شرح رائع عن الترازنستور

[size=18]السلام عليكم

انواع الترانزيستور Types of transistors:
الترانزيستور نوعان هما PNP و NPN انظر الشكل التالي، حيث ان الرسم الاول
من اليمين يمثل النوع (PNP) لاحظ اتجاه السهم، والثاني يمثل النوع (NPN) الاكثر شهرة واستخداماً.
الترانزيستور له ثلاثة اطراف هي القاعدة B والمجمع C والباعث E

http://www.kpsec.freeuk.com/images/transbce.gif



.
 تيارات الترانزيستور Transistor currents:
التياران الأكثر أهمية في الترانزيستور هما تيار القاعدة IB وتيار المجمع IC ، التيار الاول هو التيار الحاكم، حيث يتحكم في التيار الثاني. بمعنى انه كلما ازداد تيار القاعدة ازداد تيار المجمع الى نقطة معينة تسمى حالة التشبع التي لا يزداد بعدها تيار المجمع بزيادة تيار القاعدة.
الشكل التالي يعرض مساري هذين التيارين.

http://www.kpsec.freeuk.com/images/trancurr.gif


تيار القاعدة الحاكم عادةً يكون صغيرا جدا مقارنة بتيار المجمع، وهذا التيار الصغير يتحكم بتيار المجمع الكبير.
انظر الى الشكل اعلاه مرة اخرى، عند غلق المفتاح سيمر تيار صغير من البطارية قاعدة الترانزيستور، هذا التيار يكفي لاضاءة الليد LED B اضاءة خافتة dim. يقوم الترانزيستور عندئذٍ بتكبير هذا التيار التيار الصغير ليسمح لتيار اكبر بكثير بالمرور من المجمع الى المشع (الباعث) (طبعاً هو يمر من البطارية الى المقاومة 470 اوم الى المجمع الى الباعث الى سالب البطارية). هذا التيار الكبير القيمة يجعل الـ LED C يضيء اضاءة قوية.
عند فتح المفتاح، لا يمر تيار القاعدة فيصبح الترانزيستور منطفي OFF فلا يمر تيار المجمع ايضاً وعليه لا يضيء أي LED.
الخلاصة: الترانزيستور يُكبر التيار ويُستخدم كمفتاح كهربي.
 النموذج الوظيفي للترانزيستور NPN Functional model of an NPN transistor:يصعب فهم وتفسير طريقة عمل الترانزيستور استناداً على بنيته الداخلية، ويكون ذلك اسهل اذا استعنا بنموذجه الوظيفي(الذي يظهر بالشكل التالي) كما يلي:

[img]http://www.kpsec.freeuk.com/images/npnmodel.gif[/img


1- تتصرف الوصلة بين القاعدة والباعث تصرف الديود تماما ويمكن التعامل معها على هذا الاساس.
2- يبدأ تيار القاعدة بالمرور عندما يصبح فرق الجهد بين القاعدة والباعث VBE مساوياً 0,7 فولت او اكثر.
3- تيار القاعدة الصغير يتحكم في تيار المجمع الكبير.
4- تيار المجمع = بيتا (معامل تكبير التيار) × تيار القاعدة (طالما لم يصل الترانزيستور لحالة التشبع) IC = Hfe X IB
5- تيار القاعدة يتحكم في قيمة المقاومة الداخلية بين المجمع والباعث على النحو التالي:
أ-عندما تيار القاعدة = صفر تكون المقاومة كبيرة جداً والترانزيستور مطفي.
ب-عندما يكون تيار القاعدة صغيرا جدا تقل هذه المقاومة ويكون الترانزيستور شغال جزئياً.
جـ بزيادة تيار القاعدة صغيرا تقل هذه المقاومة الى الصفر ويكون الترانزيستور شغال كلياً (وصل الى حالة التشبع).
ملاحظات اضافية:
 دائما نحتاج الى مقاومة تتصل على التوالي مع قاعدة الترانزيستور لتحديد قيمة التيار المار اليها لحماية الترانزيستور من التلف.
 كل ترانزيستور له قيمة تيار مجمع قصوى يستطيع تحملها ويحترق اذا تجاوزنا هذه القيمة.
 قيمة معامل تكبير تيار الترانزيستور ( بيتا أو hfe) تتغير بشكل كبير من ترانزيستور لاخر من نفس النوع والماركة، يعني ممكن تشتري ترانزيستورين BC547 من نفس المحل تكون بيتا لاحدهما تختلف تماما عن الاخر.
 عندما يكون الترانزيستور في كامل طاقة تشغيله (أي عندما تكون المقاومة الداخلية بين الباعث والمجمع تقريباً صفر) يُقال ان الترانزيستور في حالة تشبع Saturation.
 عندما يكون الترانزيستور في حالة تشبع يكون فرق الجهد بين المجمع والباعث VCE يساوي صفر تقريبا (في الحقيقة يكون قريب جدا من الصفر حيث يصل الى 0,2 فولت).
 عندما يكون الترانزيستور في حالة تشبع، يتم حساب تيار المجمع بقسمة جهد البطارية على مقاومة المجمع RC فقط (عندما لا يكون هناك RE) وليس عن طريق بيتا كما بالسابق.
 تيار الباعث = مجموع تياري القاعدة والمجمع، وكون ان تيار القاعدة صغير جدا بالنسبة لتيار المجمع فاننا يمكننا اعتبار ان تيار الباعث = تيار المجمع فقط.

]

[size=18]السلام عليكم


الجزء الثاني:
 الزوج دارلينقتون Darlington Pair:
الزوج دارلينقتون عبارة عن زوج من الترانزيستورات متصلين معا بطريقة (انظر الشكل التالي) تجعل التيار الذي يكبره الترانزيستور الأول، يُكبر اكثر بالترانزيستور الثاني.

http://www.kpsec.freeuk.com/images/darlingt.gif


وبالتالي فان معامل التكبير الكلي للتيار يساوي حاصل ضرب معامل تكبير التيار للترانزيستور الأول × معامل تكبير التيار للترانزيستور الثاني، أي: بيتا1 × بيتا2
مثال: أنت بنيت الزوج دارلينقتون بواسطة ترانزيستورين، الأول بيتا له = 200 والثاني 300، تكون بيتا الكلية للزوج دارلينقتون = 200×300=60000
ستون ألف مرة يكبر التيار
نظريا، إذا كان تيار القاعدة 100 ميكرو، فان تيار المجمع = 100 ميكرو × 60000 = 6000000 ميكرو أي 6 مليون ميكرو أي 6 أمبير (أنا أقول نظريا، هذا الكلام يحتاج إلى شروط معينة وسقته فقط لتوضيح الفكرة).
ملاحظة: يُرمز لمعامل تكبير التيار في الترانزيستور بالرمز اللاتيني بيتا أو احياناً Hfe.
هذه خاصية هامة من خصائص الزوج دارلينقتون تبين أن معامل تكبير التيار له كبير جدا يُقدر بعشرات الالف من المرات، ومن هنا نرى انه لتشغيل الزوج دارلينقتون (أي جعله في حالة ON) يلزمنا تيار للقاعدة ضعيف جدا جدا جدا، وليس كما هو الحال مع الترانزيستور المنفرد.
في الشكل أعلاه، لاحظ الأحرف باللون الأخضر B, C, E وهي أطراف الزوج دارلينقتون، مما يعني أنني أرى في النهاية أن الزوج دارلينقتون عبارة عن ترانزيستور عادي بفرق بسيط انه ذو معامل تكبير تيار عالي جدا مقارنة مع الترانزيستور العادي.
الشكل الخارجي للزوج دارلينقتون لا يختلف على الإطلاق عن شكل الترانزيستور العادي ولن تميز بينهما إلا من خلال الـ Datasheets، حتى أن كثير من المصانع اليوم أصبحت تُصنع دارات متكاملة (أي سي) تحتوي الواحدة منها على مثلا 7 حبات من الزوج دارلينقتون، كذلك هناك دارات متكاملة تحتوي الواحدة منها على 7 حبات ترانزيستور.
أنت يمكنك صنع الزوج دارلينقتون الخاص بك عن طريق توصيل زوج من الترانزيستورات كما بالشكل أعلاه.
الفرق الثاني بين الترانزيستور العادي والزوج دارلينقتون أن الأول يحتاج إلى 0,7 فولت على الأقل بين القاعدة والباعث، في حين أن الثاني يحتاج إلى 1,4 فولت على الأقل بين القاعدة (الطرف B) والباعث (الطرف E)، لانه كما تلاحظ أن الترانزيستورين المكونان للزوج دارلينقتون متصلان على التوالي ومن هنا نجمع 2 من الجهد 0,7 فولت.
كما ذكرت يمكنك أنت أن تصنع الزوج دارلينقتون بنفسك باستخدام زوج من الترانزيستورات العادية، حيث يمكن أن يكون الترانزيستور الأول صغير من النوع منخفض القدرة والثاني كبير من نوع ترانزيستورات القدرة، ويكون تيار المجمع الأقصى الذي يستطيع الزوج دارلينقتون تحمله = تيار المجمع الأقصى الذي يستطيع تحمله الترانزيستور الثاني (ترانزيستور القدرة). وهذا رائع، اقصد إضافة رائعة، بمعنى انه إذا كنت في صدد استخدام ترانزيستور قدرة في دائرة وتريد زيادة معامل تكبير التيار له (خاصة وانه يشتهر انخفاض قيمة بيتا لترانزيستورات القدرة عموما) فيمكنك عمل ذلك بسهولة بإضافة ترانزيستور صغير له ويكٌون مع الأول الزوج دارلينقتون. الميزة الثانية لهذه الإضافة انك تحصل على ترانزيستور قدرة حساس جدا يشتغل بتيار قاعدة صغير جدا بل متناهي في الصغر.
هذه الحساسية الشديدة للتيارات الضعيفة التي تمر للقاعدة (قاعدة الزوج دارلينقتون) يمكن استغلالها في بناء دائرة تعمل باللمس Touch switch (انظر الشكل التالي).
http://www.kpsec.freeuk.com/images/touchsw.gif

الدائرة أعلاه هي ببساطة مفتاح كهربي يعمل باللمس، حيث تعتمد الدائرة على التيار البسيط جدا الذي يمر من خلال جلد الإصبع (إصبع الإنسان)، الدائرة أعلاه هي لتشغيل LED ضوئي، أي أن الحمل هنا هو الليد الضوئي وهو حمل بسيط جدا وليس عملي، في الحقيقة يمكنك تشغيل أي حمل على الدائرة مثل اللمبات 220 فولت وحتى المحركات وذلك بإضافة ريلي أو تراياك كما سيلي شرحه.
ملاحظة: لا تتسرع الآن وتذهب إلى العمل، أنت لم تكتسب بعد المهارة المطلوبة، اقرأ جيداً الآن وحلل وناقش واسأل وشاورهم في الأمر وعندما تجهز ستذهب إلى مرحلة البناء وأنت مؤهل وقادر على ذلك.
إذن لبناء الدائرة أعلاه علينا أن نختار الترانزيستور الثاني (السفلي في الشكل) بشكل مناسب بحيث يتحمل التيار اللازم لتشغيل الحمل.بالنسبة لاختيار الترانزيستور، يمكنك الذهاب إلى البائع ببساطة وتقول له أنا عايز ترانزيستور يتحمل بالراحة تيار كذا، ثم عندما تحصل عليه اكتب رقمه في google واحصل على الداتاشيت وتأكد منه واستخدمه. أو إذا كنت تمتلك ترانزيستورات من لوحات تالفة صنفها في عُلب واحصل على الداتا شيت لها واكتب على كل علبه أهم المواصفات.
ملاحظة: أنا اعرف أن بعض الأجزاء التي قمت بشرحها لا تبدو واضحة جدا للبعض، لذا أنا اترك أي غموض لمشاركاتكم وتساؤلاتكم.
في الجزء التالي سنتكلم عن استخدام الترانزيستور كمفتاح وهو الجزء الأهم.

استخدام ديود الحماية Protection Diode:
عندما يكون الحمل ريلي أو ملف، فانه يجب توصيل ديود على التوازي مع الملف (أو ملف الريلي) انظر الشكل التالي.

http://www.kpsec.freeuk.com/images/diopro.gif

هذا الديود يقوم بحماية الترانزيستور من التلف في اللحظة التي يتم فيها قطع التيار عن الحمل (أي الملف)
لاحظ أن الديود متصل بشكل مقلوب، أي أن سالب الديود متصل بنقطة الملف المتصلة بموجب البطارية وبالتالي فان الديود يكون غير موصل (مطفي) في الوضع الطبيعي عندما تكون الدائرة شغالة.
عندما يتحول الترانزيستور إلى حالة القطع، يحاول الملف الإبقاء على التيار الذي كان ماراً به قبل القطع (هذه هي طبيعة الملفات) مولداً بالحث تيارا معاكساً لانهيار التيار الأصلي في محاولة للإبقاء عليه، هذا التيار يضر الترانزيستور. بوجود الديود متصل بهذه الطريقة، يتم توجيه جريان هذا التيار من خلاله إلى البطارية بعيدا عن الترانزيستور وبذلك نكون قد حميناه من التلف.
العبارة تياراً معاكساً لا تعني أن التيار يكون عكسيا للتيار الأصلي بل في اتجاهه لمنعه من الانهيار والمعاكسة في الحقيقة هي للانهيار.
تجربتي الشخصية: عندما أقوم ببناء دوائر فيها ريلي يكون هذا الديود موجودا ومتصلاً بنفس الطريقة المبينة بالشكل أعلاه، لكنني الصراحة ومن باب الكسل والإهمال لا أضعه ضمن الدائرة. لا اذكر أن الترانزيستور احترق معي بسبب عدم وجود الديود، لكن هذا لا يعفيني من تهمة الإهمال، يجب وضع الديود من باب الاحتياط.

]

الآن نأتي للزبدة، (وهي السبب الرئيسي لاختياري هذه الصفحة) وهي كيف أستطيع تصميم دائرة يعمل فيها الترانزيستور نوع pnp كمفتاح بحيث نعرف متى يمكننا استخدام الترانزيستور نوع npn ومتى pnp.
ذات مرة قمت ببناء تايمر زمني، هذا التايمر كان خرجه ON لفترة زمنية محددة ثم يصبح OFF على طول إلى أن تعمل له إعادة بدء Reset مرة أخرى.
المشكلة التي واجهتني أنني كنت أريد أن يبقى الجهاز OFF لفترة زمنية محددة ثم يتحول إلى ON على طول أي عكس ما تقوم به الدائرة الأصلية.
الحلول اليوم كثيرة، أحدها (وهو ما فعلته بالفعل) أن تستخدم دائرة عاكس inverter على مخرج التايمر، دائرة العاكس إما أن تكون بواسطة ترانزيستور واحد (سنتكلم عنها بعد هذا الموضوع مباشرة) أو أن تستخدم أي سي كاملة بها 6 عواكس من اجل عاكس واحد وهو حل مجنون طبعاً. كفاءة التصميم تعتمد على عدد العناصر المستخدمة، والتصميم الجيد (الكفؤ) هو الذي يستخدم عناصر أقل.
الحل الثاني (وهو موضوعنا اليوم) هو استخدام ترانزيستور نوع pnp بدلا من النوع npn. بهذه الطريقة أنت وفرت العاكس وجعلت دائرتك اكثر كفاءة.
نبذة حول الترانزيستور PNP:في الوقت الذي يصبح الترانزيستور NPN في حالة ON عندما يكون جهد القاعدة موجباً اكثر more positive من جهد باعثه بمقدار 0,7 فولت على الأقل فان الترانزيستور نوع PNP يصبح في حالة ON عندما يكون جهد القاعدة سالباً اكثر من جهد باعثه بمقدار 0,7 فولت على الأقل.
اعرف أن العبارة السابقة غامضة بالنسبة للبعض، لذا سأقوم بمزيد من التوضيح.
إذا كان مع عمر 5 جنيه ومع سعيد 8 جنيه فإننا من منظور إلكتروني نستطيع أن نعبر عن ذلك كما يلي:
سعيد اكثر موجب من عمر أو
عمر اكثر سالب من سعيد
فإذا اتصل الباعث بسالب البطارية مباشرة (أي جهده = صفر) واتصلت القاعدة بأي مصدر جهد موجب فان القاعدة اكثر موجب أو الباعث اكثر سالب.
وإذا اتصل الباعث مباشرة بموجب البطارية واتصلت القاعدة بأي جهد اقل من جهد هذه البطارية فإننا نقول أن الباعث موجب اكثر من القاعدة أو أن القاعدة اكثر سالبية من الباعث.
الترانزيستور NPN يتم توصيله بحيث يتصل الباعث بسالب البطارية مباشرة (انظر الشكل التالي) أي أن جهد الباعث VE = 0، أما القاعدة فتتصل بمخرج الأي سي




http://www.kpsec.freeuk.com/images/trswinpn.gif



[size=18] Chip output التي تتحكم بالترانزيستور، يعني يكون جهد القاعدة موجبا وقيمته
0,7 فولت على الأقل، إذن جهد القاعدة موجباً اكثر more positive من جهد الباعث بمقدار 0,7 فولت على الأقل.
الترانزيستور PNP يتم توصيله بحيث يتصل الباعث بموجب البطارية مباشرة (انظر الشكل التالي)، أما القاعدة فتتصل بمخرج الأي سي Chip output التي تتحكم
بالترانزيستور، يعني يكون جهد القاعدة مهما كان اقل من جهد البطارية المغذية للباعث وبالتالي نقول أن جهد القاعدة سالب اكثر more negative من جهد الباعث.
الآن لاحظ الشكلين أعلاه، كلاهما ترانزيستور يعمل كمفتاح لكن الأول يستخدم NPN لان المُصمم يريد تشغيل الحمل عندما يكون خرج أي سي التحكم منطق 1 أي موجب، والثاني يستخدم PNP لانه يريد تشغيل الحمل عندما يكون خرج أي سي التحكم منطق صفر (أي صفر أو سالب). هذه كل الحكاية. هذا كلام مهم جدا ويجب ان تستحضره في عقلك عند بناء الدوائر أو التعديل عليها لان العلم بالشيء يساوي الكثير عند الحاجة إليه.
http://www.kpsec.freeuk.com/images/trswipnp.gif

شكرا اخي الكريم وجزاك الله كل خير على هذا لشرح الجميل و لرائع