Principles of Electronics

اساسيات الالكترونيات Dr.Huda A.AlBuraih

Prof. Assistant in Physics Department

College of science

PNU

haalburiah@pnu.edu.sa

Office No 2.415

Google sites/ Huda Alburiah

Telegram:http://t.me/electronics39

Contents Electronics - Atomic Structure - Structure of Elements - The

Electron- Energy of an Electron - Valence Electron - Free

Electrons - Voltage Source - Constant Voltage Source- Constant

Current Source- Maximum Power Transfer Theorem

Chapter 1. Introduction

: الالكترونية النبائط مهام :الموجة ( تصحيح ) تقويم -1

Rectification. The conversion of A.C. into D.C is called rectification.

Electronic devices can convert A.C. power into D.C power (See Fig. 1.1)

with very high efficiency. This D.C. supply can be used for charging storage

batteries, field supply of D.C. generators, electroplating etc.

(التكبير ) التضخيم -2

Amplification. The process of raising the strength of a weak signal is

known as amplification. Electronic devices can accomplish the job of

amplification and thus act as amplifiers (See Fig.1.2). The amplifiers are

used in a wide variety of ways. For example, an amplifier is used in a radio

set where the weak signal is amplified so that it can be heard loudly.

:الالكترونيات تعريف . موصلة شبة مادة او الفراغ او غازية مادة في مشحونة دقائق سريان بدراسة المختص العلم

لا (فلزية او معدنية مادة ) الكهربي التوصيل جيدة مادة داخل المشحونة الجسيمات حركة اما

.الكهربية مجال ضمن تدخل وانما الالكترونيات علم نطاق تحت تندرج

The word electronics derives its name from electron present in

all materials.

: التحكم -3

Control. Electronic devices find wide applications in automatic control. For example,

speed of a motor, voltage across a refrigerator etc. can be automatically controlled

with the help of such devices.

: التوليد -4

Generation. Electronic devices can convert D.C power into A.C. power of any

frequency (See Fig. 1.3). When performing this function, they are known as oscillators.

The oscillators are used in a wide variety of ways. For example, electronic high

frequency heating is used for annealing and hardening.

:تحويل الضوء الى كهرباء -5

Conversion of light into electricity. Electronic devices can convert light into

electricity.

This conversion of light into electricity is known as photo-electricity, for example solar

cells.

:تحويل الكهرباء الى ضوء -6

Conversion of electricity into light. Electronic devices can convert electricity into

light.

This valuable property is utilized in television and radar

:Structure Atomic الذري التركيب بشحنة مركزية نواة من الذرة تتكون بالذرات، تعرف صغيرة وحدات من الطبيعة في المواد جميع تتكون

النواة حول الالكترونات هذه تدور حيث الالكترونات تسمى سالبة بشحنة مشحونة بجسيمات محاطة موجبة

.مختلفة بمدارات

:nucleus النواة الموجب الجزء البروتون يمثل ونيترونات، بروتونات من وتتكون الذرة في المركزي الجزء النواة تمثل

البروتون كتلة تتساوى الشحنة موجبة النواة تكون بالتالي شحنة له ليس الذي الجزء والنيترون الشحنة

.الذري بالوزن مجموعهما ويعطى والنيترون

atomic weight = no. of protons + no. of neutrons

: النواة خارج وتعاكس المقدار في تساوي الالكترون شحنة ، السالبة الشحنة ذات الالكترونات يوجد الذرة وداخل النواة خارج

الموجبة البروتونات لعدد مساوي السالبة الالكترونات عدد يكون الاعتيادية الشروط وتحت البروتون، شحنة

.الذري بالعدد ذلك ويعرف

atomic number = no. of protons or electrons in an atom

تدور الالكترونات حول النواة في مدارات مختلفة يتحدد عدد الالكترونات في أي مدار

، كما ان المدار الاخير لا (انظري التوضيح ادناه. ) nحيث تمثل رقم المدار 2n2بالعلاقة

الكترونات 8يستطيع احتمال اكثر من The electrons in an atom revolve around the nucleus in different orbits or

paths. The number and arrangement of electrons in any orbit is determined

by the following rules :

(i) The number of electrons in any orbit is given by 2n2 where n is the

number of the orbit. For example,

First orbit contains 2 × 12 = 2 electrons

Second orbit contains 2 × 22 = 8 electrons

Third orbit contains 2 × 32 = 18 electrons and so on..

(ii) The last orbit cannot have more than 8 electrons.

Structure of Elementsتركيب العناصر

نرى ان جميع العناصر في الطبيعة تتكون من ذرات والذرات تتكون من بروتونات ونيترونات والكترونات،

.ويرجع الاختلاف بين هذه العناصر الى عدد وترتيب هذه الدقائق الصغيرة داخل ذراتها

السهل بناء التركيب الذري للعناصر بمعرفة الوزن الذري والعدد الذري للعنصر ، ونأخذ مثال عنصر من

Fig. 1.4النحاس الموضح بالشكل

The atomic structure can be easily built

up if we know the atomic weight and

atomic number of the element. Thus

taking the case of copper atom,

Atomic weight = 64

Atomic number = 29

No. of protons = No. of electrons = 29

and No. of neutrons = 64 − 29 = 35

:The Electronالالكترون يعتمد علم الالكترونيات على دراسة الدقائق الصغيرة المشحونة بشحنة سالبة التي تسمى

:للإلكترونبالإلكترونات، فيم يلي بعض الخصائص الهامة

(i) Charge on an electron, e = 1.602 × 10−19 coulomb

(ii) Mass of an electron, m = 9.0 × 10−31 kg

(iii) Radius of an electron, r = 1.9 × 10−15 metre

The ratio e/m of an electron is 1.77 × 1011 coulombs/kg.

يلاحظ من النسبة ان كتلة الالكترون صغيرة جدا عند مقارنتها بشحنتها، لذا فان الالكترون يتمتع

.بحركية جيدة ويتأثر بصورة جيدة عند وضعه في مجال كهربي او مغناطيسي

: electronEnergy of anطاقة الالكترون يمتلك الالكترون نوعين من الطاقة، طاقة الحركة الناتجة دوران الالكترون حول النواة وطاقة

الوضع الناتجة عن شحنة النواة وتحسب الطاقة الكلية للإلكترون بمجموع هذين النوعين من

.الطاقة

تزداد طاقة الالكترون كلما ازداد بعدا عن النواة وبالتالي تصبح طاقة الالكترونات في المدارات

الخارجية اعلى من طاقة الالكترونات في المدارات الداخلية، كما تلعب الكترونات المدارات

.الخارجية دورا مهما في تحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية والكهربية للمواد

:Valence Electronsالكترونات التكافؤ

الكترونات ) تسمى الكترونات المدار الخارجي للذرة بإلكترونات التكافؤ، عدد الكترونات التكافؤ

. 8هو ( المدار الخارجي للذرة

تحدد الكترونات التكافؤ الخصائص الفيزيائية والكيميائية للعناصر، كما تحدد الكترونات التكافؤ

الخصائص الكهربية للعناصر حيث تصنف العناصر الى مواد موصلة ومواد شبة موصلة ومواد

. عازلة

تتحدد الخواص الكهربية للمواد بناء على عدد الكترونات التكافؤ في المدار الخارجي حسب

:القواعد التالية

( اقل من نصف العدد الذي يملأ للمدار الخارجي) 4اذا كان عدد الكترونات التكافؤ اقل من

على 3و 2و1تكون المادة موصلة، مثل الصوديوم والمغنيسيوم والالمونيوم والتي تكافؤها

(1.5شكل ). التوالي

تكون المادة عازلة مثل النيتروجين و الكبريت 4عندما يكون عدد الكترونات التكافؤ اكثر من

( 1.6انظري الشكل . ) على التوالي 8و 6و 5والنيون والتي تكون الكترونات تكافؤها

نصف العدد الذي يملا المدار ) 4عندما يكون عدد الكترونات التكافؤ في المدار الخارجي

تسمى المواد في هذه الحالة بأشباه موصلات ولها من الخصائص التي تجمع بين ( الخارجي

( 1.7انظري الشكل ) مثل الكربون والجرمانيوم والسيليكون . الموصلات والعازلات

:Free Electronsالالكترونات الحرة تمتلك الكترونات التكافؤ لمواد مختلفة طاقات مختلفة، عندما تمتلك الكترونات التكافؤ اعلى طاقة

.يكون ارتباط بنواتها ضعيف

لمواد معينة خاصة المعادن تمتلك الكترونات التكافؤ طاقة كبيرة تجعل من ارتباطها بنواتها

ضعيفة جدا مما يجعلها حرة الحركة وتتحرك بعشوائية داخل المادة وتسمى الكترونات التكافؤ

.التي تتحرك بحرية وعشوائية داخل المادة بالإلكترونات الحرة

تتحرك الكترونات الحرة بشكل اسهل عند تطبيق أي كمية بسيطة من طاقة خارجية، وفي

الواقع تحدد الالكترونات الحرة خاصية التوصيل الكهربي للمواد حيث تنقسم المواد من حيث

.توصيلها الكهربي الى مواد موصلة وعازلة وشبة موصلة

:الموصل مادة لديها عدد كبير من الإلكترونات الحرة وعند تطبيق فرق جهد بين طرفيها تتحرك الالكترونات

.الحرة باتجاه القطب الموجب لمزود الطاقة لتعطي تيار كهربي

:العازلمادة عمليا ليس لديها الكترونات حرة في الظروف الاعتيادية لذا فهي لا توصل تيار كهربي عند

.تطبيق فرق جهد عليها

:الشبه موصلمادة لديها عدد بسيط من الالكترونات الحرة عند درجة حرارة الغرفة، وعمليا عند تطبيق فرق

. جهد عليها فإنها لا توصل تيار كهربي

:voltage sourceمصدر الجهد :جهاز ينتج جهد باستمرار وهناك نوعين من مصادر الجهد هو

Direct voltage sourceمصدر الجهد المباشر

Alternating voltage source مصدر الجهد المتردد

: direct voltage sourceمصدر الجهد المباشر ومن مميزاته انه يحافظ D.Cجهاز ينتج الجهد المباشر باستمرار مثل الخلايا ومولد الكهرباء هو

على قطبية الجهد الخارج حيث تبقى الاقطاب الموجبة والسالبة نفسها، عند توصيل مقاومة حمل عبر

RLهذا المصدر يتدفق التيار من القطب الموجب الى القطب السالب خلال الحمل

[See Fig. 1.8 (i)] يكون للتيار اتجاه و التيار الناتج بالتيار المباشر لان له اتجاه واحد، ويسمى

، تسمى الممانعة الداخلية التي تمانع طبية الجهد الخارجحافظ مصدر الجهد على نفس قاذا واحد

.(internal resistance Ri)الداخلية ( الممانعة) بالمقاومة D.Cمرور التيار داخل مصدر الجهد

على التوالي مع e.m.f (Eg )الجهد المباشر عبارة عن القوة المتولدة الدائرة المكافئة لمصدر

Fig. 1.8 (ii)موضحة بالشكل Riالممانعة الداخلية

𝐿𝑜𝑎𝑑 𝐶𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡, 𝐼 =𝐸𝑔

𝑅𝐿 + 𝑅𝑖

𝑇𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒, 𝑉

= 𝐸𝑔 − 𝐼𝑅𝑖 𝑜𝑟 𝐿𝑅𝐿

: alternating voltage sourceالجهد المتردد مصدر ، من السمات الهامة لمصدر الجهد المتناوب انه A.Cمولد جهاز ينتج الجهد بالتناوب المستمر مثل هو

عبر هذا المصدر يتدفق التيار ZLيعكس قطبية الجهد الخارج بشكل دوري، عند توصيل مقاومة حمل

alternating خلال الدائرة بحيث يعكس اتجاهه بشكل دوري ويسمى بالتيار المتناوب او المتردد

current التيار بالممانعة او المقاومة الداخلية المتردد لتحميل على ممانعة مصدر الجهد يطلقZi

على التوالي مع (.r.m.s) (Eg)المكافئة لمصدر الجهد عبارة عن القوة المتولدة وتكون الدائرة

. .Fig. 1.9 (ii)كما هو موضح بالشكل Ziالداخلية ( المقاومة الممانعة

𝐿𝑜𝑎𝑑 𝐶𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡, 𝐼(𝑟. 𝑚. 𝑠) =𝐸𝑔

𝑍𝐿 + 𝑍𝑖

𝑇𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒, 𝑉 = 𝐸𝑔 − 𝐼𝑍𝑖 𝑜𝑟 𝐼𝑍𝐿

: Constant Voltage Sourceمصدر الجهد الثابت

الحمل الخارجي، في هذه الحالة بمقاومة مصدر جهد تكون ممانعته الداخلية قليلة جدا بمقارنتها هو

.يحتفظ الجهد الخارج بنفس قيمته تقريبا عندما تتغير قيمة التيار المار في الدائرة

مع التوالي على متصل D.C (6V) ومستمر ثابت جهد مصدر (1.10i) الشكل يوضح

10A الى 1A من المدى في (I) الحمل تيار تغير عند (Ri=0.005Ω) داخلية ممانعة

Ri الداخلية الممانعة داخل اسقاط يعطي المعطى المدى في الحمل تيار في تغير أي فان

، 5.95V الى 5.995V من المدى في الخارج الجهد ويكون 0.05V يتجاوز لا

الجهد ثبات يتضح حيث الثابت الجهد لمصدر تخطيطي رسم (1.10ii) الشكل يوضح

.ثابت جهد مصدر اعتباره يمكن لذلك الكبيرة الحمل تيار بتغيرات مقارنة الخارج

Example 1.1; A lead acid battery fitted in a truck develops 24V and has an internal resistance

of 0.01 Ω. It is used to supply current to head lights etc. If the total load is equal

to100 watts, find :

(i) voltage drop in internal resistance

(ii) terminal voltage

:Constant Current Sourceمصدر التيار الثابت الحمل الخارجي، في بمقاومة هو مصدر جهد تكون ممانعته الداخلية عالية جدا بمقارنتها

.قيمته عند تغير الجهد الخارج بنفس هذه الحالة يحتفظ تيار الحمل تقريبا

له ممانعة داخلية (1000V)مصدر تيار ثابت ومستمر (1.11i)يوضح الشكل

(Ri=900kΩ) ، الحمل تتغير مقاومة(RL) 50في المدى منkΩ 150الىkΩ

وخلال هذا المدى من التغير في مقاومة الحمل يتغير التيار المار في الدائرة بنسبة تقريبا

.1mAوبالتقريب 0.95mAالى 1.05mAثابتة من

:مع ملاحظة ان

𝐼 =𝐸𝑔

𝑅𝐿 + 𝑅𝑖

:وحيث ان

𝑅𝑖 >>> 𝑅𝐿 :فان

I =𝐸𝑔

𝑅𝑖

مقدار ثابت Iمقدارين ثابتين فان 𝐸𝑔و 𝑅𝑖وحيث ان كل من

Example 1.2. A D.C source generating 500 V has an internal resistance of 1000Ω. Find the

load current if load resistance is (i) 10Ω (ii) 50 Ω and (iii) 100 Ω.

(write comment on the results)

تخطيطي لمصدر تيار ثابت حيث يتضح ان التيار يبقى ثابت رسم Fig. 1.11 (ii)الشكليوضح

:بتغير الجهد الخارج، بعض النقاط يجب ملاحظتها بالنسبة لمصدر التيار الثابت

وجود مقاومة داخلية عالية للمصدر فان تيار الحمل يبقى ثابت بتغير المقاومة نتيجة -1

RL الخارجية

.على الرغم من بقاء التيار ثابت RLالجهد الخارج تقريبا في نفس مدى يتغير -2

.العالية.(IRi)بسبب قيمة Eg اقل من الجهد المتولد V الجهد الخارج يكون -3

.رمز مصدر التيار الثابت في الدائرة Fig. 1.12يوضح الشكل

: TheoremMaximum Power Transferالقصوى نظرية نقل القدرة المصدر الى الحمل وتعتمد من ( القدرة) جهد تنتقل الطاقة توصيل حمل بمصدر عند

مساوية للمقاومة الداخلية RLالطاقة المنتقلة على مقاومة الحمل اذا كانت مقاومة الحمل

وتسمى هذه بنظرية RLفان اقصى قدرة سيتم نقلها الى مقاومة الحمل Ri للمصدر

اقصى قدرة منتقلة حيث تنص على ان اقصى قدرة منتقلة من المصدر الى مقاومة الحمل

RL عندما تكون مقاومة الحملRL مساوية للمقاومة الداخليةRi لمصدر الجهد وهذه

.النظرية تطبق على مصدر الجهد المستمر والمتردد

. حيث يتم اثباتها رياضيا حسب ما هو موضح ادناه

معRL الحمل مقاومة تتساوى عندما منتقلة (قدرة ) طاقة اقصى ان يتضح سبق مما

.Ri للمصدر الداخلية الممانعة

.RL الحمل مقاومة في كدالة المنتقلة القدرة بين العلاقة 1.13i الشكل يوضح

المتولدة القدرة نصف ان أي ،%50 هي منتقلة قدرة اقصى كفاءة ان ملاحظته يجدر مما

.للمصدر الداخلية الممانعة في تبدد المصدر من

Example 1.3. A generator develops 200 V and has an internal resistance

of 100 Ω. Find the power delivered to a load of (i) 100 Ω (ii) 300 Ω. Comment

on the result.

:تطبيق

لا تعمل اجهزة الطاقة الكهربية عند اقصى قدرة منتقلة بسبب الكفاءة المنخفضة والقيمة

.العالية للجهد الساقط بين الجهد المتولد و الحمل

على الرغم من ذلك نجد في بعض الدوائر الكهربية ان الحد الاقصى للقدرة المنتقلة امر

مرغوب فيه حيث يتم في مثل هذه الحالات التضحية بالكفاءة للحصول على نقل قدرة

. عالي

:1.3تعليق على المثال 𝑅𝐿في حالة -1 = 𝑅𝑖

وبالمقابل يكون الهدر كبير في الطاقة (100watt)اقصى قدرة منتقلة الى مقاومة الحمل

.المتولدة

𝑅𝐿في حالة -2 ≠ 𝑅𝑖

حيث يهدر جزء قليل في المصدر وتصبح (75watt)تكون القدرة المنتقلة اقل من

.الكفاءة عالية وهذا يعتمد على مقاومة الحمل

بغض النظر عن الكفاءة فإننا نعمل ( كما في المكبرات) اذا اردنا نقل اقصى قدرة ممكنة

على جعل مقاومة الحمل مساوية للمانعة الداخلية للمصدر، اما في حال كانت الكفاءة هي

فإننا نعمل على جعل الممانعة الداخلية للمصدر ( كما في اجهزة الطاقة الكهربية) الاهم

. من مقاومة الحملاقل

Exercises: 1- An audio amplifier produces an alternating output of 12 V before the

connection to a load. The amplifier has an equivalent resistance of 15 Ω at

the output. What resistance the load need to have to produce maximum

power ? Also calculate the power output under this condition.(fig 1.14)

2- A dry battery developing 12 V has an internal resistance of 10 Ω.

Find the output current if load is

(i) 100 Ω(ii) 10 Ω (iii) 2 Ωand (iv) 1 Ω.