دراسة الترانزستور وطرق استخداماته المختلفة !

[ندوشش]

دراسة الترانزستور وطرق استخداماته المختلفة

موضوع جديد يتناول طرق استخدام الترانزستور كــ :
( سوتش - مذبذب - مضخم اشارات - منظم جهد )

الترانزستور
ــــــــــــــــــــ





وهو التطور الحديث للصمام الكهربى القديم الذى يشبه المصباح والذى يحتاج لقاعدة خاصة لتثبيته وله عيوب كثيرة بالمقارنة مع الترانزستور الحديث وهذه إحدى أشكاله قديما



أما الترانزستور الحديث فله أشكال مختلفة وحجم صغير وكفائة أعلى مثل الأشكال التالية



ولن ندخل فى تفاصيل المقارنة لكن ندخل مباشرة لتكوين الترانزستور الذى يتكون من أشباه الموصلات وليس فتيل تسخين و شبكات حاكمة وأنبوب زجاجى وإنما فقط ثلاث بلورات من أشباه الموصلات

بللورة للقاعدة وبللورتان مختلفتان عن القاعدة وهما المجمع و المشع

فهنا القاعدة متصلة بالبلورة السالبة ونقصد بكلمة بللورة ( وصلة رقيقة من أشباه الموصلات ) والمشع متصل بالبلورة الموجبة والمجمع متصل بالبللورة الموجبة الأخرى كما فى الشكل التالى ،



وإذا تم التصنيع من بلورات مخالفة لهذه الأقطاب فتكون كالشكل التالى



والآن وقبل أن ننتقل لطريقة العمل يجب أن نلقى نظرة على الدايود ( الموحد الكهربائى ) ضرورى لأننا بحاجة لمعرفة كيف تعمل أشباه الموصلات من حيث التوصيل الأمامى والعكسى

الموحد الكهربائى ( الوصلة الثنائية )

وهو عبارة عن بلورتان مختلفتان القطبية احدهما موجبة ويرمز لها بالرمز ( P ) والأخرى سالبة ويرمز لها بالرمز ( n ) وهو يعمل كصمام يسمح بمرور التيار فى حالة التوصيل الأمامى ولا يسمح له بالمرور فى حالة التوصيل العكسى
والبلورات كما سبق الذكر أنها من مادة شبه موصلة مثل الجرمانيوم أو السيليكون ولها نظام وتقنية فى مقدار الشوائب حيث أنهاتصنع من شريحة صغيرة من السيليكون على سبيل المثال ، يتم فيها زرع شوائب ثلاثية أو خماسية التكافؤ .

لن نخوض فى كيفية حركة الإلكترونات وكيف يتم انتقالها لتملأ الفجوات بالبلورة الموجبة ثم يكون هناك عزل حتى يتم توصيل التيار الأمامى ولكن نتكلم مباشرا على نوع الإنحياز

فى حالة التوصيل الأمامى فقط يعمل الدايود على السماح بمرور التيار

وهذه هى قاعدة توصيل الدايود واستطعنا الإستفادة من الدايود على سبيل المثال فى عمل تحديد اتجاه سير التيار وبذلك استطعنا الحصول على تيار مستمر من تيار متغير

والآن نعود للترانزستور الذى وجدناه يشبه الدايود غير أنه يزيد عليه ببلورة ثالثة ومن هنا فيمكننا تشبيهه بأنه عبارة عن دايودان متحدان الوسط كما فى الشكل التالى

والسؤال هل يمكننا استخدام الترانزستور بدلا من عدد 2 دايود ؟

وهل يمكننا استخدام 2 ترانزستور كعدد 4 دايود لعمل قنطرة توحيد التيار ؟

وهل يمكننا توصيل دايودان لنحصل على ترانزستور ؟

[ندوشش]

تابع ،

والسؤال هل يمكننا استخدام الترانزستور بدلا من عدد 2 دايود ؟

وهل يمكننا استخدام 2 ترانزستور كعدد 4 دايود لعمل قنطرة توحيد التيار ؟

وهل يمكننا توصيل دايودان لنحصل على ترانزستور ؟

----------------------------

هتان الرسمتان لتوضيح الفكرة واتجاه البلورات السالبة والموجبة لكن لا يمكن استخدام الدايودات كترانزستور أبدا ولا يمكن أن يحل الترانزستور مكان الدايودات إلا من النواحى النظرية فقط و سيظهر هذا بوضوح فى التجربة التالية عند استخدام الترانزستور كسوتش أى مفتاح توصيل يتحكم التيار فى تشغيله أو إطفائة وسنرى كيف ينتقل التيار من المشع إلى المجمع أما فى حالة الدايود فمستحيل انتقال التيار عبر الدايودان المعكوسان فى الرسمة السابقة والإختلاف يرجع إلى أن الموضوع ليس موضوع ترتيب بلورات فقط إنما هى نسب دقيقة يتم تحديدها بدقة بالغة وبأحجام تختلف عن بعضها فليست بلورة المشع بحجم بلورة المجمع أو بلورة القاعدة وهذا يتسبب فى قياس كل طرفان عن غيرهما من موديل لآخر وبالنسبة للترانزستور الواحد تجد أن المقاومة بين المجمع والقاعدة أقل منها بين القاعدة والمشع والمقاومة بين المشع والمجمع عالية جدا وبمجرد مرور تيار أمامى بسيط للقاعدة تجد المقاومة بين المجمع والمشع صغيرة ،

والآن إلى التجربة التالية والتى توضح أولى استخدامات الترانزستور كمفتاح ولنركز جيدا كيف يعمل وهذه التجربة أساس عمل الترانزستور والدخول إلى لغز هذا العنصر الذى أحدث ثورة فى عالم الإلكترونيات والذى نقل مستواها من حالة الصمامات ومشاكلها إلى حال مختلف مما جعل من البحث فى موضوع أشباه الموصلات اهتماما حتى تم التوصل لعمل المتكاملات بعد ذلك ،

توجد طريقتان لقياس الترانزستور

1- طريقة الأفوميتر : وهى تعتمد على المقاومة
2- طريقة توصيل انحيازات للتعرف على سلامة الترانزستور وتحديد أطرافه

والأسرع هو معرفة طريقة قياس الموحد وهى كالتالى :

نضبط مقياس الأوم ميتر على محيز 10 كيلو أوم ونجرب أن نقيس دايود كما فى الرسم


فى إلحالة الأولى وضعنا الطرف الموجب على القطب الموجب للدايود فنجد أن الأوم ميتر يتحرك ليقرأ قيمة مقاومة هذا الديود أما فى حالة التوصيل العكسى فى الرسمة الثانية لن يتحرك وهكذا يكون الدايود سليم و بما أننا شبهنا الترانزستور بأنه عبارة عن دايودان متصلان عند طرف القاعدة فإننا سنطبق القياس على كل طرفان على حدة من أطراف الترانزستور ونسجل القراءات حتى نحصل على الطرف الذى يقرأ مع الطرفان الباقيان فيكون هذا الطرف هو الطرف المشترك ألا وهو القاعدة وفى هذه الحالة إذا كان طرف القاعدة متصل مع الطرف الموجب لمقياس الأوم ميتر فيكون الترانزستور من نوع N-P-N وإن كان الطرف المشترك متصل بالطرف السالب للأوم ميتر فيكون الترانزستور من النوع P-N-P

وإن كان أى قراءات تدل على تلف أى موحد من مكونات الترانزستور فيكون الترانزستور تالف ،

[ندوشش]

تابع ،


استخدام الترانزستور كمفتاح ( SWITCHE )

قم بتوصيل الترانزستور كما فى هذا المخطط :





هذا هو التوصيل الأمامى للترانزستور ، وها قد قمنا بتحريك المفتاح ليعمل على السماح للتيار السالب المار عبر المفاوم R2 للدخول إلى القاعدة ذات البلورة السالبة وبهذا يكون التوصيل أمامى حيث أن المشع الموجب متصل بالقطب الموجب للباور فيضئ الليد وفى حالة فصل المفتاح سيتم قطع تيار القاعدة فيتوقف الترانزستور تماما عن العمل
والذى قد يبدو غريبا هو أن الليد متصل بالطرف السالب و نحن كل ما علينا توصيل نفس القطب السالب للترانزستور ليعمل على مرور التيار الموجب من المشع إلى المجمع وكأننا نتعامل مع بوابة نعطيها إشارة لتسمح بالوصل أو القطع !!


==============


معلومات جانبية :


المقاومة المتصلة مع الليد للحد من شدة التيار المارة لليد ويمكن حذفها لو أننا سنستخدم مصباح 6 فولت - 9 فولت ، والمقاومة R2 لخفض التيار المار عبر القاعدة للترانزستور ويمكن خفضها لاحقا إلى 1 كيلو أوم لكن ليس فى هذه التجربة ،


==============


هذه من وجهة نظرى أهم تجربة للترانزستور لفهم طريقة عمله وتوصيله ، والآن يمكننا متابعة التجارب


ننتقل لإضافة تطوير أكثر لهذا المفتاح الترانزستورى


==============

نحن الآن نستخدم الترانزستور كسوتش و هنا سنضيف مكثف من النوع الكيميائى ( الكتروليتى ) 100 مايكرو فاراد 16 فولت



كما فى المخطط
--------



عرفنا أننا إذا قفلنا المفتاح SW1 سيضئ الليد و الآن :-

1- سنقوم بقفل SW1 ليضئ الليد

2- ثم نقوم بقفل المفتاح SW2

ماذا حدث ؟ ؟

لقد انطفئ الليد ثم عاد وأضاء سريعا واستقر مضيئا ! !

3- و الآن نقوم بفتح المفتاح SW2 أولا ثم المفتاح SW1

والآن الليد منطفئ لأن المفتاح SW1 مفتوح .

4- قم بقفل المفتاح SW2 ستلاحظ إضاءة الليد ثم انطفاءه تدريجيا ببطء رغم أن المفتاح SW1 مفتوح !

التفسير :

أننا فى الخطوة رقم 2 قمنا بعمل شحن للمكثف الفارغ مما جعل التيار يتجه كاملا لشحن المكثف الفارغ ذى المقاومة المنخفضة وترك الترانزستور فانطفئ الليد وأثناء عملية الشحن تزداد مقاومة المكثف ويعود التيار تدريجيا وبسرعة لقاعدة الترانزستور فيعاد إضاءة الليد تدريجيا ولكن بسرعة عالية لأن شحن المكثف لا تأخذ إلا وقت صغير جدا وقد لا يلاحظ تدريج إضاءة الليد ،
----------------

فى الخطوة 4 كان المفتاح SW1 مفتوح ولكن عند قفل المفتاح SW2 قمنا بتوصيل المكثف المشحون ليعمل كبطارية على طرف القاعدة مما جعل الليد يضئ ولكن تضعف قوة الإضاءة تدريجيا حتى تكتمل عملية تفريغ المكثف الكيميائى ذى 100 مايكرو

----------------

معلومة جانبية : كلما كان المكثف ذى سعة أكبر كانت عملية الشحن والتفريغ أقل من حيث السرعة ( أبطء ) أى أطول زمنا وكلما كانت سعة المكثف أقل كانت سرعة الشحن والتفريغ أسرع

[ندوشش]

تابع ،



نواصل استخدم الترانزستور كمفتاح

نقوم بعمل تكرار لنفس دارة المفتاح ولكن سنعمل على توصيل المكثف من ناحية واحدة فقط كما فى الشكل التالى ، وطبعا فهمنا فكرة المفتاح وماذا كان تأثير المكثف





نفس مكونات المفتاح التى ذكرناها ولكن مكررة هنا مرتان والليدان مضيئان ولا يوجد ما يمنع الإضاءة والفكرة واضحة حتى الآن ،

نقوم بتوصيل كل مكثف على خرج الترانزستور الآخر ونتابع ماذا سيحدث الآن :






الآن أصبح كل مفتاح متأثرا بخرج المفتاح الآخر إذا عمل أحدهما قام بشحن مكثف المفتاح الآخر وبذلك ينطفئ الليد الآخر حتى إتمام الشحن ليعود للإضاءة وعندها يعمل على إعادة شحن المكثف الثانى ويطفئ الليد الآخر إلى أن يتم الشحن بالكامل وهكذا وبذلك نحصل على خرج متبادل الإضاءة يضئ ليد و الآخر مطفئ ثم يضئ الأخير ويطفئ الأول وهكذا ( إضاءة متبادلة )

كالتى تستخدم فى إشارات الفلاشر فى محطات القطار أو فى سيارات الشرطة ولعب الأطفال والإعلانات وكثير من هذه الإستخدامات ،

يمكننا الآن تشغيل هذه التجربة على برنامج البروتوس ولكن سننتظر عدة ثوان كى يبدأ البرنامج فى التنفيذ ، يمكننا الآن تحميل ملف البروتوس

إضغط على المخطط التالى للتحميل






بعد التجربة يمكننا الضغط على رقم 100u الخاصة بالمكثف ونقوم بجعله 47u ولاحظ السرعة كيف زادت

[ندوشش]

تابع ،


نفس التجربة السابقة والتى هى عبارة عن مفتاحان ولكن قمنا بإلغاء ليد ووضعنا مقاومة مكانه كحمل للترانزستور وهنا سنجد الليد الوحيد الموجود يعمل على إضاءة متقطعة ،


اضغط على المخطط لتحميل ملف البروتوس

معلومة جانبية : الآن تأكدنا من هذه التجربة الأخيرة ذات الليد الواحد أن المفتاحان يعملان رغم أننا لا نرى إلا ليد واحد يضئ ويطفئ و هذا يدل على أن المقاومة الخاصة بالمجمع والتى قيمتها 1 كيلو قامت بالتعويض عن الليد الذى ألغيناه و التيار على طرفيها متقطع غير أننا لا نراه وبالتالى نستنتج أننا لو قمنا بإلغاء الليد الوحيد الموجود الآن فإن الدارة تعمل كما هى لكننا لن نرى أنها تعمل إلا عن طريق استخدام راسم الإشارة الأوسليسكوب

تابع ،

والآن نفس التجربة ولكن !

لاحظنا أنه كلما قمنا بتقليل قيمة المكثف فإن سرعة التقطيع فى الضوء تزداد لأن عملية الشحن والتفريغ أصبحت أسرع . .

جميل

لقد قمنا بعمل مذبذب ينتج موجة مربعة وهى التى كانت تسبب الإضاءة والإطفاء ! !

والآن سنعمل على تقليل سعة كلا المكثفان إلى 100 نانو أى 0,1 مايكرو فقط والآن أصبح التناوب سريع التردد إلى درجة تقع داخل النطاق السمعى ( النطاق السمعى يقع ما بين 15 إلى 20000 هيرتز ) ولذلك يمكننا وضع مكثف على طرف مجمع أى من الترانزستوران وتوصيل سماعة خارجية لنسمع الصوت الصادر كما فى المخطط التالى !

هكذا أصبح لدينا سرينة صوتية ذات نغمة واحدة مستمرة يمكن استخدامها كإنذار أو إلغاء السماعة واستخدام طرف الخرج كحاقن إشارة وتتبع عمليات الإصلاح للمكبرات الصوتية والراديو أو لهواة إشارات مورس

[ندوشش]

تابع ،





رأينا فى مخطط استخدام الترانزستور كمفتاح






أن عملية شحن وتفريغ المكثف تعمل على تغيير فى التيار الواقع على قاعدة الترانزستور وبالتالى فإن خرجه المتمثل فى الليد يتغير فيغير الإضاءة والآن سنقوم بهذه التجربة التالية





بدلا من المكثف وضعنا مقاومة متغيرة ستتحكم فى الإضاءة لأنها ستعمل على تغيير التيار المار للقاعدة , سنقوم بعمل مشروع صغير حول هذه التجربة

تكملة ،

نتابع دراسة تيار الإنحياز للترانزستور

لن نتناول العمليات الحسابية الآن لأننا نتعامل مع الترانزستور كمفتاح ولكن سنبدأ بالحسابات فى مراحل آتية عند استخدام الترانزستور كمضخم أى كمكبر للإشارات ، فكل ما يهمنا الآن هو التركيز على الإنحياز الأمامى والعكسى ، والآن نكمل آخر تجربة قبل أن نعود للمذبذب مرة ثانية والذى قلنا أنه عبارة عن مفتاحان ترانزستوريان وأصبح المكثف هو الذى يحدد سرعة المذبذب لأن المكثف عند الشحن والتفريغ يؤثر مع المقاومة الخاصة بنفس مفتاحه ذات القيمة 10 كيلو على تغيير تدريجى فى قيمة التيار المار للقاعدة !

ومن هنا قمنا بتجربة التعويض عن المكثف بمقاومة متغيرة كهذا المخطط




ونجد أن المقامة تعمل على توصيل قاعدة الترانزستور بالطرف الموجب مباشر أو ينتقل طرف القاعدة تدريجيا إلى المقاومة 10 كيلو لكى نبتعد عن الطرف الموجب و كلما اقترب طرف القاعدة من المقاومة 10 كيلو أى من القطب السالب فيضئ الليد أكثر و هذا ما يسمى بالإنحياز الأمامى للقاعدة ( لأن القاعدة ذات بللورة سالبة N والطرف التى تحتاجه سالب مثلها ) وكلما اقترب طرف القاعدة من الموجب باستخدام المقاومة المتغيرة كان الإنحياز اقرب للموجب أى أقرب لأن يكون إنحياز عكسى فنجد أن الليد ينخفض فى الإضاءة !

و هذه التجربة توضح أن التيار الواقع على قاعدة الترانزستور يؤثر فى تيار المجمع كنسبة وتناسب .. .. ! و هذه الفكرة ستنفعنا فى كثير جدا من المشاريع المختلفة فيجب عدم نسيانها وسنعود لذكرها عند بناء الكثير من المشاريع .

والآن هيا بنا نستخدم هذه الفكرة مع المذبذب الصوتى الذى أنشأناه

[ندوشش]

تكملة ،

والآن نضيف المقاومة المتغيرة التى كانت تؤثر على تيار القاعدة إلى دارة المذبذب الصوتى ونرى ما سيحدث هكذا

لقد قمنا بوضع المقاومة المتغيرة والتى وظيفتها كما ذكرنا التحكم فى شدة التيار المار فى قاعدة الترانزستور ولكن يجب وضع مقاومة 1 كيلو كى لا تسمح المقاومة المتغيرة بمرور التيار بالكامل لقاعدة الترانزستور وإلا سيتلف !


والآن أى تغيير فى قيمة المقاومة المتغيرة سيعمل على تغيير فى تيار المجمع وبما أن تيار أى مجمع يؤثر على كلا الترانزستوران بالتبادل فإننا الآن أصبحنا بهذه المقاومة فقط نتحكم فى تردد المذبذب بالكامل بدلا من تغيير المكثفان ،


والآن أصبح لدينا سرينة تصدر صوتا رفيعا أو غليظا أو متدرجا بطريقة يدوية كما ولو كان لدينا آلة الكمان الكهربى وفى هذه الحالة نحتاج لمفتاح ضاغط على احد أطراف المقاومة المتغيرة !


وطبعا هذا المشروع ليس لغرض صنع سرينة ولكن كدراسة للترانزستور كفكرة تغيير التردد بطريقة تغيير شدة التيار الواقع على القاعدة ، ولكن ترى كيف يمكننا عمل دارة كأرغن إلكترونى أو أورج إلكترونى للعزف الموسيقى مثلا ؟ من باب التجارب والأفكار وليس من باب التخصص فى صناعة آلة موسيقية متقدمة ، ولكن كتجربة بسيطة الغرض منها هو إصدار ترددات ثابتة مستقرة القيمة الترددية سابقة الضبط والتحديد وليست متغيرة ؟

والآن نطور المذبذب ليصبح مذبذب متعدد الخرج حسب المفتاح كريموت كنترول بالموجات الصوتية عدة قنوات
-----------------------------------------

وهو نفس فكرة الأرغن الإلكترونى المستخدم لعزف الألحان حيث يمكننا إضافة مفاتيح زيادة مع مقاومات متغيرة سابقة الضبط ( أى تقوم بضبطها أثناء ضغطك على المفتاح الخاص بها حتى يكون تردد المذبذب كما تريد أو بمعنى آ خر يتم التوليف على أى آلة بيانو أخرى لكل مفتاح على حدة ) و نفس هذه الفكرة هى المستخدمة فى المرسل للموجات فوق الصوتية والذى عن طريقه تستطيع تشغيل العديد من الوظائف حيث أن كل مفتاح يعمل كقناة مختلفة ولكن عند ضغط مفتاحان فى آن واحد يكون الخرج نشاز ،

[IMG]http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ZFD2EvugjGjkiM:http://evil-*******.com/malikkk/jpg%2520only/iano-turns-iphone-and-ipod-touch-into-a-piano-170208.jpg[/IMG]

مشروع أرغن الكترونى بسيط وهو نفس فكرة مفتاح يعمل بنغمة حيث أن هذه الدارة تضبط أحد مفاتيحها على تردد محدد يتم توليف المستقبل عليه بحيث إذا أصدرت هذا التردد أو النغمة يقوم تلك المستقبل بتشغيل وظيفة محددة مثلا وفى حاجة إحتياجنا لتردد عالى فوق صوتى يمكننا تبديل المكثفان بمكثفان ذات سعة أقل بالبيكو أو النانو مثلا ونستخدم حينئذ سماعة ultra sonic