تصميم الدوائر الإلكترونية

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الوصلة الثنائية م س PN Junction

عند دمج بللورتان من أشباه الموصلات أحداهما موجبة م P والأخرى سالبة س N فإن الإلكترونات الحرة فى النوع س N تميل لأن تذهب للفجوات فى النوع م P مما يجعلها تترك شحنة موجبة حيث غادرت واضعة شحنة سالبة مساوية حيث ذهبت.
هذا بدوره يخلق قوة دافعة كهربية معاكسة تمنع مزيد من الإلكترونات من عبور الوصلة فيتوقف الدفق.
هذا الجهد يسمى جهد الحاجز وهو يختلف باختلاف المادة و نسبة الشوائب و درجة الحرارة.

فى الجرمانيوم حوالى 0.3 إلى 0.4 فولت و فى السليكون 0.6 إلى 0.7 فولت. الخطأ الفادح الذى يرتكبه البعض هو اعتبار هذه القيمة قانونا أزليا فى حين أنها ليست ثابتة و سنثبت ذلك بالتجربة لاحقا.
كلما زادت نسبة الشوائب قل هذا الجهد و قل عمق الفاصل المحتوى عليها حتى تنهار الوصلة ذاتيا وتكون نوع آخر من الثنائيات سنتحدث عنه لاحقا.

الآن عند توصيل جهد من بطارية خارجية، فإننا إما نعزز هذا الجهد أو نعادله.
لو كان طرف البطارية الموجب متصلا بالطرف السالب للقطعة كما بالرسم، سنعزز هذا الجهد و يزداد سمك المنطقة العازلة ولا يمر تيار و يسمى هذا بالتوصيل العكسى.
إلى متى يمكننا زيادة الجهد فى التوصيل العكسى؟

لو نسبة الشوائب عالية، سيكون عرض الطبقة العازلة رقيق جدا و المجال الكهربى عاليا حتى أن عند جهد عكسى قليل يحدث انهيار، و إن كانت الشوائب قليلة ستتسارع الإلكترونات لدرجة أن اصطدامها بالذرات المجاورة يحرر مزيد من الإلكترونات لتتسارع بدورها وتحرر المزيد فتنهار الوصلة. و هذا أساس تحديد جهد الانهيار حتى 1000 فولت.

أما لو وصلنا طرف البطارية الموجب بالطرف الموجب للقطعة فبعد تقريبا 0.6 فولت وهو الجهد الكافى للتغلب على جهد الوصلة، سيمر تيار لا تحده إلا الدائرة الخارجية.
من هذا نرى أنها توصل التيار فى اتجاه و تعارضه فى الاتجاه العكسى و سنسمى القطعة الموجبة أنود Anode أو مصعد والسالبة كاثود Cathode أو مهبط وهى مسميات من الصمامات الإلكترونية السابقة.

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الثنائيات Diodes

تتكون من قطعتين من أشباه الموصلات أحدهما به إلكترونات حرة وتسمى مجازا سالب والأخرى تسمى مجازا موجب – الرابط التالى به شرح وافى للتركيب

404 Page not found - University of St Andrews

Diodes

نلاحظ أن الثنائى السيليكونى كما سبق شرحه يمرر التيار فى اتجاه و يمنعه فى الاتجاه العكسي حتى جهد معين سيحدث له انهيار و يصبح زينر.
لماذا إذن نقول لدينا زينر؟
لأن الأول لا نعرف على وجه الدقة متى سينهار و يصبح زينر فمثلا أقل الموحدات جهدا = 50 فولت
هذا لا يعنى إطلاقا أنه عند 51 فولت سينهار – تصنع الموحدات و من يوافق نسبة الدقة المطلوبة يقبل و ما يخرج يرفض و لو انهار عند 90 فولت يصنف على أنه 50 فولت وليس 100 فولت
أما الزينر – فقط تغير دقة تصنيعه حتى يوافق الجهود الصغيرة المطلوبة 3 فولت مثلا و يكون الانهيار سريعا و حادا – لذا كل الثنائيات التالية لها التركيب ذاته و لكن بتغيير المادة المصنع منها كل جزء ونسبة الشوائب و نوعها يتغير أداء الثنائى لذلك لدينا حوالى 13 نوع مختلف أو أكثر منها – سأذكر الاختلاف حيث يكون:
1- الموحد العادى ويستخدم لأغراض توحيد اتجاه التيار
2- ثنائى الزينر ويستخدم لأغراض الحصول على جهد ثابت والحماية، و التحكم فى نسبة الشوائب للتحكم فى جهد الزينر.
3- الثنائى المعكوس Backward diode ويستخدم لأغراض التوحيد للترددات العالية و الجهود أقل من 0.6 فولت وهو ببساطة زيادة نسبة الشوائب حتى يحدث انهيار عند جهد = صفر (زينر = صفر)
4- الثنائى الباعث للضوء LED وهو بتغيير الخامة و الشوائب ثلاث أنواع
* بألوانه المختلفة أحمر ، أصفر ، عنبر ،أخضر ، أزرق ، و أخيرا أبيض - ويستخدم لأغراض البيان وشاشات العرض الكبيرة وبعض شاشات الحاسب المحمول والشاشات الرقيقة و حديثا الإضاءة فى المنازل حيث وصلت بعضها إلى أكثر من 20 وات

• باعث الأشعة تحت الحمراء ويستخدم لأغراض الاتصال والتحكم والمراقبة والعزل الكهربى
  

• مولد الليزر ويستخدم لأغراض الاتصال والتحكم والمراقبة للمدى البعيد وهو مثل سابقيه و مزود بوسيلة رنين لتركيز لون واحد فقط بدرجة عالية – لا يوجد حتى الآن ليزر أبيض
  

5- ثنائى كاشف عن الضوء ولكل نوع من الثلاث السابقة مستقبل خاص به – الوصلة العادية فقط تعرض للضوء.
6- ثنائى مولد الجهد من الضوء وهو أساس البطاريات الشمسية – كانت وصلة عادية ولكن حسنت و أضيف لها معدن الذهب الخ بهدف تحسين الكفاءة
7- ثنائى ذو السعة المتغيرة ويستخدم لأغراض اختيار المحطات والقنوات فى أجهزة الاستقبال – وصله عادية فقط يراعى تحسين الخطية بالنسبة للجهد و زيادة قيمة السعة الكلية
8- ثنائى شوتكى وهو يحتوى على الذهب بدلا من النوع الموجب ويستخدم لأغراض الترددات العالية جدا
9- ثنائى ذو المقاومة السالبة ويسمى أيضا GUNN Diode نسبة لمكتشفه ويستخدم لأغراض توليد الترددات فى نطاق الميكرو ويف ، عبارة عن قطعة من P أو N فقط لها أطراف من المعدن المناسب
تبدو كقطعة عادية ولكن بارتفاع الجهد تتكون الأقطاب المعاكسة فتزيد المقاومة ثم تنهار مما يسبب ظهور مقاومة سالبة تستخدم كمذبذبات

Negative Resistance Oscillators

10- ثنائى ذو الطبقة الخام فى المنتصف بين الطبقتين PIN Diode ويستخدم كمقاومة متغيرة أو سويتش لترددات الميكرو ويف
11- ثنائى القدح Trigger Diode ويستخدم كبادئ تشغيل لبعض المذبذبات و دوائر التحكم وهو من عائلة الثايريستور وهو أيضا يقدم مقاومة سالبة. لاحظ الفرق بينه وبين الزينر فالجهد بين أطرافه عند الانهيار يكاد يساوى صفر.
12- ثنائى النفق Tunnel Diode ويستخدم كسويتش فى نطاق الميكرو ويف وهو دايود له نسبة شوائب عالية تجعله موصل فى الظروف العادية ، لذلك عند زيادة الجهد عليه يقل توصيله لخروجه من حالة الانهيار تدريجيا
13- ثنائى الحماية Transient voltage suppression (TVS) diodes وهى تحمى الأجهزة من التداخلات فى خطوط التيار الكهربى وهى أشبه بالزينر
14- يمكن أن نضيف أيضا الثنائى السيليكونى ذو التحكم SCR و يعترض البعض لأنه ثلاث طبقات وله طرف ثالث للتحكم ولكنه أولا و أخيرا يستخدم كثنائى للتقويم ضمن استخدامات أخرى
15- ثنائى ظاهرة هال وهى تجعل شريحة من أشباه الموصلات تغير من توصيلها طبقا للمجال المغناطيسى الواقع عليها وهى تستخدم فى وحدات قياس التيار المستمر و المتردد ، حساسات الاقتراب ، قياس سرعة الموتورات الخ
و غيرها

ماذا بداخل الدايود

أولا سأقول دائما “الدايود أو الثنائى” إشارة لأنه ثنائى القطبية و أقول “موحدات” فى تطبيقات توحيد التيار لأن استخدامات الثنائيات لا يسهل حصرها
كما هو مبين بالروابط فى المقال السابق وربما يعرف الكثيرين انه يتركب من مادتين P , N وعند وضعهم متجاورتين ينشأ ما يسمى بجهد الحاجز 0.6 فولت ، وهو جهد يعتمد على درجة الحرارة و نوع المادة ونسبة الشوائب الموجودة ونوعها - لذا من الواجب التشديد هنا على أنها ليست قانون أزلى اسمه 0.6 فولت
لتأكيد ما أقول استخدم آفو رقمى لآن دقته عالية وقيس به موحدات 1N4001 ذات 50 فولت والموحدات 1N4007 ذات 1000 فولت ستجد فولت الأخيرة أعلى
هيه ، لك كلام غريب ، نقيس موحد وتقول فولت ؟!!!
أخى – ماذا تظن الآفو الرقمى؟ هو ببساطة وحدة تحويل من تمثيلى لرقمى Analog to digital converter و عند قياس الاوم أو الثنائيات يولد تيار ثابت (تذكر أنواع مصادر التغذية) و يمرره فى المقاومة أو الثنائى ويقيس الجهد على أطرافه بدقة

أيضا يمكنك معرفة نوع الدايود (الثنائى) من الجهد ولون الإضاءة أيضا
السيليكون العادى حوالى 0.6 إلى 0.65
الجيرمانيوم من 0.4 إلى 0.5
موحدات الجهد العالى تصل إلى 0.79
موحدات شوتكى السريعة 0.3
موحدات الأمبير العالى قد تصل إلى 0.9 فولت وعند التشغيل ترتفع ربما اعلى من 2 فولت نتيجة المقاومة الأومية لمادة السيليكون
LED من 1.4 إلى 1.9 حسب اللون كما أن أشعة تحت الحمراء المرسل غير المستقبل
وهناك أيضا نقطة هامة جدا، فموحدات التيار العالى 50 أمبير أو 100 الخ ستجد لها فولت قد يصل إلى 1.5 فولت أو أكثر و تحدد فقط من الداتا شيت للقطعة وهذه النقطة بالغة الأهمية عند حساب الحرارة المفقودة أثناء التشغيل لتوفير المبرد الملائم.
القيم السابقة عند درجة حرارة الغرفة وتهبط كثيرا بارتفاع درجة الحرارة

كما أود أن أوضح نقطة هامة جدا
العملية الصناعية تسمى باتش Batch والموحدات المصنوعة فى باتش ما تكون متقاربة ولكن تختلف فى قيمة الجهد عن باتش آخر لاختلاف نقاء الخامات المستخدمة ونسبة الشوائب التى مهما كانت الدقة - لا بد من وجود نسبة سماح – هذه النقطة ستؤثر على الاستخدام كما سيتبين فى الحلقة القادمة إن شاء الله
لذلك فى بعض التطبيقات التى تتطلب تماثل فى خصائص الدايودات تستخدم مجموعة داخل دائرة متكاملة لضمان تقارب الخامة ونسبة الشوائب وأيضا عدم وجود فرق فى درجات الحرارة

المرة القادمة إن شاء الله سنتحدث عن توصيل الثنائيات

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

توصيل الثنائيات

فى أى منتدى العديد من المشاركات تشرح توصيل تقويم نصف موجة و موجة كاملة بمحول أو قنطرة لذا لن أضيع الوقت فى التكرار .
إن شئت دائرة أكثر من 1000 فولت ماذا تفعل؟
لا توجد موحدات اعلى من 1000 فولت - لذا عند شراءك موحد يقال انه 5000 فولت ، فاعلم انه خمسة موحدات على التوالى كل منها مثل 1N4007 بقيمة 1000 فولت
وما أهميه هذا ؟
لن أقول مقارنة سعر واحد 5000 (غالبا مرتفع) بسعر 5×1000 ولكن لو حاولت القياس لمعرفة أطرافه إن كانت العلامة غير واضحة ، فغالبا لن تستطيع لأن معظم أجهزة القياس حتى التى تستخدم بطارية 9 فولت ، تستخدم جهد مرجعى قيمته 2 فولت لقياس المقاومات وبالتالى 5×0.6=3 فولت فلن تعرف إن كان سليما أو أحدهم تالف
إذن التوصيل على التوالى مستخدم بشرط أن تكون الثنائيات متماثلة لأقصى حد و إلا فكما تعلم لكل ثنائى فى التوصيل العكسي له مقاومة تسريب ولو اختلفت كثيرا، فحسب قانون أوم سيكون على أفضلها و أجودها “أعلاها مقاومة” أعلى فولت وهذا سيسبب انهياره ثم التالى فالتالى الخ.
ماذا عن التوصيل على التوازى؟
هل نستطيع أن نوصل خمسة موحدات 3 أمبير لنحصل على 15 أمبير ؟
هل تذكر المقالة السابقة والحديث عن الجهد 0.6 فولت؟
ماذا يحدث عندما يكون أحدهما 0.65 والآخر 0.59
سنطبق قانون كيرشوف وقانون أوم سنجد أن التيار سيتناسب مع هذا الجهد
تجربة صغيرة؟؟؟
احضر خمسة LED من لون واحد ووصلهم على التوازى واستخدم مقاومة تكفى ليمر 10 مللى أمبير مثلا 12 فولت من شاحن أو خلافه و مقاومة 1 كيلو
راقب إضاءة الدايودات – هل هى متساوية ؟؟؟؟ بالطبع لا لأن التيار بها غير متساوى
لو وصلت كل واحد على حدة ستكون الإضاءة متماثلة
الآن ضع مقاومة أخرى على التوازى مع المقاومة الأولى بنفس القيمة
هل زادت الإضاءة بنفس القيمة ؟
ملحوظة هامة: لا تستخدم برامج المحاكاة هنا فهى تفترض تطابق المكونات!
الخطورة ليست فى الإضاءة ولكن فى أن الأكثر إضاءة اقلهم فى جهد الحاجز و به تيار اكبر وبالتالى يولد حرارة أكثر – هذه الحرارة تقلل هذا الجهد أكثر فيزيد التيار به أكثر وهكذا حتى يدمر الدايود نفسه فى ظاهرة تعرف باحتواء التيار Current Hogging

لذا لا يمكن أن توصل الدايودات أو الترانزستورات العادية على التوازى – لآبد من وجود مقاومة منفصلة لكل واحد - تذكر هذا عندما نتحدث عن الترانزيستور
اعلم انك ستقول أننى وصلت 10 موحدات واحد أمبير ولم يحدث شئ رغم مرور 10 أمبير فى الحمل …

طبعا وأنا شخصيا عملتها لكن تذكر أن هذه الموحدات توصل عادة بترانسفورمر قدرته صغيرة أى غير قادر على أن يمد بتيار يكفى لحدوث هذا خاصة عند بدء التشغيل
ولكن لا توصل 3 موحدات (دايود أو ترانزيستور أو ثايريستور) 200 أمبير للحصول على 600 أمبير من المصدر الكهربى العمومى فالخسارة كبيرة – لا تحاول

المرة القادمة بإذن الله سنتحدث عن حسابات دوائر التقويم ومخاطر لحظة بدء التشغيل

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

حسابات دوائر التقويم

تنقسم دوائر التقويم إلى نوعين رئيسيين تقويم نصف الموجة وتقويم الموجة الكاملة وينطبق ذلك على فاز واحد و 3 فاز أيضا
هذه هى التوصيلات الأساسية لهذه الدوائر والتعليق عليها
أولا تقويم نصف الموجة
فى هذه الروابط شرح بالرسوم المتحركة كيفية عمل الدائرة

404 Page not found - University of St Andrews

Diodes

ولكن هدفنا هو تصميم هذه الدوائر
لنأخذ مثال ابسط الدوائر وما يسرى عليها ينطبق على الباقى – فقط نأخذ فى الاعتبار اختلاف الزمن
الدائرة التالية هى موحد نصف موجة .

رغم بساطتها إلا أنها تستخدم الآن فى أغلب وحدات الشاحن و الأجهزة الإلكترونية
الخط الأسود يمثل جهد المصدر وهو متردد ونتيجة الموحد يحجب نصف الذبذبة السالب
الخط الأخضر يمثل الجهد على المكثف نتيجة الشحن والتفريغ
الجزء الأحمر يمثل اللحظات التى يقوم فيها الموحد بشحن المكثف
والرسم يوضح حالة الاستقرار حيث يقوم المصدر بشحن المكثف حين يعلو جهد المصدر عن جهد المكثف وبعد القمة يقل جهد المصدر عن جهد المكثف وبالتالى يكون الموحد مقفلا ويمد المكثف الحمل بالتيار طوال الفترة الباقية حتى يعلو جهد المصدر مرة أخرى عليه ليبدأ الشحن مرة أخرى.
على الدائرة سنجد تيار الموحد الذاهب للمكثف والحمل وبعد المكثف نجد تيار الحمل فقط
من الرسم يتضح أن تيار الموحد اعلى بكثير من تيار الحمل لذلك عندما تنوى أن تغذى بتيار قدرة أمبير واحد يجب أن تستخدم موحد يتحمل تيار ضعف هذه القيمة على الأقل أو تلجأ لموحد موجة كاملة – لاحظ انك ستستخدم موحدين كل منها واحد أمبير أيضا
سوف تسأل كيف هذا وأين يذهب التيار – الخ من الأسئلة
لو نظرت لشكل الموجة المرسوم بالأسود ستجد أنها مجموعة من النبضات وهو شكل له مكافئ مستمر ومجموعة من الترددات التوافقية- هذه الترددات تمثل التيار الذى يمر من المصدر عبر الموحد إلى المكثف
ما قيمة هذا الجزء المتغير – لأننا نهتم بالمستمر فقط ؟
حسنا ما هو المكثف ؟ هو وحدة تشحن الكهرباء ثم تفرغها
إذن تعريف قيمة المكثف أو سعته هى كمية الكهرباء الموجودة به دون ارتفاع يذكر فى الفولت – كما نقول ما سعة خزان نرد كمية السائل لكى يرتفع مثلا كذا سم ففى المكثف كمية الكهرباء لكل واحد فولت .
إذن سعة المكثف = ناتج قسمة الشحنة ÷ الفولت
C=Q \V
حيث Q كمية الإلكترونات التى دخلت المكثف وتساوى التيار×الزمن
I.T =Q
وبالتعويض عن سعة المكثف
C= I.T \V
من قانون أوم نستبدل المقاومة بقيمتها الفولت على المقاومة ينتج أن الزمن = المقاومة فى السعة
R=V/I
T=RC
لدينا الآن قانونين هامين
من الأول نرى أن الفولت = التيار × الزمن ÷ سعة المكثف وهو الفولت المتغير فى خرج الدائرة
كلما زاد المكثف قل الفولت المتغير الظاهر عليه ، وكلما زاد التيار زاد الفولت المتغير
وكثيرا ما ننسى ذلك ولا نأخذ فى الاعتبار هل وحدة التغذية كافية آم أنها لا تؤدى المطلوب
لا تقل سوف أضع مثبت جهد مثل 7805 تضيع هذا التأثير - اقرأ جيدا خواص 7805 ستجد أن الفولت الداخل إليها يجب أن يزيد عن الخارج باثنين فولت على الأقل فى كل الأوقات حتى تؤدى وظيفتها وعند زيادة التيار إذا لم تراعى قيمة المكثف سيظهر هذا التغيير فى كل من الدخل والخرج لمثبت الجهد ويؤثر على التشغيل - تذكر هى تثبت ولا تعوض.
يجب ألا ننسى ما هو الزمن - الزمن هو الفترة ما بين الفترات التى يشحن فيها المكثف وعليه ستكون فى حال نصف الموجة فاز واحد = 1÷50 من الثانية
فى حال الموجة الكاملة فاز واحد = 1÷100 من الثانية
فى حال نصف الموجة ثلاثة فاز = 1÷50 ÷ 3 = 1 ÷ 150 من الثانية
فى حال الموجة الكاملة ثلاثة فاز = 1÷100 ÷6 = 1÷ 600 من الثانية
أيضا يجب آلا ننسى أن فى حال 3 فاز الجهد لا يصل أبدا للصفر لتقاطع الأنصاف الثلاثة للمصدر وفى حال الموجة الكاملة 3 فاز فعادة يكون الجهد المتغير صغيرا جدا لنفس السبب ويستخدم المكثف للتخلص أساسا من التداخلات على خطوط الكهرباء
المرة القادمة سنذكر نصيب كل موحد من تيار الحمل وأخطار لحظة البدء

الصورة المرفقة تحتوى معظم دوائر التوحيد المعروفة وكذا بيانات هامة جدا عن كل واحدة من حيث قيمة التيار المار فى كل موحد نسبة لتيار الحمل
لتسهيل الحسابات ، سنعمم تيار الحمل ليكون الوحدة وعلى ذلك إن شئت أن تبنى وحدة تغذية لحمل 7 أمبير مثلا كل ما عليك عملة هو ضرب القيم المذكورة فى 7 لتحديد الحد الأدنى ، فإن لم تجد مكونات بهذه القيم ، اختار القيم الأعلى مباشرة.
عند تصميم وحدة التغذية ، ستبدأ باختيار الموحدات وعليك إنزال ملف البيانات الخاص بها خاصة إن كنت تتعامل مع تيارات اعلى من خمسة أمبير ، ثم قارن لتعرف ما إذا كانت مناسبة وإلا – خذ الموحد الأعلى قيمة
ماذا عن الفولت ، القصة لم تتغير ، اختار أقصى جهد عكسى أعلى من الجهد المستخدم – لاحظ أنه قد يصل لأكثر من ثلاثة أضعاف جهد الحمل فلو وحدت 24 فولت مثلا سيكون الجهد على الموحد طبقا لأول دائرة (وجه واحد موجة كاملة) هو 3.14 مضروبا فى 24 أى 75 فولت وعلية لا يجب استخدام الموحد 1N4001 ذو 50 فولت
هيه ، أخذنا فى هذه الدائرة أن الجهد العكسى على الموحد هو ضعف المنبع – كيف تقول 3.14
لاحظ أن جهد الحمل المستمر أقل من جهد المنبع نتيجة للتوحيد و التنعيم (بواسطة مكثف أو ملف) و النسبة هنا لجهد الحمل وليست المنبع

قبل ترك هذه النقطة وجب ذكر نقطة هامة
ستجد فى هذه الدائرة أن توحيد وجه واحد موجة كاملة يسبب مرور تيار حمل مساوى لأقصى تيار يمر بالموحد ، وعلى النقيض من ذلك ، أثبتنا المرة السابقة أن أقصى تيار يمر بالموحد أعلى بكثير من تيار الحمل ، هل لاحظت ذلك؟ وهل عرفت السبب؟ إنه وجود المكثف مباشرة بعد الموحد فهو الذى يسبب الظاهرة التى شرحت المرة السابقة و جدير بالذكر أيضا أن إضافة ملف بينهما يسبب تخفيف هذه الظاهرة إلى حد كبير حيث أن الملف يبنى مجالا مغناطيسا أثناء مرور التيار مما يقلل من قيمته ثم يستمر فى إمداد الحمل فترة انخفاض جهد الدخل مما يجعل معدل مرور التيار داخل الموحد أحسن توزيعا
هنا لا يجب أن ننسى أمرا ، فى حالة تقويم 3 وجه ، قد لا نحتاج مكثف لتنعيم الجهد كما فى حالة التقويم وجه واحد لكن نحتاج مكثفات للتخلص من التداخلات التى قد ترد عبر خطوط نقل القدرة

الآن لحظة توصيل التيار – ماذا يحدث؟
المكثفات فارغة (لاحظ صيغة الجمع لأنها تشمل كافة المكثفات الموزعة على الدائرة أو الدوائر) لذلك يكون التيار أقصى ما يمكن ولكن – كم أمبير
الإجابة لا أحد يعلم لأنها تعتمد على لحظة التوصيل – هل تقع أول الموجة حيث يعبر الجهد المتردد خط الصفر أم عند القمة حيث يساوى الجهد 1.414 قيمة العملية للجهد – فمثلا عند 220 فولت متردد تتراوح ما بين صفر و 311 فولت و لذلك قد يكون التيار اللحظى عند لحظة البدء أعلى بكثير جدا من التيار المعتاد أثناء التشغيل العادى – فمثلا مكثف 100 ميكروفاراد قد يتسبب فى مرور تيار يكفى لتدمير موحد 10 أمبير
لحسن الحظ ، معظم الدوائر التى تستخدم المحولات لا تعانى من هذه الظاهرة والسبب أن مقاومة أسلاك الملفات إضافة لحث الملفات يعوق حدوثها إذ يضع حدا لأقصى تيار يمكنه المرور ولكن فى العديد من وحدات التغذية للتليفزيونات والأجهزة الإلكترونية ووحدات التغذية الجديدة تعتمد على توحيد التيار العمومى 220 فولت مباشرة ثم استخدام دائرة مذبذب بتردد حوالى 100 كيلو هيرتز ومحول من نوع الفرايت صغير الحجم خفيف الوزن ، لذلك تجد دوما ما بين دخول التيار والموحدات مقاومة صغيرة تتراوح ما بين أوم واحد وجزء من مائة – إن احترقت لا تستبدلها بقصر أو قطعة سلك
وأيضا ، قد تظن أن 3 فاز تهون الأمور كثيرا كما فعلت فى مكثفات التنعيم ونسبة التيار القصوى لتيار الحمل ، ولكن مهلا - تيار الحمل يوزع على كافة الموحدات بالتساوى وذلك لطول المدة ولكن لحظة التوصيل من حظ الموحد الذى تصادف وكان بحال التوصيل مما يجعل الأمر أسوأ وليس أحسن
هذا النقاش ستشعر بقيمته لو حاولت عمل وحدة تغذية لموتور تيار مستمر 10 كيلووات أو وحدة طلاء أو شحن 50 أمبير مثلا
المرة القادمة نتحدث إن شاء الله عن مثبتات الجهد
نظرا لحجم الصورة فلم أدرجها - رجاء النقر عليها لمشاهدتها

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

مثبتات الجهد Voltage Regulators

هناك العديد من أنواع مثبتات الجهد وكلها تعمل بمبدأ واحد
تؤخذ عينة من جهد الخروج المطلوب تثبيته ويقارن بجهد مرجعى (ثابت لا يتغير) والفارق يسمى الخطأ – يكبر هذا الخطأ لزيادة الدقة ويغذى لأداة لنسميها الحاكم لتحكمها فى مجرى التيار المغذى للحمل لتصحيح هذا الخطأ.

الحاكم قد يكون ترانزيستور واحد أو أكثر أو FET/MOSFET واحد أو أكثر أو ثايريستور أو ترياك أو الصمام الأيونى القديم أو حتى دائرة متكاملة – فقط عليها التحكم
كيفية تنفيذ التحكم يعطى الدائرة اسمها فإن كان التحكم تدريجيا أو خطيا سمى مثبت جهد خطى – أما إن كان كالمفتاح إما مغلق أو مفتوح سمى كذلك أى Switching Regulator
إن كان الحاكم على التوالى مع الحمل سمى مثبت جهد توالى وإن كان على التوازى سمى مثبت توازى
السؤال الطبيعى الآن أيهما أفضل الخطى أم الآخر – رجاء لا تسأل – فكل منها له حسناته ومساوئه ومنها عليك أن تقرر أيها أنسب لتطبيقاتك و احتياجاتك
المثبتات الخطية لها حسنات كثيرة مثل
خلوها من Noise الضجيج – سرعة الاستجابة – سهولة الصيانة – لا تبعث موجات لا سلكية و تداخلات حولها
ولها عيوب مثل
انخفاض الكفاءة – توليد كثير من الحرارة – ثقل الوزن عند احتوائها على محولات أو ملفات خانقة لاستخدامها ملفات ذات قلب من الحديد السيليكونى ذو مقطع كبير لانخفاض التردد
المثبتات ذات السويتش لها حسنات كثيرة مثل
توليد كمية اقل من الحرارة - ارتفاع الكفاءة – خفة الوزن حيث تستخدم قلوب من الفرايت وهو سبائك خفيفة الوزن فضلا عن صغر المقطع لارتفاع التردد
ولها عيوب مثل
ارتفاع فى نسبة الضجيج الناتج من عملية القطع والتوصيل المتتابع – التيار الخارج من الحاكم فى صورة نبضات ذات تيار عالى نسبيا وهى ذات مركبات توافقية عديدة تتسبب فى ظهور موجات لاسلكية وتداخلات تؤثر على الأجهزة المحيطة ما لم تتخذ الاحتياطات الكافية لإخمادها
وربما ارتفاع التكلفة أيضا فى القدرات العالية و الأعداد القليلة
إذن ماذا نختار؟
حينما تكون الضوضاء فى المقام الأول نستخدم الأنواع الخطية وعندما تكون الكفاءة أو الوزن فى المقام الأول نستخدم النوع الآخر
هناك من يقول أن النوع الثانى يفوق الأنواع الخطية التى ستنتهى قريبا
عفوا – حينما تكون هناك بوردات كثيرة تركب على بوردة أم Mother Board – أو على مقربة من جهاز مشغل مثل الحساسات التى تستشعر ظاهرة ما و ترد على لوحة التحكم بالنتيجة ، فمن التقليد المفضل أن تكون هناك مثبت على كل وحدة وهذا يعطى مرونة تشغيل كبيرة فمثلا
مجموعة المثبتات الخطية مثل LM7805 وحتى , LM7824 تمكنك من استخدام الجهد الصناعى التقليدى 24فولت دون الحاجة لتوفير 5 فولت لحساس و 9 فولت لآخر و 12 لثالث الخ بوضع المثبت المناسب داخل كل منها
كما أن هذا الأسلوب يوفر لك الحماية الكاملة من تأثير وحدة على أخرى من خلال الضوضاء من خلال خطوط التغذية والتخلص من تأثير خطوط نقل القدرة 220/380 فولت على خطوط نقل المعلومات أو البيانات وهى الظاهرة المعروفة بالتقاط الطنين Hum Pickup (منذ أيام أجهزة الراديو والاتصالات ذات الصمامات الأيونية) وهى انتقال جزء من تردد التيار الناقل للقدرة 50- 60ذ/ث أو ضعف هذا التردد (الضعف ناتج من التقويم موجة كاملة والذى ينتج 2×تردد المنبع)
لذلك فوضع هذه المثبتات الخطية على كل بوردة / كارت بما تحويه من أنواع الحماية المتنوعة مثل حماية ضد زيادة التيار – ارتفاع درجة الحرارة – قصر الدوائر – تغيير الأحمال والأهم على الإطلاق المعروفة باسم التلف الآمن Fail Safe ، يجعلها خيارا رخيصا جدا يصعب التخلص منه – ولا تحتاج سوى 2 فولت فقط على الأقل أعلى من الجهد المطلوب
و ظاهرة التلف الآمن تعنى عند تلف القطعة لا تسبب دمار لأخرى فمثلا عند تلف LM7805 فهى تقطع التغذية عن الخرج ويصبح صفر فولت عكس الوحدات التى تصنع بالطريقة التقليدية ، فعند تلف الحاكم ، فغالبا ما يصبح قصر – أى حدوث قصر بين المجمع والباعث جاعلا جهد الخروج مساوى لجهد الدخول معرضا باقى الدوائر للتلف
مثلا استخدام LM7805 للحصول على 5 فولت لتغذية دوائر رقمية من نوع TTL التى تتلف لو ارتفع الجهد لأعلى من 6 فولت. عند تلف المثبت LM7805 يصبح الجهد صفرا مما يحميها من التلف ، أما إن استخدمنا أى وسيلة أخرى سيرتفع لأكثر من 9 فولت مما يسبب تلفا فوريا لكل الدائرة
قبل أن نترك الموضوع لا ننسى توضيح نقطة وهى ما قلناه فى مقدمة المقال وهو - يقارن بجهد مرجعى (ثابت لا يتغير)
من أين نأتى بجهد ثابت لا يتغير والدائرة كلها وظيفتها توليد جهد ثابت لا يتغير؟
الإجابة ببساطة ثنائى زينر Zener Diode – ولذا نرى أن دقة مثبت الجهد تعتمد كليا على أداء هذا الثنائى – أى أن دقه أداؤه أهم بكثير من قيمته
كل دائرة مهما كان نظرية عملها تحتوى وسيلة للضبط أى تحديد قيمة الخرج فلو شئت الحصول على 12 فولت ، تصمم الدائرة للحصول على من 9 إلى 15 فولت مثلا و مفتاح (مقاومة متغيرة) للضبط على ما تريد – لماذا؟
لنعد لأول مقال عن المقاومات وما ذكرناه عن الدقة إما 10% أو 5% أو 2% وهو ما يجعلك غير قادر على التنبؤ بالقيمة الدقيقة التى سينتهى إليها تنفيذ الدائرة كما أن إنتاج 10 وحدات متكررة منها سيعطى 10 نتائج مختلفة كل فى نطاق الدقة التى تستخدمها فى مكوناتها - وكلما زادت الدقة زادت التكلفة وزاد احتمال عدم توفر القيمة الخاصة التى تريدها ضمن القيم القياسية التى تنتجها المصانع مما يضطرك لتصنيع ما تريد فى صفقة خاصة تجعل ثمن القطعة يتضاعف لعدد يتوقف على كم ألف قطعة تريد – لذا الحل السابق أقل كلفة بكثير
لماذا إذن أداء الزينر أهم من قيمته – ببساطة لأن الخطأ فى قيمته يمكن تعويضها بالمفتاح السابق وهو خطأ مماثل للخطأ فى باقى المكونات والمحدد لدقتها – أما الأداء فيعنى ، بعد أن تضبط الجهاز ، هل سيظل ثابت القيمة أم بتغيير الحرارة أو الحمل أو التقادم سيتغير و عندها يجب وضع آفو على الخرج و نعين موظفا دوره إعادة الضبط كلما دعت الحاجة..

و هناك عامل آخر أغفلنا الحديث عنه حتى الآن وهو ثبات الأداء والسبب أن ترك المقاومات على الرف أو فى حالة تشغيل لا تتأثر كثير مع مرور الزمن ولكن بعض المكثفات و كل منتجات أشباه الموصلات تتأثر مع مرور الوقت تأثرا بالحرارة الناجمة عن التشغيل أو خلافه من الظروف وهذا التغيير يقدر بجزء من المليون Part Per Million PPM
لنعد لثنائى الزينر المذكور ، نجد أن أداؤه قد يكون غير كافى إذ أن جهده غير ثابت إذ يتغير بقدر ضئيل مع تغير التيار المار فيه وأيضا يتأثر بدرجة الحرارة - هذا يؤثر على قيمة الخطأ الذى ذكرناه والذى يكبر أيضا ويسبب تغيير قيمة الخرج وعدم ثباتها
الحل – هناك العديد من مرجعيات الجهد Voltage Reference والتى تتكون من دائرة متكاملة داخل عبوة بلاستيكية سوداء فى حجم الترانزستورات الصغيرة العادية المسماة TO92 وتوفر أداء أفضل من الثنائى العادى بكثير فضلا عن عدم تأثره بتغيير درجة الحرارة المحيطة مثل LM103,LM113,LM129
وبعضها قابل للضبط مثل LM136 والبعض الآخر ذو قيم خاصة جدا مثل 2.5 فولت أو 1.235 أو غيرة
قبل أن تتساءل لماذا بعد ما سبق ذكره عن دقة المقاومات وخلافه وما يبدو من عدم أهمية قيمة ثنائى الزينر – أقول ما ذكر كان فقط لمثبتات الجهد ولكن هناك تطبيقات أخرى تهم فيها القيمة نفس أهمية الأداء مثل دوائر التحويل من القيم الخطية للرقمية Analog to Digital Converter والعكس حيث استخدام مثل هذه الثنائيات ذات الدقة العالية يغنى عن عملية الضبط والمعايرة فيما بعد
نود أن نقوم بتصميم واحدة من كل نوع ولكن ذلك يتطلب معرفة الترانزيستور وعمله كمكبر أولا
ولفهم الترانزيستور يجب أن نستكمل الثنائيات فى غير دوائر التوحيد ، لذلك هذا ما سنبدأ به إن شاء الله المرة القادمة

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الثنائيات العادية كما قلنا تتكون من جزأين P-N وينشأ بينهما جهد الحاجز وجدير أن نتذكر أن الثنائى يكون غير موصل عادة ما لم يطبق جهد يتغلب على هذا الحاجز . بمجرد تطبيق هذا الجهد تبدأ الإلكترونات والفجوات فى الحركة حتى يبدأ فى التوصيل وهذا يستغرق زمنا ،أيضا عند انقطاع التيار ،نحتاج لزمن حتى يتم الاتحاد بين الفجوات والإلكترونات حتى نعود لوضعنا الأصلى – عدم التوصيل.
هذا الزمن يحدد متى تستطيع عكس القطبية حتى يقوم بالتقويم بصورة صحيحة ولهذا يجب ألا ننسى أن تتناسب سرعة الموحد مع زمن الموجة ليقوم بالتوحيد المطلوب و إلا أصبح كقطعة من السلك مما يسبب مرور تيار عالى و يحترق الموحد ، فالموحدات الصالحة للتيار العمومى 50- 60 ذ/ث لا تصلح مع تردد شاشة التلفزيون 15625 ذ/ث الخ لكن الثنائى السريع يصلح لكل التطبيقات البطيئة - فقط ثمنه أغلى
أول استخدام للثنائيات هو كمفتاح أو سويتش فى دوائر تثبيت الجهد السابق شرحها
و قد لا حظنا أن هناك نوع توازى و نوع توالى
هذه دائرة كيف نقول فيها توالى وتوازى؟
الحكم على ترانزيستور السويتش هل التيار يمر فيه على التوالى مع تيار الحمل؟ إذن هو مثبت توالى

انظر للرسم الأيسر – إن ارتفع جهد الحمل عن القيمة المطلوبة يقوم المكبر بغلق الترانزيستور و العكس بالعكس مما يجعل الجهد على الحمل دائما منتظم و أقل من المنبع
نحن نتكلم عن الدايودات هنا ! - ما دوره؟
عند فتح الترانزيستور و مرور التيار إلى الحمل فيرتفع الجهد ، لو حاولت إغلاق الترانزيستور لا يسمح لك الملف بقطع التيار و إن لم تجد له مسار سيضع جهد عالى على الترانزيستور فيتلف – هنا يأتى الدايود للإنقاذ موفرا مسار موضح باللون الأزرق
أما الرسم اليمن فهو لمثبت جهد توازى حيث تفتح دائرة التحكم الترانزيستور لفترة وجيزة ثم يقفل قبل أن يصل التيار فى الملف لأقصى قيمة – وإلا طبعا سيكون شورت أو قصر و يدمر الترانزيستور.
عندما يفصل الترانزيستور و نظرا لمحاولة قطع التيار فى الملف ، سيضع الملف جهدا كبيرا لكن مسار الحمل يكون بديلا للترانزيستور و لهذا يمكن أن يكون جهد الخرج أعلى بكثير من جهد المنبع وهذه الدائرة تستخدم فى شاشات الحاسب و التلفاز للحصول على الجهد العالى جدا ( 5-7 آلاف فولت ثم تضاعف إلى 30 ألف)
دور الموحد يظهر عندما يكون جهد الخرج أعلى من جهد المنبع فتكون موحدات دائرة التقويم مغلقة للتوصيل العكسى

الآن كفى تقويم ولنبحث هل هناك ما يقال فى مجرد توصيل الثنائى فى وضع التوصيل مثلا بطارية ومقاومة كما بالرسم؟

قلنا أن الثنائى عادة غير موصل – إذن ماذا يكون ؟
طرفان موصلان وبينهما حاجز – التعريف التقليدى للمكثف وهو فعلا ما يكون إلا أنه صغير 10 - 70- بيكو فاراد والطريف أنه بزيادة الجهد عكسيا تزداد المسافة بينهما بزيادة عرض الفجوة مسببة أن تتناقص قيمة المكثف وهو مناسب لتطبيقات السعة المتغيرة كتغيير التردد فى المذبذبات مثل توليف القنوات فى التليفزيون وغيره

الآن لو الجهد أمامى اكبر من 0،6 فولت سيجعل الثنائى موصلا أى ينقل ترددات أو تيار مستمر أو أى تيار كهربى مستمر أو متردد طالما كانت قيمته صغيرة بالنسبة للجهد الأمامى ولا تسبب للثنائى أن يخرج من وضعية التوصيل الأمامى ، وإن عكس الجهد الأمامى يصبح الثنائى مغلقا ولا يمر من خلاله شيئا إلا بقدر ما تسمح تلك السعة الصغيرة بالمرور أى أننا حصلنا على مفتاح Switch يسمح لنا بتمرير وإيقاف إشارة فى مسار معين – وهذا يصلح أيضا للترددات العالية

ماذا لو قمنا بتغيير قيمة المقاومة- هل هناك فرق؟

مثاليا لا فرق ولكن عمليا الثنائى له دائرة مكافئة مركبة ولو نظرنا للمنحنى الممثل للجهد / التيار الخاص بأى موحد سنجد أنه بعد 0.6 فولت يصبح منحنى قريب من خط مستقيم و يمكن التعبير عنه بالعلاقة
R=0.025\I
م= 0.025 ÷ التيار
أى أن الثنائى فى وضع التوصيل يكافئ مقاومة يمكن تغيير قيمتها
لو كان التيار 1 مللى أمبير كان يكافئ 25 أوم
لو زاد التيار إلى 10 مللى كان يكافئ 2.5 أوم
ولو قلت إلى 100 ميكرو أمبير كان يكافئ 250 أوم
وهكذا يمكنك استخدامه كمقاومة متغيرة
لم تقتنع وتريد إثباتا رياضيا؟ المرفقات بها الإثبات
هل يمكن ذلك عمليا ؟ وهل يستخدم فى الدوائر؟
أى نكون الدائرة كما بالرسم حيث R1 تغير التيار المار فى الموحد وبالتالى مقاومته فيتغير نسبة الجهد الخارج من المصدر V1 إلى الخرج Vout
يمكن إذا كانت المقاومة الصغيرة للثنائى لا تسبب مشكلة وهى غير مناسبة لتطبيقات الصوت والصورة إلا إذا كانت فى حدود لا تزيد عن بضع عشرات مللى فولت لكن قد تناسب ترددات اعلى وخصوصا عند مستوى الإشارة الصغيرة
إذن ما فائدة هذا النقاش إن كانت فوائدة محدودة؟
الإجابة بسيطة وهامة جدا
الترانزيستور به وصلة القاعدة – باعث عبارة عن ثنائى فى هذا الوصف – ومقاومته هذه هى عماد حسابات التكبير كما سنرى فى المرة القادمة إن شاء الله

انقر على الصورة للتكبير

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

نبدأ الآن بشرح الترانزيستور

قد يكون من المفاجئ أن نذكر أن العلماء فى شركة بل لم يكونوا يبحثوا عن الترانزيستور لاختراعه ، فقد كانت الصمامات الإلكترونية هى تكنولوجيا العصر و محاولات تصغيرها وصلت بها لحجم الترانزيستور القدرة – لذا كان البحث عن بديل يتخلص من تسخين الفتيلة اللازم للصمامات و فقد الطاقة فيها و احتياجها لجهد عال نسبيا و كان هذا البديل يمتاز بنفس معاوقة الدخول العالية و يعمل بنفس النظرية وهى جهد على طرف الدخول يغير فى تيار الخرج ، أى كانوا يبحثوا عن الترانزيستور المسمى FET ولكن تجاربهم أدت لاكتشاف الترانزيستور ثنائى القطبية Bi-Polar وسمى كذلك لأن التيار يعبر نوعين معاكسين من الخامات أو الأقطاب

كلنا نعلم أن الترانزيستور يتكون من ثلاث مناطق إما PNP أو NPN أى هناك ثلاث مناطق – معظم الكتب تتبنى الرسم التالى فى شرح تركيبة

وهو إلى حد كبير صحيح خصوصا بالنسبة لأوائل النماذج التى صنعت منه – لذلك لا بأس من تبنيه فى الشرح
نلاحظ أن هناك منطقتان متماثلتان و أخرى مختلفة فى المنتصف مما يشكل ثنائيان متصلان عكس بعضهما فلو وصلنا الترانزيستور كما بالرسم

المفروض أن لا يمر تيار فى المقاومة R2 نتيجة لوجود وصلة معكوسة بين الطرفين C ,B ولكن ماذا يحدث حقيقة هنا ؟
نتيجة لوجود البطارية 6 فولت ، سيمر تيار خلال المقاومة R1 و إذا افترضنا مسار الإلكترونات فقط للسهولة وهى تسير خارج البطارية من الطرف E داخل الوصلة إلى الطرف B ثم المقاومة R1 إلى البطارية
كم قيمته ؟ قانون أوم هو الحكم أى بفرض الجهد على الوصلة 0.7 فولت كما سبق القول سيكون
6 – 0.7 = 5.3 فولت
5.3 ÷ 10 ك = 0.53 مللى أمبير
هل حقا يدخل الطرف E تيار قدرة 0.53 مللى ويخرج من الطرف B نفس التيار 0.53 مللى أمبير؟؟؟؟؟؟؟؟؟
ولماذا قلنا أن هذا الطرف C وذاك E وماذا لو قلبنا الوضع؟؟؟؟ الجزأين متشابهين على أى حال!!
المنطقة الوسطى حسب الرسم هى من النوع P أى أن هناك العديد من الفجوات المتوافرة والجاهزة للاتحاد مع الإلكترونات القادمة من الطرف E – لذلك فهناك احتمالان فقط لا ثالث لهما.
الجزء الأوسط يكون سميكا فيسمح لكل الإلكترونات بالاتحاد وعندها يتساوى تيار E ، B ولا يمر أى تيار إلى .C
أما إن كان عرض الجزء الأوسط رقيقا جدا – فلن يكون هناك متسع لاتحاد كل الإلكترونات مع الفجوات لتخرج من B بل العديد أو الأغلب حسب رقة هذا الجزء سيعبر المنطقة باندفاعه تحت تأثير المجال الكهربى الناتج من البطارية 6 فولت، ويستقر فى المنطقة C ومنها يجمع إلى البطارية 10 فولت خلال R2- ولهذا سمى الطرف C بالمجمع.
وهنا سنجد أن تيار E قد ازداد بنسبة كبيرة هى نسبة هذه الإلكترونات التى استطاعت العبور دون الاتحاد فى القاعدة ولكنه يأتى من البطارية الأخرى 12 فولت ، ونظرا لكونه مدفوع أساسا من البطارية 6 فولت و نتيجة لرقة الجزء الأوسط سنجد أنه ثابت القيمة لا يعتمد على البطارية 12 فولت أو المقاومة .R2
لو نظرنا للأمر من وجهة التيار و المقاومة ، نجد أن المقاومة الكبيرة المسببة لتيار صغير فى الطرف B قد تحولت لمقاومة صغيرة و تسببت فى تيار كبير للطرف C و من هنا تحولت المقاومة لهذا سمى هذا الجهاز محول المقاومة TRANSfer resISTOR أو اختصارا Transistor
نلاحظ أنه لو تماثلت الأجزاء C,B يمكن استبدال أطراف المجمع بالباعث و قد صنع ترانزيستور واحد فقط بهذا الأسلوب للعمل كسويتش فى دوائر التضمين و لكن الثنائيات احتكرت الأرض.
لتحسين هذا الأداء نجعل الباعث E صغيرا حجما و الطرف B يحيط به أما المجمع C أكبرهم و أكثر فى نسبة الشوائب و من ثم التوصيل ويكون الأسلوب المتبع مع الدوائر المتكاملة أفضل كما بالرسم.

الجزء الخارجى المسمى Substrate أو الأساس لا يلزم فى الترانزستورات المنفردة ولكنه يعزل الوحدات عن بعضها فى الدوائر المتكاملة.
مما سبق نرى أن المسألة تعتمد على أبعاد المنطقة الوسطى ونسبة الشوائب التى يحتويها فكلما قل سمك القاعدة زادت نسبة تيار المجمع المسماة β
وجدير بالذكر أن البعض يمثل الترانزيستور بثنائيين كما بالرسم

وعندها لا يكون هناك مبرر لكى يترك التيار المسار السهل فى الطرف B ويسير للطرف Cفهو خطأ ولا يبرر أداء وصلة المجمع كما أن البعض تمادى لإدعاء أنه بوصل ثنائيان هكذا نصنع ترانزيستور (؟!!) – هذا التمثيل فقط لتوضيح قياس الترانزيستور بالآفو ليس إلا.

بقى أن نذكر أن نسبة التيار المار فى المجمع للتيار المار فى القاعدة B تسمى معامل تكبير التيار ويرمز له Hfe أو بيتا β ونسبة تيار المجمع إلى الباعث تسمى ألفا α
حسب تكوين النسب السابقة قد تتراوح بيتا من 4 إلى 800 أو أكثر للترانزيستور المنفرد ولكن بين نفس الرقم تكون نسبة الاختلاف تصل من 20- إلى 30% وهو رقم كبير لذلك عند طلب الدقة والتماثل يجب اختيار الوحدات المتقاربة بالقياس - أو أفضل من ذلك اللجوء للدوائر المتكاملة حيث تصل الدقة إلى 1%
فى المرة القادمة إن شاء الله سنعرف مراحل عمل الترانزيستور

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

مراحل عمل الترانزستور

المرة الماضية ذكرنا أن الترانزستور يعمل وفق شروط معينة حيث تيار المجمع C يساوى بيتا من المرات تيار القاعدة. حسنا هل هذا هو القانون الأزلى المستديم؟؟
حسنا ماذا لو لم تستطيع البطارية 10 فولت الوفاء بالمطلوب أى أن المقاومة R2 كانت كبيرة بحيث التيار الذى تمرره أقل من بيتا × تيار القاعدة؟؟ أو أن قدرة البطارية أساسا قليلة مثل البطارية 9 فولت الشهيرة؟
يجب أن نفهم نظرية التحكم. هل رأيت يوما صمام يزيد التيار المار فيه سواء كان هذا تيار من الماء أو الهواء أو أى شيء يتحكم فيه هذا الصمام؟ إطلاقا، دوما يكون الصمام متحكما بتقليل أو السماح للشيء أن يمر.
لزيادة مرور الشيء تحتاج موتور أو مصدر قدرة خارجى.
نفس الشيء فى الترانزستور فهو صمام ولا يحتوى مصدر طاقة داخلى، لو مال التيار للزيادة وذلك نتيجة ارتفاع جهد البطارية 10 فولت أو نقصان قيمة المقاومة R2 يمكن للترانزستور أن يعوق هذه الزيادة كصمام تحكم بأن يرتفع الجهد بين المجمع و الباعث ليبقى التيار ثابتا، وإن مال التيار للنقصان، فيسمح الترانزستور بالمرور لتعويض هذا النقص بتقليل الجهد بين الباعث والمجمع.
إذن لو نقص التيار أكثر سيقل الجهد بين الباعث والمجمع أكثر للإبقاء على التيار ثابتا حتى لا تستطيع البطارية مع المقاومة الإمداد بالحد الأدنى للتيار وهو بيتا × تيار القاعدة، فبالطبع سيكون الجهد بين الباعث والمجمع أقل ما يمكن – قرابة الصفر - ولن يجد الترانزستور ما يتحكم فيه و يفتح الباب على مصراعيه تاركا للمتاح أن يعبر. وهذه المرحلة تسمى التشبع.
ملحوظة هامة: تيار المجمع كما قلنا أكبر بكثير من المرات من تيار القاعدة وهذا تكبير للتيار ، لكن البعض يخطئ الظن حيث يعتبر أن الترانزستور يخلق التيار عوضا عن التحكم فيه، كما شاهدنا، الترانزستور يتحكم فى الطاقة من المصدر “البطارية” إلى الحمل.

مما سبق نجد أن للترانزستور ثلاث مناطق عمل :
1- القطع وفيها يكون تيار المجمع = صفر (للدقة كما سنرى لاحقا التيار = تيار التسريب وهو كأى مادة يمر فيها تيار) و الترانزستور فاقد التحكم وهى إما لأن جهد المجمع C “البطارية 10” فولت غير موجودة أو معكوسة أو تيار القاعدة لأى سبب ما = صفر.
2- مرحلة فاعلة حيث تكون الجهود والتيارات فى الوضع الصحيح و يخضع تيار المجمعC للعلاقة بيتا × تيار القاعدةB
3- مرحلة التشبع و فيها يقل تيار المجمع عن الحد الأدنى أى بيتا × تيار القاعدة فيخرج الترانزستور من التحكم تاركا التحكم كله للدائرة الخارجية.

وهكذا نجد أن المنحنيات التى تعبر عن علاقة تيار المجمع بالجهد بين المجمع والباعث كالمنحنى الأيسر.
هيه!! ألم تقل أن التيار = بيتا × تيار القاعدة؟ المفروض أن تكون خطا أفقيا لكن هنا خطوط مائلة و ميلها غير ثابت.
حسنا كم تكون بيتا إذن؟ أو الأجدر أن نتساءل مم تأتى بيتا ؟ أو قل ما هى العناصر التى تتحكم فيها؟!!
فلنعود للشرح الأول عن أداء الترانزستور. قلنا “شريحة رقيقة” و “من نوع مخالف” و “يحيط بها المجمع و تحيط بالباعث”. إذن نتوقع أن سمك القاعدة ذو تأثير مباشر و أيضا نسبة الشوائب ذات تأثير مباشر و أخيرا الشكل الطبيعى و الذى يساهم فى بعث و لاحقا تجميع هذا العدد من الإلكترونات. تذكر هذه النقطة حين نتحدث عن ترانزستورات القدرة.
فى الترانزستورات الصغيرة غالبية هذه العناصر محدودة الأثر ولذا تجد خطوط المنحنيات أقرب للمثالية لكن الأثر موجود و كلها تتغير بالحرارة (تذكر التجربة حين سخنا الثنائى فنقص الجهد من 0.7 لأقل من 0.1 فولت) أما ترانزستورات القدرة فالأمر مختلف.
هل تذكر الثنائيات التى بمرور الإلكترونات بكثافة تقلب الجزء الموجب P إلى سالب N ؟!!
هذا ما يحدث هنا أيضا لذا تجد منحنيات تيار القاعدة الأعلى تميل لأن تكون بيتا لها أقل. حتى نصل لمرحلة التشبع نجد انخفاض كبير فى قيمتها. الدليل قم بتحميل بيانات أى ترانزستور قدرة مثلا 2N3773 و الذى سنعود إليها لاحقا.
http://www.datasheetspdf.com/PDF/2N3773/74214/1
ستجد أنه يعطى بيتا مثلا بقيمة عظمى 60 و عند تيار مجمع 8 أمبير تنخفض إلى 15 و عند 16 أمبير تصبح 5
مرور التيار الكبير قلل من تأثير الشوائب كما غير فى أبعاد الوصلات بين الباعث و القاعدة و المجمع.
إذن نناقش المنحنى و معناه و أين تقع كل مرحلة من الثلاث. وهذا موضوع المرة القادمة إن شاء الله.

دراسة منحنى الخواص

حتى الآن كنا نتحدث عن التيارات الأساسية وهى تيار الباعث والقاعدة و المجمع و لكن هل هناك تيارات أخرى؟
أى مادة مكونه من ذرات و لها مقاومة قد تكون كبيرة أو صغيرة وهى يمر فيها تيار خاضع لقانون أوم. هذه التيارات فى أشباه الموصلات تسمى التيارات الصغرى أو الأقلية Minority current . هذا التيار يعتمد أساسا على نوع الخامة و درجة الحرارة و يتبع قانون أوم، أشبه ما يكون بمقاومة ذات معامل حرارى سلبى، كلما زادت الحرارة نقصت المقاومة و العلاقة لوغاريتمية أى ارتفاع الحرارة للضعف يزداد التيار بنسبة 2.718 مرفوعة للقوة 2 و ارتفاع الحرارة ثلاث مرات تكون القوة 3 وهكذا. وهذا سر خطورة الحرارة على أشباه الموصلات عموما. وهذه التيارات ذكرت عرضا باسم تيارات التسريب أما الرقم 2.718 فهو أساس اللوغاريتم الطبيعى.
هذه التيارات فى الجرمانيوم أكبر بكثير من السليكون وهذا سبب هيمنة الأخير و انسحاب الجرمانيوم من الساحة.

لو راجعنا مصادر الشرح نجد أنها تحدد المنطقة الصفراء بأنها منطقة القطع و الحمراء بأنها منطقة التشبع وهذا يترك من الأسئلة أكثر ما يوفر من إجابات. لماذا؟ مثلا
• لماذا منطقة التشبع هى امتداد الخط الأحمر رغم أن المنحنى قد غير اتجاهه؟ هل المنطقة الزرقاء خارج التشبع أم ماذا؟
• ما الذى يحدد المنطقة الصفراء كحد للقطع؟ تيار القاعدة هنا مثلا 20 مللى أمبير فهل 10 مللى تعتبر قطع؟؟
• المنحنى الأخير لتيار قاعدة 500 مللى ، هل ذلك يعنى أنه لا تشبع أقل من هذا التيار؟ وهل هناك أصلا تيار قاعدة أكبر من 500 مللى أمبير؟
• المنحنى الأخير ينتهى عند تيار مجمع 3 أمبير، فماذا يعنى امتداده أو باقى المنطقة أو لماذا لم يمتد كباقى المنحنيات؟
غالبية هذه التعريفات بنيت للتوضيح و حين كان الجرمانيوم له تيار تسريب يمكن مقارنته بتيار القاعدة حيث كانت القاعدة الأساسية للتصميم هى أن تكون التيارات المستخدمة أكبر من تيار التسريب حتى لا تسبب تيارات التسريب اختلال لأداء الدائرة. أما باستخدام السليكون و انخفاض هذه التيارات للحد الذى يصعب قياسها بأجهزتنا المنزلية فلم تعد ذات تأثير. هكذا تصبح منطقة القطع أقرب ما تكون للمحور الأفقى. بدون تيار قاعدة لا يوجد تيار مجمع فى غالبية ترانزستورات السليكون و الأفضل دوما الرجوع لصفحة البيانات لأن كلما زاد أقصى تيار للترانزيستور، يجب زيادة مساحة السليكون و يزيد بالتالى تيار التسريب.
لو رجعنا للترانزيستور السابق 2N3773 ستجد مفاجئة أن تيار التسريب له
*Collector Cutoff Current (VCE = 120 Vdc, IB = 0)= 10 m.a.
وهذا بالتأكيد قيمة كبيرة بالنسبة لدوائر تكبير الإشارة لكنه لا يذكر بالنسبة لأقصى تيار له وهو 16 أمبير أى قرابة 1:1600
هكذا علمنا أن تيار التسريب يحدد لنا حدود القطع.
حدود التشبع موضوعنا المرة القادمة إن شاء الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

حدود التشبع فى الترانزيستور
من النقاش السابق فهمنا حد القطع و من الشرح لميكانيكية التحكم فى الترانزيستور قلنا أن لو لم تستطيع دائرة المجمع أن تمد بتيار مقداره بيتا × تيار القاعدة إذن سيكون الترانزيستور فى حال التشبع.
نلقى نظرة على الرسم السابق مرة أخرى

أولا لماذا المنحنى الأعلى و التالى لم يكتملا؟
ترسم المنحنيات عادة فى حدود تحمل الترانزستور كمكبر للتردد ولهذا لا ترسم الأجزاء التى تسبب تلف للترانزيستور بسبب الحرارة المتولدة بداخله. كما نلاحظ أيضا أن زيادة تيار القاعدة من 300 مللى إلى 400 مللى يتبعه استجابة تكاد تكون ثلاث مرات قدر الزيادة من 400 إلى 500 مللى ، أى أن عند هذه القيم المرتفعة من التيار بدأت بيتا فى الانخفاض السريع و على الرغم من حدوث تكبير إلا أنه غير خطى بدرجة كبيرة و يسبب تشويه عالى لموجة الخرج. لهذا يجب ألا نستخدمه كمكبر هنا ولكن مازال الأمر مناسبا للعمل كمفتاح.
من التعريف السابق للتشبع، نجد أن التقسيم لمناطق بشكل مطلق هو أمر خادع و للتأكد من مسار الأمور يجب أن نحسم أمرنا، هل نستخدم الترانزيستور كمكبر أم كمفتاح “سويتش”؟
جدير بالذكر أن الدائرة هى السابق تحديدها و رسمها أما الدوائر الأخرى فلها طرقها.
لو نريد استخدام الترانزيستور كمكبر، إذن الأفضل أن نأتى بالمنحنيات السابقة ثم نرسم عليها خط الحمل الممثل للمقاومة R2 وهو يسمى Load Line. لرسمه فالمسألة بسيطة جدا، المنحنى لجهد مع تيار و المقاومة هى علاقة بين جهد وتيار، إذن الأمور تسير على ما يرام.
التيار هو تيار المجمع وهو نفسه تيار المقاومة. أما الجهد يمثل الجهد بين المجمع والباعث VCE و هو ليس جهد المقاومة حقا لكن تربطهما علاقة بسيطة أن جهد المقاومة + جهد الترانزستور = جهد البطارية!!
إذن الأمور يسهل توقيعها بافتراض النقطة التى عندها العنصر الآخر يساوى صفر.
عندما يكون الترانزيستور فى حال قصر سيكون الجهد كله على المقاومة، إذن هذه إحدى نقط المنحنى – أى جهد البطارية ، و بالتالى التيار يساوى جهد البطارية مقسوم على المقاومة “قانون أوم” و الخط الأحمر يمثل المقاومة R2 بقيمة 1 أوم فيكون التيار = 10 أمبير، والخط الأخضر لمقاومة نصف أوم. طبعا لو الترانزيستور من النوع ذو التيار الأقل ستكون كل القيم مناسبة لذلك الترانزيستور و ستكون قيمة المقاومة أعلى.

هنا نستطيع القول بالنسبة للخط الأحمر أن الجزء الواقع فى المنطقة الصفراء فى مرحلة التشبع لكن بالنسبة للخط الأخضر يجب أن نحدد هل يوجد منحنى لتيار القاعدة يمكن رسمه أعلى مما لدينا؟؟ لو لم نجد، إذن الترانزيستور سيتلف فى هذه المنطقة. كما سبق وقلنا المنحنى يمثل منطقة العمل الآمنة.
فى المرة القادمة إن شاء الله سنعرف دوائر التكبير ثم ندرس الترانزيستور كمفتاح

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الآن سنبدأ فى تفاصيل دوائر التكبير.

للترانزيستور ثلاث أطراف ولكل من الدخول والخروج طرفان فقط ، إذن لابد من أن يكون أحد أطراف الترانزيستور مشتركا بين الدخول والخروج ولذلك سيكون لدينا ثلاث دوائر فقط.
قبل أن تعترض فلنتفق على مبدأ بسيط وهو أن النوعان PNP, NPN فى الواقع نوع واحد فقط أحدهما يحتاج أن يوصل بالبطارية عكس الآخر – فيما عدا ذلك لننسى الاختلافات ونوحد المبدأ والدوائر.
يمكن أن نأخذ الباعث مشترك فيكون لدينا باعث مشترك CE وبالمثل يمكن أن نأخذ القاعدة مشتركة فيكون لدينا قاعدة مشتركة و أخيرا يمكننا أن نأخذ المجمع مشترك و يسمى مجمع مشترك أو الباعث التابع
لو نظرنا فى الرسم التالى سنلاحظ مدى التطابق بين الدائرتين الباعث المشترك Common Emitter والقاعدة المشتركة Common Base – فالدخول بين القاعدة والباعث BE والخرج من المجمع C أما الخلاف فقط أن الخرج إما منسوبا للباعث E أو القاعدة B وهذا يجعل الفارق طفيفا جدا ولكن هام جدا – وسنتناوله بالتفصيل إن شاء الله بعد دراسة موضوع التغذية العكسية وهو يخص فقط الترددات العالية، أما هنا فنجد أن التماثل بينهما واضح لذا الكسب سيكون متماثل من جهة الفولت.

أما من جهة التيار فهناك اختلاف طفيف أن تغذية القاعدة تتطلب تيار بسيط و يظهر مكبرا فى الخرج لذا مكبر الباعث المشترك يكبر كلا من الجهد والتيار.
لذا هذه الدائرة تناسب تكبير الجهد من المصادر ذات جهد خرج قليل مثل الميكروفونات و كثير من الحساسات خاصة و أن مقاومة الدخول له عالية نسبيا.
أما مكبر القاعدة المشتركة، فالدخول يجب أن يمد الباعث بالتيار المطلوب، وهو أيضا تيار المجمع، لذا هذه الدائرة لا تحقق كسب فى التيار ولكنها تحقق فقط كسب فى الجهد.
لهذا نجد هذه الدائرة تناسب الترددات العالية لكونها أكثر استقرارا لأسباب سنعرفها لاحقا.
هل تريد أن تقول أن الهوائى مثلا لا يولد جهدا صغيرا مثل الميكروفون، لذا هذه الدائرة أنسب له؟
فى الحقيقة الهوائيات تعتبر مصدر طاقة أى نقول أن الإشارة هنا كذا مايكرو وات ووضع الهوائى يولد طاقة كذا مايكرو وات، نريد أن ننقلها كلها لمراحل التكبير حيث يكون التماثل بين مقاومة الهوائى مع مقاومة الخط الناقل للقدرة مع دخول المكبر كما كنا نستخدم هوائى 300 أوم و سلك 300 أوم ثم انتقلنا لهوائى 75 أوم و استخدمنا كابل محورى 75 أوم و بالتالى يجب أن تكون مقاومة دخول المكبر أيضا بنفس القيمة حتى لا يحدث فقد و ارتداد للموجة. لهذا نرى أن حتى مقاومة الدخول الصغيرة لدائرة القاعدة المشتركة مرغوبة فى دوائر الهوائيات.

الآن لنحسب مقدار الكسب Gain المتوقع من هذه الدائرة، سواء الباعث مشترك CE أو القاعدة المشتركة CB..
أولا كيف تقوم بالتكبير؟ ببساطة المصدر الذى يولد الإشارة ein سيسبب مرور تيار صغير فى دائرة القاعدة ونظرا لأن تيار المجمع اكبر بالعدد β من المرات وهى مثلا = 100 إذن تيار المجمع مائه مرة من تيار القاعدة وبمروره فى R2 سيعطى خرجا مكبرا.
كيف ؟ الأرقام خير برهان
الإشارة ein ستسبب مرور تيار حسب قانون أوم ولكن أين المقاومة هنا؟؟؟؟
لو تذكرنا فى المواضيع السابقة أن قلنا أن الثنائى له مقاومة تتناسب مع قيمة التيار المار به = 0.025 ÷ التيار
هذا الثنائى الآن هو المكون من القاعدة- الباعث BE - ألم نقل أن تلك المقاومة هامة؟؟
فقط سنضيف إليه تعديلا صغيرا للمقدار الثابت للتعويض عن تأثير وصلة ثنائى المجمع- قاعدة فبدلا من 0.025 ستكون 0.032 و سنسميها Rbe. لا ننسى أنها قيمة تجريبية معملية مشتقة من المنحنيات كما سبق.
قبل أن يختلط الأمر علينا يجب أن نعطى كل ذى حق حقه فهناك تيار مستمر ناتج من البطارية والمقاومة R1 ولمن يريد الدقة نطرح منه 0.6 فولت لثنائى الوصلة BE فيكون = 6- 0.6 مقسوما على 12ك = 0.45 مللى أمبير
وهناك تيار متردد ناتج من المنبع ein سيسبب مرور تيار فقط خلال الوصلة BE لأن مقاومتها أصغر كثيرا من المقاومة R1
هل تريد أن نحسبه ؟ - حسنا - مقاومة القاعدة باعث

= 0.032 / 0.00045 = 71.11 أوم
لنكتب الآن المعادلة لنرى كيف تسير الأمور
الكسب = الخرج ÷ الدخل Gain=Eo/Ein
الخرج = تيار المجمع × مقاومة الخرج Eo=IcR2
الدخول = تيار الباعث فى مقاومة الوصلة Ein=Ie * Rbe
بما أن تيار الباعث تقريبا يساوى تيار المجمع Ic ~= IE
إذن بالقسمة
الكسب Gain = Eo/Ein = IcR2 ÷ Ie * Rbe و نشطب المتساوى Ic ≈ IE نحصل على
الكسب Gain = R2 ÷ Rbe
مفاجئة ؟ أين صفات الترانزيستور – أين Hfe أين β أين –
هل الكسب يساوى فقط نسبة مقاومتين؟ ولا علاقة له بالترانزيستور؟؟ على استحياء – نعم بنسبة خطأ لا تتجاوز 20% ولكن هل تكون دقة تصنيع الترانزيستور افضل من 20% - بالطبع لا
الآن قد تقبلها منى ولكن تعترض أن المقاومة Rbe ليست محسوسة أى لا أجدها بالدائرة لأحسب – أريد بمجرد النظر أن اقدر مدى الكسب لهذه الدائرة !!
حسنا معك حق – لنستبدل Rbe بقيمتها = 0.032 ÷ Ie
الكسب Gain = R2 ÷ Rbe = 30 * R2 * Ie
Ie يسهل حسابه لأنه = قيمة البطارية BT1 مقسوما على المقاومة R1
ستعترض لأن الدوائر العملية تحتوى مصدر واحد والدوائر تحتوى بطاريتين !
لو جعلناهما بنفس القيمة يمكن استخدام واحدة فقط ويسهل علينا هذا تصميم الدائرة وهو موضوع المرة القادمة بإذن الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الآن باستخدام المعادلة السابقة سنبدأ بتصميم الدوائر – ولنبدأ بدائرة الترانزيستور فى أكثر الصور شيوعا وهى الباعث المشترك أو CE
هل المكثف الأول C1 هو حيث يجب أن نبدأ؟
نريد أن نعمل دائرة ذات تكبير قيمته 45 مرة - وهذه ظروف التشغيل أو المعطيات أو ما طلب منى تنفيذه و بالطبع قد يطلب أى قيمة تكبير أخرى.

يمكننا أن نختار تقريبا أى ترانزيستور مثل BC546,BC337,BC338,BC339 وآلاف غيرها – مسألة محيرة
من المعادلة المذكورة المرة الماضية نقول
الكسب Gain = R2 ÷ Rbe = 30 * R2 * Ie

هنا وجب علينا أن نختار التيار ثم نحسب المقاومة أو نختار المقاومة ونحسب التيار ونغير اختيار الترانزيستور ونقضى نصف يوم فى هذه الحيرة حتى نصل للقيمة المطلوبة
لنحسم أمورنا يجب أن نأخذ فى اعتبارنا قيمة الجهد بعد التكبير بمعنى
هل سنكبر 45 مرة فيصبح جهد الدخول الذى قيمته 1 مللى فولت قيمته 45 مللى فولت
أم سنكبر 45 مرة فيصبح جهد الدخول الذى قيمته 200 مللى فولت قيمته 9 فولت
أم سنكبر 45 مرة فيصبح جهد الدخول الذى قيمته 1 فولت 45 فولت
الفروق بينها سنتحدث عنها تفصيلا المرة القادمة إن شاء الله
وهذا يقودنا للاختيار الصحيح – نبدأ من الحمل المطلوب تغذيته أى Rld وهى المرسومة داخل مربع لنتذكر أنها ليست فى الواقع مقاومة ولكن قد تكون أى جهاز أو أداة نريد أن نغذيها بهذا الخرج – سماعة أو موتور أو ما تريد
فليكن هنا حملا قيمته 40 أوم ويجب أن يكون التيار 50 مللى أمبير

من قانون أوم 4050= 2000 مللى فولت أى 2 فولت – هذه القيم بوحدات ج م ت (RMS) ويجب أن نعرف القيم القصوى بضربها فى 1.414 أى جذر 2 فتصبح 2.8 فولت موجب ثم سالب أى ستكون تقريبا 5.7 فولت
إذن بطارية 6 فولت لن تكون مناسبة ويجب أن نبدأ من 9 فولت
التيار 50 مللى إذن يجب أن يكون التيار الساكن (بدون إشارة) أعلى من ذلك حتى يمكنه أن يزيد 50 مللى ثم يعود ثم ينقص 50 مللى ثم يعود وتتكرر هذه الذبذبات دون أن يتعدى المدى الممكن له أن يعمل فيه – فلا يوجد ترانزيستور منتظم الأداء على كل المدى ويجب تجنب الطرفين العلوى والسفلى
لذا يجب أن نختار ترانزيستور يتحمل 200 مللى أمبير على الأقل ويفضل ألا يزيد عن خمسة أضعاف هذه القيمة حتى لا يكون إهدارا بلا طائل – هذا يحد خياراتنا إلى BC338,BC337 والواقع هما واحد فقط الأول يتحمل حتى 60 فولت بينما الثانى حتى 40 فولت فقط – ولا فرق فى الاختيار بينهما و يتحمل تيار حتى 800 مللى أمبير
أول شئ سنقابله هو C3 وهو الذى يمنع مركبة التيار المستمر والجهد المستمر من المرور و يبقى المتردد فقط
كيف نحسبه؟
هناك قاعدة تقول أن المدى الترددى الذى يكبره الترانزيستور يقاس بالنقط التى تقل فيها طاقة الخرج للنصف
السبب أن المكبرات أساسا كانت للصوت ولم يكن تكبير الترددات العالية أمرا معروفا لذلك أتفق العلماء وقتها أنها النقطة التى يقل فيها مستوى السمع للنصف.
من المعروف أن الأذن البشرية تسمع بعلاقة لوغاريتمية أى أن الصوت يقل للنصف عندما تقل القدرة للنصف وليس مستوى شدته و من هنا كانت النقطة التى تنزل القدرة للنصف و اخترعت الوحدة اللوغاريتمية المسماة ديسيبل و من هنا أصبح نقطة 3 ديسيبل تعرف بنصف القدرة و كل 3 ديسيبل تضاف أو تطرح تضاعف أو تنصف القدرة.

بما أن الطاقة تتناسب مع مربع الجهد إذن الطاقة تنقص للنصف عند نزول الخرج لقيمة جذر هذا النصف=0.707
ماذا يسبب هذا النقصان؟ هو ازدياد إعاقة المكثف بنقصان التردد وبالتالى سيحرم Rld بالتدريج من جهد الخرج
وهذا ما سيحدد التردد الأقل والمسمى Fl (Low Frequency)
إعاقة المكثف معروفة = 1 ÷ 2طتس
ولتساوى قيمة مقاومة الحمل إذن نجد
Fl=1/(2 π RldC3) … Hz
التردد الأدنى = 1 ÷ (2 ط مقاومة الحمل المكثف س3 ( .. ذ/ث
هذا يحسب لنا أقل قيمة للمكثف ويمكن أن نزيد عنها حتى الضعف أو ثلاثة أضعاف ولكن لا داعى للإسراف بدعوى الزيادة أفضل فلو تذكرنا ما قلناه سابقا عن المكثفات فكلما زادت قيمته أصبح إعاقة للترددات العالية لكونه شريط ملفوف كالملف – فضلا عن ارتفاع السعر فالاقتصاد من سمات التصميم الجيد
فلو كان أقل تردد مطلوب عبوره هو 20ذ/ث إذن
20=1÷(23.1440* C3)
هنا المكثف بالفاراد ونضرب فى مليون للقياس بالمايكرو
C3=199uF
إذن أقرب قيمة ستكون 200 ميكروفاراد
الفولت يكفى جهد البطارية أو أقرب أعلى قيمة سنختار 16فولت
الآن نحسب R4
الخطأ الذى يقع فيه الكثير هو اعتبار أن R4 جزء مستقل والحقيقة أن كل مكون يمر فيه جزء من التيار المتردد يدخل فى الحساب من هنا سنجد أن تيار المجمع ينقسم بين R4 و Rld لذا فهما على التوازى وكلاهما تؤثر فى معادلة الكسب وقيمة R4 و Rld سنسميها Requ أى المقاومة المكافئة وتحسب بالطريقة التقليدية لمقاومتين على التوازى
إذن الكسب والذى قلنا أنه مطلوب بقيمة 45
Gain = R2 ÷ Rbe = 30 * R2 * Ie

حتى نجعل كل الخرج يذهب للحمل ولا تأخذ من شيئا نجعلها 10 أضعاف أو أكبر أى نختار

R4 =10* Rld =400Ω
حسنا لا توجد مقاومة 400 أوم فنختار 420أوم
إذن الكسب 45 = 30 * Ie * 40
Ie=45÷1200= 0.0375
أمبير أى 37.5 مللى أمبير وهو لحسن الحظ أقل من القيمة التى سبق افتراضها (50مللى)
من هنا سنجد أن مراجعة القيم المستمرة ذات جدوى فنجد بدون إشارة
جهد المجمع C الآن = جهد البطارية – الجهد على المقاومة R4 لاحظ هنا تيار مستمر فقط
جهد المجمع C =9- 0.0375×420=9- 15.75 وهذا لا يصلح وأمامنا حلين
إما نستخدم بطارية 18 فولت على الأقل لتكون أكبر من 15.75 أو نقلل قيمة المقاومة R4 – لذلك نقلل المقاومة إلى 220أوم
جهد المجمع C =9- 0.0375×220=9- 8.25
والبطارية إلى 12 فولت حتى تكون أفضل قليلا لأن القيمة 9 فولت قريبة من 8.25
نكتفى بهذه الجرعة الآن وسنكمل باقى المكونات المرة القادمة إن شاء الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الآن بعد أن حددنا مقاومة المجمع وتياره علينا أن نضبط جهد وتيار القاعدة لتناسب ذلك
نعلم أن معامل التكبير لهذا الترانزيستور β = 100 ويمكننا أن نقسم تيار المجمع على 100 لنحصل على تيار القاعدة حسب الدائرة أليسرى

37.5 مللى ÷ 100 = 0.375 مللى
و بما أن جهد القاعدة – باعث VBE = 0.6 فولت
إذن المقاومة من قانون أوم =الجهد ÷ التيار = (12-0.6) مقسوم على 0.375 مللى أمبير والنتيجة كيلو أوم
R1= 11.4 ÷ 0.375 = 30.4KΩ ويمكننا استخدام 30ك
إلا أن القيمة 100 تتغير من ترانزيستور لآخر بنسبة تفاوت 20% فضلا عن أن الحرارة تؤثر تأثيرا مباشرا على أداء الترانزيستور وعلى قيمة جهد القاعدة الذى دوما افترضناه 0.6 فولت بلا نقاش – لديك أدنى شك؟ - إذن
احضر أى ثنائى لديك و أفضل استخدام 1N4148 الزجاجى الصغير لسهولة تسخينه
وصل طرفية بآفو رقمى باستخدام زوج من وصلات فم التمساح لتستمر القراءة فترة التجربة – سجل القراءة
الآن قرب لهب ولاعة أو أى مصدر حرارى لا يصدر عنه كربون مثل الثقاب – راقب القراءة
مجرد اقتراب اللهب ستهبط القراءة حتى 0.1 فولت وأقل – ابعد اللهب ستعود القراءة تدريجيا لسابق قيمتها و البعض يستخدمه كحساس حرارة .
لذلك من الأفضل أن نثبت نقطة القاعدة عند قيمة ثابتة لا تتأثر بتيار القاعدة كما بالرسم الأيمن
لكى لا يتأثر جهد القاعدة يجب أن يكون التيار المار فى المقاومتين R1,R2 اكبر بكثير من تيار القاعدة فيكون وجودة من عدمه ليس ذو تأثير – يكفى عشرة أضعاف أى 3.75 مللى أمبير فيكون مجموعها = 12 فولت ÷ 3.75 مللى = 3.2كيلو أوم
الآن لدينا مشكلة كيف نحقق الاستقرار عند زيادة التيار نتيجة اختلال الأداء خصوصا مع ارتفاع الحرارة؟ – كم سيكون جهد القاعدة وكيف يمكن أن يكون اكبر من 0.6 فولت؟
لو وضعنا المقاومة R3 فإن تيار المجمع سيمر فيها أيضا رافعا جهد الباعث لما يساوى Ic*R3 فإن زاد التيار لأى سبب ستزداد هذه القيمة و تقلل من الفارق بينها وبين القاعدة والمفروض أن يكون 0.6 وهذا بالتالى يسبب انخفاض توصيل الترانزيستور ويقلل من تيار المجمع Ic – حققنا إذن الاستقرار
لنبدأ بالحساب إذن
نبدأ بالنسبة التى نريد ولتكن مثلا 10% من الجهد أو أقل
إذن 1.2 فولت تبدو جيدة
1.2=37.5 مللى أمبير R3 *
R3=32 ونستخدم 33أوم لعدم وجود 32

ولكن هذا يسبب لنا مشكله أخرى وهى أننا سنفقد جزء من الخرج على هذه المقاومة أيضا لنفس المفهوم ونفس التحليل الخاص بالاستقرار - وإن شئت الدقة فى التعبير العلمى سنفقد جزء من التكبير الكلى وهو ما سنعرفه لاحقا باسم التغذية العكسية أو الرجعية أو المرتدة – ما الحل إذن ؟
لحسن الحظ أن الاستقرار مطلوب للتيار المستمر والجهد المستمر والتكبير مطلوب للجهد المتردد.
إذن لو وضعنا مكثف حول هذه المقاومة لتصبح إعاقته للجهد المتردد مهملة سنحل المشكلة ولذا نستخدم نفس العلاقة السابقة فى حساب C3
إعاقة المكثف معروفة = 1 / ( 2 × ط × ت × س ) = R3 مقسومة على 10
فلو كان أقل تردد مطلوب عبوره هو 20ذ/ث إذن
3.3=1÷ (23.1420* C3 )
C3 =1÷ ( 23.1420*3.3) = 1÷ 414.48= 0.00241فاراد
C3 = 2400μF نستخدم القيمة 2200 مايكرو أو 3300 مايكرو
الآن نحسب كل من R2 ، R1
نعلم أن جهد الباعث قد افترضناه 1.2 فولت والقاعدة تزيد عنه 0.6 أى 1.8 فولت والتيار المار فى R2=03.75 مللى أمبير إذن
R2 = 1.8 فولت ÷ 3.75مللى أمبير= 0.48 كيلو أوم أى 480 أوم ونستخدم 470 أوم لعدم وجود 480
و سبق أن قلنا أن مجموعها = 3.2 كيلو
إذن R1= 3.2 – 0.47 = 2.73كيلو أوم ونستخدم بالطبع 2.7 كيلو أوم
بقى أن نحسب قيمة C1 ونحدد اتجاهه أيضا ولذلك سيحتاج أن نتحدث قليلا عنه لذلك سيكون موضوع الحلقة القادمة إن شاء الله

حقا تصميم دائرة ترانزيستور واحد تحتاج لبعض الجهد ولكن استخدام الدوائر المتكاملة أسهل كثيرا
لماذا إذن نجهد أنفسنا هنا؟
أولا : الترانزيستور أنسب للقدرات العالية
ثانيا : نحتاج لفهمه كى نتجنب الأخطاء التى نقع فيها عند التصميم بالدوائر المتكاملة فلو لم نعلم مما تتركب وكيف تعمل سنقع فى أخطاء ولا نعلم كيف نجعلها تؤدى ما نريد
سنكمل باقى المكونات المرة القادمة إن شاء الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الآن نحسب قيمة C1 وهو ليس بجديد – نفس المعادلة ونفس القيم
فلو كان أقل تردد مطلوب عبوره هو 20ذ/ث إذن من نفس العلاقة التى حسبنا بها قيمة C3 نحسب C1 أيضا
التردد الأدنى = 1 ÷ [ 2 * ط * C1 * المقاومة ]
20 = 1 ÷ [ 2 * ط * C1 * المقاومة ]
المقاومة = 1 ÷ ( 2 × 3.14 × قيمة C1 بالفاراد )
هل رأيت المشكلة؟
كم تساوى المقاومة ؟ هل هى R1 فقط ؟ أم على التوازى مع R2 أيضا ؟
كثيرا ما يفضل معامل استقرار اكبر مما تخيرنا ويجعل R2 مقاربة لقيمة R1 وتكون عدة كيلو أوم خاصة عندما تكون الإشارة صغيرة والتيارات قليلة ! طبعا تقول القيمة المكافئة للمقاومتين معا
أصبت ولكن نسينا هنا أمرا هاما
هل تذكر مقاومة الثنائى والتى تساوى = 0.032 ÷ التيار ألم نقل أنها هامة؟؟
إذن مقاومة الدخول للقاعدة = 0.032 ÷ تيار القاعدة = 0.032 ÷ 0.375 مللى أمبير = 0.032 ÷ 0.000375= 85.333 أوم
ولنأخذ هذه القيمة أيضا فى الحسبان
أى 85.333 // 470 // 2700 أوم = 70.34 أوم
الآن نستطيع حساب المكثف
C1 = 1 ÷ [ 2 * 3.14 * 20 * 70.34 ] فاراد
C1 = 1 ÷ [7174.272 ] = 113 ميكروفاراد نستخدم 100 أو 150 مايكرو

قبل أن نترك هذا المكان يجدر أن نذكر بعض الحقائق التى يمكن استخلاصها
– 1المقاومة فى دخول الدائرة صغيرة وحسبناها 70 أوم
– 2 كلما قل التيار المطلوب للحمل و الجهد اللازم قلت التيارات فى كل من المجمع وبالتالى القاعدة مما يمكن من الحصول على مقاومة دخول عالية لذلك لو احتاجنا مرحلة تكبير قبل التى شرحناها ستكون أفضل حالا من هذه لأن الخرج المطلوب منها سيغذى دخل هذه وهو بالتأكيد أقل نتيجة التكبير
3 - مهما ظننا أن معاملات التكبير عالية أو الترانزيستور ذو خواص خارقة – فإن انخفاض مقاومات الدخول والخروج سيجعل التكبير محدودا و سيكون من الصعب الحصول على كسب أعلى من 60 - إلى 100 مرة للمرحلة و هذا ما جعل ترانزستورات FET لها دور مميز فى بعض التطبيقات – للحصول على تكبير أعلى فتعدد المراحل أفضل من زيادة تكبير مرحلة واحدة.
4 - لحساب المراحل المتعددة نبدأ كما بدأنا و نأخذ المسألة من الآخر رجوعا للأول.
الآن هل المكثف C1 فى وضعه الصحيح أم لا ؟ سؤال يستحق التأمل
لو أن هذه الدائرة ستوصل بخرج دائرة أخرى – إذن نتوقع أن خرج الدائرة الأخرى لها جهد مستمر يساوى كما بالرسم VC لذا وجب أن نسأل أنفسنا – لقد حسبنا جهد القاعدة بقيمة 1.8 فولت هل VC أعلى من ذلك ؟
إن كان صحيحا إذن بدون إشارة ستصبح قطبية المكثف C1 صحيحة كما بالرسم وإلا وجب عكسه
أما إن كان سيوصل بمصدر إشارة كما بالرسم التالى

وجب عكسه

أكثرنا الكلام عن مقاومة الدخول وقلنا 70 أوم ، هل هناك أهمية لذلك؟؟
ذكرنا كيف أن كل مرحلة تؤثر على سابقتها وتقلل من قيمة الكسب و يعالج ببساطة بإضافة مرحلة أخرى ولكن – ماذا لو كانت هذه أول مرحلة و ستكبر مباشرة من مصدر وليكن ميكروفون مثلا؟
ستكون التيارات والجهود صغيرة و تمكن من مقاومة دخول أكبر – أصبت ولكن لن تتعدى 1000 أوم أى 1 ك !
ما المشكلة إذن !!
لو رجعنا لمواصفات الميكروفونات المعتادة سنجد أن مقاومتها الداخلية [ المحسوبة للجهود المترددة وربما لا تقاس بالآفو ] سنجد أنها تتراوح ما بين 10ك و 50 ك حسب الطراز وستزداد المشكلة لو أردنا التعامل مع مصدر تردد فوق سمعى التراسونيك حيث ربما تصل إلى 100ك

و بالنظر للدائرة المكافئة ستجد أن الجهد المتولد من المصدر سيقسم بنسبة قد تصل إلى جزء من مائة قبل التكبير
لا تقترح إضافة مراحل أخرى فهناك قاعدة للتصميم الجيد أن تؤدى الغرض بأقل عدد ممكن من الأجزاء – فضلا عن قاعدة ثانية أن تتجنب الضوضاء
ضوضاء ؟ !!!
نعم – الإلكترونات تسير فى الموصلات تحت جاذبية المجال الكهربى للمصدر فتزداد سرعتها تدريجيا من ذرة لأخرى لحد تصطدم عنده بدلا من الانتقال السلس من ذرة لأخرى فتعود سرعتها للصفر ثم تكرر ذلك – ومع مليارات الإلكترونات المارة تجد مليارات المسارات الغير متماثلة مسببة تولد ترددات لا نهائية تسمى ترددات ضوضاء الاصطدام Shot Noise وهى تتناسب طرديا مع درجة الحرارة و مقاومة العـنصر وهى فى كل ما يمر فيه تيار من سلك إلى ما تشاء.
القاعدة العامة ابقى دائما إشارتك فوق مستوى الضوضاء فلو امتزجت بما تقوم بتكبيره استحال الخلاص منه – الوقاية و ليس العلاج.
أجل - أجل اعلم ما تقول – الدليل العملى على ذلك احضر جهاز الكاسيت أو راديو أو دى فى دى و قم بتشغيله بدون موسيقى أو اسطوانة بداخلة و يفضل على البطارية لتجنب زن الكهرباء ثم ارفع الصوت لأعلى وضع أو إن كان لديك تليفزيون قديم اختر محطة خالية بدون إرسال ستسمع صوت شششش كرمال تسقط على ورقة – هذه هى الضوضاء المعنية
العلاج – استخدم مرحلة مجمع مشترك CC أو لتكن أول مرحلة ترانزيستور FET

مرحلة قاعدة مشترك CB هى موضوعنا المرة القادمة إن شاء الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

دوائر القاعدة المشتركة Common Base

هذه هى الدائرة التى ذكرناها كدائرة قاعدة مشتركة “أسفل يسار الصورة” و كانت المشكلة أن هناك مصدرين للتغذية.
قلنا أن معادلات الكسب هى نفسها لا تتغير، ولكن كيف البرهان؟
المسألة بسيطة
هذه الدائرة التى أنهينا توا حساباتها ولكنها كانت باعث مشترك. أليس كذلك؟
إذن معادلات الكسب و الدخول والخروج مقبولة.
حسنا ماذا لو تلاعبنا بها قليلا.
ماذا لو تبادل المصدر و C2 المواقع!!
ماذا ترى فى الدائرة الآن؟
تخلصنا أولا من مصدري التغذية و نستخدم الآن مصدر تغذية واحد.
مازال مصدر الإشارة المراد تكبيرها بين القاعدة والباعث كما كان إذن الكسب لن يتغير كثيرا.
فقط أصبح مصدر الإشارة يقود الباعث بدلا من القاعدة وهو لذلك ينظر فى مقاومة القاعدة باعث مباشرة وهى صغيرة.
تلك هى المشكلة الوحيدة فى الموضوع لكن طالما كان من الممكن التعامل معها، فلا بأس كاستخدام محول لموائمة المقاومات وهو شائع الاستخدام فى دوائر التردد العالى.

هنا نكبر الجهد ولكن لا نكبر التيار فتيار المجمع هو نفسه (أو أقل قليلا جدا من) تيار الباعث، ولهذا رغم أن تكبير الجهد يعطى تكبير قدرة أيضا إلا أنها ليست الأنسب حيث دائرة الباعث المشترك توفر كسبا فى كل من الجهد والتيار.
فى دوائر التردد العالى أيضا قد لا تكون هذه أيضا مشكلة والتخلص من السعة التى تربط المجمع بالقاعدة تغدو الأهم.
قد تتساءل لماذا بين المجمع والقاعدة فهناك أيضا سعة شاردة بين المجمع والباعث!!
المشكلة أن معاوقة دخول القاعدة أكبر بكثير من معاوقة دخول الباعث ولهذا فقدرة هذه السعة على تمرير تيار فى دائرة ذات معاوقة منخفضة يتطلب تيار أكبر و قدرة أكبر وهو ما يحد كثيرا من أثرها.
قد يوحى الحديث أن هذه الدائرة تناسب فقط الترددات العالية، ولكن باستخدام موائمة مناسبة، ستؤدى دورا جليلا فى المكبرات وحتى التيار المستمر – لا تفاجأ بوجودها بكثرة فى الدوائر المتكاملة لذا، ربما نتذكر هذه الدائرة فسنحتاجها لاحقا.

مرحلة مجمع مشترك CC هى موضوعنا المرة القادمة إن شاء الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

تابع المهبط Emitter Follower

المرة السابقة وجدنا أن إعاقة الدخول المنخفضة تسبب فقدان نسبة من الإشارة فيبقى جزء من عشرة إلى جزء من مائة ألف فى حالة استخدام كاشف الأشعة تحت الحمراء فى أجهزة التحكم عن بعد و يستحيل استخدامها فى تطبيقات مثل أجهزة أللمس وقياس الرطوبة فى الجو – الحل هو استخدم مرحلة مجمع مشترك CC
الدائرة كما نعلمها كلنا كالآتى

طبيعى أن نستنتج أن الكسب لا يمكن أن يساوى الواحد الصحيح ولا بد من أن يكون أقل من الواحد الصحيح
لماذا ؟
من الأفضل أن نبدأ فى تنمية ما يسمى الحس الهندسى وهو من النظر للموقف نبنى فكرة توضح لنا الطريق الصحيح.
كيف ?
إشارة الدخول موجودة على R2 وهو لا يوحى بشىء ، وأيضا على القاعدة – باعث مع R3 على التوالى
لكن R3 هى الخرج أيضا – والعنصر المؤثر هو القاعدة – باعث
إذن يجب أن يكون الخرج أقل من الدخل حتى يبقى شيء لوصلة القاعدة باعث تعمل به.
آه – إذن الخرج = الدخل -0.6 فولت؟؟
كلا لأن طرح 0.6 فولت هو للجهود المستمرة بينما الجهود المترددة تؤثر على مقاومة الدايود بين القاعدة والباعث كما سبق الشرح
ولكن من حسن الحظ أن الكسب هنا يقترب من الواحد الصحيح حتى أننا لا نخسر كثيرا فى مقابل هذه الزيادة الكبيرة فى إعاقة الدخول.
كما سبق أن قلنا عن الضوضاء سنقلل التيار لأكبر حد وهذا سيضرب عصفورين أولهما الضوضاء والثانى أن انخفاض التيار تعنى ازدياد المقاومة – و لحسن الحظ أن هذه الدائرة توضع قبل كل مراحل التكبير و هذا يعنى أن الإشارة صغيرة جدا ولا تحتاج لكثير من القدرة
من هنا نختار ترانزيستور مثل BC546 أو أى رقم يكون تيار المجمع له أقل من ذلك وهناك بعض الأرقام تميز فى كتاب بدائل الترانزيستور بالأحرف LN وهى تعنى Low Noise أى ضوضاء قليلة وهى أرقام مصممة خصيصا للتطبيقات المسماة المكبرات الابتدائية أو الأولية أى Pre Amplifiers تراعى فيها قلة الضوضاء المتولدة عموما.
سنبدأ بالمكثف كما سبق وهنا سنأخذ مقاومة دخول أول مكبر ونظرا لصغر الإشارة نتوقع أن يقل التيار و ازدياد مقاومة الدخول إلى 1000أوم (قمنا بتقليل التيار فى المثال الأسبق لتزداد مقاومة الدخول من 70 أوم إلى 1000 أوم) ومن المعادلة السابقة سنجد المكثف = 7.96 ونستخدم 10 مايكرو
الآن هل هذه المرحلة تعمل على المواءمة حيث الإشارة صغيرة جدا كخرج ميكروفون مثلا أو حساس من نوع ما إذن لا نخشى من عدم الخطية كما سبق لأن الإشارة الصغيرة لا تتأثر بعدم خطية المكبر و يمكن تقليل التيار أكثر ، أما إن كانت الإشارة كبيرة نوعا ما فالأفضل مراعاة تلك القاعدة وهذا ما سنفترضه الآن لأنه أسوأ الأوضاع أى أقل قيم للمقاومات. أى سنفرض الحاجة لأكبر إشارة ممكنة. لا ننسى أن هذه الدائرة تستخدم كثيرا كمكبر قدرة فى دوائر الخرج أيضا.
أكبر إشارة ستتراوح ما بين نصف التغذية (موجب) و نصف التغذية (سالب) أى +6 و -6 فولت و طبعا النصف بالضبط لا يتحقق لأن أى اختلاف بسيط سيتلف الإشارة. لنكون فى جانب الأمان تمركز نقطة الخرج عند 6 فولت و الإشارة مثلا +/-5 فولت. والخرج هنا من الباعث.
سنختار إذن جهد الباعث نصف جهد التغذية أى 12 ÷ 2 = 6 فولت لتوفير التماثل للإشارة.
سنختار تيار مناسب أى أكبر من التيار الذى يحتاجه الحمل و للسهولة سنفترض أن 1 مللى أمبير كافى.
من التيار الذى اخترناه وهو 1مللى إذن مقاومة الباعث تساوى 6 ÷ 1 = 6 كيلو أوم ونستخدم 6.2 كيلو وعليه يصبح جهد القاعدة أعلى بالقيمة 0.6 فولت أى 6.8 فولت
بما أن معامل التكبير 100 إذن سيكون تيار القاعدة هو 1 ÷ 100 أى 10 ميكرو أمبير
ونختار عشرة أضعاف هذه القيمة لتكون 0.1 مللى أمبير
إذن R1,R2 معا تساوى 12 ÷ 100 = 120 كيلو أوم قارن هذا بالقيمة السابقة 3.2 كيلو أوم
لحساب مقاومة الدخول سنقول كما قلنا سابقا 0.032 ÷ 0.00001 وهو بالتأكيد أعلى لكن لن يأخذ ذلك تأثير المقاومة R3 فى الحسبان ونظرا لكونها فى دائرة الباعث سننظر من هناك فنجد أن المقاومة ستكون باحتساب تيار الباعث
0.032 ÷ 0.001 = 32 أوم و تضاف للمقاومة R3 لتصبح 6232 أوم أظن ربما يضحك البعض فهى 6200 على أى حال لكن نأخذ الخطوات لربما فى بعض التطبيقات أو الحالات تكون متقاربة
بما أن التيار فى دائرة الباعث يساوى معامل التكبير × تيار القاعدة = إذن المقاومة تقسم بنفس النسبة
أى أن مقاومة القاعدة = مقاومة الباعث × 100 أى
[مقاومة القاعدة + مقاومة الباعث ] × معامل التكبير أى = 6232 × 100 = 620 كيلو أوم وهو رقم كبير
أما الكسب فيمكن الملاحظة أن الفاقد هو ما يظهر على مقاومة الباعث المساوية 25 أوم نسبة إلى المقاومة الكلية وهى 6232 = 6200÷ 6232 = 0.9949 أى لا فرق كبير
لاحظ أن هذه الطريقة مناسبة أيضا للأحمال الكبيرة باستخدام ترانزستورات قدرة عالية
بعد دراسة التغذية العكسية سنغير وضع مقاومة ونصل لمقاومة دخول أعلى بكثير من 600كيلو وبدون استخدام FET
بقى أن نحسب كل من R1,R2 وهى من قانون أوم كما سبق فى المثال السابق
لاحظ أيضا أن المقاومة المحسوبة على التوازى مع R1,R2 وعلى ذلك تنقص للثلث ولكن مازالت كبيرة قرابة 300 كيلو مما يجعل المكثف C1 26.52 nفقط أى 27 نانو و بهذا تخلصنا من النوع الكيماوى و هو الآن بدون قطبية

دائما نتكلم عن التردد المنخفض ونحسب المكثف المطلوب – المنحنى الموضح للترددات كانت به نقطتان التردد الأدنى والتردد الأعلى والذى لم نذكره حتى الآن !!!
لم ننساه - و لكن فقط أجلنا الحديث عنه قليلا وهو موضوع الحلقة القادمة إن شاء الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

السعات الداخلية و تأثيرها على النطاق الترددى

الترانزيستور له ثلاث أطراف و من المعروف أن أى موصلين وبينهما عازل يكونان مكثف وعلى هذا فهناك ثلاثة مكثفات أحدهما بين القاعدة والباعث والآخر بين القاعدة والمجمع والثالث بين الباعث والمجمع كما بالرسم
[I
أيهما أخطر ؟ حسنا – لا أستطيع القول ، قل لى ما هى دائرتك أقل لك الإجابة ولكن بصورة عامة هى السعة التى تظهر فى خرج الدائرة فهى تقتل الترددات العالية عن طريق تسريبها للأرض.
مهلا – احترس من المفاجآت فبعضها اخطر بظهوره اكبر من قيمته ولهذا سندرس الدوائر الثلاث فقط بعد أن نضع قاعدة صغيرة وقانون صغير ونعرف ما نريد.
لو نظرنا للدائرة التالية سنجد أن المكبر (حصيلة دائرة الترانزيستور سواء كانت أى نوع) يمكن تمثيلها بمولد إشارة مساوى لقيمة الخرج المتوقع وله مقاومة داخلية مساوية لمقاومة الخرج للدائرة وهى مجموع المقاومات على التوازى بما فيها مقاومة الترانزيستور أيضا وهى عادة صغيرة نوعا ما – وتوجد ما بين نقطة الخرج و نقطة دخول المرحلة التالية السعة المسماة Cout

وهى فى الواقع حصيلة 3 مكثفات مختلفة أولها سعة دخول المرحلة التالية (لهذا لم نذكر سعة الدخول سابقا) و الثانية السعة الشاردة وهى سعة الأسلاك التى تربط المرحلتين والثالثة هى سعة الخرج للمرحلة تحت الدراسة والتى نحسب لها أقصى تردد يمكن تكبيره
الأولى تعطى من خواص الترانزيستور المستخدم فى المرحلة التالية وهى بين طرف دخوله والأرضى فمثلا إن كانت المرحلة التالية باعث مشترك تكون السعة المقصودة بين القاعدة (دخول) والباعث و المسماة Cbe وهى حوالى 10 بيكو فاراد أو أكثر قليلا.
الثانية إن أحسن تصميم البردة يمكن افتراضها حوالى 50 بيكو فاراد
والثالثة هى سعة خرج المرحلة المعنية
بتطبيق نفس قاعدة نصف الطاقة التى طبقناها لحساب التردد المنخفض سنستخدم نفس المعادلة باستبدال القيم المناسبة
أى أن التردد 1 ÷ [ 2 * ط * المقاومة * السعة ] والمقاومة هنا هى مقاومة الخرج والسعة هى Cout
فلو كانت إجمالى السعة 500 بيكو فاراد والمقاومة 1000 أوم يكون
التردد = 1 ÷ [ 2 * 3.14 * 1000 * 0.000000000001]
التردد = 318471.34 أى حوالى 300 كيلو ذ/ث
وضحت الآن المشكلة ! – إن أردنا تردد أعلى سنضطر لتقليل قيمة المقاومة مما يضطرنا لتقليل المقاومة المتصلة بالمجمع وبالتالى تقليل التكبير الكلى للمرحلة وأيضا تقليل السعة يقوم بدور مماثل – ولكن كيف ؟
لماذا قفزنا من 50+10 إلى 500 بيكو فاراد
لو نظرنا لدائرة الباعث المشترك سنجد أن سعة المجمع – باعث لن تزيد كثيرا عن أى من مثيلاتها – لماذا زادت كل هذا ؟
تذكر أن الترانزيستور يعمل بالتيار وليس الجهد أى أن التيار المار إلى القاعدة سيقوم بالتكبير فى المجمع و يظهر مضروبا فى معامل التكبير بيتا لذلك لو نظرنا للسعة التى تربط المجمع بالقاعدة فهى تسبب مرور تيار الإشارة من المجمع للقاعدة وهو معكوس فى الوجه أى سيطرح منه ولن يضيف إليه مما يسبب تقليل التيار الفاعل مسببا تقليل الخرج كما لو أن هذه السعة ظهرت مكبرة بقيمة بيتا من المرات فى خرج المرحلة فلو كانت 5 بيكو فاراد ستكافئ فى الخرج 5 × 100 أى 500 بيكو فاراد ! أمر سيئ أليس كذلك ؟
لحسن الحظ هناك أربع حلول لهذه المشكلة
الأول استخدام ترانزيستور آخر مناسب للترددات الأعلى حيث تكون قيمة هذه السعة أقل كما تكون قيمة بيتا فيه ثابتة لنطاق ترددى أكبر وأوسع
الثانى وضع ملف صغير يقوم مع هذه السعة بتكوين دائرة رنين ترددها أعلى من 300 كيلو أو القيمة المحسوبة للدائرة المعنية لتوسيع النطاق كما فى حالة مكبر المرئيات الفيديو
الثالث استخدام دوائر رنين فقط إذا كان التردد المطلوب مرتفع و محدود كما فى مكبرات التردد العالى
الرابع استخدام دائرة قاعدة مشتركة حيث تدخل الإشارة من الباعث وتخرج من المجمع – هنا لعبة صغيرة قمنا بها حيث أن معامل تكبير التيار من الباعث للمجمع هو ألفا وهو أقل من الواحد الصحيح مما يجعل سعة الخرج قليلة كما فى مكبرات التردد العالى جدا
وفى مواصفات الترانزيستور توجد القيمة Ft التى تحدد اعلى تردد يصلح لاستخدام الترانزيستور و بعد ذلك تصبح بيتا قليلة ولا يصلح الترانزيستور كمكبر.
الآن يمكننا أن نصمم مكبر متعدد المراحل كما قلنا بدأ من الحمل رجوعا للمدخل على عدة مراحل – هل لو احتاج الأمر لثلاث أو أربع مراحل نوصلها كلها لمصدر تغذية واحد مثلا 12 فولت ؟ الحسابات تقول نعم ولكن الواقع يقول لا.
لماذا ؟ - الأمر فى غاية البساطة أن مصدر التغذية مهما كان جيد التصميم لن يكون مثاليا وستكون له مقاومة وإن كانت صغيرة جدا كما أن الأمر ليس كما نرى ! أرى أمامى وصلة بين نقطتين أى قصر ولكن التيار يراه خط نقل قدرة له طول أى جزء صغير من ملف وله حث ذاتى وهناك سعة شاردة بين كل نقطة وخط الأرضى و الأمر ليس كما توقعنا
الإشارة فى المرحلة الأخيرة ذات تيار كبير وجهد مناسب للحمل وهو ينتقل من هذه المرحلة لدخول المراحل المتقدمة كما بالرسم مسببا أن تكون المكبر غير مستقر وربما يعمل كمذبذب لذلك يجب وضع مقاومة حوالى 10 أوم ثم مكثف للأرضى كما بالرسم والمسمى R decoupling, C decoupling أى مقاومة ومكثف فك الارتباط

إن كنت تعمل عند ترددات أعلى استخدم مكثفات تانتالوم ثم أضف مكثف ذو سعة صغيرة على التوازى مع المكثف المذكور بقيمة 0.1 ميكرو للأسباب التى ذكرناها سابقا عن أداء المكثفات – وقد تحتاج لملف صغير أيضا للترددات الأعلى إن كنت تعمل عندها ولا بد أنك لاحظت خرزة سوداء صغيرة داخل سلك أو طرف ترانزيستور أو مكون آخر – هذه ليست للحسد ولكنها من خامة الفرايت والتى تضيف حث عالى عند الترددات العالية جدا حيث تفشل الوسائل الأخرى – دعها وشأنها لا تنزعها فقد تأتى الرياح بما لا تشتهى السفن
بقى من خواص الترانزيستور شيء واحد هو الحرارة و كلنا استبدلنا ترانزيستور قدرة بآخر أكبر من هذه الناحية وببساطة يتلف سريعا ثم نتعجب و نبحث عن الأصلى دون أن نمحو علامة الاستفهام – لنجهز الأستيكة (الممحاة) للمرة القادمة إن شاء الله نتعرف على الترانزيستور و عملة كمفتاح

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الترانزيستور كمفتاح Switch

درسنا فى السابق الترانزيستور كمكبر و لكن هناك الكثير من الحالات حيث نريد منه فقط أن يكون كمفتاح، إما مفتوح أو مقفل أى موصل للتيار أو لا يوصل للتيار.
حسنا هذه الحالة قد تذكرنا بالوضع الذى تحدثنا عنه حين تكلمنا عن منحنى الخواص و قلنا أنه إما فى حال الفصل أو التشبع أو التكبير.
حسنا هنا أيضا لدينا هذه الحالات الثلاث.
تقول حالتين والآن ثلاث؟؟
أجل فالترانزيستور هو الترانزيستور ولم يتغير و يجب ألا نغفل عن كيف يؤدى وظيفته!!
الترانزيستور كمفتاح له حقا حالتين إما مقفل أو مفتوح والحالة الثالثة هى أثناء انتقاله من حالة لأخرى وهى ما سبق تعريفها بمنطقة التكبير.
و فيم تهمنا هذه الحالة هنا؟!
لو كان معدل الانتقال بين القطع و التوصيل قليلا، إذن حقا لا تهم أما لو كان هذا المعدل عاليا كحالة مثبتات الفولت أو الإنفيرتر فقد تكون أخطر الحالات. لنبدأ فى فهم الأمور بتفصيل لنعرف ما يحدث.
أولا أى ترانزيستور يصلح كسويتش و أيها كمكبر؟؟

يجب أن نضع حقيقة وهى أن الدائرة هى التى تفرض ألوظيفة وليس الترانزيستور بمعنى أننا نسمع دوما دائرة مهتز أو مكبر أولى ولم نسمع دائرة BC546 أو 2N2222 ، أعلم أنك ستحتج ولكن لو خواص الترانزيستور تناسب هذا التطبيق، ستؤدى الدائرة عملها ، وإن لم تناسب – ستتوقف ولكن لن تغير وظيفتها.
مثال ننفذ دائرة مهتز عند تردد 100 ميجا و نستخدم ترانزيستور ذو تردد محدود، لن يهتز و لكنها لن تتحول لمكبر تردد صوتى مثلا. لهذا فرغم أن البعض يقسم الترانزستورات فى الاستخدام مكبر و سويتش إلا أن هذا يعنى أنه أنسب هنا من هناك ولكنه سيعمل فى الحالتين.

يجب هنا أيضا أن نحدد أى نوع من الترانزستورات سنستخدم و كما عرفنا مما سبق أن لدينا نوعين ثنائى القطبية وهو يعمل بالتيار أى تيار القاعدة هو المؤثر و المتحكم، و ترانزيستور المجال بأنواعه سواء FET,MOSFET و عادى أو معزز و كلها تعمل بالجهد أى أن جهد البوابة هو المؤثر. لهذا سنركز شرحنا على ثنائى القطبية، و ما نقوله عن تيار القاعدة ينطبق على جهد البوابة فى المجموعة الثانية FET/MOSFET و نذكر الخلاف حيث يكون.
هذه هى الدائرة الأساسية للترانزستور

نرى أن الدخول ببساطة هو القاعدة من خلال المقاومة Rb أما الخروج فهو Rld. طبعا ستتذمر قائلا الخرج Vc لكن كما سبق أن ذكرنا Rld هى الحمل ولذلك وضعتها كما سبق فى إطار ملون لنتذكر أنها قد تكون موتور أو آلة تعمل أو أى شيء وليس بالضرورة مقاومة. أيضا يمكن أن تكون مقاومة ملموسة ونريد أن نأخذ خرجا مثل Vc لتفعيل شيء آخر كبوابة منطقية مثلا .
الحالة الأولى وهى مرحلة القطع تكون طالما أن تيار القاعدة أقل من تيار التسريب. لو الترانزيستور من النوع ذو التيار القليل سيكون التيار يكاد يساوي صفر لكن لو الترانزيستور يتعامل مع التيارات الكبيرة، يفضل دوما الرجوع لصفحة المواصفات لتحديد هذه الخاصية.
لكن دوما يقال أن الجهد لو أقل من 0.6 فولت يكون الترانزيستور مقفول!!
الأصح الرجوع للعنصر الفاعل وهو التيار لأن 0.6 فولت هذه بالتجربة أثبتنا أنها تعتمد على درجة الحرارة و على عناصر أخرى كثيرة و لو رجعنا لخواص الترانزيستور 2N3773 السابق ذكره سنجد أن فى صفحة 2 هذا البند
*Base–Emitter On Voltage (IC = 8 Adc, VCE = 4 Vdc) = 2.2 VDC
أى أن جهد فتح وصلة القاعدة/باعث هو 2.2 فولت وليس 0.6 فولت.
الحالة الثانية هى مرحلة التشبع وهى ببساطة تعنى أن المزيد من تيار القاعدة لا يسبب أى زيادة فى تيار المجمع أى تيار الحمل.
هل تقصد أن تيار المجمع سيكون اقل من بيتا × تيار القاعدة؟ نعم فى الترانزستورات ذات التيار القليل فقط لكن ترانزستورات القدرة حيث التيار يكون كبيرا تجد إضافة لما سبق أن بيتا تنخفض بشدة مع زيادة التيار وهذا سبق شرحه وقد يتطلب الأمر زيادة تيار القاعدة كثيرا. و من المهم جدا أن نرجع لصفحة البيانات لتحديد قيمة بيتا عند كل قيمة من تيار المجمع.
بقى أن نعلم المنطقة الثالثة وهى مرحلة الانتقال بين الحالتين السابقتين. هل هى حقا مهمة؟ هذا موضوعنا المرة القادمة إن شاء الله

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الترانزيستور كمفتاح -2 Switch

من المنطقى قبل أن نخوض فى تفاصيل مرحلة الانتقال أن نعرف من أين سنأتى.
وهل هناك فارق أن نتحرك من القطع للتشبع أو العكس؟؟
حسنا لنكون فى مرحلة القطع فلن نجعل جهد القاعدة ببساطة يساوى صفرا اعتمادا على قصة 0.6 فولت هذه، والسبب أن لو هناك أى إشارة على القاعدة، فمن المتوقع ببساطة أن تزيد عن 0.6 فولت و مع ارتفاع فى الحرارة و انخفاض جهد القاعدة/باعث Vbe عن ذلك تخرج الأمور عن القطع. لذلك فى كثير من الحالات يوضع جهد سالب لضمان دخول الترانزيستور فى حال القطع.
حالة أخرى تغيب عن أعين الكثير وهى الربط بمحول. المحول عادة ينقل من الابتدائى للثانوى فى دوائر الإنفيرتر مثلا نصف موجب وآخر سالب و تتبادل الأنصاف على الترانزستورات مما يجعل جهدا سالبا يقع بين القاعدة والباعث.
وهل هذا مشكلة؟ الترانزيستور فى حال القطع على أية حال!!!
أجل ولكن هل تذكر الثنائيات و جهد الحاجز فى التوصيل العكسى و ما يسببه من سعة مصاحبة تتغير بتغير الجهد العكسى؟؟؟ هذه هى المشكلة الأولى. فلكى نبدأ مرحلة التوصيل، يجب أولا تفريغ هذا المكثف.
تبدأ المرحلة التالية عندما يبدأ الترانزيستور فى التوصيل ولكنه لا يستطيع الانتقال فجأة من البداية للنهاية، هل تذكر السعة بين الأطراف و تلك التى بين المجمع والقاعدة، ما أن يزداد تيار المجمع C حتى ينخفض جهده و هذا الانخفاض يعبر هذه السعة للقاعدة كجهد سالب الوجهة محاولا تأخير أو تعطيل مساره نحو التوصيل.
إذن بعد التغلب على السعة الأولى نقاوم السعة الثانية و كل هذا يسبب تأخير فى الاستجابة حتى يصل الترانزيستور لمرحلة التشبع.
الآن لنرى رحلة العودة و للمفاجئة ولكن أرجو أن تكون متوقعة، ستكون مختلفة عن الرحلة الأولى.
الترانزيستور الآن فى حال التشبع وهذه الحالة يكون فيها وصلتى القاعدة/باعث و القاعدة/مجمع C-B,C-E فى وضع التوصيل و جهد القاعدة أعلى من كلاهما، هذا يجعل التيار يمر بشدة فى الوصلتين.
مرة أخرى هل تذكر الثنائى فى التوصيل الأمامى و عندما قلنا لو أردنا فجأة أن نضع جهد عكسى سيمر تيار حتى يتم تفريغ الشحنة المخزونة فى الوصلة وهذا ما جعل بعض الثنائيات لا تناسب التردد العالى؟؟
حسنا الأمر يتكرر هنا أيضا و يجب تفريغ الوصلتين أولا حتى يصل الترانزيستور لمرحلة التكبير والتى سيعبر خلالها نحو القطع بصورة معاكسة للعبور السابق. هنا يبدو الأمر أسوأ لذلك اهتم المصممون بالتغلب على هذه السعة و ابتكروا ترانزيستور شوتكى وهو إضافة ثنائى شوتكى كما سبق شرحه بين القاعدة والمجمع حتى يمنع الترانزيستور من الدخول عميقا فى حال التشبع وهذا يسرع استجابته بصورة واضحة.
حسنا كل ما سبق يؤخر استجابة الترانزيستور أى يحد من عدد المرات التى ينتقل فيها من حالة لأخرى فى الثانية .
الطاقة المتولدة أو المفقودة؟ حسنا فى حال القطع تيار التسريب × جهد المجمع/ باعث
فى حال التشبع يكون جهد التشبع × تيار الحمل و يراعى هنا الجهد الفعلى للمجمع عند التيار الفعلى للحمل.
الآن فى مرحلة العبور من واحدة لأخرى نرى أن المسألة لا تهم!!
ولماذا توفر فاتورة الكهرباء بتقليل ساعات الإضاءة؟؟ أليس الزمن أحد بنود الطاقة المفقودة وهى وات ثانية؟
المشكلة أن أثناء العبور تكون هناك قيم مرحلية للجهد والتيار. و حاصل الضرب يعطى وات و فى الزمن تكون طاقة كلية مفقودة كما بالرسم

المستطيل الأصفر هو طاقة مفقودة فى كل مرحلة انتقال. و ربما الرسم يوضح أن تأخير الاستجابة من القطع أقل من تأخير الاستجابة من التشبع للسبب المشروح.
المرة القادمة إن شاء الله نتعرف القدرة و الحرارة المرة التالية

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

القدرة

فى بداية الحديث عن مكبرات الترانزيستور كان سؤال
هل سنكبر 45 مرة فيصبح جهد الدخول الذى قيمته 1 مللى فولت قيمته 45 مللى فولت
أم سنكبر 45 مرة فيصبح جهد الدخول الذى قيمته 200 مللى فولت قيمته 9 فولت
أم سنكبر 45 مرة فيصبح جهد الدخول الذى قيمته 1 فولت 45 فولت
ما الفرق؟
الأول يسمى مكبر أولى أو ابتدائى أو مكبر سابق Pre-Amplifier وله خواص يجب مراعاتها وهى
1- تكبير إشارات ضعيفة جدا
2- قلة الضوضاء المتولدة داخله لأنها تمتزج بالإشارة فى هذه المرحلة و يصعب جدا التخلص منها لاحقا
3- نطاق ترددى كاف لتكبير كل الترددات المعنية
4- قلة التشويه الناتج منه
5- رفض عالى للترددات أو المؤثرات المحيطة الغير مرغوب فيها

أما الثانى فهو مكبر عادى Main Amplifier الذى يقوم بالتكبير بين المرحلة الأولى Pre-Amplifier و تعطى الخرج المناسب للمراحل الأخيرة
الثالث يسمى المرحلة الأخيرة Final Stage وهو حسب نوع الحمل قد يحتوى مراحل تكبير قدرة على مرحلة أو أكثر حيث تسمى المراحل الأولى منه Drivers و لا أستعذب الترجمة “سواقة” فهى مرحلة تكبير تليها مرحلة تكبير إلى أن نصل للقدرة المطلوبة
قد لا يحتاج الحمل لقدرة ولكنه يتطلب جهد عالى فلتكن كذلك – المهم توفير متطلبات الحمل و تشغيله
بمناسبة الحديث عن القدرة هناك وحدات كثيرة هذه الأيام
القدرة هى ببساطة الفولت × الأمبير وهذا تيار مستمر
عند دخول التيار المتردد فى الموضوع أصبح نفس الموضوع ولكن لحظيا مما جعل الأمر يبدو أعقد ولكنه هو لم يتغير
المشكلة أنه أعطى قدرة تتغير لحظيا لذلك كان لا بد من إيجاد قيمة توافق ما بين المستمر والمتردد
لأن القدرة = مربع الجهد ÷ المقاومة أو مربع التيار × المقاومة إذن لتحديد الجهد المتردد الذى يعطى نفس قدرة المستمر وجب أن نأخذ التربيع أولا للحصول على القدرة ثم متوسط هذه القدرة لتلافى التغيير اللحظى ثم نعيدها بأخذ الجذر التربيعى لذا تسمى جذر متوسط التربيع Root Mean Square وهذا ما نأخذ به فى كل حساباتنا شاملا الصوت وأى مجال أخر
أما فى لعبة الموسيقى فهناك وحدة أخرى اسمها PMPO - Peak Music Power Output وهى وحدات هدفها الدعاية ولم يوضع لها تعريف مقنن متفق عليه حتى الآن وهى أحيانا تعرف على أنها أقصى طاقة لحظية يمكن الحصول عليها و لن تتكرر كثيرا وهى بهدف إعطاء رقم كبير لرفع سعر المنتج
وقبل أن يضع لى شخص ما صفحة تشرح معنى هذا التعبير أرجو أن نحدد صيغة رياضية محددة لها فالكلام ليس هندسة – الهندسة حساب
فمثلا تنتج شركة ما IC و تقول أنها تعطى 5 وات RMS – هناك علاقات و أسباب تحدد هذا الكلام
ثم تجد من وضعها فى مكبر و قال لك أنها تعطى 35 وات PMPO - ثم أخر يقول أنها 45 وات PMPO ولا تجد أساسا لماذا هذه هنا 35 وهناك 45 ولا تستطيع وضع أجهزة قياس بطريقة علمية لقياس هذا الكلام و الأغرب من ذلك أنها تكون مكبر ستريو سيارة مثلا و ألفيوز المستخدم مع وحدتين معا هو 1 أمبير أى 1 أمبير × 12 فولت جهد السيارة = 12 وات و الوحدتين 5 + 5 = 10 وات + باقى الدوائر بالكاد تكفى إذن من أين أتت القيم العالية الأخرى؟؟
الآن تعتمد قيمة ج م ت RMS لأنها طاقة الخرج الفعلية و نجد أن التيار المستمر المستهلك = ف × التيار و لكن الطاقة الخارجة للحمل ستجد أنها أقل
إذن أين الفرق؟
مكبرات القدرة شأنها شأن أى شىء لها كفاءة وهى نسبة الذى يستغله الحمل ألى ما يستهلكه المكبر
وهى من 25 إلى 80 % حسب طريقة عمل المكبر
المرة القادمة إن شاء الله نتحدث عن خواص الترانزيستور الحرارية

[maged.a.mohamed (ماجد عباس محمد)]

الحرارة والقدرة والإشعاع

هل حدث مرة أن استبدلت ترانزيستور 80 وات بآخر 100 مثلا ثم لم يستمر كثيرا و عند وضع الأصلى استمر فى العمل دون مشاكل؟
ألم تسأل نفسك لماذا والثانى اعلى قدرة من الأصلى؟
الم تسأل نفسك مرة، كيف أن هذا الترانزيستور يتحمل 80 أمبير وله أطراف توصيل أكثر سماكة من آخر مكتوب يتحمل 120 أمبير؟
حسنا – لنراجع سويا الكلمات السابقة !! – أعلى قدرة ؟؟؟؟ أين تجد هذه الخاصية فى مواصفات الترانزيستور؟
لا اذكر أن هناك ترانزيستور له هذه الخاصية
ستقول ولكن الكتب تقول 80 وات الخ
نعم ولكن تحت بند PD وهى تعنى
Power Dissipation وتعنى مقدرته على إشعاع أو تبديد الطاقة - وليست طاقته بمعنى ما يستطيع توصيلها للحمل بأمان
أى أن الحرارة إذا تولدت بداخله يستطيع أن يبدد منها 80 وات أو 100
والقدرة ؟ !! معذرة لا ذكر لهذا فى مواصفات الترانزيستور - فقط فولت و أمبير مثلا 140 فولت – 16 أمبير
ستقول هذه هى القدرة !!
مهلا
أولا ما كانت 140 فولت × 16 أمبير = 150وات !!
ثانيا لو كان هذا العملاق يتحمل 140 فولت × 16 أمبير أى 2240 وات أى 2.3 كيلو وات أو 3 حصان ماذا نريد اكبر من هذا؟؟؟؟
هذا تجاوز فى المعنى تكتبه كل كتب بدائل الترانزيستور و لكى تعلم الحقيقة قم بإنزال صفحة المواصفات الكاملة لهذا الرقم و لنختار مثلا الرقم الذى سردنا له تلك القيم وهو
2N3773
و لنحمل صفحة مواصفاته من الرابط
http://www.datasheetspdf.com/PDF/2N3773/74215/1
ستجد أن الترانزيستور يستطيع أن يتحكم فى 140 فولت حتى 16 أمبير والقدرة فقط 150 وات
ما علاقة 140 × 16 والتى تساوى 2240 وات بالرقم 150 وات ؟؟؟؟؟؟
المقصود هنا أن 150 وات هى القدرة التى تستطيع الشريحة الداخلية بطريقة تثبيتها على الجسم المعدنى بمساعدة هذا الجسم المعدنى أن تشعها أو تتخلص منها بافتراض المقدرة على تثبيت هذا الجسم عند حرارة الغرفة 27 درجة مئوية وإذا ارتفعت درجة الجسم نتيجة أن المبرد محدود القدرة – وجب أن نقلل هذا الرقم حسب المنحنيات والرسوم البيانية المعطاة.
وكل ما سبق لا يذكر ما الذى يولد الحرارة بداخله.
لكى نعرف ما يولد هذه الحرارة يجب أن نأخذ فى الاعتبار عاملين هامين هما:
فى صفحة رقم 2 من البيانات ستجد جدولا باسم On Characteristics و ستجد فيه ما يلى
Collector Emitter Saturation Voltage
IC=8Adc,IB=800ma dc VCE=1.4V
IC=16Adc,IB=3.2 Adc VCE=4V
إذن قيمة معامل التكبير المذكورة بأول صفحة بقيمة 15 هى فقط للإشارة المترددة ذات القيمة الصغيرة ولكن عند عمله كمفتاح – سويتش – تنخفض حسب تيار المجمع وهنا ذكر لها قيمة = 10 عند تيار مجمع 8 أمبير و 5 فقط عند 16 أمبير
كما أن عند 8 أمبير يكون الجهد بين المجمع والباعث ليس 0.2 فولت كما تذكر كل الكتب ولكن 1.4 فولت وترتفع إلى 4 فولت عند 16 أمبير – لماذا؟ تذكر أن الترانزيستور مصنوع من مادة لها مقاومة كأى مادة أخرى مثل النحاس أو الكربون لها مقاومة نوعية و المقاومة الكلية تعتمد على مساحته و سمكه وعلى نسبة الشوائب
إذن عند 16 أمبير سيولد حرارة = 16×4 = 64 وات نتيجة للمقاومة الأوميه للسيليكون .
العامل الثانى هو أثناء انتقاله من القطع للتوصيل لن يتحرك فجائيا ولكن التيار سيزداد من صفر إلى 16 أمبير فى زمن صغير بسبب السعه التى سبق شرحها إضافة لسلوك الحمل والذى نادرا ما يكون مثاليا ، مولدا كميه حرارة إضافية ، و الآن هو موصل و فى حال التشبع وهذا يضيف للسعة الشاردة سعة أخرى أسوأ وهى تراكم الشحنات فى المواد الموصلة سواء الموجبة أو السالبة.
هنا لو انقطع تيار القاعدة فجأة ولو حتى عمل قصر بين القاعدة والباعث ، لن يتوقف تيار المجمع ، بل سيستمر حتى ينتهى اتحاد الإلكترونات مع فجوات و الفجوات مع إلكترونات ( كل حسب الخامة س أو م ) ، هذه الظاهرة هى التى تبطئ أداء الترانزيستور كمفتاح (سويتش) إذا كان الترانزيستور ذو قدرة صغيرة أو الدائرة ليست دوائر قدرة.
وكلما زاد عدد المرات التى ينتقل فيها من القطع للتوصيل و العكس تزداد كمية الحرارة الناتجة من حاصل ضرب الفولت اللحظى × الأمبير اللحظى.
أما فى المكبرات الخطية كمكبرات الصوت الخ فالمشكلة أكبر إذ يجب أن نأخذ كفاءة التحويل والتى تتراوح ما بين 25 % إلى 70% حسب نوع الدائرة وهذا موضوع آخر نتناوله فيما بعد.

أما دوائر القدرة ، فتتولد فيها درجات حرارة عالية والأسوأ من الحرارة ، تلك المسماة البؤر الحرارية Hot Spot وهى ببساطه لكى يكون الترانزيستور ذو قدرة ، يجب أن يكون حجمه مناسب للأمبير

الصورة لدائرة متكاملة تعمل مكبر صوت بقدرة 25 وات من الداخل و ترى 2 ترانزيستور قدرة على اليسار و تعرف الحجم الطبيعى من مقاس الأرجل ، هذه المساحة يمر فيها التيار و لكن هل كل نقطة مثل جارتها؟

الآن لنرى هل يتحمل الترانزيستور 140 فولت مع 16 أمبير معا ؟ و لماذا لا ؟
لفهم هذه الظاهرة ومعرفة لماذا – يجب أن نعود مرة أخرى لرسم تركيب الترانزيستور كما بالرسم التالى

هنا رسمت مسقط رأسى للترانزيستور و قطاع فيه و لونت الباعث بلون افتح من المجمع ليتناسب مع نسبة الشوائب المضافة إليه حيث أنها أقل فى الباعث عنها فى المجمع
مرة أخرى تمثيل الترانزيستور بموحدين خطأ ولا يبرر هذه الظاهرة لأن السبب فيها أن القاعدة رقيقة جدا
نلاحظ أن الشكل مربع وليس مستديرا فهو الأنسب للتصنيع ونلاحظ أن مسار التيار من الخارج سيتم عن طريق سلك سيوضع فى منتصف قطعة الباعث و لتجنب اختلاف أطوال مسار التيار من نقطة عبر القاعدة للمجمع يعدل شكل سلك التوصيل حتى يشكل مساحة تسمح بمرور تيار الباعث الكبير نحو المجمع

مشكلة القاعدة الرقيقة أنها تكون مقاومة كبيرة لا تسمح بمرور التيار من جانب التوصيل للجانب الآخر و إلى حد ما يمكن التغلب نوعا ما بجعل التوصيل من خلال إطار فوق منطقة القاعدة لكن لن يتغلب هذا على الوصول للأجزاء فى العمق
من الشكل الموضح و أخذا فى الاعتبار أنه للحصول على تيار أكبر يجب أن نزيد المساحة حتى نستطيع تمرير تيار اكبر من الباعث خلال القاعدة إلى المجمع نجد أنه من المستحيل جعل كل المسارات التى سيأخذها التيار خلال رحلته متكافئة – فإن تساوت طولا قد تمر خلال أجزاء مختلفة النقاء و فى نسبة الشوائب وبالتالى المقاومة
مهما كان الاختلاف صغيرا إلا أن قانون الطاقة = مربع التيار × المقاومة غير متسامح وسيولد بالتأكيد حرارة أعلى فى المناطق ذات المقاومة الأقل !
مفاجئة – هذا خطأ والمفروض أن تكون المقاومة الأعلى
مهلا المقاومة الأقل سيمر فيها تيار أعلى و مربع التيار الأعلى سيولد حرارة أكبر كثيرا.
النتيجة بقعة ساخنة والمسماة Hot Spot – السخونة تسبب مرور تيار أساسى (الخام بدون شوائب) والمسمى Intrinsic Current بقيمة اعلى مسببا تقليل المقاومة أكثر و مرور تيار أعلى فتزيد الحرارة وتتكرر الدورة حتى تحترق هذه النقطة مسببة تلف الترانزيستور و نظرا لكون السيليكون ليس مثاليا فى نقل الحرارة لذلك يجب أن تعطى الشريحة الوقت الكافى لتبرد وعليه يجب أن يكون التيار فى صورة نبضات.
أما التيار المستمر فستجد أن التيار المسموح به عند 140 فولت هو 0.6 أمبير فقط أما عند 16 أمبير لا يزيد جهد المجمع عن 7 فولت وإلا تستخدم النبضات – فى صفحة 6 من المواصفات ستجد منحنى بيان هذه القيم واسمه
Figure 7. Forward Bias Safe Operating Area

يوضح القيم المختلفة على أساس نبضة ذات دوام Duty Ratio 10% أى توصيل جزء و قطع 9 أمثال
و نلاحظ أن كلما قل زمن التوصيل أمكن الحصول على تيار وجهد أعلى وذلك لأننا لن نترك الفرصة لتتكون هذه البقع الساخنة – وهذا السلوك مبنى على تكوين الترانزيستور و شكله من الداخل و نسب الشوائب الخ
هل هذا يعنى أن فى مجال القدرة خصوصا العالية قد يكون ترانزيستور بديلا لآخر فى تطبيق وغير بديل فى تطبيق آخر؟
وهل بعد اكتشاف أن سلوكه يعتمد على زمن النبضة - مازال هناك شك أن المسألة أكبر من مجرد وات وفولت وأمبير وبيتا؟
و لنكمل الموضوع المرة القادمة إن شاء الله بالمبردات Heat Sink