ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් III (Electronics) - 1

අතිරේකය 1

විදුලිය ප්‍රභව

ආලෝකය, තාපය, රසායනික ශක්තිය, චාලක/යාන්ත්‍රික ශක්තිය, න්‍යෂ්ඨික ශක්තිය ආදිය අතරේ, විදුලිය යනුද තවත් එක් ශක්තියකි. ඒ අනුව විදුලිය ප්‍රභව යන්න බහුලවම ශක්ති ප්‍රභව (energy source) යනුවෙන්ද හැඳින්වෙනවා. විදුලිය හෙවත් විදුලි ශක්තිය සලකා බලන විට, එහි විදුලි විභවය (electric potential හෙවත් voltage), විදුලි ධාරාව (electric current), හා විදුලි ජවය (power) යනුවෙන් වෙන් වෙන්ව මැනිය හැකි රාශින් තුනක් පවතින බව ඔබ දන්නවා. පරිපථයක් ක්‍රියා කරවීමට ඊට සම්බන්ධ කරන විදුලි/ජව සැපයුම (power supply) විසින් පරිපථයට අවශ්‍ය කරන වෝල්ටියතාව හා ධාරා ප්‍රමාණය (හෙවත් විදුලි ශක්තිය) ලබා දෙනවා. ජවය = වෝල්ටියතාව x ධාරාව නිසා, මෙම පවර් සප්ලයි එකෙන් එම පරිපථයට ජවයක් ලබා දෙන බවද කිව හැකියි. ඊට ජව සැපයුම යන නම ලැබී ඇත්තේද මෙම හේතුව නිසාය. මේ අනුව, ජව සැපයුම යනු විදුලි ප්‍රභවයකි.

පවර් සප්ලයි ගැන කතා කිරීමේදී බොහෝවිට කතා කරන්නේ එහි වෝල්ටියතාව ගැන පමණි. අහවල් පරිපථයට වෝල්ට් 12ක් අවශ්‍ය වේ, අහවල් එකට අච්චර වෝල්ට් ගණනක් අවශ්‍ය වේ ආදී වශයෙන් බොහෝ දෙනා පවසනවා. එලෙස ජව සැපයුම ගැන සිතීම එතරම් හොඳ තත්වයක් නොවේ. වෝල්ටියතාව ප්‍රබල සාධකය වුවත්, ඉන් ලබා ගත හැකි ධාරාව, තත්පරයකට කොතරම් උපරිම ධාරා ප්‍රමාණයක් පවර් සප්ලයි එකෙන් ලබා ගත හැකිද ආදී තවත් වැදගත් සාධක කිහිපයක්ම ජව සැපයුම යෙදීමේදී සැලකීමට සිදු වේ. මොහොතකින් ඒ ගැන විස්තර කරන්නම්. ඇත්තෙන්ම "ජව සැපයුම" යන වචනය තුළ තිබෙන්නේ ජවය යන්නයි. ඒ කියන්නේ වෝල්ටියතාව හා ධාරාව යන දෙකම එම වචනය තුළ ඇත. ඔබද ඔබේ පරිපථයට අවශ්‍ය කරන ජව සැපයුම ගැන සිතන විට, අඩුම ගාණේ විභවය හා ධාරාව යන දෙකම වැදගත් සාධක ලෙස සලකා ගණනය කිරීමට පුරුදු වන්න.

පරිපථයකට ඔබට හැකි අනර්ඝතම ජව සැපයුමක් ලබා දීමට උත්සහ කළ යුතුයි. එය සිතන තරම් පහසු කාර්යක් නොවේ. ඊට හේතුව ජව සැපයුම අනර්ඝ වන්නට වන්නට එහි වියදම ඉතා සීඝ්‍රයෙන් ඉහළ යයි. එනිසා ප්‍රායෝගිකව, පවර් සප්ලයි එකේ තත්වය (අනර්ඝත්වය) තීරණය වන්නේ ඔබ ඊට වියදම් කිරීමට යන මුදල් ප්‍රමාණය මතයි. අනර්ඝත්වය හා වියදම මත, විවිධාකාරයෙන් පවර් සප්ලයි සෑදිය හැකියි. ඉතිං, පවර් සප්ලයි එකක තාක්ෂණික අනර්ඝත්වය තීරණය කරන්නේ කෙලෙසද? ඒ සඳහා ඔබට මූලිකවම පහත කරුණ වැදගත් වේ.

ඔබට අවශ්‍ය කරන වෝල්ටියතාව එම පවර් සප්ලයි එකේ ජීව කාලය (life time) පුරාවටම, ඊට සම්බන්ධ කරන භාර ප්‍රතිරෝධය කුමන අගයක් ගත්තද නොවෙනස්ව පැවතිය යුතු වන අතර, භාර ප්‍රතිරෝධයට අවශ්‍ය කරන ධාරාව පහසුවෙන් ලබා දීමටද හැකි විය යුතුය.

උදාහරණයක් ලෙස, යම් උපකරණයක් සඳහා වෝල්ට් 12ක් අවශ්‍ය නම්, පවර් සප්ලයි එකෙන් මෙම වෝල්ට් 12 කිසිදු විචලනයකින් තොරව ලබා දීමට හැකි විය යුතුය. තවද, එම උපකරණය ඉල්ලා සිටින්නේ ඇම්පියර් 2ක් නම්, මෙම ධාරා ප්‍රමාණයද ජව සැපයුම විසින් පහසුවෙන් ලබා දිය යුතුය (අනවශ්‍ය ලෙස රත් නොවී). සමහරවිට, උපකරණය වැඩ කරමින් තිබෙන අතරේ, එය පරිභෝජනය කරන ධාරා ප්‍රමාණය වෙනස් වියද හැකියි. එක් මොහොතකදී එය ඇම්පියර් 1ක් ඉල්ලා සිටීවි; තවත් මොහොතක එය ඇම්පියර් 3ක් විය හැකියි. මෙලෙස උපකරණය ඉල්ලා සිටින සිටින ධාරා ප්‍රමාණය එලෙසම "නැහැ බැහැ නොකියා" ලබාදීමට ජව සැපයුමට හැකි විය යුතුය (යම් උපරිම ධාරා ප්‍රමාණයක් දක්වා). මෙලෙස විචලනය වන ධාරා ප්‍රමාණය ලබා දෙන විට, විභවය කිසිසේත් විචලනය නොවී තබා ගැනීමටද වගබලා ගත යුතුය. බැලූ බැල්මට ඉතා සරල කාරණයක් සේ පෙනුනත්, ප්‍රායෝගිකව මෙම ගතිගුණය ලබා ගැනීම එතරම්ම සරල හෝ පහසු කාරණයක් නොවිය හැකියි.

විදුලිය අනෙක් ශක්තින්ට වඩා හුරුබුහුටි (smart) වන්නේ පහසුවෙන්ම විදුලිය ජනනය කිරීමට හැකි වීමත්, පහසුවෙන් හා ඉතා කාර්යක්ෂමව විදුලිය බෙදා හැරීම හා පාලනය කිරීමට හැකි වීමත්, වෙනත් ශක්තින් බවට පහසුවෙනුත් ඉක්මනිනුත් පත් කරගැනීමේ හැකියාවත්, හොඳින් ගබඩා කරගැනීමට ඇති හැකියාවත් ආදී කාරණා නිසා බව ඔබ දන්නවා. මුලින්ම කෙටියෙන් බලමු විදුලිය වෙනත් ශකිතින් බවට පත් වන්නේ කෙසේද කියා.

ශක්ති පරිවර්තන

තාප ශක්තිය

විදුලි ශක්තිය පහසුවෙන්ම තාප ශක්තිය (heat) බවට පත් කළ හැකියි. කිරීමට තිබෙන්නේ විදුලි ධාරාවක් විශාල ප්‍රතිරෝධකයක් සහිත සන්නායකයක් හරහා යැවීම පමණයි. එවිට, ජූල් තාපන මූලධර්මය අනුව (P = I²R) තාප ශක්තියක් හට ගනීවි (මේ ගැන මීට කලින් අප කතා කර තිබෙනවා). 

 

මෙහිදී සිදු වන්නේ විදුලි ධාරාව ගැලීමේදී (එනම් ඉලෙක්ට්‍රෝන ගැලීමේදී), එම ඉලෙක්ට්‍රෝන එකිනෙකට හැප්පීමයි. සන්නායකයේ ප්‍රතිරෝධය වැඩියි යනු මෙම හැප්පීම වැඩි වැඩියෙන් සිදුවීමයි. ඕනෑම දෙයක් හැප්පෙන/ඇතිල්ලෙන විට තාපයක් හටගන්නවා (ඔබේ අත්ල දෙක වේගයෙන් එකිනෙකට අතුල්ලාගෙන බලන්න අත්ල රත් වන හැටි). මෙහි R මඟින් නිරූපණය කරන්නේ අධිප්‍රතිරෝධකතා සන්නායකයයි. බොහෝවිට මෙය පහත රූපයේ ආකාරයට කොයිලයක් ලෙසයි පවතින්නේ (මෙය heating element ලෙස හැඳින් වෙනවා). එය කොයිලයක් ආකාරයට සකස් කර තිබෙන්නේ ප්‍රතිරෝධ අගය වැඩි කිරීමටයි (සන්නායකයක දිග වැඩිවන විට ප්‍රතිරෝධය වැඩි වෙනවා).

ඉතිං, විදුලියෙන් තාපය හටගැනීම තේරුම් ගැනීම ඉතාම පහසුයි නේද? ඉස්තිරික්ක, නොයෙක් වර්ගයේ හීටර්, ඉලෙක්ට්‍රික් කුකර්/අවන් ආදිය වැඩ කරන්නේ මෙම න්‍යාය මතයි.

ආලෝක ශක්තිය

විදුලියෙන් ආලෝකය නිපදවන්නේ කෙලෙසද? ක්‍රම කිහිපයක්ම ඇත. ඉන් තාපදීප්ත (incandescence) යන ක්‍රමය ගැන විතරක් විස්තර කරන්නම්. මෙහිදීද සිදු වන්නේ ඉහත ජූල් තාපන ක්‍රමයමයි. එනම්, අධික ප්‍රතිරෝධයක් තිබෙන සන්නායකයක් හරහා විදුලි ධාරාවක් යවයි. එවිට, සුපුරුදු ලෙසම එය රත් වේ. යමක් රත් වන විට, එම රත් වෙච්ච ද්‍රව්‍යයේ සිට පරිසරයට එම තාපය මුදා හරියි. මෙලෙස තාපය මුදා හරින ක්‍රම 3න් එකක් තමයි විකිරණය (radiation). (අනෙක් දෙක නම්, සන්නයනය හා සංවහනය).

ඕනෑම ද්‍රව්‍යයක් ක්‍රමයෙන් රත්වේගෙන යන විට සිදුවන ස්වාභාවික සංසිද්ධියක් ඇත. එම අපූරු සංසිද්ධිය ඔබ නිතර දකින එකක් වුවත් බොහෝ විට ඒ ගැන ගැඹුරින් ඔබ සිතා නැතිව ඇති. ඒ ගැන දැන් බලමු. අඩු උෂ්ණත්වවලදී යමක් රත්වී තිබෙන විට, අපට එය රත්වී තිබෙන බව ඇසින් දැක ගත නොහැකියි (අවශ්‍ය නම් ස්පර්ශ කර බැලිය හැකියි). වතුර කේතලය හෝ ඉස්තිරික්කය රත්වී තිබෙන විට, එය දැන් රත්වී තිබෙන්නේ යැයි ඔබේ ඇසට පෙනෙන්නේ නැහැ නේද? එහෙත්, තව දුරටත් එම ද්‍රව්‍යය රත් කරගෙන යන විට, එය රතු පාටින් පෙනේවි (“ගිනියම්" (red-hot) වෙලා යැයි පවසන්නේ මෙම අවස්ථාවයි). මෙම අවස්ථාවේදී උෂ්ණත්වය සෙල්සියස් අංශක සිය ගණනක් වේ.

ඒ කියන්නේ දැන් රස්නෙට අමතරව යම් ආලෝකයක්ද තිබෙන බවයි. රත් කිරීම සිදු කළේ ඉහත කතා කළ ජූල් තාපන ක්‍රමයෙන් නම්, ඒ කියන්නේ දැන් විදුලියෙන් ආලෝකයද නිපද වූ බව නේද? ඔව්. මෙම ලෝහය තවදුරටත් රත් කළ හැකි නම්, ක්‍රමයෙන් මෙම ආලෝකය තැඹිලි, කහ හා සුදු පාටට හැරේවි. ඒ ඇයි?

ඊට හේතුව මෙයයි. විකිරණය වන්නේ විද්‍යුත් චුම්භක තරංග (electromagnetic wave) යනුවෙන් හැඳින්වෙන දෙයකි. ඇසට නොපෙනෙන (ටීවී, රේඩියෝ ආදිය වැඩ කරන) රේඩියෝ තරංග, හා අධෝරක්ත කිරණ, ඇසට පෙනෙන ආලෝකය, ඇසට නොපෙනෙන පාරජම්බූල කිරණ, හා එක්ස්-රේ ආදී ලෙස විවිධ නම්වලින් හා ගතිගුණවලින් හෙබි සියල්ල පොදුවේ හැඳින්වෙන්නේ විද්‍යුත් චුම්භක කිරණ/තරංග ලෙසයි. (විද්‍යුත් චුම්භක තරංග හා ආලෝකය ගැන වෙනමම සවිස්තරාත්මක පාඩමක් අතිරේකයක් ලෙස පළ වේ.) ඉහත සඳහන් කළ විද්‍යුත් චුම්භක කිරණවල පිළිවෙලින් සංඛ්‍යාතය වැඩි වේ (එනම්, රේඩියෝ තරංගවලට වඩා අධෝරක්ත තරංගවල සංඛ්‍යාතය වැඩිය; අධෝරක්තවලට වඩා දෘෂ්‍ය ආලෝකයේ සංඛ්‍යාතය වැඩිය; ඊට වඩා පාරජම්බූල කිරණවල වැඩිය; වැඩිම සංඛ්‍යාතය තිබෙන්නේ ගැමා කිරණවලයි).

 

(රත් කිරීම ආරම්භයේදී) මුලින්ම අඩු උෂ්ණත්වයේදී පිට වූයේ ඇසට නොපෙනන අධෝරක්ත කිරණයි (සාමාන්‍යයෙන් රේඩියෝ තරංග රත් කිරීමෙන් මෙලෙස පිට වන්නේ නැත). අධෝරක්ත කිරණවලින් යම් කොටසක් අපට රස්නයක් ලෙස දැනේ. සූර්යාලෝකයෙන් අපට රස්නය දැනෙන්නේ සූර්යාලෝකයේ මෙම රස්නය දැනෙන අධෝරක්ත කිරණ පැවතීමයි. ගින්නක් අසල රස්නය දැනෙන්නේද ගින්නෙන් පිටවන මෙම අධෝරක්ත කිරණ නිසයි. ලෝහය තවත් රත් කරගෙන යන විට, ඊට වැඩි සංඛ්‍යාත සහිත විද්‍යුත් චුම්භක කිරණද පිටවන්නට පටන් ගන්නවා. එවිට ඉහත රූපය අනුව, රතු සිට දම් දක්වා වර්ණ ලෙස ඇස හඳනා ගන්නා දෘෂ්‍ය (visible) විද්‍යුත් චුම්භක තරංග පිට වන්නට ගන්නවා. ඉනුත් පළමුව රතු වර්ණය ලෙස අපේ ඇස විසින් හඳුන්ගන්නා ලබන දෘෂ්‍ය ආලෝක කිරණ නිකුත් වේ. ඒ කියන්නේ මේ අවස්ථාවේදී ලෝහය රතුපාටින් දිස් වේ. තව තවත් රත් කරගෙන යන විට, තැඹිලි, කහ වර්ණද ලැබේ. ඒ අනුව ක්‍රමයෙන් දේදුන්නේ වර්ණ පිළිවෙලන් දිස් විය යුතුයි සේ ඔබට සිතෙනු ඇත. එහෙත් තවත් රත් කරගෙන යන විට, කොල වර්ණය, නිල් වර්ණය, දම් වර්ණය දිස් නොවී එකවරම සුදු වර්ණය පෙනුනේ කෙලෙසද?

ඊට හේතුව මෙයයි. ඇත්තටම තවත් රත් කරගෙන යන විට, කොළ වර්ණයද ලැබෙනවා. එහෙත් මෙහිදී රතු වර්ණය හා කොල වර්ණය යන දෙකම එකට පවතින නිසා, එය ඇස හඳුනාගන්නේ තැඹිලි හා කහ වර්ණ ලෙසයි. ඉහතදී රතු වර්ණයට පසුව තැඹිලි, කහ වර්ණ ඇසට පෙනුන ප්‍රධාන හේතුවත් මෙය තමයි. තවත් රත් කරගෙන යන විට, නිල් වර්ණද පිට කරනවා. එහෙත් මේවන විට, රතු, කොල, නිල් යන වර්ණ වර්ග තුනම එකට පවතිනවා. ඔබ දන්නවා මෙම ප්‍රධාන වර්ණ තුන එකට පවතින විට, ඇසට එය පෙනෙන්නේ සුදු ආලෝකය ලෙසයි. ඒකයි කොල, නිල්, දම් ආදී වර්ණ වෙන වෙනම ලෝහයේ දක්නට නොලැබුණේ. (රතු පෙනුනේ එම අවස්ථාවේදී කොල, නිල් වර්ණවලින් යුතු තරංග පිට නොවූ නිසාය.) ඇත්තටම තවත් රත් කරගෙන යන විට, ඇසට නොපෙනන පාරජම්බූල කිරණත් ඉන් පිටවිය හැකියි. සමහර ලෝහ තවත් (විශේෂිත උපක්‍රම මඟින්) රත් කිරීමේදී එක්ස්රේ පවා පිට වෙනවා. එක්ස්රේ මැෂින් සාදා තිබෙන්නේද මෙම ක්‍රමය යොදාගෙනයි.

කුඩා ධාරාවකින් පවා ඉක්මනින් රත්වී වැඩි ආලෝකයක් ලබා දිය හැකි ලෝහ තමයි ඉහත තාපදීප්ත ක්‍රමයෙන් ආලෝකය නිපදවීමට භාවිතා කරන්නේ. ටංස්ටන් යනු එවැනි ලෝහයකි. මෙම ක්‍රමයෙන් තමයි, ගෙදරදොර බහුලව භාවිතා වන තාපදීප්ත බල්බ (incandescent bulb) නිපදවන්නේ. ටෝච්වලට දමන කුඩා බල්බත් මේ ආකාරයෙන්ම නිපදවා ඇත.

 

යාන්ත්‍රික ශක්තිය

දැන් බලමු විදුලියෙන් කොහොමද චාලක ශක්තියක් ඇති කරගන්නේ කියා. මෙහිදීත් ක්‍රම කිහිපයක් ඇති අතර, ඉන් ප්‍රධානතම හා බහුලවම භාවිතා කරන ක්‍රමය වන මෝටර් ක්‍රියාකාරිත්වය ගැන පමණක් සලකමු. බොහෝ යන්ත්‍රසූත්‍රවල පදනම මෙයයි.

ඔබ දන්නවා යම් සන්නායකයක් දිගේ (රේඛීයව) විදුලියක් ගමන් කරන විට, ඉන් චුම්භක වලලු ඇති වෙනවා. යම් තැනක චුම්භක ක්ෂේත්‍ර දෙකක් එකිනෙකට ලම්භකව අන්තර්ක්‍රියා කරන විට, එතැන ඉබේම චලනයක් ඇති වෙනවා (එය ලෝක ස්වභාවයක් හෙවත් "සංසිද්ධියක්"). ඉතිං මෝටරයක සිදු වන්නේ මෙයයි. එවිට, යම් චුම්භක ක්ෂේත්‍රයක් තුල ඇති සන්නායකයක් තුලින් ධාරාවක් යවා ඉන් ඇති වන චුම්භක ක්ෂේත්‍රය මඟින් චලනය ඇති කිරීම තමයි මෝටරය තුළ සිදු වන්නේ. පහත රූපය බලන්න.

 

AC motors, DC motors ලෙස ප්‍රධාන මෝටර් වර්ග දෙකක් ඇත. ඩීසී මෝටර් නැවත Series, Shunt, Compound ලෙස මූලික ආකාර තුනකුත්, ඒසී මෝටර් නැවත Induction, Synchronous ලෙස මූලික ආකාර 2කුත් ලෙස කාණ්ඩ කිහිපයකින් යුක්ත වේ. මේවා නැවත තව තවත් ආකාරවලින් (brushless DC motors, universal motors, stepper motors, shaded pole motors, permanent magnet motors ආදී ලෙස) ලබා ගත හැකියි. මේ සියලුම ආකාර ක්‍රියා කරන්නේ ඉහත පෙන්වූ සරල විද්‍යුත්-මෝටර් මූලධර්මය මත පදනම්වයි. මෝටර් ගැන වෙනමම පාඩමක් පසුවට තිබෙන බැවින් වැඩි විස්තර මෙහි සටහන් නොකෙරේ.

රසායනික ශක්තිය

විදුලිය මඟින් බොහෝ රසායනික ද්‍රව්‍යවල වෙනස්කම් හෙවත් ප්‍රතික්‍රියා ඇති කළ හැකියි. බැටරි චාජ් කරනවා යනුවෙන් ඔබ සිදු කරන්නේ මෙයයි. එනම් යම් බැටරියක් තුළ ඇති රසායනික ද්‍රව්‍යවල වෙනස්කම් (ප්‍රතික්‍රියා) ඇති කරවනවා ඊට භාහිර විදුලියක් ලබා දීමෙන්. එවිට එම රසායනික ද්‍රව්‍ය තුළ එම විදුලිය ශක්තිය රසායනික ශක්තියක් බවට පරිවර්තනය වී ගබඩා වෙනවා (එසේ ගබඩා වෙච්ච රසායනික ශක්තිය තමයි පසුව නැවත විදුලි ශක්තියක් බවට පත් වන්නේ).

මේ විතරක් නොවෙයි, විද්‍යුත් ලෝහාලේපනය (electroplating) යන ක්‍රියාවලිය (එනම්, රන්, රිදී, තඹ, නිකල් වැනි ලෝහයක් තවත් ලෝහයක් මත විදුලිය යවා ආලේප කිරීම) සිදු වන්නේද විදුලිය මඟින්ය. තවද, ජීව/වෛද්‍ය විද්‍යාව තුළ සිදු කරන electrophoresis නම් ක්‍රියාවලියද විදුලියෙන් රසායනික ක්‍රියාවලියක් ඇති කිරීමට පෙන්විය හැකි තවත් නිදසුනක්. මේ ආදී ලෙස විදුලිය විවිධාකාරයේ රසායනික ක්‍රියාකාරිත්වයන් ඇති කිරීමට හා පාලනය කිරීමට යොදා ගන්නවා. විදුලිය යොදාගෙන ශාකවල රසායනික වෙනස්කම් සිදු කිරීම ගැනද පර්යේෂණ සිදු කෙරෙමින් පවතී.

තවද, විදුලි ශක්තිය චුම්භක ශක්තියක් බවත් පරිවර්තය කළ හැකියි. ඇත්තටම මේ සඳහා අමුතුවෙන් කළ යුතු දෙයක් නැත; සන්නායකයක් තුළින් ධාරාව යැවූ පමණින් එය විද්‍යුත් චුම්භක බවට පත් වෙන බව ඔබ දන්නවා (ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් පොත් පෙළෙහි දෙවැන්නේ මේ ගැන වැඩි විස්තර ඇත).

විදුලිය තව තවත් ශක්තින් බවට පරිවර්තනය කළ හැකි බව පෙනෙනවා. මෙලෙස පරිවර්තනය කිරීමෙන් ඍජුවමත් වක්‍රවත් ප්‍රයෝජනවත් වැඩවලට විදුලිය යොදාගත හැකියි.


ඉලෙක්ට්‍රෝනික්ස් (electronics) ...