نماذج الترانزستورات ثنائية القطبية

نماذج الترانزستورات ثنائية القطبية

ترانزستورات الإشارة الصغيرة

تستخدم هذه الترانزستورات لتضخيم الإشارات منخفضة المستوي تتراوح قيم (h_FE) لهذه الترانزستورات بين (10) و (500) . أما قيم التيار الأعظمي (Ic) المسموح في هذه الترانزستورات فتتراوح بين (80) و (600mA) , وتتوفر هذه الترانزستورات بأنواع (npn) أو (pnp) , يتراوح تردد العمل الأعظمي لهذه الترانزستورات بين (1) و 300MHz .

ترانزستورات المفاتيح الصغيرة

تستخدم هذه الترانزستور بشكل أساسي كمفاتيح (switchers) , ولكن يمكن استخدامها أيضا كمضخمات قيم h_FE لهذه الترانزستورات بين (10) و (200) , أما تيارات المجمع (Ic) فتقع في المجال من (10) إلي (1000mA) وتتوفر بأنواع (npn) و (pnp) . يتراوح مجال معدل الفتح والإغلاق بين (10) و 2000MHz .

ترانزستورات الترددات العالية

تستخدم هذه الترانزستورات لتضخيم الإشارات عالية التردد منخفضة المستوي أو تستخدم أيضا كمفاتيح عالية السرعة . قاعدة هذه الترانزستورات رقيقة جدا وشريحة هذه الترانزستورات صغيرة جدا .

تستخدم ترانزستورات الترددات العالية كمضخمات وهزازات (oscillarors) للترددات HF (الترددات العالية جدا ) , UHF ( الترددات فوق العالية ) و CATV و MATV .

تردد العمل الأعظمي لهذه الترانزستورات يصل حتي (2000MHz) , أما تيارات مجمعات هذه الترانزستورات فتتراوح بين (10) و (600mA) , وتتوفر بنوعي (npn) و (pnp) .

الشكل نماذج الترانزستورات ثنائية القطبية .

الترانزستورات الاستطاعية

هي نوع خاص من الترانزستورات التي يتم استخدامها في المضخمات عالية الاستطاعة (المضخمات الاستطاعية power amplifiers) وفي مصادر التغذية . يوصل مجمع هذه الترانزستورات عادة مع غلافها الذي يكون معدنيا ويعمل الغلاف كمبدد للحرارة (heat sink) . تتراوح استطاعات هذه الترانزستورات بين (10) و (300W) أما ترددات العمل فتقع في المجال من (1) و (100A) . تتوفر بنوعي (npn) و (pnp) .

ازواج ترانزستورات دارلنغتون

وهي عبارة عن ترانزستورين بغلاف واحد وفقط بثلاث أطراف ظاهرة إلي العالم الخارجي , وتمتاز بربح تيار عال و باستقرارية عالية . القيمة الفعالة لــــ h_FE لزوج دارلنغتون أكبر بكثير من (h_FE) لترانزستورات واحد مفرد ولذلك تعطي ربح تيار عاليا . تتوفر بنوع npn ويرمز لها (D-npn) وبنوع pnp ويرمز لها بالرمز (D-pnp) .

الترانزستورات الضوئية

تعمل هذه الترانزستورات كترانزستورات ثنائية القطبية حساسة للضوء (تعرض القاعدة للضوء) عندما يسقط الضوء علي منطقة القاعدة يمر تيار في القاعدة , وحسب نوع الترانزستور الضوئي , فإن الضوء يمكن أن يكون هو المسبب الأساسي للإستقطاب (وذلك في الترانزستورات الضوئية التي لها طرفان فقط ) , أو يمكن أن يكون مساعدا في الاستقطاب (أي يغير تيار قاعدة ناتج عن مقاومات استقطاب خارجية –وذلك في الترانزستورات الضوئية التي لها ثلاثة أطراف ) .

المصفوفة الترانزستورية (مصفوفة الترانزستورات)

تتكون مصفوفة الترانزستورات من عدد من الترانزستورات الموجودة ضمن دارة متكاملة كما في مصفوفة الترانزستورات المبينة في الشكل والتي تحوي ثلاثة ترانزستورات npn وترانزستورين pnp .

تابع الشكل : نماذج الترانزستورات ثنائية القطبية

أشياء هامة يجب أن تعرفها عن الترانزستورات ثنائية القطبية

o إن البارامتر (hFE) يمكن أن يتغير لنفس النوع من الترانزستورات بين (50) مثلا و(500) , وذلك لأن h_FE يتغير بتغيرات تيار المجمع وكذلك بتغيرات درجة الحرارة . بما يمكن التنبؤ بدقة بقيمة h_FE لذلك ينصح بعدم تصميم دارات تعتمد بشكل خاص علي قيمة h_FE

o لكل ترانزستورات معدلات أعظمية , ومن هذه المعادلات الأعظمية :

· I_Cmax :تيار المجمع الأعظمي

· BV_CBO : الجهد الأعظمي بين المجمع والقاعدة

· BV_CEO : الجهد الأعظمي بين المجمع والباعث

· BV_EBO : الجهد الأعظمي بين القاعدة والباعث

· P_D : تبديد الاستطاعة الأعظمي علي المجمع

إذا تم تجاوز هذه المعدلات أثناء تشغيل الترانزستور , فإن الترانزستور يمكن أن يخرب (يدمر ) . إحدي طرق الحماية من BV_EB تتلخص بوصل ديود بين الباعث والقاعدة كما في الشكل , ويمنع هذا الديود متصل القاعدة –باعث من النقل عندما يصبح الباعث أكثر إيجابية من القاعدة ويحدث ذلك إذا كان الباعث مؤرضا وخلال نصف الدور السالب لإشارة دخل جيبية مطبقة علي القاعدة . يوصل ديود علي التسلسل مع المجمع كما في الشكل للحماية من تجاوز BV_CBO , وقد يحدث نقل عبر متصل القاعدة – مجمع في ترانزستور ( والذي يكون عادة مستقطبا عكسيا في المضخمات ) , إذا أصبح جهد القاعدة أعلي من جهد المجمع . للتأكد من عدم تجاوز BV_CEO والذي قد يحدث إذا كان حمل الترانزستور تحريضيا يوصل ديود علي التوازي مع الحمل التحريضي كما في الشكل , وفي هذه الدارة ينتقل الديود إلي حالة (on) أي إلي التمرير قبل أن تصل قفزات الجهد علي المجمع إلي قيمة عالية تساوي جهد الإنهيار .

الشكل : حماية الترانزستور من جهود الانهيار

أرجل الترانزستورات ثنائية القطبية

تتوفر الترانزستورات ثنائية القطبية مختلفة من الأغلفة . بعض الترانزستروات ذات غلاف بلاستيكي وبعضها الأخر لها غلاف معدني , وعند استخدام الترانزستور لابد من معرفة أرجل الترانزستور , القاعدة (Base) والمجمع (Collector) والباعث (emitter) ومن أجل ذلك عليك البحث أولا عن مخطط توزع الأرجل لنوع الغلاف المتوفر لديك , فإذا لم يتوفر مثل هذا المخطط عليك البحث عن كتالوك ترانزستورات مثل NTE Cross-reference Catalog for Semiconductors .

ولكن في أغلب الترانزستورات التي تستخدم كمفاتيح لا يمكن البحث عن توضع أرجلها في الكتالوكات لأنه لا توجد عليها كتابات تدل علي نوعها , وغالبا ما تنتج الشركات التي تطرح هذه الترانزستورات مجموعات كبيرة منها بعضها نوع (npn) والبعض الأخر نوع (pnp) وكلها لها نفس الشكل ولكن توضع الأرجل وتسلسلها يختلف من واحد لأخر . إذا كنت من الناس الذين يستخدمون الترانزستورات بكثرة فإننا ننصحك بشراء مقياس أفوميتر رقمي مزود بفاحص ترانزستورات (Transister Tester) . وهذه الأجهزة سهلة الاستخدام ورخيصة الكلفة , وغالبا ما يكون هذا الجهاز مزودا بنماذج مختلفة من قواعد تركيب الترانزستورات , ولاختيار الترانزستورات , ولاختيار الترانزستور يكفي وضعه علي قاعدته وضغط مفتاح اختيار فيدلك الجهاز علي نوع الترانزستور (npn) أو (pnp) ويعطيك h_FE للترانزستور , كما يدلك علي توضع الأقطاب (الأرجل) .

تطبيقات

ترانزستور قيادة حاكمة

في الشكل يستخدم ترانزستور (npn) للتحكم بعمل حاكمة . عندما يطبق علي قاعدة الترانزستور جهد تحكم (يمر في القاعدة تيار) ينتقل الترانزستور إلي حالة عمل (on) ويمر عبر ملف الحاكمة وتتغير وضعيات تماسات الحاكمة . يستخدم الديود للتخلص من قفزات الجهد المفاجئ والتي تنتج عن ملف الحاكمة . طبعا يجب اختيار حاكمة تناسب الجهد المطبق علي المجمع , كما أن الترانزستور يجب أن يتحمل تيار ملف الحاكمة .

الشكل : ترانزستور قيادة حاكمة

مضخم تفاعلي

إن المضخم المبين في الشكل يقارن إشارتي الدخل ويكبر الفرق بين الإشارتين ولفهم مبدأ عمل هذا المضخم اعتبر أن الترانزستورات متماثلة , ولاحظ أن الترانزستورين يعملان بوصلة باعث مشترك . عند تطبيق إشارات متماثلة علي المداخل (V1) و (V2) تمر تيارات متساوية في الترانزستورين ويكون جهد مجمع كل ترانزستور هو :

V_C = V_CC – I_C.R_C

وطبعا تكون جهود المجمعين متساوية , وبما أن الجهد مأخوذ بين مجمعي الترانزستورين , فإن جهد الخرج سيكون صفرا . الأن أفرض أن (V1) أكبر من (V2) عندها يكون التيار الذي يمر في الترانزستور اليميني , وعندها سيكون جهد مجمع الترانزستور اليميني أكبر من جهد مجمع الترانزستور اليساري . الترانزستورات تعمل بوصلة باعث مشترك ويتم تكبير الفرق بين إشارتي الدخل ويعطي جهد الخرج بالعلاقة التالية :

ومن هذه العلاقة تلاحظ أن الربح :Gain = R_c / r_tr 

ولفهم كيفية اختيار قيم مقاومات الدارة سنقوم بشرح الدارة المبينة في الشكل . يتم اختيار (R_C) بحيث يكون معادلة وفي الدارة المعطاة نختار (V_C = 5V) وذلك من أجل جعل المجال الديناميكي أعظميا . وبنفس الوقت يجب اختيار قيمة لتيار المجمع الساكن (I_Q) أي في حالة عدم تطبيق إشارات متناوبة علي الدارة , نفرض أننا أخترنا

يتم اختيار المقاومة RE بحيث يكون جهد بواعث الترانزستورات في الدارة تقريبا مساويا للصفر . وبذلك يمكن حساب المقاومة (R_E) كما يلي :

التيار الذي يمر في R_E هو مجموع تياري باعثي الترانزستور وبسبب تناظر الدارة يكون :

2IE = 2IQ = 2IC = 2 x 50µA = 100µA

إذا رمزنا لجهد البواعث بالرمز (V_E) عندها نكتب :

بعد ذلك نوجد (r_tr) للترانزستور

وبتعويض هذه القيم في معادلة الربح

يستخدم المضخم التفاضلي لاستخلاص الإشارات الضعيفة والتي التقطت الكثير من الضجيج خلال مرورها في خطوط النقل حيث يوضح المضخم التفاضلي في طرف الاستقبال , وبعكس المرشحات التي يمكن أن تستخلص الإشارة من الضجيج إذا كان تردد الإشارة مختلفا عن تردد الضجيج , فإن المضخم التفاضلي لا يحتاج إلي تحقق هذا الشرط لفصل الإشارة عن الضجيج , ولكن يفترض أن الضجيج واحد علي المدخلين . يستخدم مصطلح نسبة رفض النمط المشترك (Common Mode Rejection Ratio) كثيرا عند التعامل مع المضخمات التفاضلية ويرمز لهذه النسبة بـــ (CMRR) وهي تعبر عن جودة المضخم التفاضلي والمضخم التفاضلي الجيد له CMRR عالية (نظريا لا نهاية ) ويعبر CMRR عن نسبة الجهد الذي يجب أن يطبق علي المدخلين علي التوازي V1 و V2 إلي جهد الفرق (V1 – V2) كي يكون للخرج نفس المطال .

الشكل مضخم تفاضلي

مضخم متناظر يعمل علي ترانزستورات متعاكسة القطبية

تذكر أن ترانزستور نوع npn بوصلة مجمع مشترك يقص إشارة الدخل خلال أنصاف الدور السالب , لأن الترانزستور ينتقل إلي حالة قطع عندما يكون جهد قاعدته V_B ≤ V_E + 0.6V . ووفقا لنفس المبدأ فإن ترانزستور نوع pnp بوصلة مجمع مشترك سوف يقص أنصاف الدور الموجب لإشارة الدخل , ولكن إذا تم توصيل ترانزستورين pnp و npn كما في الشكل فإنك تحصل علي مضخم يسمي مضخم دفع – جذب (push-pull amplifier) أو مضخم متناظر يعمل علي ترانزستورين متعاكسي القطبية , وهذا المضخم يحقق ربح تيار ويمرر خلال دور كامل لإشارة الدخل . عندما يكون (V_in = 0) , فإن الترانزستورين يكونا في حالة قطع (I_B = 0) , وعندما يكون V_in > 0 يكون الترانزستور العلوي في حالة تمرير (conducts) , ويعمل كتابع جهدي , أما الترانزستور السفلي فيكون في حالة قطع (cut off) . عندما يكون V_in < 0 يكون الترانزستور السفلي في حالة تمرير ويعمل أيضا كدارة تابع جهدي بينما يكون الترانزستور العلوي في حالة قطع . يمكن استخدام هذا المضخم كمضخم ربط مباشر (dc amplifier) وبالإضافة إلي ذلك فهو يوفر الطاقة لأن نقطة عمل كل ترانزستور توافق (I_c = 0) , ولكن مواصفات (h_FE) و (r_tr) غير مستقرة عند (Ic ≅ 0) ولذلك لا تكون الدارة خطية بالنسبة للإشارات صغيرة المطالات , أو عند المستويات القريبة من الصفر (عند المرور بالصفر للإشارات الكبيرة (Large-Signals) وينشأ ما يسمي بتشويه العبور بالصفر (crossover distortion) .

مرأة التيار

في هذه الدارة يستخدم ترانزستورين متناظران نوع pnp لتشكيل ما يسمي مرأة تيار . وفي هذه الدارة يكون تيار الحمل وكأنه صورة مرأتية لتيار التحكم (control current) والذي يخرج من مجمع الترانزستور اليساري . وبما أن نفس تيارات الاستقطاب تخرج من قواعد هذه الترانزستورات فإن تيارات المجمعات يجب أن تكون متساوية . يمكن ضبط تيار التحكم بواسطة مقاومة توصل بين مجمع الترانزستور اليساري وجهد أخفض . يمكن بناء مرأة التيار أيضا بواسطة ترانزستورات npn ولكن شكل الدارة سيكون مقلوبا كما أن اتجاهات التيارات تكون معكوسة وتستبدل ترانزستورات الــــ pnp بترانزستورات npn ويبدل جهد التغذية بالأرضي والأرض بجهد التغذية .

الشكل : مضخم دفع جذب يعمل علي ترانزستورات متعاكسة القطبية

الشكل : مرأة التيار

مصادر (منابع) تيار متعددة

الدارة المبينة في هذا الشكل هي توسيع لدارة الشكل السابق وتقوم هذه الدارة بتزويد أحمال مختلفة بنفس التيار الذي يساوي تيار التحكم , ويمكن تصميم هذه الدارة بإستخدام ترانزستورات npn مع الأخذ بالإعتبار ما ذكرناه عن ذلك في الفقرة السابقة . لاحظ إضافة ترانزستور أخر في طرف التحكم للدارة , وفي الواقع يستخدم هذا الترانزستور لمنع الترانزستور الذي يشبع عند فصل حمله من إمتصاص تيار كبير من خط القواعد المشتركة فيؤدي بذلك إلي تخفيض تيارات الخرج .

الشكل : مصادر تيار متعددة

المهتزات (القلابات)

المهتز ثنائي الإستقرار : المهتز ثنائي هو دارة تصمم بحيث يبقي خرجها علي إحدي حالتين لزمن غير محدد حتي تطبق عليه إشارة تحكم تجبره علي تغيير وضع خرجه , وبعد أن تغير الدارة وضع خرجها , فإنها تحتاج إلي إشارة تحكم أخري لتعود من وضع الخرج إلي حالة الخرج السابقة وفي الشكل – الدارة الأولي تعطي دارة ثنائي استقرار , ولفهم مبدأ عمل هذه الدارة أفرض في البداية أن (V1 = 0V) وهذا يعني أن تيار قاعدة الترانزستور اليميني يساوي الصفر وبالتالي فتيار مجمعه يساوي الصفر , وكل التيار الذي يمر عبر المقاومة (R2) يمر عبر قاعدة الترانزستور اليساري فيقاد الترانزستور اليساري بسبب تيار القاعدة الكبير إلي الإشباع (saturation) وفي حالة الإشباع يكون جهد مجمع الترانزستور اليساري أي V1 مساويا الصفر , كما فرضنا في البداية . الدارة متناظرة ولذلك يمكنك القول إن الدارة مستقرة و (V2 = 0) والترانزستور اليميني مشبع .

يمكن جعل المهتز ثنائي الاستقرار ينتقل من حالة إلي أخري ببساطة يوصل (V1) أو (V2) إلي الأرض . يمكن استخدام المهتزات ثنائية الاستقرار كعناصر ذاكرية (memory devices) أو كمقسمات تردد وذلك لأن النبضات المتعاقبة تعيد الدارة إلي وضعها الابتدائي .

المهتز أحادي الاستقرار : المهتز أحادي الاستقرار هو دارة ذات وضع استقرار وحيد , وتنتقل الدارة إلي حالة عدم استقرار بتطبيق نبضة خارجية عليها ولكنها تعود بعد فترة زمنية محددة ومن تلقاء نفسها إلي حالة الاستقرار . وفي الشكل – الشكل الثاني تعطي دارة وحيدة استقرار . عندما يكون (V1 = 0) تكون الدارة في وضعية استقرار , ولكن إذا قصرت (V2) لحظيا أي لفترة قصيرة , فإن المكثف سيكون له سلوك يشبه دارة قصر (short circuit) لأن المكثف يمرر التيار عندما يتغير الجهد عليه فجأة ولذلك عندما يمرر المكثف يمرر التيار عندما يتغير الجهد عليه فجأة ولذلك عندما يمرر المكثف فإن كلا من تيار قاعدة ومجمع الترانزستور اليميني ويبقي الترانزستور اليميني في حالة إشباع حتي يعاد شحن المكثف (C) عبر المقاومة (R) وعندما تعود الدارة إلي حالة استقرارها السابقة . تعطي هذه الدارة نبضة مربعة في خرجها V1 ويتعلق زمن استمرارية النبضة بالثابت الزمني RC ولا يتعلق زمن استمرارية نبضة الخرج (V1) باستمرارية ومطال نبضة القدح التي تطبق علي V2 .

المهتز عديم الاستقرار : هذه الدارة ليست مستقرة علي أية حالة وتنتقل بشكل تلقائي من حالة إلي أخري بمعدل محدد , حتي بدون إشارات دخل . ولفهم مبدأ عمل هذه الدارة افرض أن الخرج V1 = 0 , وهذا يعني أن قاعدة الترانزستور اليميني ستكون مؤرضة (علي الأقل حتي ينشحن المكثف (C1) عبر المقاومة (R3) وعندما يشحن المكثف (C1) إلي قيمة محددة يصبح جهد هذا المكثف مطبقا علي قاعدة الترانزستور اليميني فيشبع هذا الترانزستور وعندها يصبح الجهد V2 = 0 وبذلك يصبح جهد قاعدة الترانزستور اليساري (0V) فيقطع الترانزستور اليساري ويرتفع جهد خرجه أي (V1) إلي قيمة موجبة تساوي (V_CC) تقريبا ويبقي علي هذه الحالة علي الأقل حتي يشحن (C2) عبر المقاومة (R4) وعندها يصبح جهد المكثف c2 كافيا لتشغيل الترانزستور اليساري يعمل هذا الترانزستور متنقلا إلي الإشباع وتتكرر دورة العمل من جديد .

يتحدد الزمن الذي يبقي عليه الخرج في كل حالة بدارات (RC) الموجودة في المهتز ودارات RC التي تحدد دور الإهتزاز بالكامل هي (R3.C1 و R4,C2 , وكما تلاحظ فالمهتز عديم الاستقرار هو عبارة عن هزاز نبضي بسيط ويمكن ضبط فترة بقاء النبضة علي حالة جهد موجب ودور النبضات بواسطة R3,C1 و R4,C2 .

البوابات المنطقية الترانزستورية

تبين الدارات المعطاة في الشكل بوابات منطقية ترانزستورية وفي بوابة (OR) , المبينة في الشكل اليساري ينتقل الخرج (C) إلي حالة high (جهد مرتفع ) إذا كانت المداخل (A) أو (B) أو ( A و B ) في حالة (high) , فإن الخرج سيكون في حالة (high) , لأن الترانزستور الذي يطبق علي قاعدته جهد عال (high) ينتقل إلي حالة (on) وينتقل الخرج إلي حالة (high) . أما بوابة AND المبينة في الشكل اليميني فإن خرجها لا يكون علي حالة (high) إلا إذا كان (A) و (B) معا علي حالة (high) أي أن كلا الترانزستورين يجب أن يكون في حالة (on) كي يكون الخرج (high) . عندما نقول إن خرج الدارة علي حالة (high) فهذا يعني أن جهد الخرج يساوي تقريبا جهد تغذية الدارة ( 6V تقريبا في الدارات المعطاة في الشكل ) .

الشكل : بوابات (OR) و (AND) منطقية ترانزستورية