كانت الساعة تشير إلى الرابعة عصرا من يوم الأربعاء، وهو وقت حصة مختبر الإلكترونيات، آآآآه !! ياللتوقيت السيء…
هكذا بدأت الخريجة تحدث نفسها، وقالت: في كل مرة أتمنى أن يتم تغيير موعد المختبر، فهذا الموعد مزعج للغاية فهو نهاية الأسبوع ونهاية اليوم
ياللفظاظة..لكن عزائي الوحيد أنها سنتي الأخيرة في الجامعةـ فصبر جميل والله المستعان على هذه الحصة الغليظة
حملت خريجتنا أمتعتها، وارتدت معطفها الصوفي الأخضر الذي جهزته لها الوالدة خصيصا لهذا التوقيت من السنة الذي بدأ فيه الزمهرير متقدما كغير عادته. ودَعت والدتها قائلة: أمي أنا ذاهبة لمختبر الغلاظة..أقصد الإلكترونيات …هل تريدين شيئا قبل أن أذهب؟
فتحت خريجتنا الباب، وبدأ صوت صريره المزعج ..تيييك..فهذه هي ضريبة فصل الشتاء، كل شيء يحتاج لتزييت. ثم خرجت وضغطت زر المصعد، وماهي ثوان إلا وقد وصل..أمسكت قبضة الباب الرمادية اللون وكانت باردة للغاية وفتحت الباب، وفوجئت بوجود فتاة صغيرة داخل المصعد..فابتسمت في وجهها وأغلقت الباب وضغطت زر الطابق الأرضي.
بدأت الطفلة الصغيرة تنظر إليها بتمعن وخاصة أنها كانت تمسك بكراستها الإلكترونية..وعليها العنوان البراق…الترانزستور
ضحكت الفتاة الصغيرة 🙂 وهنا استغربت الخريجة!! وقالت لها: مابالك يا صغيرتي؟ ما المضحك في الأمر؟
ردت الطفلة: كنت في زيارة لمنزل جدتي بالأمس، وحصلت لنا قصة مخيفة في هذا المصعد، وتمكنا من حلها بفضل الله ثم بسبب العم ترانزستور…فتبسمت الخريجة ضاحكة: ها؟ ترانزستور؟ ومن أين لك ياعزيزتي بمعرفته؟ حدثيني عنه..
فقالت الطفلة: عليك بالرجوع إلى مدونة وسيم، فلقد كتب عني وعن جدتي قصة تشرح الترانزستور..لكنه تناول جانبا واحدا فقط وهو الترانزستور كمفتاح، فهل له تطبيقات أخرى؟
ردت عليها: بالتأكيد نعم..واليوم في المختبر سأتعلم عن تطبيق المكبر..ولعلي ألتقي بك مرة أخرى يا عزيزتي كي أشرحه لك..
ردت الطفلة: لا تخافي، فوسيم لن يفوت فرصة لذلك، ولن ألتقي بك حتى يكون قد كتب في مدونته عن الترانزستور كمكبر
وما انتهت الطفلة حتى وصل المصعد للطابق الأرضي، وفتحت الخريجة الباب ووضعت يدها على رأس الطفلة وقالت لها، مع السلامة..أراك في مدونة وسيم.
هلا لازلتم تذكرون الجدة وحفيدتها وقصة المصعد؟
لمن لم يقرأ تلك التدوينة فعليه قراءتها قبل أن ننتقل للجزء الثاني في الحديث عن العم ترانزستور.
سبق وأن عرفنا أن للترانزستور عدة استخدامات:
1. دوائر المذبذبات
2. مفتاح إلكتروني
3. التكبير
وسنناقش اليوم موضوع استخدام الترانزستور كمكبر.
دعوني أتحدث عن مغامراتي مع الترانزستور منذ الصغر، حيث كنت في بداياتي كهاو للإلكترونيات أتعامل مع الدارات دون معرفة تفاصيلها الدقيقة، ودون الإلمام الكامل بماتعنيه كل قطعة وسبب وجودها في الدارة، فكان كل اهتمامي آنذاك هو أن تعمل الدارة بإصدار صوت أو ومضة ثنائي مشع للضوء. كنت أقرأ عن شرح للعناصر الإلكترونية في الكتب التي وقعت تحت يدي، لكنها كانت تغص بشروحات ومعادلات لم تجب فضولي، ولم أتمكن من معرفة السر الحقيقي وراء الترانزستور مثلا وكيفية عمله الحقيقي أو طريقة اختباره أو أساسيات تطبيقاته. وهاقد مرت الأيام، والحمد لله تمكنت من زيادة علمي في هذا المجال واليوم سأحاول أن أذكر نفسي بكل تلك التساؤلات التي كانت تدور في ذهني وسأعرض الإجابة عنها. تساؤلات هي بسيطة للغاية لكنك لن تجد إجابة شافية في الكتب الأكاديمية أو الكتب المتوفرة في الأسواق، إجابات لأسئلة سترادوك كثيرا في بدايات معرفتك لهواية الإلكترونيات.
1. كنت أتساءل: كيف يتم تكبير التيار في الترانزستور في دوائر التكبير؟ من أين يأتي بقدرته هذه، فهل هو كبطارية مثلا ويمكن أن تنضب بعد فترة وينتهي عمر الترانزستور؟ كيف يمكن له تكبير الإلكترونات القادمة إلى قاعدته؟ وهل هو من سيعمل على إمدادها بالطاقة؟ هل هو إذا منبع للطاقة يكمن أن ينضب بعد فترة من استخدامه ؟
2. هل يمكن تكبير أي إشارة دخل بواسطة الترانزستور؟ فهل يمكن تكبير إشارة تيار مستمر؟ أم متردد؟ وماهي قيمتها القصوى؟الدنيا؟ هل هناك حدود؟
3. لماذا أجد أرقاما معينة للترانزستور في الدارات؟ هل وضعت بشكل دقيق؟ وهل تعني شيئا أصلا؟ وهل يمكنني استبدالها بأخرى؟
4. كنت حين ذهابي لمحلات شراء القطع الإلكترونية أنزعج كثيرا إذا قال لي البائع عفوا وسيم..هذا الترانزستور غير موجود… 🙁 لكنه كان يقدم المساعدة من خلال كتاب المكافئات أو العناصر التي يمكن استخدامها بدل الترانزستور الذي أطلبه. فكيف يتم اختيار ذلك البديل؟
هذا كان مجمل ما كنت أعانيه كمبتدئ في هذا المجال. إلا أنه حان وقت نفض الغبار عن تلك الأفكار وحان وقت نشر العلم ، ونشر الجزء البسيط الذي تعلمته بفضل الله. فأتمنى أن أوفق في طرح ما تعلمته خلال السنوات العشر الماضية.
كم مرة شاهدتم دارة كالتي في الصورة أدناه:
حسنا: ماهو دور الترانزستور TR1 ؟
تخيلوا معي أننا نعيش في منزل معين ولدينا خزانان من الماء، الأول خزان علوي في سطح المنزل والأخر في قاع المنزل. ولنفترض جدلا أن الخزان العلوي فارغ تقريبا من الماء، وأننا أردنا أن نستخدم ذلك الخزان للحصول على الماء، فكيف يمكنني أن أستغل الماء الموجود في الخزان السفلي وأقوم بدفعه للخزان العلوي بحيث أتمكن من الاستفادة منه واستخدامه في المنزل؟هنا يأتي دور مضخة الماء التي يجب أن تكون في أسفل المنزل ومتصلة بالخزان السفلي. ألسنا نقوم بتشغيل المضخة في كل مرة نحتاج إلى ماء كي نملأ به الخزان العلوي؟
إذا المضخة هي اللاعب الرئيسي في هذه الحيلة، فهي بمثابة العقل المدبر الذي سيعمل على تحويل طاقة المصدر” الخزان السفلي” وإجبارها على التحرك للحمل ” الخزان العلوي” كي نستفيد منها.
بنفس الطريقة يعمل الترانزستور كمكبر، فهو كالمضخة التي ستقوم بالاستفادة من جهد وتيار المصدر “بطارية مثلا” بحيث تضيف طاقة للإشارة الضعيفة التي دخلت إلى قاعدة الترانزستور لتكبيرها. فالأمر بشكل تجريدي، لدينا إشارة ضعيفة جدا “كالماء القليل الموجود في الخزان العلوي في المنزل”، ونريد إرسال تلك الإشارة الضعيفة للحمل أو الخرج “مجمع الترانزستور” مكبرة بحيث نستغل وجود بطارية أو مصدر خارجي للتيار “مثل الخزان السفلي” وبذلك نكون قد حللنا مشكلة الإشارة الضعيفة وقمنا بتكبيرها بالشكل المطلوب.ونلاحظ أن كمية التكبير تعتمد أساسا على قدرة الترانزستور” المضخة” وعلى نوعية الإشارة وشكلها وحجمها، وأيضا على قدرة المصدر “البطارية” .
حتى هذه النقطة نكون قد عرفنا أن الترانزستور هو عنصر له القدرة على التحكم أو استغلال مصدر معين – كالبطارية مثلا- لتكبير إشارة ما داخلة إلى قاعدته، فلذلك هو ليس مولد للطاقة بذاته بل هو مجرد عنصر له القدرة على إضافة طاقة خارجية على إشارة ضعيفة لتكبر بالحجم المطلوب باستغلال المصدر الخارجي للطاقة، لذلك فإن الترانزستور لن يضمحل بعد فترة من استخدامه بل سيبقى يعمل مادام هناك مصدر يمده بالطاقة.
ننتقل للسؤال الثاني: هل يمكن تكبير أي إشارة واردة إلى قاعدة الترانزستور؟
بالتأكيد لا..فكما أن لكل مضخة قدرة تعمل ضمن حدودها، كذلك فإن للترانزستور مجالا معينا يعمل ضمنه وبالتالي فهو ليس قادرا على تكبير أي إشارة ضعيفة تدخل إلى قاعدته فإن ذلك يحدث ضمن شروط معينة. ومايحكم ذلك عادة: هو تردد الإشارة الداخلة مثلا: فالترانزستور يتأثر بتردد الإشارة الداخلة ولا يمكننا إدخال أي إشارة دون مراعاة أقصى تردد يدعمه الترانزستور. فتخيلوا أننا نريد تكبير إشارة صوت ضعيفة، فتردد إشارة الصوت لن يتجازو الـ 20 كيلو هرتز. ويمكن القول تجاوزا أن أي ترانزستور قادر على التعامل معها. لكن لو أردنا التعامل مع إشارة موجة FM ذات تردد 108 ميجاهرتز مثلا، فليس كل ترانزستور قادر على معالجة تلك الإشارة. وأيضا، لكل ترانزستور نسبة تكبير محددة تعرف بمعامل التكبير B وهي في العادة تكون ذات قيمة قد تصل لـ 100 أو 200 مرة، فمعنى ذلك أنه إذا أردنا تكبير إشارة دخل ترددها – 1 كيلو هرتز مثلا- وقيمتها 1 ميللي فولت لتكون 1 فولت على الخرج، باستخدام ترانزستور معامل تكبيره 200 فلن نتمكن من ذلك، لأن الكسب المطلوب في حالتنا يجب أن يكون 1000 مرة في أقل تقدير كي نصل للقيمة المطلوبة.
وللتذكير فإن تحمل الترانزستور محكوم بأمور رئيسية مثل:
1. جهد الحمل: القيمة القصوى
2. تردد إشارة الدخل المراد تكبيرها: هل هي في مجال الميجاهرتز؟ أم الكيلو هرتز؟
3. قيمة إشارة الدخل: هل هي في مجال الميللي فولت
4. كمية تيار الحمل أو تيار المجمع
أنتقل للسؤال الثالث: هل الأرقام الموجودة على الترانزستور تعني شيئا للمصمم؟ مثل : 2N 2222 أو AC128 أو 2N3904 هل هناك فرق حقيقي بينها أم أنها مجرد طلاسم؟
نعم هناك فرق شاسع بينها. فلكل ترانزستور مواصفات معينة خاصة به، فمثلا: هناك كما عرفنا سابقا ترانزستور نوع موجب- سالب- موجب وهناك آخر من نوع سالب موجب سالب، وهناك من له قدرة تكبير تصل لـ 100 مرة، ومنها من يعمل على فرق جهد 12 فولت وآخر حتى 60 فولت. فترقيم أو تسمية الترانزستور أمر ضروري ولا مفر منه. فهو كاسم الشخص! فلايمكننا التعامل مع الترانزستور دون معرفة رقمه. وإذا عرفنا رقمه تمكنا من قراءة ملف المواصفات الفنية “الداتاشيت” التي ستوضح كافة المعلومات الخاصة بالترانزستور.
السؤال الأخير: كيف يمكن معرفة المكافئات أو البدائل لأي ترانزستور؟
سبق وأن ناقشت موضوعا مشابها تجدونه هنا، وخلاصة القول أنه بمجرد معرفة مواصفات الترانزستور الأساسي من خلال ملف المواصفات ومقارنتها بما نحتاجه فعلا في الدارة يمكننا التوجه للمواقع الشهير ة مثل ديجي كي والبحث عن أي بديل يلبي الغرض، وكما قلت سابقا فأرقام الترانزستور الموجودة في أي دارة والتي يختارها المصمم ليست آية منزلة بل هي اجتهاد قد يصلح لفترة وقد لايتناسب أحيانا مع القطع المتوفرة في الأسواق. فعلينا الاجتهاد بأنفسنا إذا واجهنا مشكلة الحصول على الترانزستور الأساسي.
حسنا وسيم ..لكن كيف يتم تصميم أي دارة تكبير بسيطة باستخدام الترانزستور؟ ما هي الأسس الصحيحة لذلك؟ هل هناك معادلات لابد من استخدامها؟ ماهي الطريقة الصحيحة لتوصيل الترانزستور كي يعمل كمكبر؟
كي نقوم بعملية التكبير، فلابد أن يتم قدح “تشغيل” الترانزستور وتهيئة الظروف المحيطة به كي يدخل في وضع التكبير. وهناك عدة أشكال لدوائر القدح التي يتم من خلالها عملية تشغيل الترانزستور وتأمين انحياز أمامي بين القاعدة والمشع وانحياز عكسي بين المجمع والقاعدة. وما نعنيه بدوائر القدح، هو أننا نقوم بتوصيل مجموعة مقاومات ومكثفات بأطراف الترانزستور كي يكون مستعدا للعمل في وضعية التكبير. وإحدى أشهر تلك الدارات ما يعرف بدارة المشع المشترك الموضحة في الصورة أدناه:
لنحلل تلك الدارة:
1. إلى اليسار وتحديدا عند طرف المكثف C1تشاهدون إشارة الدخل المراد معالجتها وتكبيرها
2. C1 مهمة هذا المكثف هي عزل أي جهد مستمر قد يكون قادما ضمن إشارة الدخل. والهدف من عزلها، كي لا نؤثر على عملية قدح الترانزستور وعادة قيمته تتراوح بين 0.1 إلى 1 ميكروفاراد
3. R1 R2 هي مقاومات مخصصة لقدح الترانزستور باستخدام جهد المصدر “البطارية” كي نوفر جهد انحياز أمامي لنبيطة القاعدة-المشع والذي يجب أن تكون أكبر من 0.7 فولت كي تكون نبيطة القاعدة-المشع منحازة أماميا وكذلك لتأمين جهد انحياز عكسي لنبيطة القاعدة -المجمع لتكون أقل من 0.7فولت. وقيمتها تتعلق بجهد البطارية المتصل بالترانزستور U1″ فيجب أن نختار قيما بحيث نضمن وصول جهد أكبر من 0.7 فولت ولنقل جدلا أنه 2 فولت. فإذا كان جهد المصدر 10 فولت معنى ذلك إذا قررنا جعل قيمة R1 100 كيلو أوم فيجب أن تكون أقل قيمة لـ R2 هي 25 كيلو أوم
4. R3 كي نستطيع أن نمرر تيارا محددا في المجمع دون تجاوز قيمة معينة، فلنقل أننا نريد كحد أقصى 100 ميللي أمبير ولدينا جهد بطارية 10 فولت فعلى فرض أن الجهد بين المشع والمجمع في حالة التكبير للترانزستور سيكون حوالي 2 فولت “تذكروا أن هذه القيمة ستكون حوالي 0.2 فولت في وضعية الإشباع وهي عند استخدام الترانزستور كمفتاح” “فقيمة المقاومة يجب ان تكون:
R3= 10-2/100mA= 80 Ohm
لكن أيضا قيمة تلك المقاومة مرتبطة بالمعادلة التالية:
Ic= b*Ib
حيث إن b هي كسب الترانزستور و Ib هو تيار القاعدة
إذا أقصى كمية تيار مجمع مرتبطة بتيار القاعدة والكسب الخاص بالترانزستور، وذلك يعني أنه إذا حددنا تيار القاعدة ليكون 0.1 ميللي أمبير مثلا فيجب أن لا يتجاوز تيار المجمع 0.1*100 = 10 ميللي، وهي ما سيغير قيمة المقاومة المتصلة بالمجمع.
5. C2 الهدف منه هو عزل أي جهد مستمر من الانتقال من الترانزستور إلى الحمل، ويمكن اختيار قيمة بين 0.1 ميكرو فاراد وحتى 1 ميكروفاراد
6. RL هي مقاومة الحمل
7. R4 هي مقاومة المشع وتستخدم لتحديد تيار المشع.
8. C3 ويستخدم لتثبيت نقطة القدح الخاصة بالترانزستور بحيث لا تتأثر بأي موجة جيبية عابرة
هذا بشكل مبسط أشهر دارة قدح يستخدمها هواة الترانزستور،
الآن سأذكر لكم أهم المعادلات التي يستخدمها المصمم الذي يتعامل مع دوائر التكبير في الترانزستور، وهي:
1. Ic= b*Ib
2. Vce حوالي 2 فولت
3. Ie= Ib+Ic
4.
5.
وهي المعادلات الرئيسية التي يستخدمها أي مصمم ترانزستور يحاول إدخاله في حالة التكبير، ويمكن معرفة القيم القصوى لتلك التيارات والجهود التي ذكرتها في الأعلى بالرجوع لملف المواصفات الفنية للترانزستور الذي يحوي كافة الأرقام الدقيقة، وبناء عليها يتم تحديد القيم الخاصة بالمقاومات التي تحدثنا عنها في دارة قدح الترانزستور السابقة.
حسنا وسيم، أليست العملية معقدة؟ فهل يجب أن نقوم بالحسابات في كل مرة نحاول تغيير قيم التيار المار في المجمع؟ هل هناك حيل لإجراء الحسابات بطرق أسرع؟
تذكروا أن مايميز المهندس المحترف عن الهاوي البسيط هو قدرة المهندس على استخدام المعادلات لإثبات نظريته، لذلك يجب أن يكون في أذهاننا أن المعادلات هي الطريقة الأمثل لإجراء أي تغيير على الترانزستور. لكن ذلك لا يمنع أن نستخدم حيلة بسيطة وسريعة لإجراء تلك الحسابات،
هل سبق وأن سمعتم ببرنامج PSPice?
هو برنامج شهير لتحليل الدارات الإلكترونية من شركة Cadence وأنصح كل مهندس أو طالب أو هاو أن يستخدمه في تحليل داراته. فما يقوم به البرنامج أنه يسمح للمستخدم برسم أي دارة ومن ثم يتم تحليل تلك الدارة ورسم الدوال البيانية الخاصة بالتيار أو الجهد عند أي نقطة مرغوبة في الدارة. مما يسهل على المصمم أن يقوم بإجراء أي تعديل بسيط على دارته ومن ثم يضغط زر المحاكاة والتحليل لتخرج النتيجة. البرنامج يعتمد في ذلك على معادلات رياضية خاصة بكل عنصر إلكتروني موجودة ضمن قاعدة بيانات البرنامج فما يقوم به البرنامج هو معالجة تلك المعلومات الواردة فيها. لذلك لايمكننا اعتبار التحليل الوارد في البرنامج حقيقي 100% فالحكم الحقيقي يكون بإجراء التجربة في المختبر حيث أن البرنامج غير قادر على محاكاة كافة الظروف الحقيقية المتعلقة بالعنصر أو الظروف المحيطة به كالحرارة والرطوبة والتشويش المحيط. لكن باختصار يمكننا استخدام البرنامج كي نأخذ تصورا عاما عن أداء الدارة قبل الشروع في شراء عناصرها وتركيبها في المختبر.
تفضلوا موقع البرنامج وهنا نسخة مجانية للطلاب
حسنا وسيم، ماذا لو أردنا استخدام ترانزستور MOSFET?
كان نقاشنا السابق يتعلق بترانزستور من نوع BJT فما هو الفرق بينه وبين ترانزستور التأثير المجالي المصنوع من المعدن والأكسيد والمعدن أو مايعرف بالموسفت؟ MOSFET؟
سأترك الإجابة لموضوع قرأته في منتدى القرية الإلكترونية من هنا
ويمكننا اختصار القول بأن الفرق الرئيسي بين هذين النوعين هو أن التحكم في التيار المار يتم من خلال تيار القاعدة في نوع الـ BJT أما في نوع الموسفت فيتم التحكم في التيار المار في المصرف من خلال جهد البوابة.
ختاما، أترككم مع هذا المقطع الذي يختصر جزءا من نقاشنا السابق:
المصادر:
2. شرح أجنبي