌کند. آرایه الگوی نهایی روی یک نقاب شیشه‌ای چاپ شده و این نقاب در مرحله لیتوگرافی روی پولک Si قرار داده می‌شود

لیتوگرافی خط - ریز Fine - Line Lithography
تلاش در جهت جا دادن چگالی عملیاتی مدام در حال افزایش روی یک تراشه Si اشتیاق شدیدی برای هر چه کوچکتر ساختن اجزاء مدار بوجود آورده است. شرایط بدعت و مصرف توان نیز طراحان را به استفاده از ابعاد کوچکتر متمایل می‌کند. لیتوگرافی نوری عامل محدود کننده فرآیند کاهش ابعاد است، اگر از نور فرابنفش برای تاباندن به لایه حساس به نور از طریق یک نقاب استفاده شود. حداقل پهنای خطوط در نهایت به دلیل آثار تفرقی یا پراش به چند طول موج محدود می‌شود.
برای مثال برای یک ماوراء بنفش به طول موج 0.35 میکرو متر نباید انتظار داشت که پهنای خطوط کمتر از حدود 1 میکرو متر باشد. بدیهی است که برای ابعاد هندسی زیر میکرونی لازم است که طول موجهای کوتاهتر به لایه حساس نور تابانده شود. بنابه قضیه دوبروی که طول موج یک ذره بطور معکوس با ممان تغییر می‌کند پس برای دستیابی به طول موجهای کوتاهتر باید ذرات سنگینتر یا فوتونهای پر انرژی در نظر گرفته شود. لکترونها ، یونها یا پروتوهای ایکس بهترین مورد در این خصوص هستند.
عایق سازی Isolon ati
یک مرحله مهم در فرآیند ساخت مدار مجتمع ایجاد عایق الکتریکی بین عناصر مدار است، اگر ترانزیستور دو قطبی روی یک تراشه ساخته می‌شود تمام نواحی کلکتور مشترک می‌بودند پس لازم است که بیشتر عناصر عایق سازی شده و سپس توسط الگوهای فلز کاری به یکدیگر متصل شوند. مثلا برای ترانزیستور n - p - n یک روش عایق سازی ، نفوذ الگویی از خندقهای نوع p در یک لایه رونشستی نوع n واقع در بستر از نوع p است. بستر نوع p پشتیبانی مکانیکی ساختار را بر عهده دارد و به همراه الگوی نفوذی نوع p نواحی عایق شده برای ماده نوع n را تعریف می‌کند.
چون هر قطعه را می‌توان در جزیره‌ای از نوع n قرار داد، با نگه داشتن ماده بستر نوع p در منفی‌ترین پتانسیل موجود در مدار ، عایق سازی خوبی بدست خواهد آمد. یک عیب این روش ظرفیت ذاتی موجود در پیوند نهایی عایق ساز p - n است. ظرفیت ایجاد شده بین دیواره‌های جانبی ناحیه n و پیوندهای نفوذ داده شده را می‌توان با استفاده از ترکیبهای مختلف عایق اکسیدی حذف کرد.
یک طرح عایق سازی که بویژه برای مدارهای با چگالی بالا مفید است در برگیرنده تشکیل چاله‌های نسبتا عمیق و پر کردن آن با پلی سیلیسیوم است. در این فرآیند یک لایه نیترید الگوسازی شده و به عنوان نقاب برای زدایش ناهمسانگرد سیلیسیوم به منظور تشکیل چاله بکار می‌رود. اکسایش داخل چاله تشکیل یک لایه عایق داده و بعد از آن با استفاده از روش نشست بخار شیمیایی چاله از پلی سیلیسیوم پر می‌شود

ساخت مقاومتها و خازنها بیرون از تراشه Si [i][u]

فرآیند لایه ضخیم
مقاومتها و الگوهای اتصالات داخلی روی یک بستر سرامیکی به روش سیلک اسکرین Silk Screen__ (نوعی سیستم چاپ که در آن روی چهار چوبی پارچه مخصوص توری کشیده می‌شود و طرح مورد نظر روی این پارچه پیاده می‌شود و با عبور رنگ در سوراخهای باز و بسته توری نقش دلخواه روی هر چه که بخواهیم چاپ می‌شوند) چاپ می‌شوند خمیرهای مقاومتی و هدایتی متشکل از پودرهای فلزی در شکل سازمان یافته روی بستر چاپ شده و در یک اجاق حرارت داده می‌شوند.

فرآیند لایه نازک
از دقت و کوچک سازی بیشتری برخوردار بوده و عموما در جایی که فضا اهمیت دارد ترجیح داده می‌شود الگوهای اتصال بندی و مقاومتهای لایه نازک را می‌توان به روش خلا روی یک بستر سرامیکی شیشه‌ای یا لعابی نشاند. لایه‌های مقاومتی معمولا از جنس تانتالیوم یا سایر فلزات مقاومتی بوده و رساناها نیز غالبا آلومینیوم یا طلا هستند.
مزایای مدارات مجتمع
معایب ناشی از اتصال لحیم کاری شده در مدارهای با قطعات مجزا به میزان بسیار زیادی کاهش می‌یابد.
بسیاری از عملیات مداری را می‌توان در یک فضای کوچک جا داد، امکان بکار گیری تجهیزات الکترونیکی پیچیده در بسیاری از کاربردها که در آنها وزن و فضا اهمیت حیاتی دارد، نظیر وسایل نقلیه هوایی و فضایی وجود خواهد داشت.
زمان پاسخ و سرعت انتقال سیگنال بین مدارها
درصد قطعات مفید که در فرآیند تولید گروهی حاصل می‌شود، معمولا بر اثر وجود نقصهایی در پولک Si یا در مراحل ساخت قطعات معیوب نیز بوجود می‌آید.

سیر تحولی و رشد

دانشمندان و مهندسان بلافاصله به ارزش باتریهای خورشیدی برای تأمین انرژی ماهواره‌ها پی‌بردند، زیرا این باتریها جرم کمی دارند و هیچ بخش متحرک مکانیکی ندارند. نخستین ماهواره آمریکایی در فضا به باتریهای خورشیدی از جنس سیلیسیوم مجهز شد. و امروزه هم سلول فوتو ولتایی سیلیسیومی هنوز منبع قدرت همه سفینه‌های فضایی هستند. البته در این میان کاوشگرهایی که به فراسوی منظومه شمسی و مکان میانی که نور خورشید در آنجا ضعیف است رهسپار می‌شوند، استثنا هستند.

تهیه باتری خورشیدی

باتری خورشیدی اولیه از تک بلور سیلیسیوم (Si) ساخته می‌شد که روی صفحات تختی کنار هم قرار می‌گرفت. کاربرد این روش ، برای مصارف عمومی و تولید انرژی در فضایی بزرگ ، بسیار گران تمام می‌شود. هر چند ماده خام SiO₂ برای تهیه Si فراوان است، اما پالایش شن و خالص سازی کافی Si برای تهیه باتریهای خورشید پر هزینه است. برش قطعات بلوری منفرد به صورت قطعه‌ نازکی که ویفر نام دارند، نیازمند بریدن با الماس ، پرداخت بیشتر و بالاخره چندین عمل اضافی برای افزودن ناخالصیهای مناسب است.

کاهش هزینه ساخت

یک روش ممکن برای کاهش هزینه ، که در مورد بلوری گران قیمت نظیر Si و اخیرا گالیوم ارسنید (GuAs) ، استفاده از عدسی بزرگ و ارزان قیمت فرنل برای تمرکز نور روی سلول کوچک است. ضرایب تمرکز 25 تا 1000 با موفقیت بکار گرفته شده است. اگر چه طراحی تمرکز دهنده‌ها نیاز به ردگیری دو بعدی وضعیت خورشید در طول روز است.

استفاده از مواد در باتری خورشیدی

طرح بسیار نوید بخش دیگری برای سلول فوتو ولتایی ، کاربرد ورقه‌های فیلمهای بسیار نازکی است که روی مواد نظیر شیشه یا فولاد زنگ نزن نشانده می‌شوند. سه ماده که به صورت ورقه‌های نازک (به ضخامت تقریبی 1 تا 3 میکرومتر) نتایج فوتوولتایی خوبی بدست داده‌اند. عبارتند از: سیلیسیوم هیدروژن دار آدورف (α - Si:H) ، سی اندپوم دی سلیند (CuLnSe₂ یا بطور ساده CIS) و کادمیوم تلورید (CdTe). ماده‌ α - Si:H به صورت ورقه‌های نازک با ساختار آمورف ، ساختار چند بلوری با دانه‌هایی به صورت ورقه‌های نازک با ساختار بلوری با دانه‌هایی به اندازه حدود 1 میکرومتر کاربرد دارند.

خورشید فوتو ولتایی در باتری خورشیدی CdTe

فرآیند فوتو ولتایی در باتری خورشید CdTe در شکل زیر داده شده است. هر کوانتوم نور (فوتون) دارای انرژی hv است که در آن h ثابت پلانک و v بسامد نور است. (υ = C/λ) که در آن C سرعت نور و λ طول موج نور است). چنانچه انرژی فوتون بیشتر از گاف انرژی نیم رسانا (فاصله میان نوارهای نوارهای ظرفیت و رسانش) باشد، به آن صورت فوتون جذب ماده می‌شود و الکترونی را از نوار ظرفیت برانگیخته می‌کند و به نوار رسانش می‌برد که الکترون در آنجا می‌تواند آزادانه درون بلور به حرکت در آید.

الکترون بار منفی دارد، اما حفره ایجاد شده در نوار ظرفیت دارای بار مثبت است. وقتی که الکترون حفره به سرعت از هم جدا نشوند، الکترون جذب حفره مثبت می‌شود و بدون ایجاد هیچ جریانی نابود خواهد شد. بنابراین لازم است که میدان الکتریکی برای جداسازی بارها برقرار شود. این کار با افزودن مقدار کمی ناخالصی آلاییده به نیم رسانا و ایجاد پیوندگاهی میان مناطق نوع n (که ذرات حامل بار در آن بار منفی دارند) و نوع p (که با ذرات حامل در آن مثبت است) انجام می‌شود، شکل 1 پیوند ناهمگنی را نشان می‌دهد که کادمیوم سولفید (CdS) نوع n و کادمیوم تلورید (CdTe) نوع p تشکیل شده است.

هنگامی که فوتون ، زوجهای الکترون - حفره را در نزدیکی این پیوندگاه n - p که در آن میدان الکتریکی قوی برقرار است ایجاد کند، فرآیند فوتو ولتایی بیشترین بازدهی را خواهد داشت. باتری خورشیدی در این حال حفظ به اتصال های فلزی نیاز دارد. تا با سیم هایی که به جریان الکتریکی در وسیله ای خارجی امکان عبور می دهند مرتبط شود. برای باتری CdS/CdTe ، اکسید قلع (SnO₂) به عنوان اکسید رسانشی شفاف (TCO) برای اتصال به CdS نیز نیکل ، گرانیت ، یا طلا برای اتصال CdTe کاربرد دارند.

مزیت یا بازده باتریهای خورشیدی

باتری خورشیدی معمولا ولتاژهای قله‌ای تولید می‌کند که تقریبا معادل دو سوم گاف انرژی نیم رسانا است. گاف انرژی بهینه برابر 1.0 ev و 1.7 ev است. در روز صاف و هنگامی که آفتاب بالای سر است شدت نور خورشید تقریبا برابر 1000 w/m² است. مدول خورشیدی با بازدهی 10% ، در روز آفتابی توانی در حدود 100 ولت تولید می‌کند. با تابش خورشیدی بدون ابر ، در حد متوسط 6 ساعت در روز ، تعدادی مدول خورشیدی با مساحت 60 متر مربع تقریبا 1000 کیلو وات ساعت برق در هر ماه تولید می‌کند، این در همان حدود مقدار مصرفی است که در خانواده‌های کشورهایی مانند ایالات متحده آمریکا دارد. a

در سال 1864، دو دانشمند لهستاني به نامهاي زيگموند روبلوفسكي و كارل اولزفسكي كه روشي براي براي مايع ساختن اكسيژن و نيتروژن، يافته بودند، به بررسي خواص فيزيكي عناصر و ازجمله مقاومت الكتريكي در دماهاي خيلي كم ادامه دادند و پيش‌بيني نمودند مقاومت الكتريكي در دماهاي كم به شدت كاهش مي‌يابد. روبلوفسكي و اولزفسكي نتايج فعاليت خود را در سال 1880 منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمينگ نيز پيش‌بيني ‌خود را مبني بر الكترومغناطيس شدن كامل فلزات خالص در دماي صفر مطلق بيان داشتند. البته دئور بعدها تئوري خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اينگونه فلزات در دماي مورد اشاره به صفر نمي‌رسد اما مقدار بسيار كمي خواهد بود. والتر نرست نيز با بيان قانون سوم ترموديناميك بيان داشت كه صفر مطلق دست‌نيافتني است. كارل ليند و ويليام همپسون آلماني در همين زمانها روش خنك‌سازي و مايع ساختن گازها با افزايش فشار را به ثبت رساندند.

سال 1900، نيكلا تسلا كه با سيستم خنك‌سازي ليند كار مي‌كرد، پديده تقويت سيگنالهاي الكتريكي را با سرد شدن اجسام كه درنتيجه كاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصيت ابررسانايي توسط پروفسور هلندي، كمرلينک اونز، در سال 1911 و زماني‌كه وي سرگرم آزمايش تئوري دئور بود، در دانشگاه ليدن مشاهده شد. اونز دريافت که اگر جيوه در هليم مايع يعني حدود 2/4 درجه كلوين قرار گيرد، مقاومت الکتريکي آن از بين مي‌رود. سپس يك حلقه سربي را در دماي 7 درجه كلوين ابررسانا نمود و قوانين فارادي را بر روي آن آزمايش كرد و مشاهده نمود وقتي با تغيير شار در حلقه جريان القايي توليد شود، حلقه سربي بر عكس رساناهاي ديگر رفتار مي‌نمايد. يعني بعد از قطع ميدان تا زماني‌كه در حالت ابر رسانايي قرار دارد، جريان الكتريكي را تا مدت زيادي حفظ مي‌كند. به عبارت ديگر بعد از به وجود آمدن جريان الكتريكي ناشي از ميدان مغناطيسي در يك سيم ابررسانا، سيم حتي بدون ميدان خارجي يا مولد الكتريكي نيز مي‌تواند حامل جريان باشد. اونز اين رخداد را در آزمايشگاه دانشگاه ليدن با ايجاد جريان ابررسانايي در يک سيم‌پيچ و سپس حمل سيم‌پيچ همراه با سرد کننده‌اي که آن را سرد نگه مي‌داشت به دانشگاه کمبريج به عموم نشان داد. يافته اونز منجر به اعطاي جايزه نوبل فيزيك در سال 1913 به وي شد.

اونز همچنين متوجه شد براي هر يك از مواد ابررسانا، دمايي به نام دماي بحراني وجود دارد كه وقتي ماده از اين دما سردتر شود، جسم ابررسانا مي‌گردد و در دماهاي بالاتر از اين دما، جسم داراي مقاومت الکتريکي است. دماي بحراني عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دماي بحراني جيوه حدود 5 درجه كلوين، سرب 9 درجه كلوين و نيوبيوم 2/9 درجه كلوين مي‌باشد و براي بعضي آلياژها و تركيبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دماي بحراني به 18 و 23 درجه كلوين نيز مي‌رسد. البته فلزات رسانايي مانند طلا، نقره و حتي مس نيز هستند كه تلاش براي رساندن مقاومت ويژه‌شان به صفر بي نتيجه مانده است و مشخص نيست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانيدن دماي ابررساناهاي متعارف به اين دما نيازمند وجود هليم مايع مي‌باشد كه بسيار پرهزينه، خطرناك و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش براي توليد ابررساناهايي با دماي بحراني بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانايي با دماي بحراني بالاتر پيدا كنند.

از كشف ابررسانايي در سال 1911 تاكنون، هيچ نظريه فيزيكي جامعي نتوانسته است به بيان دقيق علت خاصيت ابررسانايي بپردازد. در سال 1957 سه فيزيكدان آمريكايي به نام‌هاي باردين، كوپر و شريفر در دانشگاه ايلي‌نويز نظريه‌اي براي توجيه پديده ابررسانايي در ابررساناهاي متعارف ارائه دادند كه با نام آنها به نظريه BCS معروف گرديد. براساس اين نظريه در ابررساناهاي معمولي، الكترونهايي كه در رسانايي جريان نقش دارند، جفت‌هايي تشكيل مي‌دهند و متقابلاً با عواملي كه باعث مقاومت الكتريكي مي‌شوند، مقابله مي‌كنند. ابداع تئوري BCS نيز براي سه دانشمند آمريكايي جايزه توبل 1972 را به ارمغان آورد. اين‌كه 4۶ سال طول کشيد تا توجيهي براي پديده ابررسانايي يافت شود، دلايلي داشت. دليل اول اين‌كه جامعة فيزيک تا حدود بيست سال مباني علمي لازم براي ارائه راه حل مسئله را كه تئوري کوانتوم فلزات معمولي بود نداشت. دوم اين‌که تا سال ۱۹۳۴ هيچ آزمايش اساسي در اين زمينه انجام نشد. سوم اينکه وقتي مباني علمي لازم بدست آمد، به زودي مشخص شد انرژي مشخصه وابسته به تشکيل ابررسانايي بسيار کوچک يعني حدود يک مليونيم انرژي الکتريکي مشخصة حالت عادي است. بنابراين نظريه پردازان توجه‌شان را به توسعة يک تفسير رويدادي از جريان ابررسانايي جلب کردند. اين مسير توسط فريتز لاندن رهبري مي‌شد. وي در سال ۱۹۵۳ به نکتة زير اشاره کرد:‌ "ابررسانايي پديده‌اي کوانتومي در مقياس ماکروسکوپي است و با جداسازي حالت حداقل انرژي از حالات تحريک شده بوسيلة وقفه هاي زماني رخ مي‌دهد." به علاوه وي بيان داشت كه ديامغناطيس شدن ابررساناها يک مشخصه بنيادي است. تئوري BCS در توضيح و تفسير رويدادهاي ابررسانايي موجود و هم چنين در پيشگويي رويدادهاي جديد نسبتاً موفق بود. در ژوئيه 1959، در اولين کنفرانس بزرگي كه بعد از ارائه ي نظريه ي BCS با موضوع با ابررسانايي در دانشگاه کمبريج برگزار شد، ديويد شوئنبرگ كنفرانس را با اين جمله آغاز کرد: «حالا بايد ببينيم تا چه حد مشاهدات با حقايق نظري جور در مي‌آيند ...؟»

کمي بعد از انتشار نتايج اولية تئوري BCS، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانماركي به نامهاي آگ بور، بن موتلسون و ديويد پاينز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهاي موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسويه شان جفت مي‌شوند و بدينوسيله توانستند معماي قديمي پديدة هسته‌اي را توجيه نمايند. در همين زمان يوشيرو نامبونيز در شيکاگو دريافت که ترتيب جفت شدن BCS براي پديده‌هاي انرژي بالا در فيزيک ذرات ابتدائي نيز صحت دارد. بايد گفت در اثر ارائه تئوري BCS بود كه پژوهشگران فلزات ابررساني جديدي را معرفي کردند و مشتاقانه به دنبال موادي گشتند که در دماهاي نسبتاً بالاتر از 20 کلوين ابررسانا مي‌شوند. بعد از ارائه تئوري BCS، دو آلياژ جديد نيز معرفي شدند. يكي مواد الکترون سنگين مانند CeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهايي در دماهاي حدود يک کلوين توسط فرانك استگليش در آلمان و زاچاري فيسك، جيم اسميت و هانس اوت در آمريكا شناخته شدند و ديگري فلزات آلي تقريبا دو بعدي با دماي بحراني حدود ده درجه کلوين كه در پاريس توسط دانيل ژرومه کشف شد. باوجود تلاش‌هاي زياد بند ماتيوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالايي براي دماي مواد ابررسانا وجود داشت. دمايي که از مکانيسم به کار رفته براي ابررسانايي يعني تعامل فونون القائي ناشي مي‌شد. چنانكه نور كوانتومي را فوتون مي‌نامند، اصوات كوانتومي را نيز فونون ناميده‌اند.

در سال 1962 جوزفسون انگليسي در 22 سالگي آزمايشاتي روي جفت الكترونهاي كوپر انجام داد كه منجر به مشاهده و اعلام پديده‌اي شد كه خاصيت تونل‌زني يا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتيكه دو قطعه ابررسانا توسط يك عايق بسيار نازك (حدود يك نانومتر) به يكديگر متصل شوند، جفت الكترونهاي كوپر مي‌توانند از عايق عبور نمايند. مقدار جريان الكتريكي ايجاد شده به ولتاژ اتصال و ميدان مغناطيسي وابسته است. ارائه تئوري مزبور براي جوزفسون و دو دانشمند ديگر يعني لئو ايزاكي و ايوار گياور كه فعاليتهاي مشابهي در بررسي پديده تونل زني داشتند جايزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.

حدود 70 سال پيشرفتهاي انجام شده براي افزايش دماي بحراني به كندي انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 يعني حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دماي بحراني را از 4 درجه به 3/23 درجه كلوين كه كمي بيشتر 3/20 كلوين يعني دماي ئيدروژن مايع است برسانند اما كار با ئيدروژن مايع نيز پرهزينه، مشكل‌آفرين و خطرساز بود و كاربردهاي ابررسانا را محدود مي‌ساخت. در سالهاي بعد علاوه بر فلزات و آلياژهاي فلزي، فعاليتهايي در زمينه تركيبات نيمه‌فلزي توسط برخي دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده‌اي ديگري به جز فلزات و آلياژها يافته نشده بود كه بتواند در دماهاي مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانويه سال 1986 جرج بدنورز و آلكس مولر در مؤسسه تحقيقاتي IBM شهر زوريخ سوئيس موفق به كشف پديدة ابررسانايي در سراميكي از نوع اكسيد مس و شامل لانتانوم و باريوم شدند. دماي بحراني نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه كلوين بود و آنها نيز به خاطر كشف ابررساناهاي دمابالا (HTS) موفق به دريافت جايزة نوبل در سال 1987 شدند. طي مدت زمان كوتاهي پس از كشف ابررسانايي دما بالا، دسترسي به دماهاي بحراني بالاتر به سرعت توسعه يافت. يک ماه بعد از كشف بدنورز و مولر، تاناكا و همکاران وي در توکيو نتايج آنها را تأييد نمودند و نتايج فعاليت آنها در يکي از نشريات ژاپني به چاپ رسيد. اندكي بعد از كشف اكسيد مس حاوي باريوم و لانتانوم، در نتيجه همکاري پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ كنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جديدي از خانواده مواد ابررساناهاي دما بالا با جايگزيني ايتريوم Y به جاي لانتانوم كشف شد. اين ماده سراميكي كه دماي بحراني آن به 92 درجه كلوين مي‌رسيد، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نيتروژن كه 77 درجه كلوين در فشار يك اتمسفر است، براي سرد شدن اين ابررسانا تا دماي بحراني استفاده از نيتروژن مايع هم امكانپذير بود كه بسيار ارزان‌تر و بي‌خطرتر از ئيدروژن و هليم مايع بود. بنابراين فقط در طي يک سال از کشف اصلي، دماي انتقال به حالت ابررسانايي افزايش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. براي پاسداشت تحول مهمي كه در علم فيزيك واقع شده بود، توسط انجمن فيزيکدانان آمريکايي در بعدازظهر يکي از روزهاي مارس 1987 جشني هم در نيويورک برگزار شد. اين جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مدار بسته در خارج از محل اصلي تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده ديگر از ابررساناها کشف شدند که شامل تركيبات شامل توليوم (Tl) و جيوه (Hg) بوده و داراي حداکثر دماي بحراني بيشتر از 120 درجه کلوين بودند. بالاترين مقدار تأييد شده دماي بحراني در فشار معمولي يك اتمسفر، 135 درجه كلوين و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 مي‌باشد. به صورت تجربي معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مكانيكي تحت فشار قرار گيرد، دماي بحراني ابررسانا كمي تغيير مي‌كند. در سال 1993، دماي بحراني 165 درجه كلوين (108- درجه سانتيگراد) نيز در تركيبي از اكسيد مس و جيوه و البته تحت فشارهاي خيلي بالا گزارش شد. همگي ابررساناهاي مورد اشاره يک ويژگي مشترك داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهاي اكسيژن و مس که با مواد حامل بار براي سطوح تراز از يكديگر جدا مي‌شوند. با توجه به كاربردهاي مختلف ابررساناها، بسياري از تلاشها بر افزايش دماي عملكرد ابررساناها تا دستيابي به دماي اتاق متمركز شده است.

هر چند دماي بحراني تركيبات جديد سراميكي در حد قابل توجهي از دماي بحراني مواد ابررساناي متعارف (فلزات و آلياژها) بزرگتر است، به دليل خصوصيات فيزيكي اين مواد مانند شكنندگي و پايين بودن چگالي و جريان بحراني كاربردهاي اين مواد هنوز در مرحله‌ي تحقيق است. اخيراً سعيد سلطانيان به همراه يك گروه علمي به سرپرستي پروفسور شي زو دو در دانشگاه ولونگونگ استراليا ابررسانايي ساخته‌اند كه بالاترين ركورد را از نظر خواص مكانيكي در ميان ابررسانا دارد. اين ابررسانا به شكل سيم يا نواري از جنس دي بريد منيزيم (MgB2) با پوششي از آهن است و امكان انعطاف براي ساخت تجهيزات مختلف الكتريكي را داراست.

ابررساناهاي جديد عموماً سراميكي و اكسيدهاي فلزي ورقه ورقه هستند که در دماي اتاق مواد نسبتاً بي‌ارزشي محسوب مي‌شوند و البته كاربردهاي متفاوتي نيز دارند. اكسيدهاي فلزي ابررسانا در مقايسه با فلزات شامل کمي حامل بار معمولي هستند و داري خواص انيسوتوروپيک الکتريکي و مغناطيسي مي‌باشند. اين خواص به نحو قابل ملاحظه‌اي حساس به محتواي اكسيژن مي‌باشند. نمونه‌هاي ابررساناي موادي مانند YBa2Cu3O7 را يک دانش‌آموز دبيرستاني نيز مي‌تواند در يک اجاق ميکروويو توليد کند اما براي تشخيص خواص فيزيکي ذاتي، کريستالهاي يکتايي با درجه خلوص بالا مورد نياز است كه فرآيند ساخت پيچيده‌اي دارند.

بعد از كشف ابررساناها، تا چند سال تصور مي‌شد رفتار مغناطيسي ابررسانا مانند رساناهاي كامل است. اما در سال 1933 مايسنر و اوشنفلد دريافتند اگر ماده مورد آزمايش قبل از ابررسانا شدن در ميدان مغناطيسي باشد، شار از آن عبور مي‌كند ولي وقتي در حضور ميدان به دماي بحراني برسد و ابررسانا گردد ديگر هيچ‌گونه شار مغناطيسي از آن عبور نخواهد كرد و تبديل به يك ديامغناطيس كامل مي‌شود كه شدت ميدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزيع شار در خارج نمونه‌هاي قلع و سرب را كه در ميدان مغناطيسي تا زير دماي گذار سرد شده بودند را اندازه­گيري و مشاهده كردند كه ابررسانا ديامغناطيس كامل گرديد و تمام شار به بيرون رانده شد. اين آزمايش نشان داد كه ماده ابررسانا چيزي بيشتر از ماده رساناي كامل است. براساس ويژگي مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانايي هرگز اجازه نمي‌دهند كه چگالي شار مغناطيسي در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت ديگر در داخل ابررسانا هميشه B=0است. اين پديده به اثر مايسنر معروف شد.

در اثر پديده مايسنر اگر يك آهنربا روي ماده ابررسانا قرار گيرد، روي آن شناور مي‌ماند. در شكل يك آهنرباي استوانه‌اي روي يك قطعه ابررسانا كه توسط نيتروژن خنك شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مايسنر است كه براساس آن خطوط ميدان مغناطيسي امكان عبور از ابررسانا را نيافته و چنانكه مشاهده مي‌شود، ابررسانا قرص مغناطيسي را شناور نگه مي‌دارد.

پس از کشف ديامغناطيس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلياژهاي ابررسانايي مانند سرب+بيسموت و سرب+تيتانيوم كشف شدند که ميدانهاي بحراني خيلي بالايي از خود نشان مي‌دادند. پژوهشهاي بعدي نشان داد که اين مواد نوع متفاوتي از ابررساناها هستند که بعداً نوع II ناميده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژي در محدوده کوچکي بين مرز فازهاي ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست آورده و به حضور يک سطح انرژي ديگر با منشأ غيرمغناطيسي اشاره کرد كه علاوه بر انرژي مرز بين دو فاز ابررسانا و نرمال وجود داشت. وي متذکر شد که اگر سطح انرژي کل مثبت باشد ابررسانايي ازنوع اول و اگر منفي باشد از نوع دوم است که در اين صورت ميدان مغناطيسي به درون ابررسانا نفوذ مي‌کند. در سال 2003 نيز آلكسي آبريكوزوف و ويتالي گينزبورگ به خاطر بسط تئوري ابررسانايي همراه با آنتوني لگت برنده جايزه نوبل فيزيك شدند.

به تازگي هم پژوهشگران فرانسوي خاصيت جديدي را در ابررساناها پيدا كرده‌اند كه قبلاً در هيچ نظريه‌اي پيش‌بيني نشده بود. چنانكه اشاره شد خواص ابررسانايي در مواد، به دماي محيط، ميدان مغناطيسي و شدت جريان عبوري بستگي دارد. محققان فرانسوي بلوري ساخته‌ بودند كه در دماي 04/0 درجه كلوين ابررسانا مي‌شد و وقتي شدت ميدان مغناطيسي به بيشتر از 2 تسلا مي‌رسيد، اين خاصيت از بين مي‌رفت. يكي از پژوهشگران اين گروه، از روي كنجكاوي، شدت ميدان مغناطيسي را باز هم بيشتر كرد. وقتي شدت ميدان به 12 تسلا رسيد، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتي ميدان باز هم بالاتر رفت، اين خاصيت دوباره از بين رفت. اين گزارش كه اخيراً در نشريه علمي ساينس به چاپ رسيده، توجه بسياري از فيزيكدانان حالت جامد را برانگيخته است چرا كه هيچ توضيح خاصي براي اين پديده وجود ندارد. با توجه به موارد گفته شده، به نظر مي‌رسد كه ميدان مغناطيسي متغير باعث ايجاد رفتارهاي جالب پيش‌بيني نشده در ابررساناها مي‌شود. البته بايد توجه داشت كه ابررسانايي يك خاصيت كاملاً كوانتمي است و به سادگي نمي‌توان وضعيت پيش آمده در اين آزمايش را توصيف كرد.

www.hts.blogfa.com

هر ترانزیستور از سه قسمت ساخته می‌شود که عبارتند از امیتر، بیس و کلکتور. تیم طراح می‌گوید که ساختار کلکتور را با افزودن ایندیوم، کریستاله می‌کنند تا هتروجانکشن سودومورفیک (pseudomorphic heterojunction) درست شود. این پیوند اجازه می‌دهد تا الکترونها آزادانه تر بین دو لایه حرکت کنند که در نتیجه این عمل، سرعت بالا حاصل می‌شود. میلتون فینچ پروفسور مهندسی برق و کامپیوتر هولونیاک در ایلینویز که این مطالب را عنوان نمود اضافه کرد که هنوز چند سالی با ارائه نمونه عملی این ترانزیستورها به بازار فاصله داریم زیرا قیمتی که برای این نمونه تنظیم شده است 100 برابر ترانزیستور ساخته شده از سیلیکون است هرچند که انتظار می‌رود با تولید انبوه، این هزینه تا 90 درصد کاهش یابد. یکی از نقاط ضعف این مواد جدید آنستکه بشدت نیرو مصرف می‌کنند که باعث می‌شود تا نتوان آنها را در میکروپروسسورها کنار هم قرار داد.

در سال 1971 میلادی اولین پردازنده شرکت اینتل به نام 4004 تعداد 2300 ترانزیستور داشت و30 سال بعد از آن پردازنده پنتیوم 4 تعداد 42 میلیون ترانزیستور داشت در طی این مدت استراتژی اصلی سازندگان تراشه ها برای ساختن پردازنده های سریعتر کوچکتر کردن ترانزیستورها بوده برای فعال کردن آنها در انجام اعمال تکراری و همچنین فعال کردن مدارهای بسیار پیچیده که درون یک طاس از جنس سیلیکون جاگذاری شده اند به هر حال نظر به اینکه نیم رساناها حتی بیشتر از پیچیده بودن مرحله ی مهمی را در اندازه و حجم و کارایی ترانزیستورها می گذارنند مانند مصرف برق و گرما که دارد پدیدار می شود که به چند عامل محدود می شوند که به سرعت در طراحی و ساخت تراشه ها بستگی دارد.کاربرد طرحهای موجود برای پردازنده های آینده به خاطر تراوش کنونی در ساختمان ترانزیستور غیر قابل انجام است که نتایجی را از قبیل مصرف زیاد برق و تولید زیاد گرما در برداشته است.
در اواخر سال 2002 شرکت اینتل از نوآوری و پیشرفتهای محققانش در زمینه ساختمان ترانزیستورها و نمایاندن مواد جدید که به عنوان یک گام مهم در تلاش برای حفظ موازین قانون میکروچیپ و بهبود بخشیدن سرعت و راندومان قدرت و کاهش گرمای تولید شده در پردازنده خبرداد.این ساختمان جدید که به عنوان یک به روز رسانی در پردازنده ها اضافه می شود به نام اینتل تراهرتز ترانزیستور می باشد و این به خاطر توانایی در خاموش و روشن کردن ترانزیستورها در مدت زمانی به اندازه یک ترلیونم از ثانیه است شرکت اینتل امیدوار است که سرانجام تراشه های جدیدی بسازد که تعداد ترانزیستور های آن بیشتر از یک بیلیون است باسرعتی ده برابر بیشتر و با تراکم ترانزیستوری،بیست و پنج برابر تمام تراشه های پیشرفته موجود در سال 2000.انجام چنین کاری این معنی را به عناصر تراشه می بخشد که آنها قادر به اندازه گیری مقادیری بسیار کوچکتر از تار موی انسان به اندازه 20 نانو متر هستند.
ترانزیستور اختراع ساده ای است که در یک ناحیه ی سیلیکونی ساخته شده است که آن فقط میتواند به صورت الکترونیکی یک تبدیل بین خاموش و روشن انجام دهد.مطابق آیین و برنامه ترانزیستورها آنها سه پایانه با اسامی Gate و Source و Drain دارند.Source و Drain نوع دیگری از سیلیکون اساسی و Gate ماده به نام پلیسیلیکون است.پایین Gate لایه ی نازکی به نام ماده عایق برق که از دی اکسید سیلیکون ساخته شده وجود دارد وقتی که ولتاژی به ترانزیستور داده می شود Gate باز یا روشن می شود و جریان برق از Source به Drain جاری می شود وقتی که Gate بسته یا خاموش است هیچ جریان برقی وجود ندارد.تکنولوژی اینتل تراهرتز در ترانزیستورها دو تغییر عمده را شامل می شود اولی این است که فاصله ی بین Source و Drain زیاد تر می شود و زیربنای این ترانزیستور ها به گونه ای است که فقط یک جریان الکتریسیته می تواند از آن عبور کند.دومی این است که لایه ی عایق سیلیکون که اندازه ی آن بسیار نازک است زیر Source و Drain جاسازی می شود. این روش با روش موسوم برای ایزوله کردن سیلیکون در بقیه ی اختراعات متفاوت است.وقتی ترانزیستور روشن است ماکسیسم رانشی است که می تواند داشته باشد که این در سرعت تبدیل حالت خاموش و روشن کردن ترانزیستور بسیار مفید است.وقتی که Gate خاموش است لایه ی اکسید راه جریانهای ناخواسته ای که در گردش می افتد را مسدود می کند.سومی این است که قطعه شیمیایی لایه ی اکسیدی Gate ی ترانزیستور را با Source و Drain مرتبط می سازد که باعث می شود یک ماده عایق جدید ایجاد شود که این روش توسط تکنولوژی به نام لایه ی اتمی رشد یافته است که این لایه هایی هستند که با کلفتی یک مولکول رشد یافته اند.قطعه شیمییایی خیلی دقیق لایه ی اکسیدی Gate تابه حال توانسته از جنس آلومینیوم و تیتانیوم از بین بقیه قطعات باشد.
این سه روش بهبود سازی مستقل از هم هستند اما کار آنها در آینده یک هدف را دنبال خواهد کرد که استفاده ی موثرتری از جریان برق توسط ترانزیستورهاست:
1- ضخیمتر کردن منطقه ی مورد استفاده برای Source و Drain و تغییر قطعه ی شیمییایی Gate اکسیدی که همه ی اینها به تراوش بدنه ی اصلی Gate کمک می کند زیرا جریان میتواند به خارج از Gate تراوش کند.ترانزیستور های کوچکتر راه فرار بیشتری می گیرند به خاطر همین طراحان مجبورند جریان الکتریسیته ی بیشتری برای پمپ کردن در نظر بگیرند که باعث تولید گرمای بیشتری می شود. شرکت اینتل ادعا می کند تراوش Gate در ماده جدید نسبت به دی اکسید سیلیکون 10000 برابرکاهش می یابد.
2- افزایش لایه ی عایق کننده سیلیکون ((SOI باعث کاهش مقاومت در برابر جریان گردشی بین Source و Drain می شود.درنهایت این کاهش مقاومت به طراحان این اجازه را خواهد داد که مصرف برق را کاهش دهند یا بازده و کارایی را نسبت به انرژی داده شده بهبود بخشند.
3- مزیتهای دیگری هم وجود دارد که آنها را نشان می دهیم.برای مثال: گردش آزادانه ذرات آلفا که از تماس با یک ترانزیستور در تراشه ها می تواند به طور ناگهانی باعث تغییر حالت آن یا بروز خطا شود که در آینده این ذرات بوسیله ی لایه ی عایق کننده (SOI) جذب می شوند.
پردازنده های کنونی پنتیوم4 با توان 45 وات نار می کنند.خوب است بدانیم که ترانزیستورهای تراهرتز درپردازنده های آینده قادر هستند مراحل اتلاف توان را حفظ کنند و قدرت را در فاصله ی 100 وات نگهدارند.
شرکت اینتل پیشنهاد کرده که می تواند با بکارگرفتن قسمتهایی از تکنولوژی تراهرتز در تولیدات آتی خود مثلا تراشه های 0.09 میکرونی در سال 2003 یا زودتر استفاده کند.در نهایت تغییرات شیمییایی و معماری مجزا در تکنولوژی جدید می تواند در نیمه دوم قرن جاری به اوج خود برسد.شرکت اینتل در سال 2007 تراشه هایی خواهد ساخت که با یک بیلیون ترانزیستور کار می کند اما با میزان مصرف برق پردازنده های پنتیوم 4 که در قرن حاضر مصرف می شوند.با چنین سرعت پیشرفت،از ترانزیستورهای جدید انتظار می رود پردازنده هایی با سرعت 10 گیگا هرتز در سال 2005 و تراشه هایی با 20 گیگاهرتز سرعت در پایان دهه تولید شود

سریع‌ترین ترانزیستور جهان توسط دكتر " فرشید رییسی " عضو هیات علمی دانشكده مهندسی برق دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی طراحی و ساخته شد.در طراحی این ترانزیستور به جای الكترون از سالیتان (بسته‌های امواج الكترو مغناطیسی ) كه با سرعت نور حركت می‌كند،استفاده شده است.رییسی درباره مزیت این طرح گفت:ترانزیستور سالیتانی می‌تواند صدها برابر سریع تر از ترانزیستورهای معمولی كه از جنس نیمه هادی هستند، عمل كند.وی افزود:این ترانزیستور در ابعاد ‪ ۸دهم میلیمتر ساخته شده است و سرعتی حدود ‪ ۸گیگاهرتز دارد كه در مقایسه با ترانزیستورهای معمولی (حدود ‪ ۲/۵گیگا هرتز) سه برابر بیشتر است و هر چه ابعاد آن كوچكتر باشد،سرعت ترانزیستور افزایش می‌یابد.وی با اشاره به اینكه قطعات مورد نیاز این ترانزیستور از خارج كشور تهیه می‌شود،گفت:تولید این ترانزیستور به آزمایشگاه‌های ساخت قطعات نیمه هادی نیازمند است كه متاسفانه در كشور وجود ندارد.وی افزود:در حالی كه هزینه تهیه یك آزمایشگاه ساخت ترانزیستور سالیتانی نسبت به هزینه آزمایشگاه‌های ساخت ترانزیستورهای كنونی بسیار كمتراست.دكتر رییسی خاطر نشان كرد:در صورت تجهیز آزمایشگاه قطعات نیمه هادی در كشور ،با تهیه ترانزیستورهای سالیتانی در ابعاد صد نانومتر ،می توان سرعت فركانسی آن را به حدود ‪ ۲۰۰تا‪۳۰۰گیگاهرتز رساند تا در مواردی نظیر ابررایانه‌ها وفعالیت‌های دفاعی كه سرعت ترانزیستور اهمیت دارد به كار رود.وی افزود:ترانزیستور سالیتانی علاوه بر سرعت سه برابر بیشتر نمونه اولیه آن نسبت به سریع‌ترین ترانزیستورهای موجود در بازار،از لحاظ هزینه تولید از ترانزیستورهای نیمه هادی با كاربردی در ‪CPUهابسیار ارزانتر است.مقاله مربوط به طرح ابتكاری دكتر "فرشید رییسی" كه در مجله معتبر بین‌المللی ‪Applied PhysicsLettersآمریكا ارایه شده،بازتاب وسیعی در نشریات و رسانه‌های علمی فیزیك جهان داشته است.

بعدها ترانزیستورهای دوقطبی جایگزین SCRها شدند. از آنجائیکه سرعت برانگیختگی دوقطبیها خیلی بیشتر است ماحصل استفاده از آنها، بهبود خروجی و کاهش هارمونیکها بود. ورود ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایقدار (Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT) خیز به جلوی بزرگی را منجر گردید. امروزه آنها استاندارد درایوهای PWM هستند که هم جایگزین SCRها و هم ترانزیستورهای دوقطبی شدهاند.

با تغییر حالت روشن/خاموش گذرگاه DC در فاصله های زمانی مشخص، IGBTها به مبدل اجازه میدهند که پالس خروجی با پهنا و فاصله بینابین متفاوت ساخته شود. مرکز کنترل درایو، زمان روشن یا خاموش بودن IGBTها را تنظیم میکند. این زمانسنجی، ولتاژ و فرکانس خروجی را تعیین میکند.

فرکانس حامل (یا فرکانس سویچینگ) عبارتی است که به سرعت این تغییر حالت روشن/خاموش اطلاق میگردد. هرچه فرکانس تغییر حالت بالاتر باشد به همان میزان تفکیکپذیری و دقت بیشتری در هر پالس ولتاژ خواهیم داشت. درایوهای قدیمی مبتنی بر SCR دارای دقتی تا 500 بار در ثانیه بودند در حالیکه سرعت تغییر حالت انواع IGBTها به 4000 بار در ثانیه میرسد.

آیا هیچ جنبه منفیای در این سویچینگها وجود دارد؟ بازده پائین است و اتلاف توان بصورت گرما ظاهر میگردد. بهمین دلیل است که درایوهای امروزی در مقایسه با انواع قدیمی دارای انبارههای حرارتی (Heat Sink) بزرگتری هستند و نیاز به جریان کافی هوا، ضروریتر بنظر میرسد.

تکامل تدریجی درایو

از سال 1990 به بعد سازندگان مختلف درایو بر روی کوچکتر کردن اندازه محصولاتشان تمرکز کردند. این پیشرفت به گونهای بود که محصول جدید یک سازنده باندازه یک سوم آخرین محصول قبلیاش بود.

حالا این موضوع چه نفعی برای کاربر نهائی دارد؟ هرچه مجموعه درایو کوچکتر باشد، نصب آن نزدیک موتور راحتتر است. درازای سیمهای اتصال در طول عمر موتوری که از درایو استفاده میکند بسیار حائز اهمیت است. بطور کلی بهتر است که درایو به موتور نزدیکتر باشد.

زمانیکه طول سیمهای اتصال به 300 متر میرسد اثر بازتاب (Echo Effect) (که آشکار شدن آن در آن درازا طبیعی و ذاتی است) ظاهر گردیده و مشکلات عدیدهای را باعث میگردد. این اثر انرژی مفرطی بر سیمپیچ اول موتور وارد میکند و خرابی زودرس را حاصل میآورد. راهحلهای به غیر از نزدیک کردن درایو به موتور نیز عمدتاً پرهزینه هستند.

انواع درایوهای امروزی از نظر ضریب قدرت (Power-factor-corrected) و هارمونیکها (Harmonics-corrected) تصحیح شده هستند. در گذشته، برای وضعیتهائی که هارمونیک بالا بود درایو 12-پالس را جایگزین 6-پالس میکردند؛ بر اساس این منطق که تعداد ادوات سویچینگ (IGBTها) را همان تعداد پالسها تعیین میکند.

با استفاده از درایوهای هارمونیک-تصحیح شده، طراح میتواند تعداد ادوات سویچینگ را نادیده گرفته و به سادگی، تنها نوع درایو را مشخص کند.

نصب درایوهای الکتریکی قدیمی، همواره مقولهای مشکلزا و پردردسر بوده است. VFDهای امروزی دارای رابط کاربری شهودی و قابلیتهای بیشماری هستند که حتی یک تازهکار نیز میتواند نصب درایو را به راحتی و با سرعت انجام دهد.

تعمیر و نگهداری درایو

VFDهای امروزی مجهز به قابلیتهای خودتشخیصی، بازبینی، اخطار و ارتباط هستند. از این قرار زیر نظر داشتن وضعیت و کارائی درایو بطور خودکار امکانپذیر است. تعمیر و نگهداری، سوای این بازبینی شامل تمیز و خشک نگهداشتن درایو و تامین هوای خنککننده کافی نیز میشود. شرط احتیاط این است که مانند تمام تجهیزات الکتریکی، حفاظت در برابر تغییر ناگهانی ولتاژ و جریان، اتصال زمین مناسب و نظارت بر توان انجام گردد.

تئوری موتورها، درایوها و جریان متناوب:

هر موتور از دو بخش اساسی تشکیل شده است: استاتور (بخش ثابت و ایستا) و روتور (بخش متحرک و چرخان). در بدنه استاتور، از قطعات آهنربا استفاده شده است و آرایش آنها بصورت جفت قطبهای مغناطیسی نظیر به نظیر با پلاریته مخالف است.

سرعت پایه چرخش روتور (شفت) وابسته به تعداد قطبها و فرکانس توان ورودی بعلاوه پارامتری بنام لغزش (Slip) است. لغزش تفاوت بین موقعیت روتور و میدان مغناطیسی است و همواره روتور سعی در رسیدن به آن را دارد. لغزش همان عامل چرخش موتور است.

سرعت پایه موتور از فرمول روبرو قابل محاسبه است: فرکانس ضربدر 120 تقسیم بر تعداد قطبها. سرعت چرخش یک موتور 4 قطبه، RPM 1800 است و اگر تعداد قطبها دو برابر شود به RPM 900 تقلیل مییابد. همچنین در یک موتور 6 قطبه سرعت چرخش برابر RPM 1200 است.

تغییر قطبها به تنهائی، قابلیت تنظیم سرعت بسیار محدودی را حاصل میآورد و برای اِعمال آن نیز نیاز به تعویض استاتور و سیمپیچی مجدد موتور است که مقولهای بسیار پرهزینه و ناپخته است. بنابراین تغییر فرکانس بعنوان تنها گزینه برای تغییر سرعت موتور باقی میماند.

با این اوصاف، گشتاور موتور چه تغییری میکند؟ میدانیم که مقدار گشتاوری که یک موتور تامین میکند به نسبت ولتاژ به فرکانس (V/Hz) بستگی دارد. در یک موتور القائی با تغذیه 480 ولت 60 هرتز، این نسبت برابر 8 است. هرگاه که VFD فرکانس خروجیاش را تغییر میدهد این نسبت تغییر میکند و منحنی گشتاور جدیدی حاصل میآید.

عمل تبدیل صفرویک(مثلا 0V و 5V ) به ولتاژهای +12V و -12V تا حدودزیادیاثرنویزهای محیطی را کاهش می دهد.اما برای مسافتهای طولانی، Baud Rate بالا ومحیطهای با اثر القاء نویزبالا،زیاد قابل اطمینان نیست.چراکه:

1-در مسافتهای طولانی اثرنویزهای محیطی بیشتر می شود.

2-در فرکانسهای بالا،تشعشع خط فرستنده،روی گیرنده اثر می گذارد.

برای حل مشکلات فوق،استاندارد RS422 پیشنهاد می شود. برای خروجی TXD دستگاه،یک فرستنده تفاضلی و برای ورودی RXD دستگاه، یک گیرنده تفاضلی قرار داده میشود.

برای ارتباط ازنوع RS422 به 5 خط نیازاست.فرستنده تفاضلی روی خط A ، سیگنال TXD وروی خط B ، معکوس سیگنال فوق را تولید می کند.گیرنده نیز تفاضل این دو سیگنالرابه RXD دستگاه تحویل می دهد.به این صورت نویزهای محیط که به صورت مشترک روی دوسیم A و B قرار می گیرند،درورودی گیرنده تفاضلی حذف می شوند.اما سیگنال اصلی که بادامنه معکوس روی دو سیم ارسال می شود،با صحت کامل در گیرنده دریافت می شود.همچنینبه این شکل اثر تشعشع خط فرستنده روی گیرنده از بین می رود.

ارتباط RS422 (مانند RS232 ) ازنوع کاملا دو طرفه( Full duplex ) است.به اینمعنی که خط ارسال و دریافت برای دستگاه جدا ازهم بوده،بنابراین درآن واحد دستگاه میتواند هم فرستنده باشد وهم گیرنده. اما در RS485 این ارتباط نیمه دوطرفه( Half duplex ) می باشد. به این معنی که دستگاه درآن واحد یا فرستنده است یا گیرنده. چراکه خط ارسال ودریافت یکی است.بنابراین در این سیستم،ارتباط بایدبه صورت Master و Slave انجام شود.

ارتباط به گونه ایست که Slave ها نمی توانند سرخودداده ای را ارسالکنند.بلکه Master درزمانبندیهای خاصی آدرس Slave هاراپشت سرهم می فرستدوباآنهاارتباط برقرارمی کند.البته نرم افزار این سیستمها بسته به نیاز پروژه و سلیقهطراح قابل طراحی است.

نکته قابل تامل دراستاندارد RS485 این است که درحالت عادی خروجی Slave هاباید tri-state باشدتاروی خط ودرنتیجه روی عملکرد Master اثر نگذارندوفقط وقتی کهقرار است داده ای ارسال کنند،به خط متصل شوند.

به همین شکل ورودی Master فقط بایدوقتی فعال شودکه قراراست داده ای از Slave مربوط بگیرد.چرا که در غیراین صورت،داده های ارسالی خود Master ، توسط Master دریافت می شوند.البته درباره آنچه گفته شد،شاید راهکارهای دیگری بسته به نیاز پروژهوجود داشته باشد.

کریستالهای مایع موادی هستند که ظاهر مایع دارند، اما مولکولهای آنها آرایش خاصی نسبت به یکدیگر دارند ، درست مانند جامدات که در شکل هم به راحتی دیده می شود. به همین دلیل کریستال مایع خصوصیاتی شبیه به مایع و جامد داشته و به همین دلیل با چنین اسم متناقضی خوانده می شوند .

این مواد به شدت به دما حساس اند و اندکی حرارت لازم است تا آنها را به مایع واقعی درآورد و یا اندکی سرما تا به معمولی تبدیل شود. به همین دلیل است که LCD ها در مقابل تغییرات دما عکس العمل نشان داده و به عنوان دماسنج طبی استفاده می شوند . جالب این است که به دلیل همین حساسیت نمی توان از کامپیوترهای کیفی یا نظایر آن در هوای بسیار سر و یا مثلاً در آفتاب داغ ساحل دریا استفاده کرد . در این وضعیت معمولاً LCD ها عکس العمل های عجیب و غریبی از خود نشان می دهند .

انواع مختلفی از مواد شناخته شده اند که در دمای معمولی چنین خصوصیاتی دارند. اما دسته ای از آنهاهستند که به جریان الکتریسیته هم حساس هستند و مولکولهای آن متناسب با جریان برق ورودی می چرخند و تغییر زاویه می دهند . این خصوصیت عجیب اثر جالبی هم دارد. وقتی نور از درون یک کریستال مایع این چنین عبور کند، پلاریزاسیون یا قطبش آن هم جهت با مولکولهای کریستال می شود .
از همین خاصیت برای LCD ها استفاده شد. با این توضیح که چون کریستالهای مایع شفاف و هادی الکتریسیته هستند ، به راحتی می توان آنها را در جریان الکتریسیته قرار داد و نور را از آن عبور داد.

برای این کار به جز کریستال مایع به 2 تکه از این شیشه پلاروید یا قطبشگر هم نیاز است. احتمالاً این شیشه ها را دیده اید. اگر دو تکه از این شیشه ها را روی هم قرار دهید. نور به راحتی از آن عبور می کند . اما وقتی یکی از آنها را 90 درجه نسبت به دیگری بچرخانید ، دیگر نور رد نمی شود . این اتفاق به این دلیل روی می دهد که هر شیشه نو را فقط در جهت خاص محور خود عبور می دهد . اگر دو شیشه هم محور باشند نور به راحتی عبور می کند اما اگر محورها با هم زاویه 90 درجه داشته باشند نور رد نخواهد شد .

برای ساخت LCD دو شیشه پلاروید را با 90 درجه اختلاف نسبت به یکدیگر قرار می دهند و یک کریستال مایع بین آنها می گذارند . وقتی کریستال به جریان برق وصل نباشد؛ نور از قطبشگر اول می گذرد و وارد کریستال مایع می شود جهتش 90 درجه تغییر کرده و به همین دلیل از قطبشگر دوم هم عبور کرده و به چشم می رسد. اما وقتی که جریان به کریستال وصل باشد ،نور دیگر چرخشی نخواهد داشت و نمی تواند از کریستال دوم عبور کند .

ساختن یک LCD همان طور که در بالا توضیح داده شد، بسیار ساده تر از آن است که به نظر می آید . فقط به یک ساندویچ شیشه و کریستال نیاز داریم. اما همین ساندویچ ساده 80 سال پس از کشف کریستالهای مایع ساخته شد.

کریستال مایع را یک گیاه شناس اتریشی در سال 1888 برای اولین بار در حین ذوب جامدی از مشتقات آلی کشف کرد . اما اولین LCD را یک کارخانه آمریکایی در سال 1968 ساخت . تکنولوژی ساخت LCD هر روز متکامل تر شده و جای بیشتری در صنایع امروز به خود اختصاص می دهد . البته هنوز هم تحقیقات برای ساخت نمونه های بهتر و کاراتر این وسیله ادامه دارد

حدود 20 سال است كه سيستمهاي پر قدرت جاي خود را حتيدر مصارف خانگي هم باز كرده اند و اين به دليل معرفي سيستمهاي جديد براي تغذيهمدارات قدرت است.

اين منابع تغذيه كاملاً خطي عمل مي نمايند. اين نوع منابع رامنابع تغذيه سوئيچينگ مي نامند. اين اسم از نوع عملكرد اين سيستمها گرفته شده است. به اين منابع تغذيه اختصاراً SMPS نيز مي گويند. اين حروف بر گرفته شده از ناملاتين Switched Mode Power Supplies است

راندمان SMPS بصورت نوعي بين 80% الي 90% است كه 30% تا 40% آنها در نواحي خطي كار مي كنند. خنك كننده هاي بزرگ كه منابعتغذيه رگوله قديمي از آنها استفاده مي كردند، درSMPSها ديگر به چشم نمي خورند و اينباعث شده كه از اين منابع تغذيه بتوان در توانهاي خيلي بالا نيز استفاده كرد.

درفركانسهاي بالاي كليدزني از يک ترانزيستور جهت كنترل سطح ولتاژ DC استفاده مي شود. با بالا رفتن فركانس ترانزيستور، ديگر خطي عمل نمي كند و نويز مخابراتي شديدي را باتوان بالا توليد مي نمايد. به همين سبب در فركانس كليد زني بالا از المان كم مصرف Power MOSFET استفاده مي شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نيز زياد مي شود. المان جديدي به بازار آمده كه تمامي مزاياي دو قطعة فوق را در خود جمع آوري نمودهاست و ديگر معايب BJT و Power MOSFET را ندارد. اين قطعة جديد IGBT نام دارد. در طيسالهاي اخير به دليل ارزاني و مزاياي اين قطعه از IGBT استفادة زيادي شدهاست.

امروزه مداراتي كه طراحي مي شوند، در رنج فركانسي MHZ و قدرتهاي در حد MVA و با قيمت خيلي كمتر از انواع قديمي خود مي باشند.

فروشنده هاي اروپائي در سال 1990 ميلادي تا حد 2 ميليارد دلار از فروش اين SMPSها درآمد خالص كسب نمودند. 80% از SMPSهاي فروخته شده در اروپا طراحي شدند و توسط كارخانه هاي اروپائي ساخت آنهاصورت پذيرفت. درآمد فوق العاده بالاي فروش اين SMPSها در سال 1990 باعث گرديدكهشاخة جديدي در مهندسي برق ايجاد شود، اين رشته مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگنام گرفت

يک مهندس طراح منابع تغذيه سوئيچينگ بايستي كه در كليه شاخه هاي زيرتجربه و مهارت کافي كسب كند و هميشه اطلاعات بروز شده در موارد زير داشتهباشد:

1-طراحي مدارات سوئيچينگ الكترونيك قدرت

2-طراحي قطعات مختلفالكترونيك قدرت.

3-فهم عميقي از نظريه هاي كنترلي و كاربرد آنها در SMPSهاداشته باشد.

4-اصول طراحي را با در نظر گرفتن سازگاري ميدانهاي الكترومغناطيسيمنابع تغذيه سوئيچينگ با

محيط انجام دهد.

5-درك صحيح از دفع حرارت دروني (انتقال حرارت به محيط) و طراحي مدارات خنك كنندة مؤثر با راندمان زياد.

و …
دراين کتاب نيز سعي بر اين است كه طبق اصول نوين مهندسي طراحي منابع تغذيهسوئيچينگ كليه اطلاعات مورد نياز در اختيار خواننده قرار گيرد.

Switch-mode power supply

1.2. تعاريفعمومي در SMPSها

هر سيستم طراحي شده به طور طبيعي وابسته به منبع تغذية خود ميباشد. يعني اولين پارامتر در طراحي مدار نوع منبع تغذيه و مقادير وابسته به آن است. يكي از مباحث مهم در طراحي SMPS ها، سنگين وزن بودن و گراني آن است، كه كليه اينهادر يك منبع تغذيه از نوع SMPS به صورت دستگاه ارزان قيمت، سبك و كوچك تعريف خواهدشد.

وقتي كه طراح سيستم شروع طراحي مي كند، اولين تعريفي را كه در نظر خود مجسممي كند، مقدار ولتاژ و جـريان ماكزيمم در SMPS است. بنابراين نسبت ولتاژ و جريانتعيين كننده انتخاب قطعات مورد نياز براي طراحي است.

مقدار ولتاژخروجي:

عموماً در بيشتر مدارات منطقي ولتاژ 5v مورد نياز مي باشد، اما در بعضيموارد نياز به 5v- هم مي باشد. در كامپيوترها براي ايجاد گشتاور در موتورهاي متنوعبه كار رفته در درايوهاي مختلف مانند موتورهاي CPU FAN ,CD ROM, F.D.D , H.D.D و ... نياز به ولتاژهاي +12v ,-12v مي باشد. در مصارف كنترل صنعتي جهت اعمال فرمانتحريك قطع و وصل در شيرهاي برقي و رله هاي كنتاكتوري از طريق پورتهاي PLC ولتاژاعمالي به سيستمهاي تحت كنترل داراي سطوح ولتاژي +24v ,-24v است. در اتومبيلهايبرقي، تركشن و HVDC به سطح ولتاژ بالاتري احتياج است.

مقدار جريان:

در هرخروجي مي بايست ماكزيمم جريان مصرفي در حالت پايداري مشخص شود. هر سيستم الكتريكيدر روي بدنه خود پلاكي دارد كه در آن تمام مقادير نامي و مجاز مورد نياز دستگاه ازطرف كارخانه سازنده باتوجه به مشخصات طراحي و تستهاي متعددي كه بر روي دستگاه انجامشده است، مشخص مي باشد. براي مثال در ديسك درايوها مقدار جريان راه اندازي و حالتپايداري مشخص مي باشد و طراح منبع تغذيه بايستي حد مجاز جريان خروجي را بالاتر ازجريان راه اندازي و حالت پايداري تعيين نمايد. حتي در بعضي از مواقع سازندهدياگرامهايي را همراه با دستگاه قرار مي دهد كه كمك بيشتري به طراح ميكند.

ولتاژ ورودي:

ولتاژ ورودي مي تواند از نوع AC يا DC و با رنج تغييراتمشخصي باشد. طراح حتماً بايد به نوع ورودي و عملياتي كه مي بايد روي آن انجام دهدتا خروجي مطلوبي بدست آورد را همواره در نظر بگيرد. معمولاً فرکانس، دامنه و شکلموج ولتاژ ورودي در طراحي خيلي مهم است. همچنين نوع شبکه اي که تغذيه ورودي را برعهده دارد مهم است. معمولاً در محيطهاي صنعتي مانند کارخانجاتي که شبکه در شرايطسخت جهت تامين انرژي قوص الکتريکي و … کار مي کند شکل موج ولتاژ و جريان ورودي غيرقابل پيش بيني است و بايد با استفاده از سيستمهاي جبرانساز شکل موجهای شبکه را تاحد قابل قبولي اصلاح کرد.

ايزولاسيون:

در بسياري از كاربردها ايزولاسيونالكتريكي بين ورودي ها و خروجي هاي مدارات احتياج مي باشد، وحتي در بسياري از مواردايزولاسيون بين خروجي دستگاه با ورودي دستگاه ديگر نيز مورد نياز است و طراح ملزمبه انديشيدن تدابيري خاص جهت برآورده سازی اين امر مي باشد.

ايزولاسيون الكتريكياغلب توسط ترانسفورماتور در منابع تغذيه ايجاد مي شود كه استفاده از ترانسفورماتورباعث حجيم شدن منبع تغذيه مي شود. در مصارفي كه نياز به حجم كوچك مي باشد، مانندماهواره ها، كامپيوترها، شارژرهاي باطري موبايل و تلفن و همچنين در منبع تغذيه مورداستفاده در پرينترها و دستگاه هاي كوچك كه اجبار در كوچك ساختن آنها مي باشد نظيردوربينهاي عكاسي ديجيتالي و دوربينهاي فيلم برداري و لوازم نظامي استراق سمع وجاسوسي و بمبها و موشكهاي دوربرد ناچاراً بايد از ايزولاسيون به وسيلهترانسفورماتور چشمپوشي كرد و به فكر چارة ديگري براي تحقق بخشيدن به اين امر بود يااينكه توسط مدارات فيدبك عمل تثبيت خروجي را در صورت وجود تغيير يا اغتشاش در وروديرا انجام داد تا از مدارات در مقابل صدمه ديدنو معيوب شدن حفاظت شود و يا اينكهبايست از ايزولاسيون تا حدودي يا کلاً صرف نظر نمود.

ريپل در خروجي:

طبيعتاًمقداري نوسان در خروجي DC منابع تغذيه وجود دارد. به مقدار دامنه پيك تا پيك ايننوسانات ريپل مي گويند. هر خروجي كه داراي ريپل باشد، حتماً داراي تعدادي هارمونيكبغير از فرکانس صفر هرتز است. به همين خاطر اغلب مقدار خروجي را به جاي معرفي بامقدار DC آنرا با مقدارrms نشان مي دهند. هر چه مقدار نسبت ثابت ريپل به مقدار DC كوچكتر باشد بهتر است. اين نسبتِ در صديِ ريپل را مي توان با استفاده از فيلترپايين گذر متشكل از سلف و خازن و يا افزايش فركانس ورودي و كليدزني با سرعت زياد تاحد قابل ملاحظه اي كاهش داد.

رگولاسيون

ولتاژ خروجي در يك منبع تغذيه متأثراز عواملي مي باشد كه اين عوامل عبارتند از:

ب( تغييرات در جريان بار.

ج ) تغييرات در درجه حرارت محيط.

يك منبع تغذيةرگوله معمولاً داراي مدارات فيدبك براي جبران اين تغييرات و اصلاح آنها و محدودكردن اين تغييرات در ناحية قابل قبولي مي باشد. اين فيدبك ها ممكن است عملرگولاسيون را به صور (1)رگولاسيون خط، (2)رگولاسيون بار، (3)رگولاسيون حرارتي،انجام دهد.

پاسخ حالت گذرايي:

پاسخ به تغييرات ناگهاني و گذراي جريان بار يكياز پارامترهاي مهم در هر منبع تغذيه اي است. در حالت بار كامل در صورتي كه جريانبطور وصل شدن ناگهاني كليد در بار جاري شود، حتي در صورتي كه بار متصل به ترمينالخروجي جريان كمي را از منبع تغذيه دريافت كند، ولتاژ خروجي ناگهان مي افتد و ازولتاژ حالت بي باري كمتر مي شود و سپس توسط رگولاسيون به يك حد پايدار خواهد رسيد. از طرف ديگر در حالتي كه منبع تغذيه با بار كامل در حالت پايدار به سر مي برد اگرناگهان بار توسط كليد قطع شود، آنگاه ناگهان ولتاژ خروجي صعود مي كند، و ازحالتقبلي خود فراتر مي رود و سپس با چندين نوسان به حالت پايدار بدون بار خواهد رسيد. در اين حالت ممكن است كه قطعاتي كه در بلوكهاي خروجي منبع تغذيه هستند اين سطحتغييرات را تحمل نكنند و از بين بروند. در بعضي از موارد دربعضي از سيستمها ممكناست كه خروجي به حالت پايدار نرسد و نوساني ياحتي ناپايدار شود. از آنجا كه درخروجي اغلب منابع تغذيه فيلتر هاي صافي براي كاهش ريپل ولتاژ و جريان مي باشند كهاين فيلترها داراي ظرفيتهاي خازني بزرگي هستند. با ناپايدار شدن ولتاژ امكان انفجاردر خازن وجود دارد.

از سوي ديگر زمان بازيابي يا Recovery Time زمان لازم برايبازگشت به حالت پايدار طبيعي مي باشد، كه بايستي تاحد ممكن اين زمان كوچك باشد. پسبايد توسط روشهاي رگولاسيون خاص ولتاژ خروجي را محدود كرد و سعي نمود كه در كمترينزمان ممكن و با كمترين نوسان و Over Shoot به حد پايداري خود برسد. زمان پاسخگذرايي در منابع تغذيه و بخصوص در منابع تغذيه سوئيچينگ با روشهاي مختلفي كهسازندگان SMPS از آن استفاده مي كنند نظيرحلقه هاي فيدبك و جبران ساز و قرار دادنفيلترهاي مخصوص در طبقات مختلف منبع تغذيه كه در قسمتهاي بعدي به آن اشاره مي شود،خيلي كوتاه خواهد شد.