الحسابات المتعلقة بالترانزيستورات

2014-06-21

تمهيد

قبل استعمال الترانزيستور قد ترغب في أن تقوم ببعض الحسابات حتى لا تحرقه أو تحرق المتحكم الدقيق أو كلاهما.

لنفترض أن لدينا الدارة التالية حيث سنشغل حمل LOAD ما (مثل محرك كهربائي)

دارة وصل الترانزيستور

في الدارة السابقة نريد إيجاد قيمة المقاومة الموصولة على القاعدة RB

طريقة التوصيل في الصورة هي الباعث المشترك على الطرف الأدنى (ارجع للمقالة السابقة) أي أننا نقيس فرق الجهد بين الشيء والباعث (يعني الباعث موصول بالقطب السالب أو الأرض ونعتبره صفر). في الدارة السابقة لنفرض أن لدينا بطارية 9 فولت هي التي ستغذي المحرك بربطها على Vcc. لكن فولتية منفذ أردوينو هي 5 فولت (هناك منظم فولتية داخل أردوينو).

التحقق من حدود التشغيل

عند الرجوع إلى وثائق المصنع datasheet للنوع الذي ستعمل عليه مثلا ترانزيستور 2n2222 (هناك أكثر من مورد لها) يجب التحقق من عدم تخطي الحدود العليا. وهي

من فيليبس

من مورد آخر

  • فرق الجهد بين الباعث والمجمع وهي في حالتنا 9 فولت. قد تجدها باسم Vceo (حرف c و e يعني collector و emitter أما o فهو الشرط open base)
    • فرق الجهد بين الباعث والقاعدة وهي في حالتنا 5 فولت كحد أقصى. قد تجدها باسم Vebo (حرف e و b يعني base و emitter) إن لم تجده في الوثائق انظر التالي
    • فرق الجهد بين القاعدة والمجمع وهي في حالتنا الفرق بين 9 و 5 أي 4 فولت كحد أقصى. قد تجدها باسم Vcbo.

علينا أيضا التحقق من أقصى شدة التيار للمحرك حيث أنها تمر بالكامل في مجمع الترانزيستور وتعرف هذه القيمة باسم Ic. وهناك نوعين من شدة التيار للمحرك علينا دراستها

  • شدة تيار المحرك دون حمل وتسمى no load current أو idle current
  • شدة تيار المحرك المثبت وتسمى stall current أو block current

صل الأميتر مع المحرك على التوالي مع 9 فولت ثم قس شدة التيار دون حمل ولنقل مثلا أنها 200 أمبير. أمسك المحرك وامنعه من الدوران ولاحظ كيف تقفز شدة التيار إلى قيمة عالية مثلا 1 أمبير. كان لدى ابني سيارة لعبة تصدر أصوات وتسير لكن عندما تصدم شيء تخفت أضواؤها ويختفي الصوت ويبدو أنها دارتها تكاد تحترق أظن أن الذي صمم داراتها لم ينتبه لتيار المحرك المثبت.

هذا المثال الذي ذكرناه لا يصلح مع ترانزيستور 2n222 لأنه مع أن التيار دون حمل ضمن قيمة القيمة المسموح بها (200 ميلي-أمبير أقل من 800 ميلي-أمبير) إلا أن 1 أمبير (1000 ميلي-أمبير أكبير من القيمة القصوى التي يتحملها Ic وهي 800 ميلي-أمبير). قد ترغب بتجربة تشغيله على 6 فولت عوضا عن 9 فولت.

المحرك الموجود في الألعاب يعمل بين 3 فولت و 6 فولت ويستهلك 60 ميلي-أمبير دون حمل و 400 أمبير عند إيقافه وهذا ضمن الحدود المسموح بها.

غالبا لا تحتاج التحقق من تيار القاعدة Ib (أو Ibm أو peak base current) لأن المتحكم الدقيق لا يمكنه التزويد بأكثر من 40 ميلي-أمبير وهي قيمة صغيرة في الغالب حيث أن هذا الترانزيستور في المثال يتحمل حتى 200 ميلي-أمبير على القاعدة.

معامل التضحيم hfe أو beta

الترانزيستور يمرر تيار كبير على المجمع عند وضع تيار صغير على القاعدة والنسبة بين التيارين هي ما يعرف بمعامل التضخيم أو gain ويرمز له بيتا أو hfe أي أن المعادلة (ما لم يذكر أنها بوحدة db لأن تلك تكون لوغاريتمية) هي

Ic=Ib*hfe

مثلا إن كان المعامل هو 100 ووضعنا 5 ميلي-أمبير على القاعدة فإن هذا ينتج عنه 500 ميلي-أمبير في المجمع.

لكن هذا المعامل ليس ثابتا للترانزيستور الواحد بل عند ظروف تشغيل معينة مثل تيار المجمع Ic و فولتية المجمع Vce. يجب أن لا يزيد تيار القاعدة عن 40 ميلي-أمبير وهو الحد الأقصى للمتحكم الدقيق في أردوينو (انظر وثائق Atmega328). في حالة محرك اللعبة عند تثبيت المحرك أي Ic يكون 400 ميلي-أمبير نحتاج أن يكون hfe أكبر أو يساوي 10 لأنه إن كان أقل من ذلك مثلا 5 عندها تستهلك القاعدة 80 ميلي-أمبير من المتحكم الدقيق فتحرقه. لكن كما نلاحظ جميع قيم hfe أكبر من 10 (بل هي 30 على الأقل). أما في حالة المحرك الحر دون حمل عند استهلاكه 150 ميلي-أمبير مثلا نجد أن أقل معامل تضخيم هو 100 يعني يكفيه 1.5 ميلي-أمبير حتى يعمل بكل أريحية.

معامل التضخيم

فولتية الإشباع

هناك حد أعلى للفولتية التي يمكن تطبيقها على القاعدة أي فولتية أعلى منها لا تؤدي إلى تضخيم خطي بمعامل hfe لأنها وصلت إلى حد الإشباع. تجدها تحت اسم VBEsat أي base-emitter saturation voltage وهي في مثالنا تتراوح بين 1.3 فولت و 2.6 فولت. لكن المتحكم الدقيق يعطي 5 فولت فما العمل؟ نضع مقاومة موضحة في الصورة باسم RB يكون فرق الجهد بين الباعث والمتحكم الدقيق 5 فولت منها 1.3 بين الباعث والقاعدة والباقي بين طرفي المقاومة كما يلي:

VBEsat+IB*RB = 5.0 VBEsat+IC*RB/hfe = 5.0 RB = (5.0 - VBEsat)*hfe/IC

في حالة المحرك الحر تكون VBEsat هي 1.3 فولت و Ic قيمتها 0.150 أمبير (انتبه للتحويل من ميلي-أمبير إلى أمبير) وقيمة hfe بين 100 و 300

RB = (5.0 - VBEsat)*hfe/IC RB = (5.0 - 1.3)*100.0/0.150 RB = (5.0 - 1.3)*300.0/0.150

فتكون المقاومة المطلوبة بين 2.5 كيلو-أوم وبين 7.4 كيلو-أوم. في حالة

المحرك المثبت

RB = (5.0 - VBEsat)*hfe/IC RB = (5.0 - 2.6)*40.0/0.400

نحتاج 240 أوم. عليك اختيار أكبر واحدة فيهم وهي 7.4 كيلو-أوم أو أقرب قيمة تجارية أكبر منها.

تفريغ طاقة الحث

عندما يكون المحرك يدور يكون هناك طاقة حثية موجودة في ملفاته تظل تستهلك على شكل حركة وعند فصل الطاقة عن المحرك وتوقفه فإنها تفترغ الطاقة الحثية المخزنة فيها (لأن الملفات تقاوم التغير في المجال المغناطيسي) مما يحرق الترانزيستور لذا علينا تفريغ هذه الطاقة بطريقة ما.

أسهل طريقة لحماية الترانزيستور هو وصل ثنائي diode (مثل 1N4001 أو 1N4007 فهو يتحمل 1 أمبير) بين طرفي المحرك بعكس القطبية التي نغذي المحرك بها. طالما نحن نغي المحرك كي يدور فإن الثنائي يعمل كدارة مفتوحة ولا يعمل شيء. بمجرد قطع التيار عن المحرك وبدء ملفاته بضخ التيار الحذي المعاكس فإن الدايود يتحول إلى مفتاح موصول بين طرفيه يسري فيه التيار لتعادل ملفات المحرك بعضها البعض.

حماية الترانزيستور من تفريغ التيار الحثي

طريقة أخرى لحماية الترانزيستور هو وصل الدايود بين طرفي الترانزيستور أي الباعث والمجمع باتجاع عكسي طالما الترانزيستور يعمل بشكل طبيعي تكون الثنائية مثل المفتاح المفصول لكن عندما يسري التيار الحثي بغير الاتجاه المطلوب فإنه الثنائي يصبح كالمفتاح الموصول ويسري فيه التيار متجنبا الترانزيستور. أغلب ترانزيستورات Power MOSFET تحتوي ما يعادل هذه الثنائية داخليا (كما في الصورة أدناه) ولا داع لها لكن 2N2222 ليس MOSFET ويتحاج حماية.

Power MOSFET

جسر حرف H

يمكن عمل جسر حرف H من خلال 4 ترانزيستورات 2 منها NPN وآخران PNP المتممين لها لاحظ دايودات الحماية باللون الأحمر.

جسر حرف H باستخدام 4 ترانزيستورات

أو حتى باستعمال NPN 2n2222 وحدها كما في هذه التجربة من instructables

جسر حرف H آخر

مصادر ومراجع

3


مؤيد السعدي
مؤيد السعديمنذ 3 سنوات

المقالة التالية تحتوي معلومات مفيدوة وتفاصيل أكثر.

https://learn.sparkfun.com/tutorials/transistors/all

1

Test User