الترانزيستورات

2014-06-20

الترانزيستور هو أحد أهم المكونات الفاعلة (خلافا للمكونات الصماء مثل المقاومات والمكثفات والملفات) في الدارات الحديثة (سواء كعنصر ومكون منفرد أو إن كان داخل رقاقة متكاملة IC) وهو يصنع من أنواع مختلفة من أشباه الموصلات.

قبل أن نتحدث عنه لنذكر بأن البطارية هي مصدر للقوة الدافعة الكهربائية والتي تدفع الشحنة الإصطلاحية الموجبة عبر القطب الموجب وكأنني أشبهها بمضخة الماء لكنها تضخ التيار الكهربائي.

في المقابل الترانزيستور أشبه بالصمام أو صنبور الماء فهناك ثلاث أطراف طرف هو مصدر لتيار الماء القوي (مضخة أو خزان مرتفع) ومصرف لهذا الماء على الطرف الآخر وفي المنتصف صمام نتحكم فيه بشدة الماء المطلوبة.

صنبور ماء

لاحظ أننا نحتاج القليل من القوة لفتح الصنبور فنحن لا نضع الشغل الكافي لضخ الماء بل مقدار قليل ليغير وضعية الصمام من الإغلاق إلى الفتح وما بينهما. وهكذا يعمل الترانزيستور فهو له 3 أرجل هي

  • الباعث emitter ويمثل بالسهم وهو أشبه بمصدر التيار المائي في الصنبور
  • القاعدة base ويمثل بالخط الذي يسقط فيه السهم وهي تعمل كما صمام الصنبور
  • المجمع collector وهي أشبه بمصرف الماء في الصنبور

أرجل الترانزيستور ورمزه

ويقسم التارنزيستور بحسب قطبيته أطرافه إلى إلى نوعين

  • PNP يوصل باعثه بالقطب الموجب وهي التي تصرف من الطرف الآخر (المجمع) عند تطبيق شحنة سالبة في الوسط (على قاعدته)
  • NPN يوصل باعثه بالقطب السالب وهي التي تصرف من الطرف الآخر (المجمع) عند تطبيق شحنة موجبة في الوسط (على قاعدته)

وترمز الحرفين P و N إلى الموجب Positive و السالب Negative على الترتيب.

وتسمى أبسط طريقة لتوصيل الترانزيستور بالباعث المشترك. حيث يكون الباعث مشتركا بين المدخلات والمخرجات ويقاس فرق الجهد (الفولتية) للمدخلات بفرق الجهد بين الباعث والقاعدة Veb وللمخرجات بين الباعث والمجمع Vec.

الباعث المشترك - دارة مبسطة

وعندما يكون الترانزيستور يعمل كمفتاح كهربائي موصول (دارة مغلقة) فإن فولتية المخرج Vout أو الفرق بين الباعث والمجمع Vec تكون صفر لذا يمكن مقارنتها مع القطب الآخر (في حالة NPN تكون Vcc أي 5 فولت موجب مثلا) فيكون فرق الجهد بين Vout و Vcc أعلى ما يمكن ونصل الحمل load عليه والذي يرمز له بالرمز L فيكون تياره Il و فورق الجهد Vl ومقاومته Rl.

الباعث المشترك - دارة كاملة

الترانزيستور كمفتاح

يعمل الترانزيستور كمفتاح يغلق ويفتح الدارة بناءً على فولتية القاعدة مثلا عندما نريد تشغيل حمل كبير مثلا محرك كهربائي من خلال مخرجات المتحكم الدقيق. تخيل الترانزيستور وكأنه مفتاح كهربائي موجود إما على طرف الفولتية العليا أو الدنيا كما في الصورة:

الترانزيستور وكأنه مفتاح كهربائي

إن عدت إلى مرجعه ستجد أن المتحكم الدقيق بالكاد يستطيع أن يزود الحمل بشدة تيار 40 ميلي-أمبير كحد أقصى. لكن ماذا لو كان الحمل الذي معنا يحتاج أكثر من ذلك (وهذا الحال غالبا حتى مع أصغر محرك أو سماعة) في هذه الحالة نغذي هذا التيار الصغير على قاعدة الترانزيستور ونصل الحمل بين القطب الموجب والمجمع.

أبسط طريقة لعمل ذلك هي بأن يكون الترانزيستور من نوع npn حيث قاعدته تستقبل إشارة موجبة (في حالة أردوينو يكون فرق الجهد 5 فولت بين مخرج أردوينو والأرض) ونصل الأرض (القطب السالب) على الباعث ونأخذ هذا القطب السالب بعد أن يمر في الترانزيستور من الطرق الآخر وهو المجمع إلى الحمل وطرف الحمل الآخر يكون موصول بالقطب الموجب.

يمكن أيضا استعمال PWM لتوليد مخرجات متدرجة بالقوة.

الترانزيستور كمضخم

إذا كان لدينا إشارة ضعيفة (من حساس أو من هوائي أو لاقط صوتي ...إلخ) ونريد تكبيرها عندها يمكن أن نستخدم الترانزيستور كمضخم حيث نطبق الإشارة الضعيفة على قاعدته.

الترانزيستور وحدة بنائية في العديد من الدارات

يمكن تصنيع العديد من الدارات الرقمية والتناظرية من خلال الترانزيستورات مثلا

  • مشغل المحركات / جسر حرف H من خلال 4 ترانزيستورات زوجين من نوع PNP وآخرين من نوع NPN
  • البوابات المنطقية
  • الدارة القلابة (النطاطة) flip-flop من ترانزيستورين من نوعين متممين أحدهما يفصل الآخر.
  • المضخم العملياتي وهو الذي يعطي مخرجات إن كانت فولتية طرفه الموجب أعلى من فولتية طرفه السالب
    • وهو يستخدم في عمل المقارنة التناظرية
    • وهو يستخدم في التحويل من تناظري إلى رقمي ADC
    • منظم الفولتية من خلال مقارنة المدخلات بفولتية مرجعية (يمكن أن تأتي من ثنائي زنر)

أنواع أشباه الموصلات في التانزيستورات

تختلف الترانزيستورات فيما بينها في التيارات التي تتحملها ومعامل التضخيم وسرعة التقليب.

النوع الذي رسمناه يسابقا يسمى زوجي ثنائي الأقطاب Bipolar Junction Transistor أو BJT اختصارا والتي تستخدم في التطبيقات التي لا تحتاج تيارات عالية (150 ميلي-أمبير مثلا) وأشهرها

  • 2N2222 من نوع NPN ونظيره 2N2907 من نوع PNP
  • BC547 من نوع NPN ونظيره BC557 من نوع PNP
  • 2N2219 من نوع NPN ويقابله 2N2905 من نوع PNP

وهناك نوع مخصص للتطبيقات التي تحتاج تيارات عالية قد تصل إلى 10 أمبير يسمى اختصارا MOSFET أي metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (ويشار إليها FET أو MOS) أي ترانزيستور تأثير الحقل المصنوع من أكسيد المعدن شبه الموصل ونوعيه PMOS أو NMOS تبعا لقطبية البوابة الوسطى (تماما كما في الحرف الأوسط في NPN و PNP) ويسمى أيضا P-channel و N-channel. قد يتكون داخليا من عدة أطراف لكن في الغالب ليس له من الخارج سوى 3 أرجل هي المصدر Source والبوابة Gate والمصرف Drain. أشهر هذه الترانزيستورات هي:

  • IRF520
  • IRF840
  • FDN340
  • FDC637
  • 5N60 أو FQP5N60C

ترانزيستور MOSFET

وقريبا منه وعلى طرف نقيض تماما هناك تقنية CMOS والتي تتكون من زوج متمم Complementary من تقنية MOS صغيرة جدا داخل الرقاقات المتكاملة ويرسم العنصر فيها على شكل مفتاح (موجة مستطيلة) عليها دائرة إن كانت تفتح بالسالب ودون دائرة إن كانت تفتح بالموجب وهي لا تأتي إلى على شكل زوج واحد يرفع الفولتية والآخر يخفضها فتكون بوابة النفي NOT كما في هذه الصورة.

دارة النفي NOT

عندما تكون المدخلات عالية (قيمتها 1) فإن البوابة السفلى تكون موصولة والعليا تكون مفصولة فتكون المخرجات منخفضة والعكس بالعكس.

وأدناه نجد دارة AND بتقنية CMOS

دارة AND في CMOS

إن كان المدخلين A و B عاليين فإن المفتاحين في الأعلى يكونان موصولان فنحصل على إشارة عالية (أي 1) لكن إن كان أحدهما (أو أكثر) صفرا فإن واحد من المفاتيح السفلية يصبح موصولا ويخفض الفولتية. الجدير بالذكر أن المعالج في الحاسوب يحتوي على الآلاف من أمثال هذا مثلا معالج إنتل بينتيوم من الجيل الأول قد يحتوي أكثر من 3 مليون ترانزيستور وقد تصل إلى أكثر من مليار ترانزيستور في core i7 الحديث.

4


Test User