ما هو الترانزستور؟ وكيف يعمل؟

الترانزستور أو المقحل هو العنصر الأهم والذي لا يمكن الإستغناء عنه في الإلكترونيات الحديثة. تتكون الدوائر المتكاملة (IC) من عدد كبير جدا من الترانزستورات المتضمنة في رقاقة واحدة صغيرة، نجد الترانزستورات أيضا في جميع التطبيقات والأجهزة الإلكترونية من حولنا فأهمية الترانزستور في الإلكترونيات الحديثة كأهمية العجلة بالنسبة للدراجة.

يتيح لنا الترانزستور إمكانية التحكم في كمية كبيرة من التيار الكهربائي أو فولطية عالية بواسطة كمية صغيرة جدا من التيار أو فولطية جد منخفضة، مما يعني أننا يمكن أن نستخدمه في تكبير الإشارات (مثل: التيار...) أو كمفتاح.

الترانزستور عبارة عن مادة شبه موصلة مطعمة بالسيليكون (أو الجرمانيوم في بعض الأحيان) تحتوي على بلورة رقيقة حيث تكون المنطقة الوسطى لها عبارة عن شبه موصل موجب والمنطقتان المحيطتان بها عبارة عن شبه موصل سالب، يمكن أن تكون أن المنطقة الوسطى شبه موصل سالب وفي هذه الحالة تكون المنطقتان الخارجيتان شبه موصل موجب.
إذا كانت العبارة السابقة عصية الفهم فلا تيأس وإليك هذا التشبيه الذي سيساعدك على استيعاب بنية المقحل أكثر: تخيل وكأن الترانزستور عبارة عن سندويتش، المنطقتان الخارجيتان هما قطعتا الخبز، أما المنطقة الوسطى فهي شريحة اللحم، إذا كانت قطعتا الخبز عبارة عن شبه موصل سالب فإن شريحة اللحم شبه موصل موجب والعكس صحيح أي أنه إذا كانت قطعتا الخبز عبارة عن شبه موصل موجب ستكون شريحة اللحم عبارة عن شبه موصل موجب.
مما سبق يمكننا أن نستنتج وجود نوعين من الترانزستور:

• نوع NPN وهو الذي تكون منطقته الوسطى شبه موصل موجب (positive)
• نوع PNP وهو الذي تكون منطقته الوسطى شبه موصل سالب (negative)

تم إختراع الترانزستور على يد جون باردين، والتر براتين ووليام شوكلي خلال الحرب العالمية الثانية وبالتحديد سنة 1947 ولقد نال فريق العلماء هذا لاحقا سنة 1956 جائزة نوبل في الفيزياء نظير أعمالهم وأبحاثهم في مجال الترانزستورات (نال جون باردين جائزة نوبل مرة ثانية سنة 1972 وهذه المرة كانت نظير أبحاثه في مجال المواد فائقة التوصيل)

من اليمين إلى اليسار: براتين، شوكلي وباردين

كيف يعمل الترانزستور

الترانزستور عبارة عن عنصر إلكتروني شبه موصل له ثلاثة أطرف ويُمكنه التصرف إما كعازل أو كناقل للتيار الكهربائي وهذا حسب شدة الإشارة الكهربائية (electrical signal) المطبقة عليه.

تطبيق التيار على قاعدة الترانزستور يسمح بمرور تيار أكبر من المجمع إلى الباعث مثل ما توضحه الصورة التالية:

حتى يمرر الترانزستور التيار بين المجمع والباعث يجب تطبيق فرق كمون يبلغ 0.7 فولت على الأقل بين القاعدة والباعث بالنسبة للترانزستور نوع NPN أما بالنسبة للترانزستور نوع PNP فيجب تطبيق فرق كمون يبلغ 0.7- فولت على الأكثر بين القاعدة والباعث. كما سبق وذكرنا يمكن إستعمال الترانزستور في تطبيقين رئيسيين مختلفين:

• كمفتاح: إما أن يكون الترانزستور في حالة إشباع (تيار القاعدة كبير جدا مما يعني في هذه الحالة أن الترانزستور  مفتاح مغلق) أو أن يكون في حالة قطع (التيار المار على القاعدة معدوم مما يعني أن الترانزستور بمثابة قاطعة مفتوحة)
• كمكبر أو مضخم للتيار: يكون التيار المار من المجمع إلى الباعث مساوي لقيمة تيار القاعدة مضروبة في معامل التكبير الخاص بالترانزستور كما توضح العلاقة التالية:

Ic = β * Ib

طرق توصيل الترانزستور

بما أن للترانزستور ثلاثة أطراف فإن له ثلاثة توصيلات ممكنة داخل الدائرة الكهربائية، حيث يكون هناك طرف مشترك بين الدخل والخرج في كل واحدة منها، وهذه التوصيلات هي:

• القاعدة المشتركة (Common Base): يقوم الترانزستور في هذه الحالة بتكبير الفولطية فقط.
• الباعث المشترك (Common Emitter): يقوم الترانزستور بتكبير الفولطية والتيار معًا.
• المجمع المشترك (Common Collector): يقوم الترانزستور بتكبير التيار فقط.

القاعدة المشتركة

كما يدل على ذلك الاسم، فإن قاعدة الترانزستور هنا هي الطرف المشترك بين الدخل والخرج، حيث يتم تطبيق إشارة الدخل بين القاعدة والباعث بينما يتم أخذ إشارة الخرج بين القاعدة والمجمع كما هو موضح في الدائرة أسفله.

يتم توصيل قاعدة الترانزستور مع المأخذ الأرضي أو مع أي جهد مرجعي آخر ثابت ومعلوم.

دائرة القاعدة المشتركة عبارة عن دائرة مكبر فولطية غير عاكسة، حيث أن للدخل والخرج نفس الإشارة. لا تُعتبر هذه الدائرة شائعة الاستخدام نظرًا لتكبيرها الفولطية لدرجة كبيرة جدًا وغير عادية.

يتم حساب معامل تكبير دائرة القاعدة المشتركة وفق العلاقة التالية:

A = Vout/Vin = (Ic*RL)/(Ie/Rin)

يتم استعمال هذه الدوائر عادة في المضخمات الأولية ومضخمات الترددات اللاسلكية (radio frequency amplifiers) نظرًا لخصائصها الممتازة عند الترددات العالية.

الباعث المشترك

يكون هنا الباعث موصولًا بالمأخذ الأرضي، يتم تطبيق إشارة الدخل بين القاعدة والباعث بينما يتم أخذ إشارة الخرج بين المجمع والباعث كما يظهر في الدائرة التالية:

لدائرة الباعث المشترك أكبر معامل تكبير تيار من بين الدوائر الثلاث الخاصة بتوصيل الترانزستور وهذا يرجع بالأساس إلى ممانعة الدخل (input impedance) الصغيرة جدا لأن الدخل موصول مع الوصلة PN في انحياز أمامي، وممانعة الخرج (output impedance) الكبيرة لأن الخرج مأخوذ من وصلة PN في حالة انحياز عكسي.

يتم حساب معامل تكبير الجهد وفق العلاقة التالية:

A = Vout/Vin = -Rc/Re

حيث أن:

• المقاومة Rc: المقاومة الموصولة مع المجمع.
• المقاومة Re: المقاومة الموصولة مع الباعث.

إضافة مقاومة للباعث يقلل من معامل التكبير

لكن يزيد من الإستقرار والخطية (linearity)

يتم حساب معامل تكبير التيار وفق العلاقة التالية:

Ai = Iout/Iin

المجمع المشترك

يتم توصيل المجمع هنا مع المأخذ الأرضي عبر مصدر التغذية، حيث يكون المجمع وصلة مشتركة بين الدخل والخرج كما توضح الدائرة التالية:

لدائرة الباعث المشترك معامل تكبير مساوٍ تقريبًا لمعامل تكبير التيار (β) الخاص بالترانزستور المستعمل، أما في هذه الدائرة فإن مقاومة الحمل RL موصولة مباشرة مع الباعث لذا فإن التيار المار عبرها مساوٍ لتيار الباعث.

بما أن تيار الباعث عبارة عن مجموع تيار القاعدة وتيار المجمع (Ie = Ic + Ib) فإن تيار قاعدة الحمل RL كذلك يمثل مجموع تياري القاعدة والمجمع لذا فإن معامل تكبير التيار لدائرة المجمع المشترك يمكن حسابه حسب العلاقة التالية:

Ai = Ie/Ib = (Ic + Ib) / Ib = Ic/Ib + 1 = β +1

الترانزستور كمفتاح

إذا كان الترانزستور يقوم بنقل التيار من المجمع إلى الباعث عند تطبيق إشارة كهربائية على القاعدة، ثم يغلق عند غياب هذه الإشارة ولا يقوم بتمرير التيار فإننا يُمكن أن نستعمله كمفتاح.

في عالم المفاتيح الكهربائية المثالي لا يُمكن للترانزستور إلا أن يكون في حالتين فقط: مغلق (off) عند عدم وجود جهد إنحياز أو إذا كان هذا الجهد أقل من 0.7 فولت، ومفتوح (on) عندما يكون في حالة إشباع.

تُمثل الدائرة التالية دائرة ترانزستور كمفتاح:

لا بد من أنك تتساءل الآن عن سبب استعمالنا لهذه الدائرة بدل استعمال مفتاح عادي وتجنب الإزعاج وصداع الرأس الذي سيسببهما لنا بناء الدائرة، فنحن نستطيع وصل المقاومة الكهربائية والثنائي الباعث للضوء (LED) والمفتاح على التسلسل ونحصل على نفس الوظيفة أليس كذلك؟ بالطبع هذا صحيح ولكننا هنا أغفلنا نقطة مهمة وهي أن الترانزستور يُعطينا القدرة على التحكم في تيار كبير بواسطة تيار صغير.

الترانزستور كمكبر

يتم استعمال توصيل الباعث المشترك من أجل استعمال الترانزستور كمكبر وهذا كما توضح الدائرة التالية:

نستعمل في هذه الدائرة مقاومتين (R3 وR4) كمقسم للجهد من أجل التحكم في مقدار فرق الكمون المطبق بين القاعدة والباعث، المقاومتين الأخرتين (R1 وR2) تستعملان كذلك كمقسم للجهد حيث أنهما المسؤولتين عن تزويدنا بجهد الخرج، يُعتبر مقسم الجهد الذي تشكله هذه المقاومتان مقسم جهد متغير، حيث تتغير نسبة كل مقاومة مقارنة بالأخرى تبعا لجهد الإنحياز مما يعني أن الجهد عند المجمع يتغير كذلك.

يقوم الترانزستور بتكبير الإشارة بسبب وجود تغيرات بسيطة عند الدخل مما ينعكس وبصورة كبيرة على إشارة الخرج. لنلقي نظرة أكثر قرب على عمل هذه الدائرة:

• تصل إشارة الدخل إلى الدائرة وهي تحمل مُركِبتين: مركبة التيار المستمر ومركبة التيار المتناوب (DC and an AC component)، بعبارة أخرى الفولطية تتأرجح وليست ثابتة لكنها لا تبلغ أبدا قيمة سالبة.
• طرف من أطراف الدخل موصول مع المأخذ الأرضي، وكذلك الطرف السالب للبطارية، نلاحظ كذلك أن باعث الترانزستور موصول مع المأخذ الأرضي عبر المقاومة R3 وكذلك مع أحد أطراف الخرج.
• وظيفة المكثف C2 هي إعتراض مركبة التيار المستمر (DC component) الخاصة بتيار الدخل، حيث لا يعبر سوى التيار المتناوب. بدون هذا المكثف سيتم إضافة مركبة التيار المستمر إلى جهد الإنحياز المطبق على الترانزستور مما قد يُؤثر على قدرة هذا الأخير على تكبير الإشارة المتناوبة بصورة صحيحة.
• المقاومتان R3 وR4 يُشكلان مقسمًا للجهد، وهو المسؤول عن تحديد عن تحديد قيمة الفولطية (DC voltage) المطبقة على قاعدة الترانزستور، مركبة التيار المتناوب (التي تعبر عبر C2) يتم تجميعها مع هذه الفولطية مما يُؤدي إلى تغير تيار القاعدة مع تغير الفولطية.
• المقاومتان R1 وR2 والمقاومة المتغيرة الخاصة بالمجمع-باعث (collector-emitter) يُشكلون أيضا مقسما للجهد عند خرج هذه الدائرة. يحدث التكبير لأن جهد التغذية الخاص بكامل الدئرة يتم تطبيقه أيضا عند الخرج، المقاومة المتغيرة الخاصة بالمجمع-باعث تعكس التغيرات الصغيرة في تيار الدخل المتناوب على نطاق أوسع عند الخرج.
• يقوم المكثف C1 بإعتراض المكونة المستمرة (DC component) الخاصة بالخرج، لذا لن نحصل إلا على تيار متناوب في النهاية.

فائدة الترانزستور

يعتبر الترانزستور أعظم إختراع في القرن العشرين فلقد فتح الأبواب على مصراعيها أمام التقدم التكنولوجي، فجميع الأجهزة الإلكترونية اليوم يدخل الترانزستور في تصميم دوائرها الكهربائية، لولا هذه القطعة ما كان بإمكانك قراءة هذه المقالة الآن فهي التي سمحت لك بوضع حاسوبك فوق مكتبك و حمل هاتفك بين يديك.

مقارنة مع الصمامات المفرغة التي كانت تُستخدم قبل إختراع الترانزستور، يعتبر المقحل نقلة جد نوعية فهو صغير الحجم وخفيف الوزن، كما أنه يمكن إنتاجه بكميات كبيرة وبتكلفة منخفضة، دون أن ننسى إستهلاكه المنخفض للطاقة وسرعة أداءه.

شرحنا في هذه المقالة طريقة عمل الترانزستور ثنائي القطب الذي يعتبر النوع الأكثر إستعمالا من المقاحل والمتواجد بوفرة في الأسواق، لكنه ليس النوع الوحيد فهناك عدة أنواع أخرى منها على سبيل المثال لا الحصر:

• ترانزستور تأثير المجال
• ترانزستور دارلنتون
• الموسفت