استخدام الترانزستور Transistor في السيطرة على الحمل

يعتبر الترانزستور هو السبب الرئيسي لنهضة الصناعات الألكترونية الحديثة لما يتمتع به من خصائص تمكنه من أداء الكثير من الوظائف في الدوائر الألكترونية. لن نتطرق في هذا الموضوع إلى التفاصيل التاريخية للترانزستور و لا إلى الكثير من التفاصيل التصنيعية له. لكن سنركز اكثر على استخداماته العملية في الدوائر الألكترونية في السيطرة على الأحمال.

ما هو الترانزستور؟

يتكون الترانزستور من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات. تكون الطبقتين الخارجيتين متشابهتين و الطبقة الأخرى مختلفة عنهما. بذلك نستنتج إن هناك نوعين من الترانزستورات حسب ترتيب الطبقات و هما NPN و PNP.

تمسى الطبقة في المنتصف بالقاعدة Base أما الطبقتان على الأطراف فهي الجامع Collector و الباعث Emitter. مبدأ عمل الترانزستور بسيط جدا و يتمثل بمعادلة واحدة بسيطة يمكن منها اشتقاق باقي المعادلات الأخرى في حال احتجت إليها. يقوم الترانزستور بتمرير تيار عبر الجامع مساوي لنسبة ثابتة تسمى Beta مضروبة في التيار المار في القاعدة. أي إن Ic=βIb. إن القيمة الثابتة β هي قيمة تصميمية للترانزستور ممكن أخذها من بيانات الترانزستور.
يستمر الترانزستور بتمرير تيار عبر الجامع إلى أن يصل حالة الإشباع. حالة الإشباع هي عندما تصل الفولتية بين الباعث و الجامع إلى 0 فولت (بالنسبة للترانزستور المثالي, أما الترانزستورات المستخدمة فعليا فتصل الفولتية إلى قيمة معينة حسب التصميم لكنها عادة ما تهمل لكونها قليلة جدا نسبة إلى فولتية المصدر). بعد هذه النقطة, لن يتمكن الترانزستور من زيادة التيار المار في الجامع مهما قمت بزيادة تيار القاعدة. يرجع السبب وراء ذلك إلى إن الترانزستور قد قام بتسليط كل الفولتية المسلطة من المصدر على الحمل و بزيادة تيار القاعدة لن يتمكن من زيادة التيار المار في الجامع. لفهم الفكرة اكثر, لنأخذ المثال التالي

إذا علمت إن فولتية المصدر هي 5 فولت و مقاومة المصباح LS1 هي 1 اوم و معامل التضخيم (β) للترانزستور Q1 هي 500. فإن اعظم تيار ممكن أن يمر في الجامع هو عندما تكون فولتية المصدر مسلطة بالكامل على الحمل (المصباح) أي (5/1) وتساوي 5 أمبير. في هذه الحالة يكون تيار القاعدة 5/500 = 10 ملي أمبير أي إن أي زيادة لتيار القاعدة عن 10 ملي أمبير سوف لن تؤثر على الحمل أبداً لكن انتبه إلى عدم تجاوز تيار القاعدة الأعظم المشار إليه في مواصفات الترانزستور لأن ذلك سيتلف الترانزستور.

ملاحظة: الترانزستور في الشكل أعلاه من نوع NPN وذلك لأن السهم يشير من القاعدة إلى الباعث. الجامع هو الطرف الذي لا يحتوي على سهم في الرسم. و الباعث هو الطرف الذي يحتوي على السهم.

كما تلاحظ من المثال أعلاه, قمنا بتشغيل حمل يحتاج إلى 2 أمبير من التيار بتمرير 10 ملي أمبير (0.010 أمبير) عبر القاعدة. وهذه احد اهم استخدامات الترانزستور و اكثرها شيوعا.

يمكن السيطرة على التيار المار عبر الحمل (المصباح) بتغيير قيمة التيار المار في القاعدة, فإذا رغبنا بتمرير نصف أمبير عبر الحمل سيتوجب علينا تمرير تيار قدره 5 ملي أمبير عبر القاعدة.
تذكر دائما إن انحياز القاعدة أمامي, أي إن التيار يمر من القاعدة إلى الباعث عند استخدام ترانزستور NPN, و من الباعث إلى القاعدة في حال استخدام ترانزستور PNP. أما انحياز الجامع فيكون انحياز عكسي, أي إن التيار يمر من الجامع إلى الباعث عند استخدام ترانزستور NPN و من الباعث إلى الجامع عند استخدام ترانزستور PNP.

لماذا نستخدم الترانزستور في السيطرة على الأحمال؟

إن معظم الدوائر المتكاملة و المتحكمات المايكروية تكون قادرة على تجهيز تيارات قليلة جدا مقارنة بالأحمال العالية, لذلك فأنت بحاجة إلى الترانزستور لتحويل هذه التيارات القليلة إلى تيارات عالية قادرة على تشغيل الأحمال. كما يستخدم الترانزستور لحماية هذه الدوائر من أي تلف قد تتسبب به الأحمال.

كيفية اختيار الترانزستور المناسب ؟

عند اختيارك للترانزستور عند تصميم الدائرة انت بحاجة إلى مراعاة النقاط التالية:

• أن يكون الترانزستور قادر على تحمل تيار الحمل. أي إن اعظم تيار مسموح بمروره عبر الجامع اكبر من التيار المطلوب لتشغيل الحمل.
• أن يكون معامل التضخيم مناسب لحاجتك. تستخدم الترانزستورات ذات معاملات التضخيم العالية في تشغيل الأحمال إذا كنت بحاجة إلى إطفاءه و تشغيله فقط. أما في حالة حاجتك إلى تغيير التيار المار في الحمل فأنت بحاجة إلى حساب معامل التضخيم الأفضل لدائرتك و حسب التيار القادرة دائرة السيطرة على تمريره. اغلب دوائر السيطرة تنتج فولتية للسيطرة على الحمل و ذلك يسهل عليك اختيار ترانزستور مناسب لإمكانية تحديد تيار القاعدة بربط مقاومة بين دائرة السيطرة و قاعدة الترانزستور. مثال على هذه الدوائر هي دائرة سيطرة على محرك DC.
• قد تحتاج بعض الترانزستورات إلى ربطها إلى معادن خاصة (Heat Sink) للتخلص من الحرارة الناتجة عن خسائر الترانزستور.
• نوع الترانزستور, PNP او NPN. وذلك حسب الفولتية الخارجة من دائرة السيطرة.

استخدام الترانزستور نوع NPN.

يعتبر هذا النوع من الترانزستورات الأكثر استخداما في مجال السيطرة على الأحمال لسهولة ربطه. يستخدم هذا النوع عندما تكون الفولتية الخارجة من دائرة السيطرة متناسبة طرديا مع التيار أو الفولتية المطلوب تجهيزها. أي إن تيار الحمل يزيد بزيادة فولتية دائرة السيطرة. توجد طريقتان شائعتان لربط الترانزستور من نوع NPN وهما:

الباعث المشترك. يربط طرف الباعث في الترانزستور إلى ألأرضي المشترك بين الحمل و دائرة السيطرة. في حين يربط الحمل بين مصدر فولتية الحمل و طرف الجامع في الترانزستور. يجب وضع مقاومة بين دائرة السيطرة و قاعدة الترانزستور لضمان تحديد تيار القاعدة ليبقى اقل من التيار الأعظم المسموح بمروره. يكون التيار المار في الجامع مساوي إلى تيار القاعدة مضروب في معامل التضخيم.

يعتبر هذا الربط الأكثر شيوعا من بين جميع طرق الربط. يمكنك باستخدام هذا الربط أن تشغل أحمال ذات فولتيات عالية باستخدام فولتيات قليلة. مثلا تريد السيطرة على سرعة محرك DC يعمل على فولتية 12 فولت باستخدام الآردوينو و الذي تتراوح فولتيته بين 0 إلى 5 فولت. أو لتشغيل أو إطفاء ريلي .

الجامع المشترك. يربط الطرف الجامع في الترانزستور إلى مصدر فولتية الحمل في حين يربط الحمل بين الباعث و الأرضي المشترك بين الحمل و دائرة السيطرة. تمسى هذه الحالة بـ Voltage Follower لأن فولتية طرف الباعث تكون دائما مساوية لفولتية دائرة السيطرة مطروح منها فرق الفولتية بيم القاعدة و الباعث (إن أي نقطة اتصال بين نوعين من أشباه الموصلات يجب أن يحصل فيها انخفاض في الفولتية كما في الدايود).

لا تربط مقاومة إلى طرف القاعدة في الترانزستور في هذا النوع من الربط وذلك لوجود الحمل بين الباعث و الأرضي, لذلك فأن المقاومة المسلطة على دائرة السيطرة ستكون مساوية إلى (β+1) مضروبة في قيمة مقاومة الحمل. السبب وراء استخدام (β+1) في المعادلة هو إن تيار الباعث مساوي إلى مجموع تيار القاعدة مع تيار الجامع. بما إن تيار الجامع هو β مضروبة في تيار القاعدة, فسيكون تيار الباعث مساوي إلى Ib(β+1).

استخدام الترانزستور نوع PNP.

يعتبر استخدام هذا النوع من الترانزستورات اقل شيوعا لتعقيده نسبة إلى استخدام النوع NPN. سيحصل انحياز أمامي بين الباعث والقاعدة بمجرد ارتفاع فولتية مصدر الحمل عن فولتية مصدر دائرة السيطرة. أي انك لاستخدام هذا النوع من الترانزستورات فأنت بحاجة إلى أن يكون مصدر الفولتية موحدا أو أن يكون مصدر فولتية الحمل اقل من مصدر فولتية دائرة السيطرة. يستخدم هذا النوع من الترانزستورات عندما تكون العلاقة عكسية بين فولتية دائرة السيطرة و تيار الحمل. يمكن أيضاً ربط هذا النوع من الترانزستور بطريقتين هما:

الباعث المشترك. وهو أن يربط طرف الباعث في الترانزستور إلى مصدر الفولتية المشترك بين الحمل و دائرة السيطرة. يكون التيار المار في الحمل صفر أمبير عندما تكون الفولتية الخارجة من دائرة السيطرة مساوية لفولتية المصدر. في حين يبدأ تيار الحمل بالزيادة عندما تبدأ الفولتية الخارجة من دائرة السيطرة بالنقصان.

الجامع المشترك. يربط طرف الجامع في الترانزستور إلى الأرضي مباشرة في حين يكون الحمل بين طرف الباعث و مصدر الفولتية المشترك بين دائرة السيطرة و الحمل. لا تربط مقاومة إلى طرف القاعدة في الترانزستور أيضاً. لكن فولتية الحمل ستكون مساوي لفولتية المصدر مطروح منها الفولتية الخارجة من دائرة السيطرة و فولتية الهبوط بين القاعدة و الباعث.

ملاحظات حول السيطرة على الأحمال:

في النهاية, إذا كنت تفكر في تشغيل و إطفاء الحمل فقط (أي إن لديك حالتين فقط هي إطفاء أو تشغيل ولست بحاجة الى الحصول على حالة بينهما, كالسيطرة على ريلي) فيمكنك الاطلاع على الملاحظات التالية:

أزواج دارلكنتون. يمكنك ربط طرفي الجامع لترانزستورين إلى بعضهما و ربط باعث احدهما إلى قاعدة الآخر لتحصل على ترانزستور مكافيء ذو معامل تضخيم عالي جدا يسهل عليك السيطرة على تشغيل و إطفاء الحمل.

ترانزستور من نوع شوتكي Schottky Transistors. تمتاز هذه الترانزستورات بانخفاض الفولتية بين الجامع و الباعث في حالة الإشباع (حالة تشغيل الحمل) وبالتالي تقليل الخسائر.

دوائر متكاملة. توجد مجموعة من الدوائر المتكاملة و التي تحتوي بداخلها على ترانزستورات مربوطة من اجل العمل كمفتاح تشغيل أو إطفاء للحمل بالسيطرة عليها من دائرة السيطرة. تكون هذه الدوائر عادة مفتوحة الجوامع لتتمكن من ربط مصدر فولتية للحمل حسب حاجتك. يمكنك الاطلاع على الدائرة المتكاملة بالرقم ULN2003A لمعرفة تفاصيل اكثر.