الترانزستور BJT كمفتاح BJT as a Switch وتطبيقاته :

[F.Abdelaziz]

الترانزستور BJT كمفتاح BJT as a Switch وتطبيقاته :


مقدمة :
عند استخدام الترانزستور كمكبر لإشارة تيار متردد , يتم تطبيق جهد انحياز لقاعدة الترانزستور بطريقة بحيث تعمل دائما فى مدى منطقتها الفعالة , أى يتم استخدام الجزء الخطى من منحنيات خواص الخرج .
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 المحركات motors والملفات (السلونويد) solenoids أو المصابيح lamps , ولكن يمكن استخدامها أيضا فى الإلكترونيات الرقمية digital electronics وفى دوائر البوابة المنطقية logic gate .

مبدأ العمل :
إذا كانت الدائرة تستخدم الترانزستور ثنائى القطبية كمفتاح , فإن انحياز الترانزستور , سواء أكان NPN أو PNP , يرتب ليعمل الترانزستور عند كل من جانبى منحنيات الخواص I-V.
مناطق عمل الترانزستور كمفتاح تعرف "بمنطقة التشبع" Saturation Region و"منطقة القطع"
Cut-off Region . يستخدم 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 .

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

1- منطقة القطع Cut-off Region

فى هذه المنطقة يكون ظروف تشغيل الترانزستور :

• تيار دخل القاعدة ( IB ) بصفر zero(IB=0).
• وتيار المجمع ( IC ) بصفر zero(IC=0).
• نتيجة لعدم مرور تيار يكون الجهد بين المجمع والمشع أقصى ما يمكن (VCE = VCC ) .

لذلك يكون الترانزستور كمفتاح فى حالة "فصل كامل" "Fully-OFF" .
خصائص الفصل Cut-off Characteristics

• الدخل والقاعدة متصلة بالأرضى (Vin= VB= 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 ) .
• وجهد الخرج يكون "واحد منطقى"VOUT = VCE = VCC = "1" .
• الترانزستور يعمل " كمفتاح مفتوح " "open switch" .

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 IBmax.
· ومن ثم ينتج أقصى تيار للمجمع ICmax.
· وأقصى هبوط فى الجهد بين المجمع والمشع VCEmax نتيجة لمرور 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 .

· وجهد الخرج يكون "صفر منطقى" VOUT = VCE = "0".

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

لذلك يمكننا تعريف "منطقة التشبع" أو "نظام التوصيل " عند استخدام الترانزستور الثنائى كمفتاح على أنه المنطقة التى يكون فيها كل من الوصلتين منحازين انحياز أمامى أى VBE > 0.7V و IC = Maximum . بالنسبة للترانزستور PNP يجب أن يكون جهد المشع موجب بالنسبة للقاعدة .
الخلاصة :
· يمكن أن يعمل الترانزستور كمفتاح حالة صلبة " ذو قطب واحد ودائرة واحدة " (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 .
مثال :

[F.Abdelaziz]

مثال :
الشكل التالى يبين مثال لترانزستور NPN كمفتاح يستخدم فى تشغيل ريلاى . فى 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 مرتفع جدا , مثل المحركات والسخانات و..ألخ , عندئذ يمكن التحكم فى تيار الحمل من خلال ريلاى مناسب كما فى الشكل .

الدائرة مماثلة لدائرة المشع المشترك , فيما عدا 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 الدخل المطلوب وتيار القاعدة المناظر لتحويل الترانزستور إلى حالة التوصيل الكامل .
مثال :
استخدم قيم الترانزستور التالية : = 200 , Ic = 4mA و Ib = 20uA .
أوجد قيمة مقاومة القاعدة (Rb) المطلوبة لتوصيل ON الحمل عندما يتعدى جهد طرف الدخل 2.5v .

أقرب أقل قيمة عملية هى 82k وهى تضمن أن يكون الترانزستور دائما متشبع .
مثال :
استخدم نفس القيم السابقة , 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 :

· مقاومة قاعدة الترانزستور :

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 بمصدر جهد 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 Digital Logic Transistor Switch

[F.Abdelaziz]

مفتاح الترانزستور والمنطق الرقمى Digital Logic Transistor Switch

مقاومة القاعدة Rb مطلوبة لتحديد تيار الخرج من البوابة المنطقية .

[F.Abdelaziz]

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 .

معادلات حساب مقاومة القاعدة وتيار المجمع والجهود تماما مثل مفتاح الترانزستور NPN .

مفتاح الترانزستور الدارلنجتون Darlington Transistor Switch

[F.Abdelaziz]

مفتاح الترانزستور الدارلنجتون Darlington Transistor Switch

أحيانا يكون كسب التيار المستمر للترانزستور ثنائى القطبية صغير جدا لذلك يتم 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 يتضاعف كسب التيار للترانزستور الأول بقيمة كسب التيار للترانزستور الثانى لإنتاج جهاز يعمل كترانزستور مفرد بكسب تيار مرتفع جدا لتيار قاعدة أصغر بكثير .
قيمة الكسب الكلى Beta () أو Hfe لجهاز الدارلنجتون هو حاصل ضرب كسبى الترانزستورين ويعطى بالعلاقة :

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 :

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 والجهد 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 .

تطبيقات :

[F.Abdelaziz]

تطبيقات :
دائرة التشغيل باللمس :
الدائرة الأساسية :

هذه هى أبسط دائرة يمكنك الحصول عليها . يمكنك استخدام أى ترانزستور NPN . يتم توصيل ليد LED , ومقاومة 220 ohm وترانزستور كما هو مبين بالشكل .
قم بلمس النقطة العلوية بأصابع أحد اليدين والنقطة السفلية بأصابع اليد الأخرى قم إضغط (إعصر) .
سوف تضىء الليد وتزداد إضاءتها كلما تزايد الضغط .
جسمك له مقاومة , وعند وجود الجهد , سوف يمر تسار خلال جسمك (الأصابع) . يقوم الترانزستور بتكبير التيار المار خلال أصابعك لحوالى 200 ضعف وهذا يكفى لإضاءة الليد .

زيادة كسب الدائرة :

يتم إضافة ترانزستور ثانى فى مكان أصابعك . هذا الترانزستور لك معامل كسب حوالى 200 . عندما تلمس النقط المبينة بالمخطط , فإن الليد يضىء بأقل لمسة , حيث يقوم الترانزستور بتكبير التيار (المار خلال أصابعك) بحوالى 200 ضعف .

دائرة لكشف موقع كابلات الكهرباء بزيادة الكسب حتى 8 مليون ضعف :

هذه الدائرة حساسة جدا لدرجة أنها تكشف "همهمة الشبكة الكهربائية mains " . ببساطة يتم تحريكها عبر أى حائط وسوف تكشف أين يقع كابل الشبكة الكهربائية .
هذه الدائرة لها كسب حوالى 200 x 200 x 200 = 8,000,000 , كما أنها أيضا سوف تكشف الكهرباء الساكنة ووجود يدك دون أى تلامس مباشر . سوف تدهش بما تقوم بكشفه . هناك كهرباء ساكنة فى كل مكان. يصنف دخل هذه الدائرة على أنه ذات معاوقة مرتفعة جدا .

[F.Abdelaziz]

دوائر التوقيت :

دائرة تأخير الفصل لريلاى RELAY OFF DELAY

• الدائرة التالية تقوم بتشغيل ON الريلاى عندما يكون الدخل فوق 2V (تشغيل على الفور) .
• ثم يتم فصل OFF الريلاى بعد 2 ثانية من بعد غياب إشارة الدخل ( تأخير الفصل).
  

فى الدائرة التالية :

• الضغط على المفتاح الضاغط يؤدى إلى تشغيل الريلاى على الفور .
• عند رفع الضغط عن المفتاح سوف يظل الريلاى فى حالة تشغيل ولعدة ثوانى من بعد تحرير المفتاح الضاغط .
• يمكن ضبط قيمة المقاومة 1K والمكثف الكيمائى للحصول على التأخير المناسب .

دائرة تأخير التوصيل :
الداائرة تقوم بتشغيل الريلاى بعد فترة من الزمن ON Delay "تأخير التوصيل" .
الغرض من الدائرة هو شحن المكثف الكيمائى لقيمة جهد مرتفعة مناسبة قبل أن يتم توصيل الدائرة .
فى الدائرة التالية سوف يكون الجهد فوق 5.7V , بسبب وجود الزينر دايود بالقيمة 5.1V على التوالى مع الجهد بين القاعدة والمشع وهو 0.6V .

[F.Abdelaziz]

دوائر عملية :

تأخير التبطيل من عدة ثوانى إلى عشرات الثوانى off delay:

الغرض من الدائرة :

ألمثال التالى يستخدم فى إضاءة مصباح (أوتشغيل أى جهاز) لمدة عدة ثوانى من لحظة ( بدء الضغط على الزر الضاغط ثم إزالة الضغط ) .
كما ترى عدد المكونات المستخدمة قليل جدا .

ألدائرة الكهربية :



مبدأ العمل :

مبدأ عمل الدائرة بسيط للغاية .
عند بداية وصول التغذية إلى الدائرة يكون المكثف C1 فارغا ويتصرف كدائرة قصر .
نتيجة لذلك يمر تيار خلال C1 والمقاومة R1 إلى الترانزستور Q1 فيوصل ويسبب إضاءة المصباح L1 .
يبدأ المكثف بالشحن تدريجيا خلال R1 ويتسبب ذلك فى الإنخفاض التدريجى لجهد نقطة االاتصال بين C1 و R1 .
بعد فترة زمنية يصبح الجهد على طرف المقاومة R1 صغير جدا ولا يستطيع المحافظة على توصيل Q1 .
يتحول Q1 من التوصيل إلى القطع فيمنع مرور التيار فى المصباح فينطفىء .
للبدء من جديد restart ببساطة إضغط مرة إخرى على الزر الضاغط SW1 فيتسبب فى تفريغ المكثف C1 لحظيا ثم بعد ذلك يبدأ دورة شحنه كما سبق .

المؤقت الثانى :

تأخير التبطيل من 2 الى 400ثانية off delay:



المؤقت الثالث :

مؤقت مع إعتام للضوء يستخدم فى (السيارة - الأباجورة- معمل تصوير......)




المؤقت الرابع :

مؤقت مع إعتام للضوء2 معدل متعدد الاستخدامات




2- دوائر مؤقتات تأخير التوصيل (التشغيل) QN Delay