استخدام الترانزستور كمفتاح الكتروني

استخدام الترانزستور كمفتاح الكتروني

تعدُّ القواطع الترانزستوريّة مثاليّة لوصل وقطع أجهزة الجهد المنخفض؛ وذلك باستخدام الترانزستور في حالتي الإشباع والقطع.

عند استخدام الترانزستور كمضخم للإشارة المتناوبة يطبق جهد الانحياز على القاعدة بحيث يعمل الترانزستور ضمنَ المنطقة الفاعلة طوالَ الوقت أيْ بحيث يتم استخدامُ الجزء الخطي من منحنيات خصائص الخرج.

ولكن يمكن استخدام كلّ من الترانزستورين NPN وPNP كقواطع الحالة الصلبة (ON/OFF (solid state بتحييز جهدِ القاعدة بشكل مختلف عن حالة مضخم الإشارة.

تعدّ قواطع الحالة الصلبة أحد التطبيقات الأساسيَّة للترانزستور حيث يستخدم لتشغيل وإيقاف تشغيل حمل تيار مستمر.

تتطلب بعض الأجهزة مثل الليدات تيارًا صغيرًا جدًّا من مرتبة الميلي أمبير لذلك يمكن قيادتُها مباشَرة من خرج بوابة منطقية. ولكن أجهزة الاستطاعة العاليّة كالمحركات والملفات والمصابيح تحتاج إلى استطاعة أعلى من الاستطاعة المقدمة من قبل بوابة منطقيّة ولذلك تُستخدم القواطع الترانزستوريّة.

لاستخدم الترانزستور ثنائي القطب كقاطع في دارة؛ علينا تأمين انحياز الترانزستور سواء كانَ NPN أو PNP بحيث يعملُ على طرفي منحني خصائص الخرج.

تعرف منطقتي عمل الترانزستور بمنطقةِ الإشباع ومنطقة القطع. هذا يعني أنّه يمكننا تجاهل نقطة العمل Q-point ودارات تقسيمِ الجهد اللازمة لعمل الترانزستور كمضخم. وسنستخدم الترانزستور كقاطع عن طريق نقله بين حالتي مفصولًا تمامًا (منطقة القطع) وموصولًا تمامًا (منطقة الإشباع).

 

مناطق عمل الترانزستور كقاطع

 

مناطق عمل الترانزستور كقاطع
مناطق عمل الترانزستور كقاطع(حقوق الصورة: موقع electronics-tutorial)

المنطقة المظللة بالزهري في أسفل الرّسم تمثل منطقة القطع في حين تمثلُ المنطقة المظللة بالأزرق منطقة الإشباع في الترانزستور.

  1. منطقة القطع

تكون شروطُ التشغيل للترانزستور هي تيار قاعدة صفري IB وتيار خرج مجمع صفري IC وجهد مجمع أعظمي VCE ممّا يشكل منطقة نضوب layer) (depletion كبيرة فلا يمرُّ تيارٌ عبر الجهاز. ومِن ثمّ يكون الترانزستور مفصولاً كليّاً.

خصائص القطع

خصائص القطع
خصائص القطع عند استخدام الترانزستور كقاطع
  • كلّ من الدخل والقاعدة معرضا (0V).
  • جهد القاعدة-باعث VBE<0.7V
  • وصلة القاعدة-باعث منحازة عكسيّاً
  • وصلة القاعدة-مجمع منحازة عكسيّاً
  • الترانزستور مغلق تماماً (منطقة القطع).
  • لا يمرُّ تيار مجمع (IC=0).
  • VOUT=VCE=VCC=”1”
  • يعمل الترانزستور كقاطع مفتوح. أي عند استخدام ترانزستور ثنائي القطبية تحدد منطقة القطع أو “حالة الفصل” حينما تكون كلتا الوصلتين منزاحة عكسياً VB<0.7v وIC=0. وفي الترانزستور PNP يجب أن يكون جهد الباعث سالباً بالنسبة إلى القاعدة.
  1. منطقة الإشباع

يتم انزياح الترانزستور بحيث يتمّ تطبيق المقدار الأعظمي لتيار القاعدة مما يعطي تيار مجمع أعظمي وانخفاض جهد مجمع-باعث أصغري أي منطقة نضوب أصغر ما يُمكن ويمر تيار أعظمي عبرَ الترانزستور. أي أن الترانزستور موصول تماماً.

خصائص الإشباع

خصائص الإشباع
خصائص الإشباع عند استخدام الترانزستور كقاطع
  • يوصل الدخل والقاعدة مع VCC.
  • جهد القاعدة-باعث VBE>0.7v.
  • وصلة القاعدة-باعث منحازة أماميًّا.
  • وصلة القاعدة-مجمع منحازة أماميًّا.
  • الترانزستور موصول تمامًا “منطقة الإشباع”.
  • يمرُّ تيار مجمع أعظمي (IC=VCC/RL).
  • في الإشباع المثالي يكون VCE=0.
  • VOUT=VCE=”0”.
  • يعمل الترانزستور كقاطع مغلق.

أيْ عندَ استخدام ترانزستور ثنائي القطبية كقاطع تحددُ منطقة الإشباع أو حالة الوصل عندما تكون الوصلتان منحازتين أماميًّا وVB>0.7 وIC أعظمي. في ترانزستور PNP يجب أن يكون جهد الباعث موجبًا بالنسبة إلى القاعدة.

وهكذا نجد أن الترانزستور يعمل كقاطع حالة صلبة “أحادي القطب أحادي الخرج” (SPST). عند تطبيقِ إشارة صفريّة على قاعدة الترانزستور يفصلُ الترانزستور ويعمل كقاطع مفتوح ويكون تيار المجمع صفريًّا.

عند تطبيق إشارة موجبة على قاعدة الترانزستور يوصل الترانزستور ويعمل كقاطع مغلق ويمرُّ عبر الجهاز الموصول به تيار دارة أعظمي.

أسهل الطرقِ لوضع قاطع عند استطاعات عالية ومتوسطة هي استخدامُ الترانزستور مع خرج مجمع مفتوح ووصل مخرج الباعث مباشرة مع الأرضي. في هذه الحالة يمكن لخرج المجمع المفتوح أن “يصرف” أيَّ جهد خارجي مطبق إلى الأرض ولذا يتحكّمُ بأي حمولة.

سنعطي لاحقًا مثالًا على استخدام ترانزستور NPN كقاطع لتشغيل ريليه. مع الحمولة الردية كالريليه والملفات يوصل ديود Flywheel عبر الحمولة لتبديد القوة المحركة العكسية الناتجة عن الحمولة الردية عندما يفصل الترانزستور ومن ثمّ يحمي الترانزستور من التضرر. إذا كانت الحمولة تتطلب تياراً كبيراً جداً أو جهداً كبيراً جداً مثل المحركات أو السّخانات فيمكن التحكم بتيار الحمولة عن طريق الريليه كما هو موضح.

 

دارة مفتاح الكتروني باستخدام ترانزستور NPN

 

دارة قاطع ترانزستور NPN
دارة مفتاح باستخدام ترانزستور NPN

تمثل الدارة السّابقة دارة باعث مشترك تحدثنا عنها في مقالٍ سابق. الاختلاف هذه المرّة هو أنه لكي يعمل الترانزستور كمفتاح يجب إما وصلُه كلياً (إشباع) وإمّا فصلُه كليًّا (قطع). سيمتلك المفتاح الترانزستوري المثالي مقاومة لا نهائيّة بين الباعث والمجمع عند فصله كليًّا مما يمنع مرور التيار نهائيًّا عبره وسيمتلك مقاومة صفريَّة في حالة وصله كليًّا ممّا يسبب مرور تيار أعظمي.

في التطبيق العملي عند فصل الترانزستور يمرّ تيار تسريب صغير عبره وعند وصله كليّا يمتلك الجهاز مقاومة صغيرة مسبّبًا جهد اشباع صغير VCE عبره. بالرغم من أن الترانزستور ليس قاطعًا مثاليًّا في كلا منطقتي القطع والإشباع؛ فإنَّ الضياعَ في الاستطاعة عبره صغير جدًّا.

لكي يمرَّ تيار عبر القاعدة يجب أن يطبق على مدخل القاعدة جهد أكثر إيجابيّة من الباعث أيْ بزيادته فوق 0.7v في الترانزستورات المصنوعة من السّيليكون. بتغير قيمة جهد القاعدة-باعث VBE ستتغير قيمة تيار القاعدة الذي يتحكّمُ بكمية تيار المجمع المار عبرَ الترانزستور.

نقولُ عن الترانزستور أنَّه في حالة إشباع عندما يمرُّ تيار مجمعٍ أعظميٍّ. تحددُ قيمة مقاومة القاعدة قيمةَ جهدِ الدخل المطلوب وتيار القاعدة المطلوب لتوصيل الترانزستور تمامًا.

مثال1

باستخدامِ القيم المعطاة في الأمثلة من المقالات السّابقة:  قم بإيجاد قيمة مقاومة القاعدة Rb التي ستشغلُ الترانزستور كليًّا (إشباع) حين يتجاوز جهد الدخل القيمة 2.5v.

القيمة المفضلة للاستعمال الأقرب هي 82Kohm وهذا يضمن أن الترانزستور يصل دائمًا إلى الإشباع.

مثال2

باستخدام القيم السّابقة جِدْ قيمةَ تيار القاعدة الأصغري المطلوب لتوصيل الترانزستور تمامًا (الإشباع) لحمولةِ تطلب تيار 200mA عندما يكون جهد الدخل 5v كما قوم بحساب Rb.

تيار القاعدة:
تيار القاعدة
تيار القاعدة
مقاومة القاعدة:
مقاومة القاعدة
مقاومة القاعدة

تستخدم القواطع الترانزستورية في تطبيقاتٍ عديدة مثل توصيل أجهزةٍ تتطلب تيارات وجهودًا عالية كالمحركات والريليهات ومصابيح إلى أجهزة جهد منخفض مثل الدارات المتكاملة والبوابات المنطقية. حيث يكون خرج البوابة المنطقيّة 5v والجهاز المراد وصلُه يتطلب جهد قيمته 12 أو 24v. أو يمكن أن تطلب الحمولة مثل محرك تيار مستمر أن يتم التحكمُ بسرعته عن طريق سلسلة من النبضات (تعديل عرض النبضة). ستمكننا القواطع الترانزستورية من القيام بهذه العملية بشكل أسرعَ وأكثر سهولةً من القواطع الميكانيكية.

 

دارة مفتاح ترازستوري مع بوابة منطقية

 

دارة مفتاح ترازستوري مع بوابة منطقية (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorial)
دارة مفتاح ترازستوري مع بوابة منطقية (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorial)

نحتاج إلى مقاومة القاعدة Rb للحد من تيار خرج البوابة المنطقيّة.

 

مفتاح الكتروني باستخدام ترانزستور PNP

 

يمكننا استخدام ترانزستور PNP كمفتاح أيضًا ولكن الاختلاف يكمن في أننا نقوم بوصل الحمولة مع الأرضي (0v) ويقوم ترانزستور PNP بوصل الطاقةِ إليها. لوصل الترانزستور في هذه الحالة يجبُ وصل القاعدة مع الأرض أو 0v كما هو مبيّنٌ في الشكل التالي.

دارة مفتاح الترانزستوري PNP

<strong>دارة مفتاح الترانزستوري PNP حقوق الصورة :موقع) electronics-tutorial)</strong>
دارة مفتاح الترانزستوري PNP (حقوق الصورة :موقعelectronics-tutorial)

تكون المعادلاتُ لحساب مقاومة القاعدة وجهد وتيار المجمع هي المعادلات نفسها في ترانزستور NPN. الاختلاف أنه في ترانزستور PNP نوصلُ الاستطاعة (تيار المنبع) بدلاً من وصل الأرضي في NPN (تيار المصرف).

دارة دارلينغتون Darlington الترانزستورية

 

أحياناً يكون ربح التيار المستمر في الترانزستور غيرَ كافٍ لتشغيل الحمولة فتُستخدم عِدّة قواطع ترانزستورية. إذْ يقوم ترانزستور دخلٍ صغير بوصل وفصل ترانزستور يتحمل تياراً أكبرَ. لجعل الإشارة أكبر ما يمكن يتم وصل الترانزستورين “بطريقة تراكب الربح المكامل” أو ما يعرف “بطريقة دارلينغتون” حيث يكون عاملُ التضخيم الكلي جداءَ عاملي تضخيمِ الترانزستورين.

ومنه فترانزستورات دارلينغتون تحتوي على ترانزستورين ثنائيي القطبية NPN أو PNP موصولين مع بعضهما بحيث يكون ربح التيار للأول مضروباً بربح التيار للثاني منتجين جهازاً يعمل كترانزستور واحد له ربحُ تيار كبير وتيارُ قاعدة صغير. تكون قيمة ربح التيار الكلي بيتا  أو hfe هي جداء ربحي الترانزستورين.

ربح التيار الكلي
ربح التيار الكلي

ولذلك يمكن مقارنة ترانزستورات دارلنغتون ذات عاملِ التضخيم العالي وتيار المجمع الكبير بقاطع الترانزستور الواحد. فعلى سبيل المثال: إذا كان عامل ربح التيار للترانزستور الأوَّل 100 وعامل ربح التيار في ترانزستور القاطع الثاني هو 50 فسيكون عامل ربح التيار الكلي 100*50=5000. فمثلًا إذا كان تيار الحمولة من المثال السابق 200mA فسيكون تيار القاعدة في دارلينغتون 200mA/5000=40uA فقط. وهذا أقلّ بكثير من الـ1mA في حال الترانزستور الوحيد.

يوضح الشكل التالي مثالاً عن النمطين الأساسيين لترانزستورات دارلينغتون.

 

أشكال ترانزستورات دارلينغتون

 

 

النمطين الأساسيين لترانزستورات دارلينغتون
النمطين الأساسيين لترانزستورات دارلينغتون (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

يبين في الشّكل السّابق كيفية توصيل قاطع دارلينغتون من النمط NPN حيث يتمّ وصل مجمعي الترانزستورين معاً ويوصل باعث الترانزستور الأول مع قاعدة الترانزستور الثاني وهكذا يصبح تيار باعث الترانزستور الأوَّل تياراً لقاعدة الترانزستور الثاني ثمّ يقوم بوصله.

يستقبل الترانزستور الأوَّل أو ما يسمى بترانزستور الدخل إشارة الدخل على قاعدته. يقوم هذا الترانزستور بتضخيم هذه الإشارة بالطريقة المعتادة ويستخدمها لقيادة الترانزستور الثاني الأكبر أو ما يسمى بترانزستور الخرج. يقوم الترانزستور الثاني بتضخيم الإشارة مرّة أخرى معطياً ربحَ تيار عالٍ جدّاً. ويعد ربح التيار الكبير أحدَ أهم خصائص ترانزستورات دارلينغتون مقارنةً مع ترانزستورات ثنائية القطبية الوحيدة.

بالإضافة إلى الربح العالي تتميز قواطعُ ترانزستورات دارلينغتون بسرعة وصلها وفصلِها ممّا يجعلها مثالية في دارات القلابات inverter ودارات الإضاءة وتطبيقات التّحكم بالمحركات المستمرّة والخطوية.

يجب أخذ اختلاف بعين الاعتبار عندَ استخدام ترانزستورات دارلينغتون بدلاً من ترانزستور واحد ثنائي القطبية وذلك عند استخدامها كقواطع يجب أن يكون جهد القاعدة-باعث VBE أكبرَ من 1.4v في أجهزة السّيليكون وذلك بسبب وجودِ وصلتي PN.

ملخص

 

عند استخدام الترانزستور كقاطع تتحقق الشّروط التالية:

  • يمكن استخدامُ القواطع الترانزستوريّة للتحكم بالمصابيح والريليهات وحتى المحركات.
  • عند استخدام الترانزستور ثنائي القطبية كقاطع يجب إمّا أن يكون مفصولاً تماماً وإمّا موصولاً تماماً.
  • الترانزستور الموصولُ تماماً هو الترانزستوُ في حالة الإشباع.
  • الترانزستور المفصول تماماً هو الترانزستور في حالة القطع.
  • عند استخدامِ الترانزستور كقاطع يتحكّمُ تيار القاعدة الصغير بتيار مجمع أكبر بكثير.
  • عند استخدام الترانزستور كقاطع مع الحمولة الردية يجب استخدامُ ديود flywheel.
  • عند الحاجة إلى التّحكم بتيارات وجهود كبيرة يمكن استخدام ترانزستوارت دارلينغتون.
  • يمكن تشكيلُ ترانزستورات دارلينغتون بوصل ترانزستورين معاً.

المصدر: هنا
ترجمة:عدي ناصر, مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: محمد بابكر, تصميم: علي العلي, تحرير: قحطان غانم.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *