كيف يعمل الترانزستور كمفتاح

2 إجابتان

شكّل اختراع الترانزستور في أربعينيات القرن العشرين ثورة إلكترونيّة في عالم التكنولوجيا فتكاد استخداماته تصل إلى كل جزء من حياتنا سواء في الهاتف المحمول أو الكمبيوتر وجميع أنواع الحساسات بسبب حجمه الصغير، فهو يقوم بتنظيم تدفق التيار والإشارات الإلكترونيّة، ويكون نظام تبريده غير معقد أبداً بالإضافة لكونه خفيف الوزن جداً، وقد زاد من أهميّته عدم استهلاكه لكميّة كبيرة من الطاقة ومتانته العالية التي تجعل منه فعّالاً في ظروف العمل الصعبة.

يتركب الترانزستور من مواد نصف ناقلة كالجرمانيوم والسيليكون، وله ثلاثة أنواع:

  • الترانزستور ثنائي القطبيّة BJT:

عمل الترانزستور كمفتاح

يتكون الترانزستور من ثلاثة أطراف: القاعدة base وهي المنطقة الوسطى وقد تكون موجبة أو سالبة، بينما الطرفان الآخران مجمع collector ومشع emitter، تكون وظيفته الأساسيّة تضخيم التيار الذي يدخل للقاعدة، ولكي يعمل كمفتاح يجب أن يكون تيار القاعدة كافياً لكي يضع الترانزستور في منطقة التشبع فيتشكل هبوط جهد أمامي منخفض بحدود 1 فولت يجعل العنصر يعمل كمفتاح، حيث تيار المجمع لا يعتمد على تيار القاعدة بل على مكونات الدائرة الخارجيّة.

ونظراً لاحتياج الترانزستور لتيار قاعدة عالي ومستمر على مدى فترة التوصيل فإن القدرة المفقودة به كبيرة بالإضافة لضياعات الوصل والفصل التي قد تُحرق الترانزستور، أي يعمل هذا النوع من الترانزستورات بنظام المفتاح عندما يكون تيار القاعدة معدوماً أي الترانزستور في حالة فصل، بينما عندما يكون تيار القاعدة كافياً لقيادة الترانزستور فسوف يعمل كمفتاح مغلق أي يقوم بالتوصيل ولكن إن حدث في نفس اللحظة جهد وتيار عاليان أثناء الفصل قد تحدث بقعة ساخنة في الترانزستور  تسبب عطبه بفعل الحرارة وهذا ما يُدعى بالانهيار الثانوي، لذلك نحتاج إلى دارة إخماد مستقطبة لتجنب حدوث تيار وجهد عاليان.

  • ترانزستور تأثير المجال ذو البوابة المعزولة MOSFET:

عمل الترانزستور كمفتاح

لهذا النوع من الترانزستورات ثلاثة أطراف: منبع source ومصرف drainو بوابة gate، يتميز هذا النوع بحاجته لتيار تشغيل منخفض وسرعة تبديل عالية على خلاف النوع الأول ذو السرعة البطيئة، ويكون تردد الوصل والوصل 1 ميغا هرتز، والقدرة المفقودة خلاله منخفضة جداً نظراً لأنه يعمل بجهد ملائم أي بمجال كهربائي، وبالتالي يُمكن اعتبار MOSFET مقاداً بالجهد حيث يجب تطبيق جهد موجب على البوابة لكي يعمل كمفتاح ويصبح في حالة التوصيل ON، ولكن هبوط الجهد مقارنةً مع النوع الأول يعتبر مرتفعاً فد يصل إلى 4 فولت.

تكمن الوظيفة الأساسيّة لMOSFET التحكم بالتيارات الواردة من المنبع والصادرة من المخرج خلال البوابة وحماية الدارة من التيارات للعالية بالإضافة لتوفير الطاقة للدارة. يتوافر هذا النوع بثمن مرتفع جداً وضمن مجال واسع من الجهود يصل إلى 500 فولت وتيارات حتّى 100 أمبير، ويكون هذا النوع غير معرّض للانهيار الثانوي.

  • الترانزستور ثنائي القطبيّة ذو البوابة المعزولة IGBT:

عمل الترانزستور كمفتاح

يكون لهذا النوع من الترانزستورات ثلاثة أطراف: مجمع Collector ومشع emitterو بوابة gate ويعمل بشكل مشابه للنوع الأول JBT حيث يحتاج تيار معدوماً ليصبح كمفتاح في حالة فصل، ويتفوّق عليه بأنّه يولد تيار بكثافة اعلى، وهو يملك سرعة تبديل أيضاً لكنّه مازال أقل من MOSFET حيث يصل تردد التبديل إلى40 كيلو هرتز، ويكثر استخدام هذه النوع في المحركات الكهربائيّة.

أكمل القراءة

لعبت الترانزستورات دوراً أساسياً ومهماً في الثورة الإلكترونية، وأدى هذا الدور إلى تقدم هام في مجال الدارات الإلكترونية.

إن الوظيفة الأساسية للترانزستور هي إما باستخدامه كمضخم، أو كمفتاح تبديل (وهي الوظيفة الأساسية في الدارات الرقمية)، والسبب الأساسي لاستخدام الترانزستور كمفتاح تبديل هو أن التيار في القاعدة يتحكم بالتيار في المجمع مباشرة، فإذا تجاوز تيار القاعدة الحد الأدنى لجهد القطع سيكون الترانزستور كمفتاح مغلق وإلا سيبقى في حالة المفتاح المفتوح، ويمكن لنوعي الترانزستورات ثنائية القطبية أن يعملا كمفتاح تبديل وذلك بسبب تطبيق الانحياز للقاعدة.

ويفضل أن تكون المناطق التي يعمل الترانزستور كمفتاح فيها إما منطقة الإشباع، أو المنطقة الحدية (على منحنيات الجهود الخاصة بالترانزستور)، حيث يعتمد عمل الترانزستور على هذه المناطق، ويكون تيار القاعدة في المنطقة الحدية مساوياً للصفر، وطالما أن الدخل صفراً فإن تيار المجمع سيكون أيضاً صفراً من خلال الحفاظ على جهد المجمع بقيمته العظمى، وهذا للترانزستور من النوع npn أما للترانزستور pnp فإن الجهد على الباعث يجب أن يكون سالباً.

أما الحالة التالية فهي عندما يعمل المفتاح، في منطقة الإشباع حيث تكون قيمة تيار القاعدة وتيار المجمع عظمى، وذلك من خلال الحفاظ على جهد المجمع بقيمة دنيا، وبالتالي يجعل هذا الوضع الترانزستور يعمل كفتاح في حالة ON، وذلك بالنسبة لترانزستور npn، أما في الترانزستور pnp فإن جهد الباعث يجب أن يبقى موجباً.

  • عمل الترانزستور npn كمفتاح

تبدأ عملية التبديل عندما يطبق الجهد على القاعدة بطريقة مماثلة للديود، ويجب أن يصل الجهد بين الباعث والقاعدة لحد معين لنقول أن الترانزستور في حالة عمل أو ON وإلا سيكون في حالة OFF.

يبدأ التيار بالمرور من المنبع للحمل عندما يصبح الترانزستور في حالة ON، ويكون الحمل إما ضوء أو مقاومة، وبشكل عام يعتمد الحمل على المتطلبات.

  • عمل الترانزستور pnp كمفتاح

إن حالة عمل ترانزستور pnp كمفتاح تختلف عن npn وذلك من خلال الجهد السالب والموحب، ولكن تبقى الآلية نفسها.

تطبيقات عمل الترانزستور كمفتاح

تلخص تطبيقات الترانزستور عندما يعمل كمفتاح كالتالي:

  • إن التطبيق العملي الأكثر شيوعاً لاستخدام الترانزستور في هذه الحالة هو الليد الضوئي.
  • يمكن التحكم بعمل الحاكمة relay من خلال القيام بالتغيرات الضرورية في الدارة وذلك من أجل التحكم في الأجهزة المرتبطة بالـ relay.
  • يمكن التحكم بمحركات الـ dc وذلك عن طريق استخدام مبدأ الترانزستور، وذلك لإطفاء أو تشغيل المحرك، وبتغير ترددات عمل الترانزستور تتغير سرعة المحرك.
  • يمكن باستخدام هذه التقنية التحكم بالثيرموستور (جهاز يقيس الحرارة المحيطة) حيث يعامل الجهاز كمقاومة ترتفع عندما تكون الحرارة منخفضة، وتنخفض عندما تكون الحرارة المقاسة مرتفعة.
  • يعد المصباح الكهربائي تطبيقاً آخراً لهذه التقنية حيث يضيء ويطفئ المصباح حسي الإضاءة وذلك عن طريق مقاومة ضوئية LDR

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "كيف يعمل الترانزستور كمفتاح"؟