مُقدمة عَن الترانزِستورات
في السابق ، لعبت أنابيب التفريغ دوراً مُهم وفعال حيث اثبتت جدارتها وحققت نَجاحات كبيرة في مجال الصِناعات الالكترونية
وأنابيب التفريغ هي عِبارة عن أنابيب الكترونية تُستخدم في التحكم بالتيار الكهربائي لَكن تِلك النجاحات لمْ تدم طويلاً اذ ظَهرت العديد من المشاكل
كالحجم الضخم واستهلاك العالي للطاقة الكهربائية وانتاجية أقل كفاءة واستِخدام المواد الباعثة للإلكترونيات المهبطية في التشغيل والحرارة التي تُقصر من عمر الأنبوب نفسه
ومن أجل التغلب على تلك المشاكل اخترع العُلماء جون باردين ووالتر براتلين ووليام شوكلي تَرانزستوراً في مختبرات بيل في عام 1947 م
وكان هذا الجهاز الاختراع الجديد حلاً اكثر اناقة للتغلب علىَ الكثير من القيود الاساسية للأنابيب المُفرغة .
ما هو الترانزستور ؟
الترانزستور هو جِهاز مَصنوع من اشباه الموصِلات يُمكنه تَوصيل التيار الكهربائي وعزله
يَعمل ايضا الترانزستور كمِفتاح ومُضخم للتيار الكهربائي ويَقوم بتحويل الموجات الصوتية الى مقاومات كهربائية تَتَحكم بالتيار الكهربائي.
من مُميزات الترانزستور انه يَتمتع بعمر طويل جداً وبصغر الحجم ويُمكنه أن يَعمل في تيارات الجهد المنخفض كنوع من الامان ولا تتطلب تياراً خيطياً.
يؤدي الترانزستورنفس وظيفة الصمام الثلاثي في أنبوب التفريغ ولكن بِاستخدام اقطاب من اشباه الموصلات بدلاً من الأقطاب الكهربائية العادية.
يُعتبر الترانزستور المكون الاساسي الذي يَتم اِستخدامه في أغلب الاجهزة الالكترونية الحديثة ويُوجد في كل مكان في الأنظمة الالكترونية .
اساسيات الترانزستور
يتكون الترانزستور من ثلاث اطراف اساسية
- القاعدة : طرف من النوع الموجب توجد فيها نسبة شوائب قليلة وذات حجم صغير تتوسط الباعث والمجمع، صممت لتمرير الالكترونات .
- المجمع : طرف من النوع السالب يوجد فيه نسبة شوائب أقل من الباعث وذات حجم كبير صمم لتجميع الالكترونات .
- الباعث : طرف من النوع السالب يوجد فيه نسبة شوائب عالية وذات حجم متوسط صمم لبعث الكترونات .
يتركب الترانزستور من ثلاثة أطراف هي: المجمّع والقاعدة والباعث، يتم وصل أحد أطرافه بإشارة الدخول والطرف الآخر يوصل بإشارة الخروج
أما الطرف الثالث فيكون مشتركاً ما بين إشارتي الدخول والخروج، أما القاعدة فتعمل كمفتاح للتشغيل أو للإطفاء
وعندما يمر التيار الكهربائي باتجاه القاعدة سيمر التيار من المجمع إلى الباعث، هنا يكون المفتاح بوضع التشغيل
وفي حال عدم مرور التيار إلى القاعدة سيكون المفتاح بوضع الإطفاء لانه لا يوجد تيار يمر من القاعدة الى الباعث.
أنـواع الترانزستورات
يُوجد نوعان من الترانزستورات ، النوع الاول يُطلقا عليها ترانزستورات ثُنائية القطب (BJT) والنوع الثاني يُطلق عَليها ترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET)
فالنوع الاول يمكنه التحكم بتدفق التيار الكهربائي، على سبيل المثال يمر تيار صغير بين القاعدة والباعث من أجل الحصول على تيار خفيف
وكذلك يمكن للطرف تمرير تيار كبير بين المجمع والباعث للحصول على تيار كبير.
اما بالنسبة للنوع الثاني فأنه يَحتوي على ثلاثة أطراف وهي البوابة (GATE) والمصدر (SOURCE) والمصرف (DRAIN)
ويمكن للبوابة التحكم في تدفق التيار الكهربائي بين المصدر والمصرف .
النوع الاول : الترانزستورات ثنائية القطب BJT
يَتركب الترانزستور ثنائي القطب من ثلاث اطراف القاعدة والمجمع والباعث متصلة بثلاث اشباه موصلات وينقسم هذا النوع الى فئتين رئيسيتين:
- القسم الاول ترانزستور من فئة P-N-P
- والقسم الثاني ترانزستور من فئة N-P-N .
الترانزستور من فئة P-N-P يتركب من طبقة واحدة من اشباه الموصلات نوع N ويتوسط طبقتي اشباه موصلات من نوع P
في هذا الفئة من الترانزستور يتم فيه تضخيم تيار القاعدة الداخل عند خروجه من المجمع بمعنى الترانزستور يعمل كمضخم للتيار (AMPLIFIRE).
الترانزستور من فئة N-P-N يتركب من طبقة واحدة من اشباه الموصلات نوع P يتوسط طبقتي اشباه موصلات من نوع N
هذا الفئة من الترانزستورات اقوى واسرع والاكثر استخداماً في يومنا هذا بسبب تدفق الالكترونات ما بين الباعث والمجمع وبالتالي سنحصل على تيار قوي.
النوع الثاني : الترانزستورات ذات التأثير الميداني FET
الترانزستور ذو التأثير الميداني هو عبارة عن ترانزستور احادي القطب يعني اما يكون طبقة اشباه موصلات من نوع N او طبقة اشباه موصلات من نوع P
يتم استخدامهم غالباً لأغراض التوصيل الكهربائي ، عند استخدام طبقة اشباه الموصلات من نوع N ما بين المصدر والمصرف سوف يصبح الترانزستور مثل المقاومة
بمعنى القدرة على مقاومة التيار الكهربائي.
يتحكم هذا الترانزستور بناقلات الشحنة السالبة والموجبة المتعلقة بالإلكترونات والفجوات لذلك يعتمد الترانزستور دو التأثير الميداني في عمله على حركة ناقلات الشحنة السالبة والموجبة هنالك انواع عديدة للترانزستور ذو التأثير الميداني من اهمها FET ,MOSFET ,JFET.
أهمية الترانزستورات
تعتبرُ الترانزستورات من اهم المكونات الاساسية للأجهزة الالكترونية الحديثة حيث يتم استخدامها كمفاتيح تشغيل واغلاق لمرور التيار وكذلك مكبرات للتيار ومقاومات وما الى ذلك
من مختلف الوظائف ، لكن من أجل الحصول على الاداء القوي والامثل في الدوائر الكهربائية فأنه من الضروري عمل تحيز للترانزستور باستخدام مقاومات كهربائية
نقطة التشغيل هي النقطة الموجودة على خصائص الخرج يعني التيار الخارج التي تُظهر جهد المجمع والباعث وتعرفُ ايضا ” بنقطة التحيز “ .
تشير نقطة التحيز إلى مقاومات أو مكثفات أو جهد إمداد مناسب وما إلى ذلك لتوفير خصائص التشغيل المناسبة للترانزستورات
يتم استخدام انحياز التيار المستمر للحصول على تيار مجمع ، التيار المستمر عند جهد مجمع معين يتم التعبير عن قيمة هذا الجهد والتيار من خلال ما يسمى بنقاط التحيز.
يكون IC (الحد الأقصى) هو الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يتدفق عبر الترانزستور و VCE (الحد الأقصى) هو الحد الأقصى للجهد المطبق عبر الجهاز لتشغيل الترانزستور كمضخم يجب توصيل المقاومة بالمجمع
يضبط الانحياز جهد التشغيل والتيار المستمر على المستوى الصحيح بحيث يمكن تضخيم إشارة التيار المتردد بشكل صحيح بواسطة الترانزستور و تقع نقطة الانحياز الصحيحة في مكان ما بين حالة التشغيل بالكامل أو حالة الإيقاف التام للترانزستور.
لتعيين نقطة انحياز الصحيحة للترانزستور ، يتم استخدام مقاومة المجمع لضبط تيار الخارج من المجمع على قيمة ثابتة دون أي إشارة في قاعدته
و يتم تعيين نقطة تشغيل التيار المستمر هذه من خلال قيمة جهد الإمداد وقيمة المقاومة الأساسية تُستخدم مقاومات التحيز الأساسي في جميع تكوينات الترانزستور الثلاثة مثل القاعدة المشتركة ، والمجمع المشترك ، وتكوينات الباعث المشترك.
أنماط التحيز للترانزستور
- التحيز الحالي:
في هذا النمط يتم استخدام المقاومات لضبط التحيز الحالي الأساسي وتحدد هذه المقاومات منطقة التشغيل الأولية للترانزستور مع انحياز تيار ثابت
يتحيز الترانزستور للأمام بجهد انحياز إيجابي للقاعدة من خلال المقاومة.
- التحيز الاستجابي
يتم الحصول على التحيز الاستجابي من جهد المجمع يتضمن رد استجابة المجمع أن يكون الترانزستور متحيزًا دائمًا في المنطقة النشطة عندما يزداد تيار المجمع
بالتالي ينخفض الجهد عند المجمع يعد تكوين التغذية الاستجابية هذا مثاليًا لتصميمات مضخم الترانزستور.
- تحيز الاستجابي المزدوج
باستخدام اثنين من المقاومات تزيد من الاستقرار في الدائرة الكهربائية، فيما يتعلق بالتغيرات عن طريق زيادة التدفق الحالي من خلال مقاومات التحيز الأساسي في هذا النمط
التيار في كل مقاومة يساوي 10٪ من تيار المجمع.
- تحيز تقسيم الجهد
يتم توصيل مقاومين بقاعدة الترانزستور التي تشكل شبكة لتقسيم الجهد فيحصل الترانزستور على تحيزات من خلال انخفاض الجهد المنقسمة يستخدم هذا النمط من التحيز على نطاق واسع في دوائر مكبرات الصوت.
- تحيز القاعدة المزدوجة
يستخدم كلاً من الاستجابات feedbabk قاعدة الباعث والمجمع لتحسين الاستقرار من خلال التحكم في تيار المجمع يجب تحديد قيم المقاومات لضبط انخفاض الجهد عبر مقاومة الباعث بنسبة 10٪ من جهد الإمداد والتيار عبر المقاومة و 10٪ من تيار المجمع.
ميزات الترانزستور
- حساسية ميكانيكية صغيره.
- تكلفة أقل وأصغر حجمًا، خاصة في دوائر الإشارة الصغيرة.
- جهد تشغيل منخفض لمزيد من الأمان ، وتكاليف أقل.
- عمر طويل للغاية.
- لا يوجد استهلاك للطاقة بواسطة سخان الكاثود.
- يعمل كمفتاح تشغيل واغلاق بسرعة كبيرة.
مصدر المقال : اضغط هنا
- إعداد : المهندس عبد الرحمن الحمادي
- تحرير : المهندس بشار الحجي