MakerPot.com


90


30


0

الدليل الكامل لبداية التعلم الخطوة الحادية عشر: الترانزستورات

2017-04-18

يمكن النظر إلى الترانزستورات على أنها مفاتيح الكترونية مثل العديد من المكونات الالكترونية ولكن الترانزستورات تستطيع أن تكون أسرع بكثير من المفاتيح الميكانيكية.

هناك نوعان أساسيان من الترانزستورات هما الترانزستورات ثنائية القطبية BJT و الترانزستورات الحقلية ذات اوكسيد المعدن MOSFET وهناك نسختان من ترانزستورات BJT هما NPN و PNP. يستخدم في معظم الدارات النمط NPN. ومع أنه يوجد المئات من الترانزستورات التي تعمل ضمن جهود مختلفة إلا أنها تصنّف ضمن هذين النوعين في النهاية. تصنع الترانزستورات بأشكال مختلفة ولكن تملك ثلاث منافذ وهي القاعدة(B) وهي الرجل المسؤولة عن تفعيل الترانزستور، المجمع(C) وهو الرجل ذات الجهد الموجب، الباعث(E) وهو الرجل ذات الجهد السالب.

اضف وصف الصورة هنا

إن الترانزستور بسيط ومعقد في نفس الوقت. لنبدأ أولا بالجزء البسيط فالترانزستور عنصر الكتروني مصغر يستطيع القيام بوظائف متعددة فيستطيع العمل كمضخم أو كمفتاح الكتروني.

عندما يعمل كمضخم فإنه يأخذ تيار كهربائي صغير من احدى نهاياته (تيار دخل) وينتج تيار كهربائي أكبر بكثير (تيار خرج) في النهاية الأخرى. بكلمات أخرى فهو رافع تيار وهذا مفيد جدا في الأجهزة المساعدة على السمع وهي من أولى الأشياء التي استخدمنا من أجلها الترانزستور. يحوي جهاز المساعدة على السمع ميكرفونا صغيرا يلتقط الصوت من المكان المحيط حولك عن طريقه ويحوله الى تيار كهربائي. يتم تغذية ترانزستور بهذا التيار فيعمل الترانزستور على تضخيم هذا التيار ليغذي به مكبر للصوت لكي تستطيع السمع بشكل أفضل الأصوات المحيطة بك.

تعمل الترانزستورات كمفاتيح الكترونية أيضا حيث يستطيع تيار كهربائي صغير أن يتدفق في جزء من الترانزستور، وأن يجعل تيار أكبر بكثير يتدفق خلال جزء آخر منه. هذا بشكل أساسي كيف تعمل كل الشرائح الالكترونية ضمن الكمبيوتر فعلى سبيل المثال شريحة الذاكرة تحوي على مئات الملايين و حتى المليارات من الترانزستورات يمكن لكل منها أن يكون بحالة قطع OFF أو وصل ON بشكل منفصل عن الآخر. وبما أنّ كل ترانزستور يمكن أن يكون في أحد حالتين بالتالي نستطيع تخزين رقمين مختلفين هما الصفر والواحد. باستخدام المليارات من هذه الترانزستورات يمكن للشريحة أن تخزن مليارات الأصفار والواحدات بالإضافة للأعداد والحروف.

أنماط التشغيل:

على عكس المقاومة التي تملك غلاقة خطية بين الجهد والتيار فإن الترانزستورات هي عناصر لا خطية. لها أربع أنماط تشغيل مختلفة والتي تصف مرور التيار عبرها.( عندما نتكلم عن تدفق التيار ضمن الترانزستور فإننا نقصد تدفق التيار من المجمع إلى الباعث لترانزستور من نوع NPN). أنماط التشغيل الأربع للترانزستورات هي:

الاشباع:

يتصرف هنا الترانزستور كدارة قصر. يتدفق التيار بحرية من المجمع الى الباعث.

القطع:

يتصرف الترانزستور كدارة مفتوحة. لا يتدفق أي تيار من المجمع الى الباعث.

النمط الفعال:

تتعلق قيمة التيار التي تمر من المجمع الى الباعث بقيمة التيار الداخل الى القاعدة.

النمط الفعال العكسي:

مثل النمط الفعال يكون التيار متعلق بتيار القاعدة ولكن يتدفق بالاتجاه العكسي.

التطبيقات: مفاتيح الكترونية

من أهم التطبيقات الأساسية للترانزستور هي استخدامه في التحكم بتدفق الطاقة إلى قسم آخر من الدارة وذلك باستخدامه كمفتاح الكتروني بحيث يقاد الترانزستور بنمطين هما نمطا القطع والاشباع. تستخدم الترانزستورات كمفاتيح الكترونية لبناء البوابات المنطقية والتي تستخدم لبناء المتحكمات الصغرية والمعالجات الصغرية وغيرها من الدرات المتكاملة.

دارة عمل الترانزستور كمفتاح الكتروني:

لنلقي نظرة على هذه الدارة الأساسية وهي مفتاح NPN، حيث نستخدم هذا الترانزستور للتحكم بالليد. دخل التحكم بهذه الدارة هو القاعدة بينما الخرج يربط إلى المجمع ويبقى الباعث موصول إلى جهد ثابت. بينما يحتاج المفتاح الإلكتروني العادي إلى جهد فيزيائي لتغيير حالته بينما يتحكم بالترانزستور كمفتاح الكتروني عن طريق الجهد على القاعدة.

اضف وصف الصورة هنا

إن منافذ الدخل والخرج لمتحكم صغري مثل التي توجد على لوحة الاوردوينو يمكن برمجتها لتعطي جهد عالي أو منخفض لكي تشغل وتطفئ الليد.

عندما يتجاوز الجهد على القاعدة أكبر من 0.6V (او أي قيمة تكون هي جهد العتبة للترانزستور الذي تستخدمه) يبدأ الترانزستور بالإشباع ويبدو كدارة قصر بين المجمع والباعث. وعندما يصبح الجهد على القاعدة أقل من 0.6V يصبح الترانزستور في نمط القطع أي لا يتدفق أي تيار حيث يصبح بين المجمع والباعث دارة مفتوحة.

يبين الشكل السابق دارة مفتاح الكتروني منخفض وذلك لأن الترانزستور موصول على الأرضي. وبشكل آخر يمكننا استعمال PNP للحصول على مفتاح الكتروني عال فيكون لدينا كالدارة السابقة القاعدة هي الدخل ويوصل الباعث الى جهد ثابت ولكن هذه المرة يكون هذا الجهد مرتفع ويوصل الحمل بين الترانزستور والأرضي.

تعمل هذه الدارة كالدارة السابقة ولكن هناك فارق وحيد وكبير حيث أنه لكي يعمل الحمل ويصبح بحالة ON يجب على جهد القاعدة أن يكون منخفض وبالتالي هذا يمكن أن يسبب بعض التعقيدات خصوصا إذا كان جهد الحمل المرتفع (Vcc في الصورة) مرتفع أكثر من الجهد العال للتحكم بالدخل. على سبيل المثال لن تعمل الدارة اذا كنت تفكر في استعمال جهد تشغيل الأوردوينو 5V لكي تشغل محرك 12V. في هذه الحالة سيكون من المستحيل إغلاق المفتاح وذلك لأن جهد القاعدة سوف يكون دائما أقل من جهد الباعث.

اضف وصف الصورة هنا

مقاومة القاعدة:

سوف تلاحظ أن كل من الدارات السابقة تستخدم مقاومة على التسلسل بين مدخل التحكم وقاعدة الترانزستور. لا تنسى إضافة هذه المقاومة لأن الترانزستور بدون مقاومة على قاعدته يشبه الليد بدون مقاومة لحد التيار.

تذكر دائما أن الترانزستور نوعا ما هو عبارة عن ثنائيين متصلين ببعضهما فنحن نقوم بتطبيق انحياز أمامي على وصلة القاعدة-باعث (ثنائي) لتشغيل الحمل. يحتاج الثنائي فقط الى 0.6V ليعمل و أي جهد أعلى من ذلك يعني تيار أكبر. بعض الترانزستورات يمكن أن تتحمل تدفق تيار أعظمي 10-100mA. في حال غذينا بتيار أكبر من التيار الأعظمي يمكن أن ينفجر الترانستور أو يشتعل.

تحد المقاومة الموجودة في دارتنا بين مدخل التحكم وقاعدة الترانزستور من التيار المتدفق إلى القاعدة. تحصل وصلة القاعدة باعث على الجهد اللازم لها وهو 0.6V ويهبط باقي الجهد على المقاومة. تحدد قيمة المقاومة والجهد الهابط عليها قيمة التيار.

يجب أن تكون هذه المقاومة كبيرة بما يكفي لكي تحد من التيار بكفاءة وصغيرة أيضا إلى حد معين بحيث تغذي القاعدة بتيار كاف. تيار قاعدة بين 1-10mA يكون كافيا وتكون قيمة المقاومة بين 1-10k ولكن تأكد من بيانات الترانزستور المستعمل كي يكون هذا الكلام صحيح.

بعض الترانوستورات BJT المستعملة بكثرة في مشاريع الهواة:

Name Type Vce Ic Pd ft 2N2222 NPN 40V 800mA 625mW 300MHz BC548 NPN 30V 100mA 500mW 300MHz 2N3904 NPN 40V 200mA 625mW 270MHz 2N3906 PNP -40V -200mA 625mW 250MHz BC557 PNP -45V -100mA 500mW 150MHz TIP120 NPN 60V 5A 65W

ترانزستورات MOSFET:

ترانزستورات أوكسيد المعدن النصف ناقل ذات الأثر الحقلي هي نوع آخر من الترانزستورات تستخدم للتضخيم والعمل كمفتاح الكرتوني.

إن الميزة الأساسية لهذه الترانزستورات على الترانزستورات العادية أنها تحتاج إلى تيار صغير جدا لتعمل (أقل من 1mA) في حين أنها تؤمن تيار أكبر بكثير إلى الحمل(من 10 الى 50mA أو أكثر).

تمتلك هذه الترانزستورات مقاومة دخل مرتفعة جدا ويتم التحكم بالتيار المتدفق بين المصدر والمصرف عن طريق جهد البوابة.

بسبب مقاومة الدخل المرتفعة والربح العال يمكن أن تضرر هذه الترانزستورات بسهولة من الكهرباء الساكنة إن لم تتم حمايتها او التعامل معها بشكل سليم.

إن ترانزستورات MOSFET مثالية للأستعمال كمفاتيح الكترونية أو كمضخمات لأن استهلاكها للطاقة منخفض جدا. تستخدم هذه الترانزستورات لتطبيقات المعالجات الصغرية، الذواكر، الآلات الحاسبة، وبوابات CMOS المنطقية.

0


Test User