الترانزستورات

الترانزستورات

الترانزستورات هي عناصر إلكترونية تصنع من أنصاف النواقل وتستخدم إما كمفاتيح بها كهربائيا أو كمضخمات , ويمكن التحكم بالتيار المار في الترانزستورات بطريقة مشابهة لطريقة التحكم بالماء المتدفق عبر صنبور . يمكن التحكم بالماء المتدفق عبر الصنبور بواسطة لولب الصنبور , أما في الترانزستور فيتم التحكم بالتيار بواسطة جهد أو تيار تحكم صغير يطبق علي طرف (رجل lead )التحكم فيتم التحكم بتيار كبير يمر الطرفين الأخرين للترانزستور .

للترانزستور كما هو واضح في الشكل ثلاث أرجل , إحدي هذه الأرجل هي رجل التحكم .

تستخدم الترانزستورات في أغلب الدارات الإلكترونية كدارات التضخيم ودارات الإهتزاز , ودارات منابع التيار , ودارات تنظيم الجهد , ودارات مصادر التغذية , وكذلك في بناء الدارات المتكاملة (ICs) , وكذلك في دارات التحكم وخاصة عندما يتم استخدام تيار صغير للتحكم بتيار كبير . كما تستخدم الترانزستورات أيضا كمفاتيح إلكترونية .

الشكل : مقارنة بين الترانزستور وصنبور الماء

مقدمة إلي الترانزستورات

تتوفر أنواع مختلفة من الترانزستورات , وتختلف عن بعضها بمواصفاتها التيارية والتحكمية , فبعض الترانزستورات تمتلك ميزة التحكم التياري المتغير , وبعضها الأخر لا يملك هذه الميزة , وبعض الترانزستورات تكون عادة في حالة قطع حتي يطبق جهد علي قاعدة الترانزستور أو علي بوابته , أما البعض الأخر فبالعكس يكون في حالة عمل حتي يطبق جهد علي قطب التحكم . وعندما يكون الترانزستور في حالة عمل (on) يمر تيار عبر الترانزستور ولكن مقدار هذا التيار يختلف من حالة إلي أخري . تحتاج بعض الترانزستورات كي تصبح في حالة عمل إلي تطبيق جهد علي رجل التحكم وبنفس جهد علي طرف التحكم كي يعمل الترانزستور في أنواع أخري , كما أن جهد التحكم المطلوب موجب في بعض الأنواع وسالب في أنواع أخري .

العائلات الأساسية للترانزستورات هي عائلة الترانزستورات ثنائية القطبية (bipolar transistors) والترانزستورات الحقلية ( field-effect transistors) والتي يرمز لها بشكل لها مختصر بالرمز (FETs) . الفرق الأساسي بين هاتين العائلتين هو أن الترانزستورات ثنائية القطبية تحتاج إلي تيار استقطاب في الدخل , أما ترانزستورات الـــ FET فتحتاج فقط إلي جهد , وعمليا لا تحتاج إلي تيار في الدخل , وتعتمد الترانزستورات ثنائية القطبية في عملها علي حركة نوعي حوامل الشحنات (الإلكترونات والثقوب) ولذلك تسمي ترانزستورات ثنائية القطبية , أما الترانزستورات الحقلية فتعتمد في مبدأ عملها علي حركة نوع واحد من حوامل الشحنات . بما أن الترانزستورات لا تستهلك في الدخل أي تيار , لذلك يمكن إعتبار ممانعة دخلها (input impedance) عالية جدا , من مرتبة ( Ω (10¹⁴ وهذا يعني أن قطب التحكم للترانزستور الحقلي لن يكون له تأثير علي مصدر القيادة الذي يقود الترانزستور الحقلي (لأن التأثير يكون ناتجا عن التيار المستهلك وهنا كما ذكرنا لا يوجد تيار مستهلك ) . في الترانزستورات ثنائية القطبية يمكن أن يستهلك طرف التحكم تيارا صغيرا من دارة القيادة فيؤثر ذلك علي ديناميكية عمل دارة القيادة .

تعتبر ترانزستورات الـــ FET أكثر انتشارا في التطبيقات هذه الأيام وذلك بالمقارنة مع الترانزستورات ثنائية القطبية وذلك بسبب ميزات الترانزستورات الحقلية , فالترانزستورات الحقلية تمتاز عن ثنائية القطبية بالأمور التالية :

· لا تستهلك تياراً في طرف الدخل

· عملية إنتاجها أسهل من الترانزستورات القطبية .

· كلفة إنتاجها أرخص (لأنها تحتاج حجما أقل من شريحة السيلكون ) وبالتالي فإن حجمها يمكن أن يكون صغيرا جدا مما يجعلها ملائمة لتصنيع الدارات المتكاملة .

أحد أبرز سلبيات الترانزستورات الحقلية هو إنخفاض قيمة ناقليتها التبادلية (tranceconductance) مقارنة مع الترانزستورات ثنائية القطبية وذلك عند نفس مستويات التيارات , ولذلك فإن ربح الجهد لن يكون كبيرا كما هي الحال عند استخدام ترانزستورات ثنائية القطبية . نادرا ما تستخدم الترانزستورات الحقلية في دارات المضخات البسيطة (simple amplifiers) , إلا إذا كان ممانعة الدخل العالية جدا وتيار الدخل المنخفض من أهم المتطلبات الواجب تحقيقها في المضخم .

تعطي في الجدول مراجعه لبعض أكثر الترانزستورات استخداما . إن كلمة (normally) والتي تعني بشكل طبيعي والمستخدمة في هذا الجدول تدل علي الحالة التي يكون فيها قطب التحكم موصولا مع أحد الأقطاب الأخري للترانزستورات ( مع الباعث مثلا أو مع المنبع ) , أما عبارات (on) و (off) فلا تعني ان الترانزستور يمرر أقصي تيار ممكن في حالة (on) ولا يمرر نهائيا أي تيار في حالة (off) وذلك لأن التيار الذي يمر في الترانزستور الموجود في حالة (on) يتعلق بتيار طرف التحكم إذا كان الترانزستور ثنائي القطبية وبجهد التحكم إذا كان الترانزستور من نوع FET . سوف تناقش الترانزستورات الواردة في هذا الجدول بتفصيل أكثر في الفقرات القادمة .

الجدول : مراجعه للترانزستورات

نوع الترانزستور	رمز الترانزستور	نمط العمل
ثنائي القطبية		يكون هذا الترانزستور في الحالة الطبيعية في حالة قطع ولكن تطبيق جهد موجب صغير بين القاعدة والباعث يؤدي إلي مرور تيار في القاعدة وينتقل الترانزستور إلي حالة (on) فيمر تيار كبير بين المجمع والباعث . يعمل هذا الترانزستور عندما يكون Vc>VE ويستخدم كمفتاح ومضخم .
		يكون هذا الترانزستور في الحالة الطبيعية في حالة قطع ولكن تطبيق جهد سالب صغير وتيار صغير علي القاعدة (B) يؤدي إلي نقل الترانزستور إلي حالة (on) , وبذلك يمر تيار كبير بين المجمع والباعث يعمل هذا الترانزستور عندما يكون VE > Vc ويستخدم في التضخيم وكذلك كمفتاح إلكتروني
ترانزستور حلقي ذو متصل junction FET		في الحالة الطبيعية يكون الترانزستور (on) وعند تطبيق جهد سالب صغير علي بوابته (G) بالنسبة للمنبع (s) ينتقل الترانزستور إلي حالة قطع ويتوقف مرور تيار المصرف . يعمل عندما يكون VD > Vs ولا يحتاج إلي تيار بوابة . يستخدم في التضخيم وكذلك كمفتاح إلكتروني .
		في الحالة الطبيعية يكون هذا الترانزستور في حالة (on) , ولكن تطبيق جهد موجب صغير علي البوابة ينقله إلي حالة (off) ويتوقف مرور التيار في المصرف , يعمل عندما يكون Vs > VD ولا يحتاج إلي تيار بوابة يستخدم إما في التضخيم أو كمفتاح إلكتروني .
نمط مقفل MOSFET		في الحالة العادية (الطبيعية) يكون في حالة (on) وبتطبيق جهد سالب علي البوابة (G) بالنسبة للمنبع (S) ينتقل إلي القطع ويتوقف مرور تيار المصرف . يعمل عندما يكون VB>VS ولا يحتاج تيار دخل يستخدم في التضخيم أو كمفتاح .
		يكون عادة وفي الوضع الطبيعي في حالة (on) ولكن تطبيق جهد موجب صغير علي البوابة (G) مقارنة مع المنبع (S) ينتقل الترانزستور إلي القطع ويتوقف مرور التيار في دارة المصرف . يعمل عندما يكون VS>VD . لا يحتاج إلي تيار بوابة , ويستخدم في التضخيم أو كمفتاح إلكتروني .
نمط محسن MOSFET		يكون في الحالة الطبيعية في وضع (off) ولكن بتطبيق جهد موجب صغير علي البوابة (G) بالنسبة للمنبع (S) ينتقل إلي حالة (on) , ويمر تيار كبير في دارة المصرف , لا يحتاج إلي تيار بوابة , ويستخدم إما كمضخم أو كمفتاح يعمل عندما يكون VD>VS .
		في الحالة الطبيعية يكون الترانزستور في حالة (off) ولكن تطبيق جهد سالب صغير علي (G) بالمقارنة مع (S) ينقل الترانزستور إلي حالة (on) . يعمل عندما يكون VS>VD لا يحتاج إلي تيار بوابة يستخدم إما كمضخم أو كمفتاح .
ترانزستور حقلي وحيد المتصل Unijunction FET (UIT)		يمر عادة تيار صغير جدا من القاعدة (B2) إلي القاعدة (B1) ولكن تطبيق جهد موجب علي الباعث (E) بالنسبة للقاعدة (B1) أو للقاعدة (B2) يؤدي إلي زيادة التيار . يعمل عندما يكون VB2>VB1 ولا يحتاج إلي تيار بوابة يستخدم فقط كمفتاح .

الترانزستورات ثنائية القطبية

الترانزستورات ثنائية القطبية هي عبارة عن عناصر ذات ثلاث أقطاب ويمكن استخدامها كمفاتيح متحكم بها كهربائيا أو كمضخمات وتتوفر هذه الترانزستورات بنوعين (npn) و (pnp) كما في الشكل . في الترانزستورات (npn) يطبق جهد استقطاب موجب علي قاعدة الترانزستور (B) بحيث تصبح القاعدة (B) موجبة بالنسبة للباعث (E) فيمر تيار عبر القاعدة ويسمح هذا التيار الصغير الذي يمر في القاعدة بالتحكم بتيار أكبر يمر في دارة المجمع (collector) – باعث (emitter) .

الترانزستورات ثنائية القطبية عناصر مفيدة جدا وخاصة التحكم بتيارها باستخدام إشارة تحكم علي الدخل يجعل من هذه الترانزستورات عناصر أساسية في دارات المفاتيح بها إلكترونيا , وكذلك في دارات التحكم بالتيار وفي منظمات الجهد ودارات التضخيم والهزازات (oscillators) في دارات الذواكر (memory circuits .

الشكل : رموز الترانزستورات ثنائية القطبية

مبدأ عمل الترانزستورات ثنائية القطبية

يبين الشكل نموذجا بسيطا يوضح مبدأ عمل الترانزستور (npn) , في الترانزستور pnp تعكس قطبيات مناطق الترانزستور واتجاهات التيارات . يتكون الترانزستور npn من ثلاث مناطق سيلكونية , منطقة نوع (P) الواقعة بين المناطق (n) في الترانزستور npn أما المنطقة (n) الطرفية اليمينية فتسمي باعث (Emitter) والطرفية اليسارية فتسمي مجمع (Collector) . عندما لا يطبق أي جهد علي قاعدة (B) الترانزستور , فإن الإلكترونات في الباعث (E) لا تنتقل إلي المجمع (C) بسبب المتصل (pn) . تذكر أنه كي تعبر الإلكترونات المتصل pn فإنها تحتاج إلي تطبيق جهد استقطاب ليعطي الإلكترونات طاقة كافية للتغلب علي القوة الذرية (atomic forde) التي تمسك هذه الإلكترونات لأن المتصل pn يصبح مستقطبا عكسيا ونتيجة ذلك تنشأ منطقة مجردة وتمنع الإلكترونات من المرور .

الشكل : بنية ومبدأ عمل الترانزستورات ثنائية القطبية

إذا تم تطبيق جهد موجب (علي الأقل 0.6V ) علي قاعدة الترانزستور (npn) , فإن المتصل pn بين القاعدة والباعث يصبح في حالة استقطاب أمامي وخلال حالة الاستقطاب الأمامي فإن الإلكترونات المتحررة من الروابط الذرية في منطقة الباعث (E) تنجذب إلي القاعدة الموجبة , وبما أن منطقة القاعدة تكون عادة رقيقة (قليلة السماكة) لذلك فإن عددا كبيرا من الإلكترونات التي دخلت القاعدة قادمة من المجمع تقفز إلي المجمع . بزيادة جهد القاعدة يزداد عد الإلكترونات التي تقفز إلي المجمع ويزداد تيار المجمع بين الباعث والمجمع ) . تذكر أن جهة التيار الإصطلاحية هي عكس جهة حركة الإلكترونات . هكذا وبلغة التيار الأصطلاحي يمكن القول إن تطبيق جهد وتيار علي القاعدة يؤدي إلي مرور تيار موجب (I) من المجمع إلي الباعث .

المبدأ النظري

يبين الشكل مجموعة من منحنيات الخرج المميزة للترانزستور ثنائي القطبية , وتبين هذه المنحنيات المميزة تأثير تيار القاعدة ((I_B والجهد بين الباعث والمجمع ((V_EC علي تيار المجمع (I_C) أو علي تيار الباعث ( (I_E , وكما سنجد فيما بعد فإن (I_C) يساوي تقريبا (I_E ) .

 

الشكل : منحنيات الخرج المميزة للترانزستورات ثنائية القطبية

عند شرح مبدأ الترانزستور ثنائية القطبية تستخدم مجموعة من المصطلحات مثل :

منطقة الإشباع (saturation region) , منطقة القطع (cutoff region) , الاستقطاب (biass) , ونقطة العمل الساكنة quiescent point (Q-point) تدل منطقة الإشباع علي منطقة يمر فيها تيار أعظمي في الترانزستور ويعمل فيها الترانزستورات كمفتاح مغلق (closed switch) بين الباعث والمجمع . أما منطقة القطع فتدل علي منطقة قريبة من محور الجهد في مميزات الخرج وفيها يعمل الترانزستور كمفتاح مفتوح (open switch) ويمر خلال الترانزستور تيار صغير جدا فينمط العمل هذا . المنطقة الفعالة أو منطقة العمل الفعال (Active mode/region) تصف عمل الترانزستور في المنطقة الواقعة علي يمين منطقة الإشباع , وفوق منطقة القطع , وفي هذه المنطقة تكون العلاقة بين التيارات (I_E , I_C, I_B ) خطية .

يدل الاستقطاب (Bias) علي جهود وتيارات ساكنة في الترانزستور ويتم ضبط الجهود المستمرة المطبقة علي الترانزستور بالاختيار المناسب لمقسمات الجهد بحيث نحصل علي التيارات المرغوبة وهذه التيارات تصف ما يسمي نقطة عمل ساكنة للترانزستور .

بعض القواعد الهامة

القاعدة (1)

في الترانزستور npn يجب أن يكون جهد المجمع (Vc) أكبر من جهد الباعث (V_E) علي الأقل ببضعة أعشار الفولت وإلا فإن التيار لا يمر بين المجمع والباعث (collector-to-emitter) , بصرف النظر عن الجهد المطبق علي القاعدة في ترانزستور pnp يجب أن يكون جهد الباعث أكبر من جهد المجمع وأيضا علي الأقل ببضعة أعشار الفولت .

القاعدة (2)

يوجد هبوط جهد بين القاعدة والباعث قدره (0.6V) في ترانزستور pnp فيوجد زيادة في الجهد قدرها (0.6V) من القاعدة إلي الباعث وهذا يعني أن جهد القاعدة في ترانزستور npn يجب أن يكون أكبر بحوالي (0.6V) علي الأقل من جهد الباعث وإلا فإن الترانزستور لن يمرر تيارا بين الباعث والمجمع , أما في ترانزستور pnp فإن جهد القاعدة V_B يجب أن يكون أخفض بـ (0.6V) علي الأقل من جهد الباعث وإلا الترانزستور لا يمرر تيارا من المجمع إلي الباعث .

القوانين

إن القانون الأساسي المستخدم لوصف سلوك الترانزستور ثنائي القطبية (علي الأقل في منطقة العمل الفعالة ) هو :

I_C = h_FE .I_B = β.I_B

I_B : تيار القاعدة

I_C : تيار المجمع

h_FE والذي يرمز له أيضا بـــ ( β) : ربح التيار (current gain)

ولكل ترانزستور h_FE )) خاص به , وغالبا ما يتم اعتبار (h_FE) للترانزستور ثابتا وتتراوح قيمة ( h_FE ) للترانزستورات بين (10) و (500) ولكنه قد يتغير قليلا درجة الحرارة وكذلك بتغيرات الجهد بين الباعث والمجمع , وعادة يعطي h_FE في جداول مواصفات الترانزستور . فيما يلي توضيح لمعني ربح التيار في الترانزستور . إذا كان لديك ترانزستور له ( h_FE) يساوي (100) فإذا طبق تيار قدره (1mA) علي القاعدة في ترانزستور (npn) أو سحب تيار قدره 1mA من قاعدة ترانزستور pnp فإن التيار الذي سيمر في دارة المجمع سيكون (100mA) , ومن المهم جدا أن نذكر هنا أن علاقة ربح التيار صحيحة في الترانزستور فقط في حال تحقق القاعدة (1) والقاعدة (2) المذكورتين سابقا , ويعني ذلك أن الترانزستور يعمل في المنطقة الفعالة . في الواقع هناك حد أعظمي للتيار الأعظمي في ترانزستور والجهد الأعظمي الذي يمكن أن يطبق عليه لاحقا في هذا الفصل . يبين الشكل اتجاهات التيارات في الترانزستورات npn و pnp وقطبيات الجهود التي تطبق علي الأقطاب (الأطراف أو الأرجل ).

الشكل : اتجاهات تيارات الترانزستورات و قطبيات جهود الأقطاب .

حسب مبدأ انخفاض التيار (وحسب اتجاهات الأسهم في الشكل ) يمكن الوصول إلي العلاقة التالية بين تيارات الترانزستور (تيارات القاعدة والباعث والمجمع ) وهذه العلاقة مفيدة وهامة جدا .

I_E = I_C + I_B

ومن هذه العلاقة وعلاقة ربح التيار يمكن الحصول علي علاقة بين التيار (I_E) والتيار (I_B) .

I_E = h_FE . I_B + I_B = (h_FE + 1 ) . I_B

بمقارنة هذه العلاقة مع : I_C = h_FE . I_B

نلاحظ أن I_E يزيد عن I_C بمقدار I_B فإذا كانت h_FE أكبر بكثير من الواحد عندها نستطيع أن نكتب :

I_C = I_E

وأخيرا فإن المعادلة التالية هي تعبير القاعدة (2) بمعادلة رياضية :

V_BE = V_B – V_E = +0.6V(npn)

V_BE = V_B – V_E = -0.6V(npn)

يبين الشكل كافة تيارات الفروع وجهود الأطراف , لاحظ وجود إشارة استفهام إلي جوار رمز جهد المجمع , ومن الملاحظ أنه لا يمكن تحديد V_C في هذه الأشكال لأن V_C تتعلق بقيمة الجهد المستمر الذي يطبق علي الترانزستور , فمثلا في الشكل لإيجاد الجهد V_C يجب معرفة هبوط الجهد علي المقاومة (R) وبما أن التيار الذي يمر في المقاومة (R) هو I_C = (h_FE) . I_B فإن هبوط الجهد علي المقاومة (R) سيكون (R) . (I_C) وبالتالي فإن :

V_C = V_CC – I_C . R = V_CC – (h_FE. I_S) . R

الشكل : شكل لحساب Vc في دارة ترانزستور

من الجدير بالذكر هنا أن هذه المعادلات هي معادلات مثالية , وفي الواقع فإن هذه المعادلات قد تؤدي إلي نتائج غير واقعية وذلك إذا كانت التيارات والجهود غير واقعة ضمن الحدود المسموحة والتي توضحها المنحنيات المميزة للترانزستور . إذن لا يجوز تطبيق هذه العلاقات دون أخذ مميزات الترانزستور بالاعتبار , وإلا فإن النتائج التي تحصل عليها لن تكون ممكنة فيزيائيا . ملاحظتنا الأخيرة في موضوع مبدأ العمل النظري للترانزستور تتعلق بما يسمي مقاومة النقل (transresistance) r_tr ومقاومة النقل هذه تمثل مقاومة صغيرة لمتصل القاعدة – باعث للترانزستور . تتعلق قيمة هذه المقاومة بدرجة الحرارة وبتيار الباعث والمعادلة التالية هي معادلة تقريبية للمقاومة (r_tr) :

في العديد من الحالات تكون المقاومة (r_tr) صغيرة(عادة أقل من 1000 Ω ) ولا تسبب هذه المقاومة – التي يمكن إهمالها في بعض الحالات – أي تغير في نبدأ العمل . أحيانا لا يجوز إهمال هذه المقاومة لأن وجودها يؤثر بشكل أساسي علي أداء الترانزستور , وسوف نتوسع في شرح مفهوم وتأثير هذه المقاومة لاحقا في هذا الفصل .

مثال (1) :

في دارة الشكل تعطي : R1 = , Vcc = + 20v , V_B = 5.6V

R2 = 3.3k Ω , 4.7k Ω و ,hFE = 100 أوجد I_C , I_B , I_E ,V_E .

الحل

مثال (2) :

في دارة الشكل تعطي V_CC = + 10V; V_B = 8.2V;

R1 = 560 Ω; R2 = 2.8k Ω; h_FE = 100

أوجد V_E , I_E , I_C , I_B

الحل :

التشابه بين الترانزستور ثنائي القطبية ونموذج مائي

التشابه بين ترانزستور NPN ونموذج مائي

في الشكل يعطي نموذج مائي يشابه عمل الترانزستور npn . تمثل قاعدة الترانزستور الأنبوب الصغير في النموذج المائي الذي يدخل إلي الأنبوب الكبير من الجانب اليساري , أما المجمع فيمثل الطرف العلوي من الأنبوب العمودي , أما الباعث فيمثله الطرف السفلي للأنبوب العمودي في حال عدم مرور تيار في قاعدة الترانزستور (عدم وجود ضغط مائي مطبق علي أنبوب القاعدة في النموذج المائي ) لا يمر تيار في مجمع الترانزستور (ويبقي ذراع الرافعة السفلية في حالة عمودية وبذلك فإن الطرف العلوي لهذه الرافعة يبقي البوابة العلوية في حالة إغلاق ولا يتدفق ماء من الأعلي إلي الأسفل . عندما يطبق تيار صغير علي قاعدة الترانزستور , فإن تيارا يمر من المجمع إلي القاعدة طبعا إذا كان هناك جهد مطبق مائي عبر الأنبوبة الأفقية فإن الرافعة العمودية تزاح يعكس عقارب الساعة (بشرط أن يكون ضغط الماء أكبر من أن تتحرك البوابة العلوية وتفتح بقدر معين يتعلق بمقدار انزياح ذراع الرافعة العمودية . في حالة إغلاق . قوة إغلاق النابض السفلي تماثل الجهد (0.6V) الذي يجب تطبيقه بين القاعدة والباعث كي يمر التيار بين الباعث والمجمع . لاحظ في النموذج المائي أن تيار القاعدة يضاف إلي تيار المجمع ليشكل التياران مع بعضهما تيار الباعث .

التشابه بين ترانزستور PNP ونموذج مائي

الميزة الأساسية التي يجب ملاحظتها هنا هي الحاجة لوجود ضغط مائي قادم من الأسفل بحيث يمر تيار مائي خارجا من القاعدة كي يتدفق تيار مائي من الأسفل (تيار باعث ) إلي الأعلي (تيار مجمع ) , عند مرور تيار خارجا من القاعدة , فإن الرافعة تتحرك وتسمح بفتح الباب بين الباعث والمجمع . تختلف درجة الفتح حسب مقدار انزياح ذراع الرافعة والذي يتعلق بمقدار التيار الخارج من القاعدة . هنا أيضا لاحظ أن ضغط الماء المتدفق عبر القاعدة يتغلب علي تأثير قوة إرجاع النابض التي تبقي البوابة في طرف القاعدة مغلقة عند عدم وجود ماء متدفق , وقوة إرجاع هذا النابض تماثل عمل جهد الاستقطاب (0.6V) بين القاعدة والباعث .

تابع الشكل نموذج مائي لعمل الترانزستور .pnp

بعض الاستخدامات الأساسية

مفتاح ترانزستوري

يبين الشكل دارات مفاتيح ترانزستورية , الأولي نوع npn والثانية نوع pnp , وفي الدارة الأولي يستخدم ترانزستور npn للتحكم بالتيار المار عبر مصباح إضاءة (light bulb) . عند وضع المفتاح علي الوضعية (on) , فإن الترانزستور يستقطب بشكل مناسب ويمر تيار من مصدر الجهد (+Vcc) عبر المصباح والمجمع إلي الباعث والأرض . يتحدد تيار القاعدة من العلاقة :

يمكن معرفة تيار القاعدة من العلاقة :

I_B = h_FE . I_B

وذلك بشرط أن لا يكون هبوط الجهد علي المصباح كبيرا . إذا يجب أن يبقي جهد المجمع (VC) أكبر من جهد القاعدة , أي أكبر من (0.6V) في هذه الدارة .

عند وضع المفتاح علي وضعية (off) فإن القاعدة توصل عبر (R2) إلي الأ{ض ويكون متصل القاعدة باعث غير مستقطب بالإتجاه الأمامي و I_C = h_FE . I_C = 0 I_B = 0 ⇒ولا يمر تيار عبر المصباح ولا يضاء المصباح . في دارة الترانزستور pnp يعكس كل شئ مقارنة مع دارة الترانزستور npn لأن التيار يجب أن يخرج من القاعدة في الترانزستور pnp كي يمر التيار في مجمع .

الشكل : دارات مفاتيح ترانزستورية

منبع تيار

في دارة الشكل تعطي دارة ترانزستور npn يمكن استخدامها كمنبع تيار بسيط . عند تطبيق جهد صغير علي طرف القاعدة يمر تيار صغير في القاعدة . فيمر تيار مجمع عبر الحمل والعلاقة بين تيار المجمع وجهد القاعدة هي :

وبذلك يمكن التحكم بهذا التيار عن طريق الجهد V_B .

الشكل : منبع تيار ترانزستوري

طرق الاستقطاب التيارية

توجد شائعتان من أجل تأمين استقطاب منبع التيار , فأما أن يستخدم مقسم جهد كما في الشكل (30.4 اليساري ) . أو يستخدم منظم أو يستخدم جهد زينري (Zener diode regulator) كما في الدارة اليمينية من الشكل . في دارة مقسم الجهد يتحدد جهد القاعدة بالمقاومات (R1) و(R2) والجهد Vcc ويعطي V_B بالمعادلة التالية :

أما في دارة المنظم الزينري فإن جهد القاعدة يساوي جهد الزينر :

V_B = V_zener

الشكل : طرق استقطاب منبع التيار

تابع الباعث

تسمي الدارة المبينة في الشكل بإسم دارة الباعث , وفي هذه الدارة يكون جهد الخرج المأخوذ من مقاومة الباعث صورة عن جهد الدخل (الخرج يتبع الدخل ) وطبعا سيكون الخرج أصغر من الدخل بمقدار (0.6V) , أي مقدار هبوط الجهد علي متصل القاعدة باعث , وبذلك كلما كان V_B ≤ V_E + 0.6V أي خلال أنصاف الدور السالب إشارة الدخل , فإن الترانزستور سوف ينتقل إلي حالة القطع , ويؤدي ذلك إلي قص إشارة الخرج (أنظر الشكل ) .

قد يبدو للوهلة الأولي أن دارة تابع الباعث عديمة الفائدة , لأنها لا تحقق أي ربح جهد , ولكن إذا نظرت للدارة بعمق أكثر تلاحظ أن مقاومة دخلها أكبر بكثير من مقاومة خرجها وبشكل أدق فإن الدارة تعطي تيار خرج (I_E) أكبر بكثير من تيار الدخل (I_B) وبالتالي فإن تابع الجهد يعطي ربح تيار عاليا , وهذه الميزة هامة جدا في التطبيقات . كما أم مقاومة الدخل العالية تعني أن الدارة تستهلك القليل من الاستطاعة من إشارة الدخل أي من (Vin) عند استخدام (Vin) لقيادة الحمل بواسطة دارة تابع الجهد وذلك ك\مقارنة مع الحالة التي يوصل فيها الحمل مباشرة مع المنبع (Vin) . من معادلات ربح الترانزستور وقانون أوم يمكن الحصول علي المعادلات التالية لمقاومات الدخل والخرج .

الشكل : دارة تابع الباعث وعلاقة جهد الخرج بالدخل وأشكال جهود الخرج والدخل .

مضخم تابع الجهد (المجمع المشترك)

تسمي الدارة الموجودة في أعلي الشكل باسم دارة مضخم المجمع المشترك , وتمتاز هذه الدارة بأنها تعطي ربح تيار القاعدة من أجل التخلص من قص أنصاف الدور السالب لجهد الدخل , وذلك لأن مقسم الجهد يعطي للإشارة المتناوبة المطبقة علي الدخل بعد عبورها المكثف (C1) يعطيها مستوي مستمرا (de level) تستخدم المكثفات C1 و C2 في الدارة كي نتمكن من وصل إشارة الدخل ووصل الحمل مع الدارة دون أن يؤثر الحمل ولا مصدر الإشارة علي نقطة عمل الدارة (operating point) وتعمل المكثفات كما تري كعناصر ترشيح (filtering elements) من أجل تصميم دارة مضخم مجمع مشترك نقود حملا مقاومته (3k Ω) وتستخدم ترانزستورا له (h_FE = 100) وتغذي من جهد Vcc = + 10V وتحقق f_3dB = 100 Hz عليك اتباع الخطوات التالية :

1. اختر التيار الساكن لنقطة العمل :

I_Q = I_C

وفي هذه المسألة أختر :

I_C = 1mA

2. اختر :

V_E = 1/2 V_CC

وذلك كي نحصل في الخرج علي جهد ذي تأرجح أعظمي دون قص , وفي هذه الدارة ويما أن Vcc = + 10V عليك اختيار (V_E = +5V) .

وكي تحصل علي I_C = I_E = ImA عليك حساب R_E وفق قانون أوم من العلاقة :

3. اختر V_B بحيث تحقق العلاقة :

V_B = 0.6 + V_E = 0.6 + 5 = 5.6V

ومن أجل تأمين جهد القاعدة المطلوب تستخدم المقاومات R1 و R2 التي تشكل مقسم جهد . يتم تحديد النسبة معادلة من علاقة مقسم الجهد :

 

عوض V_B = V_E + 0.6 فتحصل علي

في مثالنا هذا نحصل علي R2/R1 = 5.6/4.4

ومن ذلك نلاحظ أنه يمكنك تقريبا اعتبار R2 = R1 . يجب أن تكون المقاومة المكافئة لمحصلة (R1) علي التوازي مع (R2) أصغر أو تساوي عشر (1/10) مقاومة الدخل الساكنة والتي يرمز لها بالرمز R_in(base)dc

 

ولذلك نختار (R1) تساوي (100k Ω) . طبعا لا تؤثر المقاومة R_load علي مقسم الجهد لأن المكثف (C2) يمنع مرور التيارات المستمرة إلي الحمل .

4. اختر مكثفات الربط المتناوب بحيث تمنع مرور التيارات المستمرة والترددات غير المرغوبة . تشكل (C1) مع المقاومة (R_in) مرشح تمرير عال ومن أجل معرفة مقاومة الدخل R_in أعتبر أن R1 و R2 و R_in(base)ac علي التوازي .

لاحظ هنا استخدام R_in(base)ac وليس R_in(base)dc وذلك لأنك تستطيع اعتبار الحمل وكأنه غير موجود

بالنسبة للإشارات المتناوبة .

بعد معرفة R_in يمكن حساب السعة (C1) كي يتحقق التردد (f_3db) .

وكذلك فإن C2 تشكل مع مقاومة الحمل مرشح تمرير عال وتحسب من العلاقة التالية:

الشكل :دارة مضخم مجمع مشترك .

توصيلة الباعث المشترك

تسمي توصيلة الترانزستور المبينة في الشكل باسم توصيلة الباعث المشترك , وهذه التوصيلة تعطي ربح جهد وذلك بعكس توصيلة المجمع المشترك . ولفهم مبدأ عمل هذه الدارة نشير في البداية إلي أنه يتم تصميم الدارة بحيث يكون معادلة كي يتم الحصول علي أعظم تأرجح لإشارة الخرج بدون ساكن (I_Q) و(I_Q) هو التيار الذي يمر في دارة المجمع عند عدم تطبيق إشارة متناوبة علي دخل الدارة .

تحسب المقاومة (Rc) من العلاقة :

مثلا إذا كان Vcc = 10V و IQ = 0.5mA فإن :

Rc = 10k Ω

تضاف إلي الدارة المقاومة (R_E) بين الباعث والأرض من أجل الاستقرار الحراري .

يتم إيجاد الربح في هذه الدارة بجعل ∆V_E = ∆V_B حيث تشير (∆) هنا إلي تأرجح طفيف . يتم إيجاد تيار الباعث وفقا لقانون أوم .

وبما أن V_c = V_out و V_B = V_m عندها يكون :

هذه المعادلة هي معادلة ربح الجهد للدارة الموجودة وسط الشكل . ومن أجل الحصول علي ربح عال وتحقيق استقرار حراري جيد يوصل مكثف علي التوازي مع (R_E) بحيث تكون ممانعة المكثف مهملة بالنسبة لتردد الإشارة المتناوبة المطبقة علي الدخل . في هذه الحالة فإن المكثف يقصر المقاومة R_E وإذا عدنا إلي معادلة الربح الأخيرة نجد أن (R_E = 0 ) والربح = ∞ .

لكن وكما نعلم فإن لكل ترانزستور مقاومة داخلية صغيرة (small internal resistance) :

 

وبتعويض القيم العددية لهذا المثال في هذه العلاقة نجد :

وبذلك يكون الربح الفعلي في هذه الحالة :

لاحظ إشارة الناقص في قيمة الربح . تدل هذه الإشارة علي أن الخرج معكوس , أي يعاكس الدخل بالصفحة وهذا في الواقع ناتج عن أن زيادة (V_in) تؤدي إلي زيادة (Ic) مما يؤدي إلي نقصان (Vc) أي نقصان جهد الخرج .

تتعلق ((r_tr بدرجة الحرارة ولذلك فإن ربح المضخم يتعلق بدرجة الحرارة . فعندما ترتفع درجة الحرارة فإن (V_E) يرتفع ويرتفع التيار (Ic) , ولكن (V_BE) ينخفض , أما (V_B) فيبقي ثابتا وهذا يعني أن الاستقطاب الأمامي لمتصل قاعدة – باعث ينخفض وبذلك فإن الترانزستور يقترب من القطع . لإزالة هذه السلبية توصل المقاومة (R_E) بين الباعث والأرض . وبإعتبار (R_E) و (r_tr) علي التسلسل فإن الربح يكون :

وذلك إذا كان المكثف بين طرفي (R_E ) غير موجود . بإضافة ( R_E) تنخفض التغيرات في مقام معادلة الربح وتنخفض تغيرات الربح يتم إختيار R_E بحيث يكون (V_E) تقريبا (1V) وذلك من أجل الاستقرار الحراري ومن أجل التأرجح الأعظمي لجهد الخرج . وفقا لقانون أوم وحسب معطيات المثال :

هناك سلبية تنتج عن إضافة (R_E) إلي الدارة وهي إنخفاض الربح ويمكن تلافي هذه السلبية كما ذكرنا بوصل مكثف علي التوازي مع (R_E) , لأن المكثف يقصر المقاومة (R_E) بالنسبة للإشارة المتناوبة وتختفي (R_E) من معادلة الربح .

تذكر أن ممناعة المكثف للتيار المستمر تنتهي إلي اللانهاية , أما ممانعته للتيار المتناوب فتتعلق بتردد التيار وبسعة المكثف ويمكن اختيار سعة هذا المكثف بحيث تكون ممناعته للتيار المتناوب قريبة من الصفر , فيمر التيار المتناوب عبره وليس عبر (R_E) ولذلك يسمي المكثف الذي يوصل علي التوازي مع (R_E) كما في الشكل في الأسفل باسم مكثف تمرير جانبي (bypass capacitor) .

مضخم باعث مشترك

تسمي الدارة المبينة في أعلي الشكل باسم دارة مضخم بوصلة باعث مشترك وتمتاز دارة مضخم الباعث المشترك بربح الجهد العالي . لاحظ أن هذه الدارة تشبه دارة توصيلة الباعث المشترك ولكن أضيف لها مقسم جهد في طرف القاعدة ومكثفات ربط متناوب للحمل ولمصدر الإشارة . لفهم ألية عمل هذه الدارة نحل المثال التالي :

صمم مضخم بوصلة باعث مشترك يعطي ربح جهد يساوي (-100) ويحقق (f_3dB = 100Hz) وتيار I_Q = 1mA . أعتبر أن V_CC = 20V و أن h_FE = 100 .

الحل

1)اختر V_C بحيث تساوي 0.5 V_CC , وذلك كي تحصل علي أعظم تأرجح دون قص لإشارة الخرج .

2) اختر (R_E) بحيث يكون V_E = 1V :

3) اختر R1 و R2 بحيث تجعل (V_B) مساويا للقيمة المحسوبة من العلاقة :

من أجل حساب (R1) و (R2) نستخدم نفس الفكرة الواردة في دارة المجمع المشترك :

بتعويض R2 (11.5) = R1 في هذه المعادلة وباعتبار R_in(base)dc = h_FE.R_E تحصل علي R2 = 10kΩ وبذلك تكون R1 = 115kΩ (يمكن إعتبار (R1 = 110k115kΩ .

4) استخدم المقاومة (R3) كي تحقق الربح المطلوب :

الخطان المتوازيان (//) يعنيان أن (R_E) موصولة علي التوازي مع (r_tr + R₃) .

يمكن حساب (r_tr) من العلاقة :

الأن يمكنك إيجاد الربح , ولكن بإمكانك اعتبار (R_E) مقصورة عند تطبيق إشارة متناوبة , إذن تصبح معادلة الربح كما يلي :

ومنها تحصل علي :

5) احسب قيمة C1 التي تحقق الترشيح المطلوب :

R_in : هي مقاومة الدخل المتناوبة للمضخم :

6) لحساب C2 أعتبر أن C2 تشكل مع (r_tr + R₃) مرشح تمرير عال :

منظم الجهد

يمكن استخدام ديود الزينر (Zener diode) لتشكيل منظم جهد بسيط ( أنظر الشكل ) , ولكن دارة منظم الزينر لها الكثير من السلبيات التي تجعلها غير مناسبة في الكثير من التطبيقات ؛ فجهد خرج منظم الزينر (Vout) غير قابل للضبط علي قيم دقيقة , إضافة إلي أن ديود الزينر يؤمن حماية معتدلة من تعرجات (تموجات الجهد ) , كما أن منظم الزينر لا يعمل بشكل جيد وخاصة عندما تتغير مقاومة الحمل , كما أن تغيرات الحمل الكبيرة تتطلب استخدام ديود زينر عالي الاستطاعة وبالتالي غالي الثمن . تقوم الدارة الثانية في الشكل بعمل أفضل من الدارة الأولي حيث تؤمن التنظيم حتي لو تغير الحمل كما تعطي تيار خرج عال وهي أيضا أكثر استقرارية . دارة المنظم الثانية تذكرك بالدارة الأولي ولاحظ في الدارة الثانية أن الزينر موصول مع القاعدة ترانزستور npn والترانزستور يعمل بوصلة تابع الباعث وهذا يعني أن جهد الخرج يساوي تقريبا جهد الدخل (طبعا الخرج أصغر من الدخل بـــ 0.6V ) , واستخدام ديود زينر لتنظيم جهد قاعدة ترانزستور npn والترانزستور يعمل بوصلة تابع الباعث وهذا يعني أن جهد الخرج يساوي تقريبا جهد الدخل (طبعا الخرج أصغر من الدخل بـــ 0.6V) , واستخدام ديود زينر لتنظيم جهد قاعدة الترانزستور يؤدي بالضرورة إلي تنظيم جهد الخرج . التيار الذي يمكن تزويده إلي الحمل هو (I_E) وحسب قواعد وعلاقات التيارات في الترانزستور فإن تيار قاعدة الترانزستور يساوي معادلة ولذلك يكفي ديود زينر قليل الاستطاعة لتنظيم جهد قاعدة الترانزستور الذي يعطي تيارا لا بأس به إلي الحمل . المكثف الموصول علي التوازي مع الزينر يخفض الضجيج علي الزينر ويشكل مرشح (R_C) مع المقاومة وبذلك فإنه يخفض تعرجات أو تموجات الجهد علي الزينر . في بعض الحالات لا تكون دارة الزينر والترانزستور قادرة علي تأمين تيار الحمل المطلوب ويمكن لحل هذه المشكلة إضافة ترانزستور أخر إلي الدارة كما في الشكل السفلي . توصل قاعدة الترانزستور الثاني يوصل مع مجمع الترانزستور الأول , وبذلك فإن الترانزستور الأول يعمل كمكبر أولي لتيار وتيار خرجه (تيار باعته) يطبق علي قاعدة الترانزستور الثاني .

زوج ترانزستورات دارلنغتون

عند وصل ترانزستورين مع بعض كما في الشكل نحصل علي ترانزستور مكافئ ذي hFE عال جدا . تسمي توصيلة الترانزستورات بهذا الشكل باسم توصيلة دارلنغتون . h_FE المكافئ يساوي (h_FE1xh_FE2) . تستخدم توصيلة دارلنغتون للتطبيقات عالية التيار , وكمرحلة دخل للمضخمات وخاصة عندما يطلب تحقيق ممانعة دخل عالية جدا . زمن استجابة توصيلة دارلنغتون أكبر من زمن استجابة الترانزستور المفرد , وهبوط الجهد بين قاعدة الترانزستور الأول وباعث الترانزستور الثاني تساوي 1.2V . تباع أزواج ترانزستورات دارلنغتون جاهزة ضمن غلاف واحد .

الشكل زوج ترانزستورات دارلنغتون