بحث في الترانزستور

[علاء البصري]

http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-4ce032251a.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-4ce032251a.jpg)


الترانزستور : ثنائى القطبية Bipolar NPN, PNP و تأثير المجال JFET و الموسفيت MOSFET

أساسيات الترانزستور الثنائى القطبية Bipolar Transistor Basics


مقدمة:
يتكون الدايود البسيط من قطعتين من المواد شبه الموصلة كلاهما إما من السليكون أو من الجرمانيوم لتشكيل وصلة PN بسيطة . إذا تم ربط دايودين معا بطريقة معكوسة back-to-back فإننا نحصل على وصلتين PN متصلين معا على التوالى وتتشارك فى طرف (قطعة) مشتركة إما P أو N . إندماج (إنصهار) هذين الدايودين ينتج جهاز مكون من ثلاثة طبقات , بوصلتين , وبثلاثة أطراف وهو ما يشكل أساس الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Junction Transistor أو إختصارا BJT .
الترانزستورات هى أجهزة فعالة active devices ذات ثلاثة أطراف مصنوعة من مواد شبه موصلة مختلفة والتى يمكن أن تكون بمثابة عازل insulator أو موصل conductor عن طري تطبيق جهد إشارة صغير . قدرة الترانزستور على التغيير بين هاتين الحالتين تمكنه من القيام بوظيفتين أساسيتن : "وظيفة التحول أو العمل كمفتاح" "switching" ( فى الإلكترونيات الرقمية digital electronics) أو "وظيفة التكبير""amplification" (فى الإلكترونيات التناظرية analogue electronics) . من ثم فإن الترانزستور ثنائى القطبية BJT له القدرة على العمل ضمن ثلاث مناطق مختلفة :
1- المنطقة الفعالة (النشطة) Active Region .
فيها يعمل الترانزستور كمكبر amplifier ويكون Ic = β.Ib .
2- منطقة التشبع Saturation .
فيها يكون الترانزستور فى حالة توصيل كامل "fully-ON" ويعمل كمفتاح switch ويكون Ic = I(saturation) .
3- منطقة القطع (الفصل) Cut-off .
فيها يكون الترانزستور فى حالة فصل كامل"fully-OFF" كمفتاح ويكون Ic = 0 .

الترانزستور ثنائى القطبية النموذجى Typical Bipolar Transistor :
هناك نوعان أساسيان من البناء للترانزستور ثنائى القطبية هما PNP و NPN والتى تصف أساس الترتيب الفيزيائى لمواد أشباه الموصلات من النوع P-type والنوع N-typeوالتى تصنع منها .
يتكون التركيب الأساسىللترانزستور ثنائى القطبية من وصلتين PN لتنتج ثلاثة أطراف توصيل ويعطى كل طرف اسم للتعرف عليه .تسمى هذه الأطراف بالمشع Emitter ( E ), , والقاعدة Base ( B ) ، والمجمع Collector ( C ) .
الترانزستورات ثنائية القطبية هى أجهزة " تنظيم للتيار" current regulating والتى تتحكم فى كمية التيار المار من خلالها بما يتناسب مع قيمة جهد الانحياز biasing voltage المطيق على طرف القاعدة والذى يعمل كمفتاح "تحكم فى التيار" . مبدأ عمل الترانزستور نوع PNP هو نفسه تماما مبدأ عمل الترانزستور NPN والفرق الوحيد هو " الانحياز" biasing و وقطبية polarity مصدر القدرة لكل نوع .

[علاء البصري]

بناء الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Construction


الأشكال التالية تبين بناء ورموز الدائرة الكهربية لكل من ترانزستور ثنائى القطبية PNP و NPN . السهم برمز الدائرة دائما يبين اتجاه " مرور التيار التقليدى" بين طرف القاعدة وطرف المشع (الباعث) . اتجاه السهم دائما يتجه من منطقة النوع الموجب P إلى منطقة النوع السالب N لكلا من نوعى الترانزستور تماما كما فى رمز الدايود القياسى .


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-f2032517ba.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-f2032517ba.jpg)

[علاء البصري]

تكوينات (أشكال) الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Configurations

نظرا لأن الترانزستور ثنائى القطبية هو جهاز له ثلاثة أطراف فهناك ثلاثة طرق أساسية لتوصيله ضمن الدوائر الإلكترونية مع وجود أحد الأطراف كطرف مشترك لكل من المدخل والمخرج . لكل طريقة من طرق التوصيل استجابة مختلفة لإشارة دخلها فى نطاق الدائرة حيث أن الخصائص الاستاتيكية للترانزستور تختلف باختلاف ترتيب كل دائرة .
1- دائرة القاعدة المشتركة Common Base Configuration .
لها "كسب أو فى الجهد" Voltage Gain وليس لها كسب فى التيار .
2- دائرة المشع (الباعث) المشترك Common Emitter Configuration .
لها كسب فى كل من الجهد والتيار .
3- دائرة المجمع المشترك Common Collector Configuration .
لها كسب فى التيار Current Gain وليس لها كسب فى الجهد .

دائرة القاعدة المشتركة The Common Base (CB) Configuration

كما هو واضح من المسمى , فى دائرة القاعدة المشتركة أو الأرضية يتم توصيل القاعدة BASE بحيث تكون طرف مشترك لكل من أشارة الدخل و أشارة الخرج , مع تطبيق إشارة الدخل بين طرفى القاعدة والمشع ويتم أخد إشارة الخرج المناظرة من بين طرفى القاعدة والمجمع كما هو موضح بالشكل مع توصيل طرف القاعدة بالأرضى أو إلى نقطة جهد مرجعىreference voltage ثابت . تيار الدخل المار خلال المشع كبير لأنه مجموع كل من تيار القاعدة وتيار المجمع , نتيجة لذلك يكون تيار المجمع أقل من تيار الدخل للمشع ومن ثم يكون "كسب التيار" لهذه الدائرة يساوى الواحد (الوحدة) أو أقل , وبعبارة أخرى فإن عذا النوع "يضعف أو يوهن" "attenuates" إشارة الدخل .


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-76d40552d0.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-76d40552d0.jpg)



هذا النوع من دوائر المكبرات يكون "دائرة مكبر جهد غير عاكس "non-inverting voltage amplifier , أى أن جهدى إشارة الدخل Vin وإشارة الخرج Vout تكونان فى نفس الوجهin-phase .
هذا النوع غير شائع نتيجة لخصائص الارتفاع الغير عادى فى الكسب . خصائص الخرج تمثل دايود ذات انحياز أمامى بينما خصائص الدخل تمثل دايود ضوئى . أيضا هذا النوع له نسبة مرتفعة لمقاومة الخرج بالنسبة لمقاومة الدخل أو بعبارة أكثر أهمية النسبة بين "مقاومة الحملload" resistance " (RL) إلى "مقاومة الدخل"input" resistance (Rin) " تعطى قيمة "كسب المقاومة"Resistance Gain"" .نتيجة لذلك فإن كسب الجهد (Av) لذه الدائرة يعطى بالعلاقة :






http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-ee4504ee9e.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-ee4504ee9e.jpg)


حيث :
Ic/Ie هو كسب التيار current gain - alpha (α)
و RL/Rin هو كسب المقاومة .
عامة تستخدم هذه الدائرة فقط فى دوائر المكبر ذات المرحلة الواحدة single stage amplifier مثل المكبر الابتدائى للميكروفون microphone pre-amplifier أو مكبرات التردد العالى radio frequency (Rf) amplifiers لأن لها استجابة response جيدة جدا للترددات المرتفعة .

[علاء البصري]

دائرة المشع المشترك The Common Emitter (CE) Configuration

فى دائرة المشع (الباعث) المشترك يتم تطبيق إشارة الدخل بين القاعدة والمشع بينما يتم أخذ الخرج من بين المجمع والمشع . هذا النوع من الدوائر هو الأكثر استخداما فى المكبرات التى تبنى على أساس الترانزستورات وهى تمثل الطريقة العادية لتوصيل الترانزستور ثنائى القطبية .تنتج دائرة مكبر المشع المشترك أعلى كسب فى التيار وفى القدرة من كافة الدوائر الأخرى . والسبب الأساسى فى ذلك هو أن "معاوقة الدخل تكون منخفضة" لتوصيل إنحياز أمامى للوصلة PN . بينما تكون "معاوقة الخرج مرتفعة" لتوصيل إنحياز عكسى للوصلة PN


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-d2d1a0ac0a.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-d2d1a0ac0a.jpg)


فى هذه الدائرة " التيار الخارج من الترانزستور يجب أن يساوى التيارات الداخلة للترانزستور" أى Ie = Ic + Ib . أيضا , ونظرا لأن مقاومة الحمل (RL) متصلة على التوالى مع المجمع , يكون"كسب التيار" لهذه الدائرة "كبير جدا" لأنه النسبة Ic/Ib ويرمز له بالحرف اليونانى "بيتا" Beta, (β) .
حيث أن تيار المشع لهذه الدائرة يعرف بالعلاقة Ie = Ic + Ib فإن النسبة Ic/Ie تسمى "ألفا"Alpha ويرمز لها بالحرف اليونانى α .
ملحوظة : قيمة α دائما تكون أقل من الوحدة .
ونظرا لأن العلاقة الكهربائية بين التيارات الثلاثة Ib, Ic , Ie تتحدد بالتركيب الفيزيائى للترانزستور نفسه , فإن أى تغيير صغير فى تيار القاعدة (Ib) , سوف يؤدى إلى تغيير كبير فى تيار المجمع (Ic) . نتيجة لذلك , فإن "تغيرات صغيرة فى التيار المار بالقاعدة" سوف تتحكم فى تيار دائرة "المجمع – المشع" .
عادة تكون قيمة بيتا Beta بين 20 و 200 لمعظم ترانزستورات الاستخدام العام .
بالجمع بين صيغة كل من ألفا و بيتا نحصل على العلاقة الرياضية بين هذين البارامترين ومن ثم كسب التيار للترانزستور كما يلى :




http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-22393638b3.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-22393638b3.jpg)









حيث :
"Ic" : هو التيار الداخل إلى طرف المجمع .
"Ib" : هو التيار الداخل إلى طرف القاعدة .
"Ie" : هو التيار الخارج من طرف المشع .
يمكن تلخيص دائرة المشع المشترك فى : أن لها معاوقة دخل كبيرة , وأن كسب التيار وكسب القدرة أكبر من من دائرة القاعدة المشتركة , ولكن كسب الجهد لها أقل بكثير . دائرة المشع المشترك هى دائرة مكبر عاكس أى أن إشارة الخرج تكون مزاحة فى الطور بمقدار 180 درجة 180o out-of-phase عن إشارة جهد الدخل.

[علاء البصري]

دائرة المجمع المشترك The Common Collector (CC) Configuration


فى هذه الدائرة يكون المجمع مشترك أو متصل بالأرضى من خلال مصدر القدرة . يتم توصيل إشارة الدخل مباشرة إلى القاعدة بينما يتم أخذ الخرج من حمل المشع كما هو موضح بالشكل التالى . هذا النوع من الدوائر شائع الاستخدام باسم "دائرة تابع الجهد"Voltage Follower أو "دائرة تابع المشع"Emitter Follower . دائرة تابع المشع مفيدة جدا فى تطبيقات عمل موائمة للمعاوقة impedance matching بسبب أن لها "معاوقة الدخل المرتفعة جدا" , فى مدى مئات الآلاف من الأوم , بينما لها "معاوقة خرج منخفضة نسبيا" .


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-6838fe83c7.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-6838fe83c7.jpg)







دائرة المشع المشترك لها كسب تيار تقريا يساوى قيمة بيتا β للترانزستور نفسه . فى دائرة المجمع المشترك تكون مقاومة الحمل على التوالى مع المشع ومن ثم يكون تيار الحمل يساوى تيار المشع . ونظرا لأن تيار المشع هو تجميع لتيار المجمع و تيار القاعدة ويعطى كسب التيار لهذه الدائرة بالعلاقة :



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-c9c421250a.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-c9c421250a.jpg)







هذه الدائرة غير عاكسة أى أن جهود إشارة الدخل Vin والخرج Vout تكون فى نفس الوجه in-phase . هذه الدائرة لها "كسب جهد" دائما أقل من الوحدة . مقاومة الحمل تستقبل كل من تيار القاعدة وتيار المجمع لتعطى كسب تيار كبير (كما فى دائرة المشع المشترك) ومن ثم فهى توفر تكبير جيد للتيار مع كسب جهد ضعيف.
تلخيص للترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Summary

يمكن تلخيص سلوك الترانزستور ثنائى القطبية فى كل من الدوائر السابقة : يختلف السلوك والخصائص من حيث معاوقة الدخل , ومعاوقة الخرج والكسب سواء فى الجهد أو فى التيار أو فى القدرة , ويمكن تلخيص ذلك فيما يلى :
خصائص الترانزستور ثنائى القطبية Bipolar Transistor Characteristics

الخصائص الاستاتيكية للترانزستور ثنائى القطبية يمكن تقسميها إلى المجموعات الرئيسية التالية :



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-244a1f77ce.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-244a1f77ce.jpg)


الجدول التالى يبين خصائص الدوائر المختلفة :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-31a17bc754.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-31a17bc754.jpg)


القادم :
نتناول بالتفصيل استخدام الترانزستور NPN كمكبر بدائرة المشع المشترك لأنه الأكثر استخداما بسبب مرونته والكسب المرتفع . سوف نتعرف على منحنيات خصائص الخرج المرتبطة بدوائر المكبر كدالة (علاقة) بين تيار المجمع وتيار القاعدة .

[علاء البصري]

الترانزستور " سالب-موجب-سالب" The NPN Transistor







http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-8968284926.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-8968284926.jpg)


الشكل العلوى يوضح بناء وجهود أطراف الترانزستور NPN . الجهد بين القاعدة والمشع ( VBE ) يكون الموجب عند القاعدة والسالب عند المشع لأن الترانزستور نوع NPN , جهد القاعدة يكون دائما موجب بالنسبة لجهد المشع . أيضا يكون مصدر جهد المجمع موجب بالنسبة لجهد المشع ( VCE ) . لكى يتم توصيل الترانزستور NPN يجب أن يكون المجمع دائما أكبر إيجابية بالنسبة لكل من القاعدة والمشع .

توصيل الترانزستور NPN


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-ae3e4cf9d3.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-ae3e4cf9d3.jpg)

يتم توصيل مصادر الجهد كما هو موضح بالشكل العلوى . يتم توصيل المجمع بمصدر الجهد VCC من خلال مقاومة الحمل RL , والتى تعمل أيضا فى تحديد أقصى تيار يمر خلال الترانزستور. يتم توصيل جهد مصدر القاعدة VB إلى مقاومة القاعدة RB , والتى أيضا تسنخدم لتحديد أقصى تيار للقاعدة .
نحن نعرف أن الترانزستور جهاز يعمل بالتيار ويمر تيار كبير ( Ic ) خلال الجهاز بين أطراف المجمع والمشع عندما يكون الترانزستور موصل بالكامل . مع ذلك يحدث هذا فقط عندما يمر تيار انحياز صغير ( Ib ) خلال طرف القاعدة فى نفس الوقت ومن ثم يسمح للقاعدة بالعمل كمصدر تحكم بتيار الدخل .
تيار الترانزستور من النوع NPN هو النسبة بين هذين التيارين ( Ic/Ib ) , يسمى "كسب التيار للتيار المستمر" للجهاز DC Current Gain ويرمز له بالرمز hfe أو حاليا بالحرف "بيتا" Beta, ( β ) . قيمة β يمكن أن تكون كبيرة حتى 200 للترانزستورات القياسية , وهذه النسبة المرتفعة بين Ic و Ib هى التى تجعل من الترانزستور NPN جهاز تكبير مفيد عندما يستخدم فى منطقته الفعالة حيث يمثل Ibالدخل ويمثل Ic الخرج . لاحظ أن بيتا ليس لها وحدات لأنها نسبة .
أيضا , كسب التيار للترانزستور من طرف المجمع إلى طرف المشع Ic/Ie يسمى "ألفا" Alpha, ( α ) وهو دالة للترانزستور نفسه ( إنتشار الإلكترونات عبر الوصلة) . وحيث أن تيار المشع Ie هو نتيجة تيار القاعدة مضافا إليه تيار المجمع الكبير فإن قيمة ألفا α تكون قريبة جدا من الوحدة , حوالى 0.950 to 0.999لترانزستور اللإشارة ذات القدرة المنخفضة .
العلاقة بين ألفا و بيتا للترانزستور α and β Relationship in a NPN Transistor



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-fba5934899.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-fba5934899.jpg)



بتجميع البارامتران α وβ يمكننا الحصول على صيغ تعطى العلاقة بين التيارات المختلفة التى تمر خلال الترانزستور .



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-c39a167478.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-c39a167478.jpg)






قيم β تتراوح بين 20 لترانزستورات القدرة ذات التيار المرتفع و 1000 لترانزستورات القدرة المنخفضة والتى تعمل فى الترددات المرتفعة . يمكن الحصول على القيمة الفعلية لبيتا من الداتا شيت الخاصة بالترانزستور المستخدم .
من معادلة بيتا يمكن استنتاج أنه عندما يكون تيار القاعدة بصفر ( Ib = 0 ) سوف يكون تيار المجمع الناتج بصفر أيضا ( β x 0 ) . أيضا عندما يكون تيار القاعدة مرتفع فإن تيار المجمع المناظر سوف يكون أيضا مرتفع أى أن تيار القاعدة يتحكم فى تيار المجمع . أحد أهم خصائص الترانزستور ثنائى القطبية هو أنه بتيار قاعدة صغير يمكن التحكم بتيار أكبر بالمجمع . المثال التالى يوضح ذلك .
مثال 1 :
ترانزستور NPN له كسب تيار للتيار المستمر (Beta) بالقيمة 200 . إحسب تيار القاعدة المطلوب لتوصيل تيار 4mA لحمل أومى resistive load .
الحل :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-4cd94ee807.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-4cd94ee807.jpg)


شىء آخر يجب أن تتذكره حول الترانزستور NPN . جهد المجمع ( Vc ) يجب أن يكو أكبر من وموجب بالنسبة لجهد المشع ( Ve ) للسماح بمرور التيار خلال الترانزستور بين وصلات المجمع – المشع .
أيضا يوجد هبوط فى الجهد بين أطراف القاعدة والمشع حوالى 0.7v ( تناظر هبوط جهد لدايود واحد ) لأجهزة السليكون لأن خصائص الدخل للترانزستور NPN تمثل دايود ذات انحياز أمامى . نتيجة لذلك يجب أن يكون جهد القاعدة ( Vb ) للترانزستور NPN أكبر من القيمة 0.7V وإلا فإن الترانزستور لن يتم توصيله بتيار القاعدة الذى يعطى بالعلاقة :



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-cece04bf28.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-cece04bf28.jpg)


حيث :
Ib : هو تيار القاعدة .
Vb : جهد انحياز القاعدة المستمر DC .
Vbe : هبوط الجهد بين بين القاعدة والمشع (0.7v) .
Rb : مقاومة دخل القاعدة .
زيادة Ib يؤدى إلى زيادة Vb ببطىء حتى 0.7V لكن Ic يزداد أسيا .
مثال 2 :
ترانزستور NPN له جهد انحيار قاعدة مستمر Vb بالقيمة 10V ومقاومة دخل القاعدة Rb بالقيمة 100Kω . ما هى قيمة تيار القاعدة الداخل إلى الترانزستور .
الحل :

http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-e31e678c04.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-e31e678c04.jpg)

[علاء البصري]

دائرة المشع المشترك The Common Emitter Configuration.

فضلا عن كونها تستخدم كمفتاح من أشباه الموصلات لتوصيل ON تيارات الحمل أو فصلها OFF عن طريق التحكم فى إشارة قاعدة الترانزستور لجعله إما فى منطقة التشبع إو منطقة القطع , فإن الترانزستور NPN يمكن أيضا أن يستخدم فى منطقته الفعالة لعمل دائرة تقوم بتكبير أى أسارة تيار متردد صغيرة تطبق على طرف قاعدته وطرف الباعث المتصل بالأرضى . إذا تم فى البداية تطبيق جهد "إنحياز" مستمر DC "biasing" voltage مناسب لطرف القاعدة بما يسمح له بالعمل الدائم فى مدى المنطقة الفعالة الخطية , لنتج دائرة مكبر عاكس تسمى "مكبر مشع مشترك ذو مرحلة واحدة" .
يسمى مثل هذا المكبر ذو المشع المشترك للترانزستور NPN "بالمكبر فئة A " Class A Amplifier (http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_1.html) . يعمل المكبر كفئة A عندما يتم عمل إنحياز لطرف قاعدة الترانزستور بطريقة تجعل إنحياز وصلة القاعدة – المشع إنحياز أمامى . نتيجة لذلك يكون هذا الترانزستور يعمل دائما فى المنتصف بين منطقة القطع ومنطقة التشبع ومن ثم يسمح لمكبر الترانزستور بالإنتاج الدقيق للأنصاف الموجبة والسالبة لأى إشارة دخل تيار متردد متراكبة superimposedعلى جهد الانحياز المستمر . بدون "جهد الانحياز" هذا فإنه فقط نصف الشكل الموجة للدخل هو الذى يتم تكبيره . دائرة مكبر الترانزستور NPN ذات المشع المشترك لها تطبيقات كثيرة ولكنها شائعة الاستخدام فى الدوائر السمعية audio circuits مثل مرحلة المكبر الابتدائى pre-amplifier و مرحلة مكبر القدرة power amplifier .
بالرجوع لدائرة المشع المشترك المبينة فيما بعد , يوجد عاءلة من المنحنيات المعروفة باسم "منحنيات خواص الخرج" Output Characteristics Curves والتى تربط تيار خرج المجمع (Ic) بجهد المجمع (Vce) عند تطبيق قيم مختلفة لتيار قاعدة الترانزستور (Ib) لترانزستورات لها قيمة محددة للمعامل β . كما يمكن رسم " خط الحمل " "Load Line" على منحنيات الخرج لتوضيح جميع نقط التشغيل الممكنة عندما يتم تطبيق قيم مختلفة لتيار القاعدة . من الضرورى تحديد القيمة الابتدائية للجهد Vce بدقة للسماح بتغير جهد الخرج من أعلى أو من أسفل عند تكبير إشارات دخل التيار المتردد AC وتسمى هذه العملية بتحديد نقطة التشغيل أو Quiescent Point (نقطة الهدوء أو السكون) أو باختصار Q-point كما هو موضح بالشكل التالى .




http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-38ff6f1557.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-38ff6f1557.jpg)




http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-08f3a60788.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-08f3a60788.jpg)




أهم عامل يجب ملاحظته هو تأثير الجهد Vceعلى تيار المجمع Ic عندما يكون الجهد Vce أكبر من حوالى 1.0 volts . يمكننا أن نرى أن Ic لا يتأثر إلى حد كبير بالتغير فى Vce فوق هذه القيمة , وبدلا من ذلك يتم التحكم فيه بالكامل بواسطة تيار القاعدة Ib . عندما يحدث ذلك عندئذ يمكننا القول بأن دائرة الخرج تمثل "مصدر تيار ثابت" "Constant Current Source" . يمكننا أيضا أن نرى من دائرة المشع المشترك أن تيار المشع Ie هو مجموع تيار المجمع Ic و وتيار القاعدة Ib أى يمكننا القول Ie = Ic + Ib .
باستخدام منحنيات خواص الخرج وقانون أوم , فإن التيار المار فى مقاومة الحمل (RL) يساوى تيار المجمع Ic الداخل للترانزستور والذى بدوره يناظر جهد المنبع (Vcc) ناقص هبوط الجهد بين طرفى المجمع والمشع (Vce) ويعطى بالعلاقة :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-1474faa2a1.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-1474faa2a1.jpg)


أيضا , يمكن رسم الخط المستقيم الذى يمثل "خط الحمل الديناميكى" Dynamic Load Line للترانزستور مباشرة على المنحنيات من نقطة "التشبع" "Saturation" ( A ) عند Vce = 0 إلى نقطة "القطع" "Cut-off" ( B ) عند Ic = 0 ومن ثم يعطى لنا نقطة عمل الترانزستور Q-point . يتم التوصيل بين هاتين النقطتين بخط مستقيم وأى موضع على هذا الخط المستقيم يمثل "المنطقة الفعالة" "Active Region" للترانزستور . يمكن حساب الموضع الفعلى لخط الحمل على منحنيات الخواص كما يلى :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-2f5c89e3aa.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-2f5c89e3aa.jpg)


عندئذ , يمكن استخدام منحنيات خواص الخرج للترانزستورات NPN ذات المشع المشترك فى التنبؤ بتيار المجمع Ic عند قيم معطاة لكل من Vce و تيار القاعدة Ib . يمكن أيضا بناء "خط الحمل" على المنحنيات لتحديد نقطة العمل المناسبة والتى يمكن تحديدها عن طريق ضبط تيار القاعدة . ميل خك الحمل هذا يساوى معكوس مقاومة الحمل أى -1/RL .
عندئذ يمكننا تعريف الترانزستور NPN بحيث يكون فى الوضع العادى فى حالة "فصل" OFF ولكن تيار دخل صغير وجهد موجب صغير عند طرف قاعدته بالنسبة للمشع سوف يحوله إلى حالة "التوصيل" ON بما يسمح بمرور تيار أكبر بكثير من خلال المجمع – المشع . يتم توصيل الترانزستورات NPN عندما يكون Vc أكبر بكثير من Ve .
فى الجزء القادم من دراستنا للترانزستورات ثنائية القطبية سوف نتناول الشكل المعاكس opposite أو المكمل (المتمم) للترانزستور NPN والذى يسمى "الترانزستور PNP" وسوف نبين أن الترانزستور PNP له خواص مشابهة جدا للترانزستور NPN فيما عدا عكس إتجاهات قطبية (أو إنحياز biasing) التيار والجهد .

[علاء البصري]

الترانزستور PNPThe PNP Transistor
الترانزستور PNP عكس الترانزستور NPNتماما . أساسا , فى هذا النوع من بناء الترانزستور يتم عكس الدايودان لكى نحصل على التركيب "موجب – سالب – موجب" Positive-Negative-Positiveحيث يشير السهم , والذى يحدد أيضا طرف المشع , فى هذه الحالة إلى الداخل فى رمز الترانزستور .
أيضا , يتم عكس جميع القطبيات للترانزستور PNP وهذا يعنى أنه "مصب أو بالوعة" "sink" للتيار على عكس الترانزستور NPN الذى يعتبر "مصدر أو منبع " source لتتيار . الاختلاف الرئيسى بين النوعين هو أن "الفجوات" holes تكون هى الحاملات الأكثر أهمية للترانزستورات PNP , بينما تكون الإلكترونات electrons هى الحاملات الأكثر أهمية فى الترانزستورات NPN . نتيجة لذلك , تستخدم الترانزستورات PNP تيار قاعدة صغير الخرج و جهد قاعدة سالب للتحكم فى تيار " المشع – المجمع" الأكثر بكثير. يتكون بناء الترانزستور PNP من طبقتين من مادة شبه موصلة موجبة على جانبى طبقة من مادة شبه موصلة سالبة كما هو مبين بالشكل التالى :



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-bfb4e985c7.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-bfb4e985c7.jpg)


ملحوظة : السهم يحدد المشع واتجاه مرور التيار الاصطلاحى (دخل) للترانزستور PNP .
الترانزستور PNP له خواص مشابهة جدا للترانزستور NPN فيما عدا عكس اتجاه قطبيات (أو انحياز) التيار والجهد .
وصلات الترانزستور PNPPNP Transistor Connections


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-17f8316268.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-17f8316268.jpg)



الجهد بين القاعدة والمشع ( VBE ) , يكون الآن سالب عند القاعدة وموجب عند المشع لأنه للترانزستور PNP يكون طرف القاعدة دائما سالب الانحياز بالنسبة للمشع . أيضا جهد تغذية المشع يكون موجب بالنسبة للمجمع ( VCE ) . ومن ثم , لكى يوصل الترانزستور PNP فإن المشع يكون دائما أكثر إيجابية بالنسبة لكل من القاعدة والمجمع .
يتم توصيل مصدر القدرة للترانزستور PNP كما هو مبين بالشكل . فى هذه الحالة يتم توصيل المشع بجهد المنبع VCC بمقاومة الحمل RL والتى تحدد التيار الأقصى المار خلال الجهاز المتصل بطرف المجمع . جهد القاعدة VB والذى يكون انحيازه سالب بالنسبة للمشع ويتصل بمقاومة القاعدة RB والتى تستخدم فى تحديد التيار الأقصى للقاعدة .
حتى يمر تيار بقاعدة الترانزستور PNP فإن القاعدة تحتاج أن تكون أكثر سالبية من المشع ( التيار يجب أن يغادر القاعدة) بحوالى 0.7 volts لأجهزة السليكون و حوالى 0.3 volts لأجهزة الجرمانيوم .
الصيغة التى تستخدم فى حساب مقاومة القاعدة , وتيار القاعدة , أو تيار المجمع (كما فى الترانزستور NPN ) هى كما يلى :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-15fb1f6e1d.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-15fb1f6e1d.jpg)



عامة يمكن استبدال الترانزستور PNP بالترانزستور NPN فى معظم الدوائر الإلكترونية , الاختلاف الوحيد هو قطبيات الجهود واتجاه مرور التيار . أيضا يمكن استخدام الترانزستور PNP كأجهزة تحويل (مفاتيح) كما فى الشكل التالى :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-20106d3be1.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-20106d3be1.jpg)



منحنيات الخواص للترانزستور PNP تشبه إلى حد كبير منحنيات الترانزستور NPN المكافىء فيما عدا أنها تدور 180 درجة للأخذ فى الاعتبار عكس قطبية الجهود والتيارات , ( مرور التيارات خارجة من القاعدة ومن المجمع فى الترانزستور PNP يكون بالسالب ) .يمكن أيضا رسم خط الحمل الديناميكى على المنحنيات I-V curves لإيجاد نقط العمل للترانزستورات PNP .
الترانزستورات المتطابقة(المتوائمة) Transistor Matching

الترانزستورات المتكاملة (المتتامة) Complementary Transistors



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-17ea0b5a9f.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-17ea0b5a9f.jpg)





قد تتساءل , ما هو الهدف من وجود الترانزستور PNP , عندما يكون هماك الكثير من الترانزستورات NPN المتاحة والتى يمكن استخدامها كمكبرات للصوت أو كمفتاح من أشباه الموصلات ؟ حسنا , إن وجود نوعين مختلفين من الترانزستورات PNP و NPN تكون ميزة كبيرة عند تصميم دوائر مكبر الصوت مثل الفئة "ب" Class B Amplifier (http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_6.html) والذى يستخدم الترانزستورات "المتكاملة أو المتتامة" "Complementary" أو "الزوج المتطابق" "Matched Pair" فى مرحلة خرجها أو فى دوائر التحكم فى عكس حركة المحركات التى على شكل " جسر إتش " H-Bridge (http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_7.html) حيث يتطلب التحكم مرور التيار بالتساوى فى كلا الاتجاهين .
يطلق على الزوج المتناظر من الترانزستورات NPN و PNP بخصائص تقريبا متماثلة لبعضها البعض "الترانزستورات المتكاملة أو المتتامة" Complementary Transistors , على سبيل المثال الترانزستور TIP3055 (NPN transistor والترانزستور TIP2955 (PNP transistor) أمثلة جيدة لترانزستورات القدرة المتكاملة أو الزوج المتطابق (المتوائم). فكلاهما له كسب للتيار المستمر
Beta, ( Ic/Ib ) متطابق فى حدود 10% وتيار مجمع مرتفع حوالى 15A مما يجعلها مثالية للتحكم العام فى المحركات أو فى تطبيقات الربوت .
أيضا , مكبرات الفئة "ب" تستخدم ترانزستورات NPN و PNP متكاملة فى مرحلة خرجها . الترانزستور NPN يوصل فقط النصف الموجب للإشارة بينما الترانزستور PNP يوصل النصف السالب للإشارة . وهذا يسمح للمكبر بدفع القدرة المطلوبة خلال حمل السماعة فى كلا الاتجاهين عند المعاوقة الاسمية وتسبب القدرة تيار خرج والذى من المرجح أن يكون فى حدود عدة أمبيرات تتشارك بالتساوى بين الترانزستورات المتكاملة.
التعرف على الترانزستور PNPIdentifying the PNP Transistor

لقد رأينا أن الترانزستورات تصنع أساسا من دايودين متصلة مع بطريقة معكوسة (خلف خلاف) . يمكننا استخدام هذا التمثيل فى تحديد نوع الترانزستور PNP أو NPN عن طريق اختبار مقاومته بين الأطراف الثلاثة المشع والقاعدة والمجمع . باختبار كل زوج من أطراف الترانزستور فى كلا الاتجاهين بواسطة مقياس الأوم ينتج أجمالى 6 اختبارات , وبقيم متوقعة للمقاومة بالأوم كما يلى :
1- أطراف المشع – القاعدة : من المشع للقاعدة يجب أن تعمل كدايود عادى وتوصل فى اتجاه واحد فقط.
2- أطراف المجمع – القاعدة : وصلة المجمع – القاعدة يجب أن تعمل كدايود عادى وتوصل فى اتجاه واحد فقط .
3- أطراف المشع – المجمع : لا يجب أن يكون هناك توصيل فى أى من الاتجاهين .


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-acf4a409af.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-acf4a409af.jpg)


لذلك يمكننا تحديد الترانزستور PNP على أنه فى الوضع العادى يكون فى حالة "فصل" OFF ولكن تيار خرج صغير وجهد سالب على القاعدة بالنسبة للمشع سوف يجعله فى حالة "توصيل" ON حيث يسمح بمرور تيار أكبر بكثير بين المشع والمجمع . يقوم الترانزستور PNP بالتوصيل عندما يكون Ve أكبر بكثير من Vc .
فى الجزء القادم سوف نتناول عمل الترانزستور فى منطقة التشبع وفى منطقة القطع بغرض استخدامه
" كمفتاح حالة صلبة " solid-state switch . تستخدم مفاتيح الترانزستور ثنائى القطبية فى الكثير من التطبيقات لتحويل التيار المستمر بين حالة "التوصيل" ON وحالة "الفصل" OFF مثل الليدات التى تحتاج فقط قليل من الملى أمبير عند جهود مستمرة منخفضة أو الريلاى الذى يحتاج لتيارات مرتفعة عند جهود مرتفعة .

[علاء البصري]

لترانزستور كمفتاح The Transistor as a Switch

عند الاستخدام كمكبر لإشارة تيار متردد , يتم تطبيق جهد انحياز قاعدة الترانزستورات بطريقة بحيث تعمل دائما فى مدى منطقتها الغعالة , أى يتم استخدام الجزء الخطى من منحنيات خواص الخرج . ومع ذلك يمكن جعل كل من الترانزستورات ثنائية القطبية من النوع NPN و PNP أن تعمل كمفاتيح "توصيل / فصل" من نوع " الحالة الصلبة" عن طريق انحياز قاعدة الترانزستور بطريقة تختلف عن حالة العمل كمكبر إشارة . مفاتيح الحالة الصلبة solid state switches هى واحدة من التطبيقات الرئيسية لاستخدام الترانزستورات , ويمكن استخدام مفاتيح الترانزستور فى التحكم فى أجهزة القدرة المرتفعة مثل المحركاتmotors والملفات (السلونويد) solenoids أو المصابيح lamps , ولكن يمكن استخدامها أيضا فى الإلكترونيات الرقمية digital electronics وفى دوائر البوابة المنطقية logic gate .
إذا كانت الدائرة تستخدم الترانزستور ثنائى القطبية كمفتاح , عندئذ فإن انحياز الترانزستور , سواء أكان NPN أو PNP يرتب ليعمل الترانزستور عند كلا جانبى منحنيات الخواص I-V التى تناولناها سابقا . مناطق عمل الترانزستور كمفتاح تعرف "بمنطقة التشبع" Saturation Region و"منطقة القطع"
Cut-off Region . هذا يعنى أننا يمكن أن نتجاهل انحياز نقطة العمل ودائرة مقسم الجهد المطلوبة للتكبير ونستخدم الترانزستور كمفتاح عن طريق دفعه (قيادته) driving للخلف وللأمام بين منطقة "الفصل الكامل أو القطع " ومنطقة "التوصيل الكامل أو التشبع" كما هو مبين بالشكل أدناه .



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-c80b2ea273.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-c80b2ea273.jpg)



المنطقة المظللة بالوردى pink فى الجزء السفلى من المنحنيات تمثل منطقة "القطع" "Cut-off" , فى حين أن المنطقة المظللة باللون الأزرق blue فى اليسار تمثا منطقة "التشبع" "Saturation" للترانزستور , ويتم تعريف كل من هذه المناطق للترانزستور على النحو التالى :
1- منطقة القطع Cut-off Region

فى هذه المنطقة : ظروف تشغيل الترانزستور تكون تيار دخل القاعدة ( IB ) بصفر zero , وتيار خرج ( IC ) بصفر zero وأقصى جهد للمجمع ( VCE ) والذى ينتج طبقة نضوب أو استنزاف depletion كبيرة ومن ثم لا يمر تيار خلال الجهاز .
لذلك يكون الترانزستور كمفتاح فى حالة "فصل كامل" "Fully-OFF" .
خصائص الفصل Cut-off Characteristics
الدخل واقاعدة متصلة بالأرضى (0V) .
جهد القاعدة – المشع VBE < 0.7V
وصلة القاعدة – المشع تكون منحازة عكسيا .
وصلة القاعدة – المجمع تكون منحازة عكسيا .
الترانزستور يكون فى حالة "الفصل الكامل" (منطقة القطع) .
لا يمر تيار بالمجمع ( IC = 0 ) و VOUT = VCE = VCC = "1" (واحد منطقى).
الترانزستور يعمل " كمفتاح مفتوح " "open switch" .



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-110b10e246.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-110b10e246.jpg)


لذلك يمكن تعريف "منطقة القطع" أو "نظام الفصل" عند استخدام الترانزستور ثنائى القطبية كمفتاح بأن عندها يكون كلا الوصلتين منحازين عكسيا VBE < 0.7V و IC = 0 .بالنسبة للترانزستور PNP يجب أن يكون جهد المشع سالب بالنسبة للقاعدة .
2- منطقة التشبع Saturation Region .
فى هذه المنطقة ينحاز الترانزستور بحيث يتم تطبيق أقصى كمية من تيار القاعدة ومن ثم ينتج أقصى تيار للمجمع وأقصى هبوط فى الجهد بين المجمع والمشع والذى ينتج عنه أصغر طبقة استنزاف أو نضوب ممكنة ومرور أقصى تيار خلال الترانزستور .
لذلك يكون الترانزستور كمفتاح فى حالة "التوصيل الكامل" .
خصائص التشبع Saturation Characteristics :


· الدخل والقاعدة متصل بالجهد VCC .
جهد القاعدة المشع VBE > 0.7V

· وصلة القاعدة المشع منحازة انحياز أمامى .
· وصلة القاعدة – المجمع منحازة انحياز أمامى .
· الترانزستور فى حالة التوصيل الكامل (منطقة التشبع) .
· أقصى تيار يمر (IC = Vcc/RL) على أساس الحالة المثالية للتشبع VCE = 0 .
VOUT = VCE = "0" (صفر منطقى" .

· الترانزستور يعمل كمفتاح "موصل أو مغلق " "closed switch" .


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-0a7463e343.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-0a7463e343.jpg)


لذلك يمكننا تعريف "منطقة التشبع" أو "نظام التوصيل " عند استخدام الترانزستور الثنائى كمفتاح على أنه المنطقة التى يكون فيها كل من الوصلتين منحازين انحياز أمام و ى VBE > 0.7V و IC = Maximum . بالنسبة للترانزستور PNP يجب أن يكون جهد المشع موجب بالنسبة للقاعدة .
لذلك يمكن أن يعمل الترانزستور كمفتاح حالة صلبة " ذو قطب واحد ودائرة واحدة " "single-pole single-throw" (SPST) . عند تطبيق إشارة بصفر على قاعدة الترانزستور يتحول إلى حالة الفصل OFF ويعمل كمفتاح مفتوح ولا يمر تيار بالمجمع . عند تطبيق إشارة موجبة على قاعدة الترانزستور يتحول إلى حالة التوصيل ON ويعمل كمفتاح مغلق ويمر أقصى تيار خلال الجهاز .
الشكل التالى يبين مثال لترانزستور NPN كمفتاح يستخدم فى تشغيل ريلاى . فىى الأحمال الحثية مثل الريلاى أو ملفات السلونويد يوضع دايود على التوازى مع الحمل لتشتيت القوة الدافعة المغناطيسية EMF المتولدة بالحمل الحثى عندما فصل مفتاح الترانزستور ومن ثم حماية الترانزستور من التلف . إذا كان الحمل ذات تيار أو مرتفع جدا , مثل المحركات والسخانات و..ألخ , عندئذ يمكن التحكم فى تيار الحمل من خلال ريلاى مناسب كما فى الشكل .



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-661d019565.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-661d019565.jpg)



الدائرة تشبه دائرة المشع المشترك التى درسناها سابقا . الفرق هذه المرة هو أن تشغيل الترانزستور كمفتاح يحتاج أن يتم فصله بالكامل أو توصيله بالكامل . مفتاح الترانزستور المثالى يجب أن تكون مقاومة الدائرة بين المجمع والمشع لا نهائية عندما يتحول إلى حالة الفصل الكامل ومن ثم لا يمر تيار خلاله و المقاومة بين المجمع والمشع بصفر عندما يتحول إلى حالة التوصيل الكامل ولذلك يمر أقصى تيار . عمليا عندما يتحول الترانزستور إلى حالة الفصل الكامل , يمر تيار "تسريب" leakage صغير خلال الترانزستور , وعندما يتحول إلى حالة التوصيل الكامل يكون له مقاومة بقيمة صغيرة تنتج " جهد تشبع" صغير (VCE) عبره . على الرغم من أن الترانزستور ليس بمفتاح مثالى إلا أنه فى كل من منطقة القطع ومنطقة التشبع تكون القدرة المبددة عند حدها الأدنى .
حتى يمر تيار بالقاعدة , يجب جعل طرف دخل القاعدة أكثر إيجابية من المشع بقيمة 0.7V اللازمة لأجهزة السليكون . عن طريق تغيير جهد القاعدة –المشع VBE يتم أيضا تغيير تيار القاعدة والذى بدوره يتحكم فى كمية تيار المجمع المار خلال الترانزستور . عندما يمر بالترانزستور أقصى تيار مجمع يقال أن الترانزستور "مشبع" . قيمة مقاومة القاعدة تحدد قيمة جهد اتلدخل المطلوب وتيار القلعدة المناظر لتحويل الترانزستور إلى حالة التوصيل الكامل .
مثال رقم 1 :
استخدم قيم الترانزستور التالية : β = 200, Ic = 4Ma و Ib = 20uA .
أوجد قيمة مقاومة القاعدة (Rb) المطلوبة لتوصيل ON الحمل عندما يتعدى جهد طرف الدخل 2.5v .

http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-af423452cd.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-af423452cd.jpg)


أقرب أقل قيمة عملية هى 82kΩ وهى تضمن أن يكون الترانزستور دائما متشبع .
مثال رقم 2 :
استخدم نفس القيم , أوجد أدنى تيار قاعدة مطلوب لتحويل الترانزستور لحالة التوصيل الكامل (التشبع) لحمل يحتاج لتيار 200mA عندما يزيد جهد الدخل إلى 5.0V . أيضا إحسب القيمة الجديدة للمقاومة Rb .
تيار قاعدة الترانزستور :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-aba9293702.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-aba9293702.jpg)


مقاومة قاعدة الترانزستور :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-3eff94da36.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-3eff94da36.jpg)


تستخدم مفاتيح الترانزستور فى مجموعة واسعة من التطبيقات مثل ربط interfacing أجهزة التيار المرتفع أو الجهد العالى مثل المحركات والريلايات والمصابيح بالدوائر المتكاملة المنطقية الرقمية ذات الجهد المنخفض او البوابات مثل بوابة AND أو بوابة OR , حيث يكون الخرج من بوابة المنطق الرقمى فقط +5V ولكن قد يتطلب التحكم فى الجهاز مصدر بجهد 12 أو حتى 24 فولت . أو قد يحتاج حمل مثل محرك التيار المستمر لكى يتم التحكم فى سرعته إلى استخدام سلسلة من النبضات ( التعديل بعرض النبضة PWM), تسمح لنا مفاتيح الترانزستور بالقيام بذلك بشكل أسرع وأكثر سهولة من المفاتيح التقليدية الميكانيكية .
مفتاح الترانزستور والمنطق الرقمى

[علاء البصري]

مفتاح الترانزستور والمنطق الرقمى Digital Logic Transistor Switch





http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-ae50b0464c.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-ae50b0464c.jpg)



مقاومة القاعدة Rb مطلوبة لتحديد تيار الخرج من البوابة المنطقية .
الترانزستور PNP كمفتاح :
أيضا يمكننا استخدام الترانزستور PNP كمفتاح , الفرق فى هذه الحالة هو أن الحمل يكون متصل بالأرضى (0V) ويقوم مفتاح الترانزستور PNP بإمداده بالقدرة . لتحويل مفتاح الترانزستور PNP لحالة التوصيل ON يتم توصيل طرف القاعدة بالأرضى أو بصفر الجهد ( الحالة المنطقية المنخفضة) LOW كما هو مبين بالشكل .



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-4004d45d7a.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-4004d45d7a.jpg)





معادلات حساب مقاومة القاعدة وتيار المجمع والجهود تماما مثل مفتاح الترانزستور NPN . الفرق فى هذه الحالة هو أننا نحول القدرة بترانزستور PNP ( مصدر للتيار source) بدلا من تحويل الأرضى بالترانزستور NPN (مصب أو بالوعة للتيار sink ) .
مفتاح الترانزستور الدارلنجتون Darlington Transistor Switch


أحيانا يكون كسب التيار المستمر للترانزستور ثنائى القطبية صغير جدا لتتحويل المباشر لتيار الحمل أو الجهد لذلك يم استخدام مفاتيح ترانزستور متعددة . فى هذه الحالة يستخدم أحد ترانزستورات الدخل الصغيرة لتوصيل ON وفصل OFF ترانزستور خرج قادرة على تناول تيار أكبر بكثير . لتعظيم كسب الإشارة يتم توصيل الترانزستورين على شكل " متكامل بكسب مضاعف" أو ما هو أكثر شيوعا باسم "تكوين الدارلنجتون""Darlington Configuration" حيث يكون عامل التكبير هو ناتج (حاصل ضرب) تكبير الترانزستورين كل على حدة .
تحتوى ترانزستورات الدارلنجتون ببساطة على ترانزستورين ثنائى القطبية مفردين من النوع NPN أو PNP متصلة معا بحيث يتضاف كسب التيار للترانزستور الأول بقيمة كسب التيار للترانزستور الثانى لإنتاج جهاز يعمل كترانزستور مفرد بكسب تيار مرتفع جدا لتيار قاعدة أصغير بكثير . قيمة الكسب الكلى Beta (β) أو Hfe لجهاز الدارلنجتون هو حاصل ضرب كسبى الترانزستورات ويعطى بالعلاقة :


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-61892747c5.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-61892747c5.jpg)


على سبيل المثال , إذا كان ترانزستور الدخل الأول له كسب تيار بالقيمة 100 وترانزستور التحويل الثانى له كسب تيار بالقيمة 50 فإن كسب التيار الكلى سوف يكون 100 x 50 = 5000 .الشكل التالى يبين النوعين الأساسيين لترانزستور الدارلنجتون :



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-59d402a16b.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-59d402a16b.jpg)



الشكل يبين تكوين مفتاح ترانزستور الدارلنجتون حيث يتم توصيل مجمعى الترانزستورين ببعضهما مع توصيل مشع الترانزستور الأول بقاعدة الترانزستور الثانى , لذلك يصبح تيار مشع الترانزستور الأول هو تيار قاعدة الترانزستور الثانى . يستقبل ترانزستور "الدخل" أو "الأول" إشارة الدخل ويكبرها ويستخدمها فى قيادة (دفع) ترانزستور "الخرج" أو"الثانى" حيث يتم تكبيرها مرة أخرى وينتج كسب تيار كبير جدا . بالإضافة إلى إمكانيات زيادة التيار ةالجهد يوجد ميزة أخرى لمفتاح ترانزستور الدارلنجتون وهى سرعاته المرتفعة فى التحويل switchingمما يجعلها مثالية للاستخدام فى دوائر الإنفرتر inverterوفى تطبيقات التحكم فى محرك الخطوة stepper motor .
إختلاف يجب أخذه فى الاعتبار عندما نستخدم ترانزستورات الدارلنجتون كمفتاح , وهو جهد الدخل بين القاعدة والمشع ( VBE ) يحتاج أن يكون أكبر وعند حوالى 1.4V لأجهزة السليكون , نتيجة للتوصيل على التوالى لوصلتين PN .
تلخليص لعمل الترانزستور كمفتاح :
· يمكن اسخدام مفاتيح الترانزستور للتحويل switch والتحكم فى المصابيح و الريلايات أو حتى المحركات .
· عند استخدام الترانزستور ثنائى القطبية كمفتاح يجب أن تكون إما فى حالة "فصل كامل" "fully-OFF"أو فى حالة "توصيل كامل" "fully-OFF".
· الترانزستورات التى فى حالة التوصيل الكامل يقال أنها فى منطقة تشبعها Saturation.
· الترانزستورات التى فى حالة الفصل الكامل يقال أنها فى منطقة قطعها Cut-off .
· عندما يستخدام الترانزستور كمفتاح فإن تيار قاعدة صغير يتحكم فى تيار أكبر بكثير بحمل المجمع .
· عندما يستخدم الترانزستور كمفتاح تحويل لأحمال حثية مثى الريلايات وملفات السلونويد يستخدم دايود على التوازى مع الحمل .
· عندما نحتاج للتحكم بتيارات أو جهود مرتفعة يمكن استخدام ترانزستورات الدارلنجتون .
فى الجزء القادم سوف نتناول عمل ترانزستور تأثير المجال ذات الوصلة والمعروف باسم JFET . سوف نتناول أيضا منحنيات خواص الخرج المرتبطة بدوائر التكبير بالترانزستور JFET كعلاقة بين جعد المنبع وجهد البوابة .

[عدي العبيدي]

شكرا على هذه المعلومات القيمة والرائعة ......................

[عماد الجبوري]

بحث رائع جدا جزاكم الله خيرا وجعله في ميزان حسناتكم

[صادق السعداوي]

شكرا جزيلا استاذ علاء ولو كان بودي ان يكون الملف ورد او بي دي اف
افضل لغرض الاستفادة م البحث عموما جهد متميز

[علاء البصري]

السلام عليكم ........ اشكر كل الاساتذة على ردودهم الكريمة وفق الله الجميع
* اشكر اخي واستاذي صادق السعداوي على مروه الكريم ....... كان بودي ان ارفعه وانسقه على ملف وورد او pdf لكن للاسف الشديد شبكة النت والخدمة تعبانه تعبانه فاكتفيت بنسخه من موقعه كما هو بالضبط وعلى مراحل وان شاء الله عندما تتحسن الخدمة ارفعه لك وللاخوة الكرام على ملف وورد .............. تحياتي الخالصة لك وللاساتذة محمد الموسوي وعبد الرحمن

[عبدالله الشرعبي]

دائرة المشع المشترك The Common Emitter Configuration.

فضلا عن كونها تستخدم كمفتاح من أشباه الموصلات لتوصيل ON تيارات الحمل أو فصلها OFF عن طريق التحكم فى إشارة قاعدة الترانزستور لجعله إما فى منطقة التشبع إو منطقة القطع , فإن الترانزستور NPN يمكن أيضا أن يستخدم فى منطقته الفعالة لعمل دائرة تقوم بتكبير أى أسارة تيار متردد صغيرة تطبق على طرف قاعدته وطرف الباعث المتصل بالأرضى . إذا تم فى البداية تطبيق جهد "إنحياز" مستمر DC "biasing" voltage مناسب لطرف القاعدة بما يسمح له بالعمل الدائم فى مدى المنطقة الفعالة الخطية , لنتج دائرة مكبر عاكس تسمى "مكبر مشع مشترك ذو مرحلة واحدة" .
يسمى مثل هذا المكبر ذو المشع المشترك للترانزستور NPN "بالمكبر فئة A " Class A Amplifier (http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_1.html) . يعمل المكبر كفئة A عندما يتم عمل إنحياز لطرف قاعدة الترانزستور بطريقة تجعل إنحياز وصلة القاعدة – المشع إنحياز أمامى . نتيجة لذلك يكون هذا الترانزستور يعمل دائما فى المنتصف بين منطقة القطع ومنطقة التشبع ومن ثم يسمح لمكبر الترانزستور بالإنتاج الدقيق للأنصاف الموجبة والسالبة لأى إشارة دخل تيار متردد متراكبة superimposedعلى جهد الانحياز المستمر . بدون "جهد الانحياز" هذا فإنه فقط نصف الشكل الموجة للدخل هو الذى يتم تكبيره . دائرة مكبر الترانزستور NPN ذات المشع المشترك لها تطبيقات كثيرة ولكنها شائعة الاستخدام فى الدوائر السمعية audio circuits مثل مرحلة المكبر الابتدائى pre-amplifier و مرحلة مكبر القدرة power amplifier .
بالرجوع لدائرة المشع المشترك المبينة فيما بعد , يوجد عاءلة من المنحنيات المعروفة باسم "منحنيات خواص الخرج" Output Characteristics Curves والتى تربط تيار خرج المجمع (Ic) بجهد المجمع (Vce) عند تطبيق قيم مختلفة لتيار قاعدة الترانزستور (Ib) لترانزستورات لها قيمة محددة للمعامل β . كما يمكن رسم " خط الحمل " "Load Line" على منحنيات الخرج لتوضيح جميع نقط التشغيل الممكنة عندما يتم تطبيق قيم مختلفة لتيار القاعدة . من الضرورى تحديد القيمة الابتدائية للجهد Vce بدقة للسماح بتغير جهد الخرج من أعلى أو من أسفل عند تكبير إشارات دخل التيار المتردد AC وتسمى هذه العملية بتحديد نقطة التشغيل أو Quiescent Point (نقطة الهدوء أو السكون) أو باختصار Q-point كما هو موضح بالشكل التالى .



http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-38ff6f1557.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-38ff6f1557.jpg)


http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-08f3a60788.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-08f3a60788.jpg)



أهم عامل يجب ملاحظته هو تأثير الجهد Vceعلى تيار المجمع Ic عندما يكون الجهد Vce أكبر من حوالى 1.0 volts . يمكننا أن نرى أن Ic لا يتأثر إلى حد كبير بالتغير فى Vce فوق هذه القيمة , وبدلا من ذلك يتم التحكم فيه بالكامل بواسطة تيار القاعدة Ib . عندما يحدث ذلك عندئذ يمكننا القول بأن دائرة الخرج تمثل "مصدر تيار ثابت" "Constant Current Source" . يمكننا أيضا أن نرى من دائرة المشع المشترك أن تيار المشع Ie هو مجموع تيار المجمع Ic و وتيار القاعدة Ib أى يمكننا القول Ie = Ic + Ib .
باستخدام منحنيات خواص الخرج وقانون أوم , فإن التيار المار فى مقاومة الحمل (RL) يساوى تيار المجمع Ic الداخل للترانزستور والذى بدوره يناظر جهد المنبع (Vcc) ناقص هبوط الجهد بين طرفى المجمع والمشع (Vce) ويعطى بالعلاقة :

http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-1474faa2a1.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-1474faa2a1.jpg)


أيضا , يمكن رسم الخط المستقيم الذى يمثل "خط الحمل الديناميكى" Dynamic Load Line للترانزستور مباشرة على المنحنيات من نقطة "التشبع" "Saturation" ( A ) عند Vce = 0 إلى نقطة "القطع" "Cut-off" ( B ) عند Ic = 0 ومن ثم يعطى لنا نقطة عمل الترانزستور Q-point . يتم التوصيل بين هاتين النقطتين بخط مستقيم وأى موضع على هذا الخط المستقيم يمثل "المنطقة الفعالة" "Active Region" للترانزستور . يمكن حساب الموضع الفعلى لخط الحمل على منحنيات الخواص كما يلى :

http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-2f5c89e3aa.jpg (http://eeecb.com/up2//uploads/images/domain-2f5c89e3aa.jpg)


عندئذ , يمكن استخدام منحنيات خواص الخرج للترانزستورات NPN ذات المشع المشترك فى التنبؤ بتيار المجمع Ic عند قيم معطاة لكل من Vce و تيار القاعدة Ib . يمكن أيضا بناء "خط الحمل" على المنحنيات لتحديد نقطة العمل المناسبة والتى يمكن تحديدها عن طريق ضبط تيار القاعدة . ميل خك الحمل هذا يساوى معكوس مقاومة الحمل أى -1/RL .
عندئذ يمكننا تعريف الترانزستور NPN بحيث يكون فى الوضع العادى فى حالة "فصل" OFF ولكن تيار دخل صغير وجهد موجب صغير عند طرف قاعدته بالنسبة للمشع سوف يحوله إلى حالة "التوصيل" ON بما يسمح بمرور تيار أكبر بكثير من خلال المجمع – المشع . يتم توصيل الترانزستورات NPN عندما يكون Vc أكبر بكثير من Ve .
فى الجزء القادم من دراستنا للترانزستورات ثنائية القطبية سوف نتناول الشكل المعاكس opposite أو المكمل (المتمم) للترانزستور NPN والذى يسمى "الترانزستور PNP" وسوف نبين أن الترانزستور PNP له خواص مشابهة جدا للترانزستور NPN فيما عدا عكس إتجاهات قطبية (أو إنحياز biasing) التيار والجهد .
aشكرا جزيلا يكم على هذا العمل الجيد الله يغطيك العافية

[قصي التميمي]

شكرا استاذ علاء على هذا البحث الممتاز............

[علاء عودة]

السلام عليكم ( مشكور استاذ على الجهد الرائع )

[علاء البصري]

السلام عليكم سرني جدا مرورك الكريم استاذنا العزيز
ونوووووووووووووووورت المنتدى واشتقنا لقلمك المبدع ............... تحياتي