الرئيسية - السلاسل التعليمية - علوم الحاسب - [سلسلة تعلم الأردوينو] – قيادة أحمال خارجية باستخدام الترانزستور BJT

[سلسلة تعلم الأردوينو] – قيادة أحمال خارجية باستخدام الترانزستور BJT

نتعلم في هذه التدوينة كيفية قيادة أحمال خارجية ذات استطاعة عالية عبر استخدام الترانزستور BJT ثنائي القطبية ووصله مع مغرز رقمي على لوحة الأردوينو

يمكنكم أيضاً الاطلاع على كافة مقالات سلسلة تعلم الأردوينو من فهرس الدروس الخاص بها


1. حول الترانزستور

هو عنصر إلكتروني فعال مصنوع من مواد نصف ناقلة (شبه موصلة Semiconductor)، ويُعد جزءاً أساسياً ضمن أي دارة إلكترونية حديثة، حيث يوُفر الترانزستور إمكانية تنفيذ وظيفتين أساسيتين في عالم الدارات الإلكترونية:

  • تضخيم الإشارات
  • العمل كمفتاح تشغيل/إيقاف تشغيل On/Off Switch ضمن الدارات الإلكترونية (وهي الوظيفة التي تستخدم بالتطبيقات التحكمية ومحور مقالتنا اليوم لب المقالة).

يمتلك الترانزستور كعنصر إلكتروني ثلاثة مغارز Pins، وهي متصلة بالمناطق شبه الموصلة الثلاث التي يتكون منها الترانزستور، وتُسمى هذه المناطق:

  • القاعدة Base
  • المُجمّع Collector
  • الباعث Emitter

تمتلك المادة شبه الموصلة التي تكون منطقتي الباعث والمجمع نفس القطبية بينما تمتلك منطقة القاعدة قطبيةً معاكسة، وبالتالي فإنه يوجد نوعين من الترانزستورات:

  • ترانزستورات NPN: أي التي تكون فيها منطقة القاعدة ذات قطبية كهربائية سالبة (N) بينما منطقتي الباعث والمجمع ذات قطبية كهربائية موجبة P
  • ترانزستورات PNP: أي التي تكون فيها منطقة القاعدة ذات قطبية كهربائية موجبة P بينما منطقتي الباحث والمجمع ذات قطبية كهربائية سالبة N

ملاحظة: الشرح السابق وكذلك الصورة التوضيحية هي للترانزيستورات ثنائية القطبية BJT وليس لترانزيستورات أثر المجال (أثر الحقل) FET أو ترانزستورات موسفيت MOSFET

1.1. أبرز التطبيقات التي يمكن استخدام الترانزستورات ضمنها
  • الوظائف التحكمية ON-OFF.
  • التحكم بسرعة المحركات واتجاهها (قيادة المحركات).
  • تطبيقات تعديل عرض النبضة PWM.
  • عاكس للإشارة أو مضخم لها أو مقوم.
2.1. أبرز الخصائص التي تُميز الترانزستورات عن بضعها البعض
  1. نوع الترانزستور وذلك حسب ترتيب طبقات المادة نصف الناقلة وسماكتها ومستوى ونوع الإشابة فيها (BGT,FET,IGPT,…).
  2. التيار الذي يسمح بتمريره وأقصى تبديد للاستطاعة.
  3. الجهود التي يسمح بالتعامل معها.
  4. عامل التضخيم أو الكسب.
  5. مجال درجات الحرارة التي يعمل ضمنها باستقرار.
3.1. مثال عن مواصفات ترانزستور شهير الاستخدام   2N2222
  • نوع الترانزستور: الترانزستور ثنائي القطبية BJT من نوع NPN
  • ربح التيار المستمر (hFE) 300 كحد أقصى.
  • تيار المجمع (IC) :  800mA.
  • جهد وصلة قاعدة – جامع VCB) : 60) فولت.
  • جهد وصلة مجمع – باعث (VCE) : 30 فولت.
  • جهد وصلة باعث– قاعدة (VEB) :  5فولت.
  • أقصى تبديد للطاقة: 500 ميلي واط.

يمكن الاطلاع على كامل ورقة البيانات (Datasheet) الخاصة بترانزستور 2N2222 من هنا.

2. استخدام الترانزستور كمفتاح

غالبا ما يتم استخدام الترانزستور في التطبيقات الرقمية للعمل كمفتاح الكتروني، سواء في التطبيقات منخفضة الاستطاعة مثل البوابات المنطقية أو عالية الاستطاعة كما هو الحال بمزودات الطاقة، وعند استخدام الترانزستور بهذه الوظيفة يأخذ بعين الاعتبار ثلاثة أمور :

  1. كمية التيار التي يسمح الترانزستور بتمريرها
  2. الجهود التي يتحملها
  3. سرعة الإغلاق والفتح (الانتقال بين حالتي الإشباع والقطع)
1.2. آلية عمل الترانزستور كمفتاح الكتروني باختصار

ليكن لدينا الدارة الموضحة بالشكل :

تتكون الدارة السابقة من ترانزستور نوع NPN ومقاومة 1k أوم لتحديد تيار القاعدة والذي يكفي لتحويل الترانزستور لحالة الإشباع، وثنائي ضوئي لبيان حالة الترانزستور حيث يُضيء الثنائي عندما يكون الترانزستور بحالة إشباع وسينطفئ بحالة القطع للترانزستور. تم استخدام مقاومة 220 أوم لحماية الثنائي الضوئي ومفتاح ضاغط لتأمين تيار القاعدة أو منعه من الوصول للقاعدة.

  • عند ضغط المفتاح الضاغط يمر تيار عبر مقاومة القاعدة 1k أوم كافي لنقل حالة الترانزستور من حالة القطع إلى حالة الإشباع وبالتالي يضيء الثنائي ويكون شكل الدارة كما يلي:

حيث يعمل الترانزستور بهذه الحالة كمفتاح مغلق أي يسمح بمرور التيار.

  • عند إزالة الضغط عن المفتاح الضاغط ينقطع التيار عن المرور عبر مقاومة القاعدة 1k أوم فتنتقل حالة الترانزستور من حالة الإشباع إلى حالة القطع وبالتالي ينطفئ الثنائي ويكون شكل الدارة كما يلي:

حيث يعمل الترانزستور بهذه الحالة كمفتاح مفتوح أي لا يسمح بمرور التيار.

وللقيام بذلك التطبيق من خلال أي متحكم صغري أو لوحة تطويرية مثل الأردوينو، علينا فقط تأمين تيار القاعدة من قبل المتحكم عن طريق مغرز رقمي يعمل بنمط الخرج، حيث يكون تيار القاعدة المطلوب توليده من رتبة الميكرو أمبير، وبالتالي يمكن تأمينه بسهولة من مغرز رقمي في المتحكم.

3. مثال تطبيقي – تشغيل وإطفاء محرك تيار مستمر

1.3. شرح عمل الدارة

بنفس فكرة المثال السابق، عند إصدار إشارة واحد رقمي (أي جهد كهربائي عند المستوى المرتفع High-Level وبهذه الحالة تقريباً 5 فولت) من مغرز الخرج من لوحة الأردوينو المربوط بقاعدة الترانزستور وبالتالي يعمل الترانزستور بحالة الإشباع ويدور المحرك باتجاه واحد لمدة زمنية معينة ومن ثم توقف المحرك لمدة زمنية معينة بإصدار إشارة صفر رقمي (أي جهد كهربائي عند المستوى المنخفض High-Level، وبهذه الحالة 0 فولت) من لوحة الأردوينو عبر نفس المغرز الرقمي، من خلال ترانزستور 2N2222 وتكرار العملية باستمرار.

2.3. العتاد المستخدم
  • لوحة أردوينو أونو Arduino UNO، أو أي لوحة متوافقة معها.
  • لوحة تجريب إلكترونية.
  • أسلاك توصيل Jumper-Wire.
  • ترانزستور 2N2222 ومقاومة أومية للقاعدة 1 كيلو أوم.
  • مقاومة أومية للقاعدة 10 كيلو أوم.
  • محرك تيار مستمر يعمل بجهد بين 5 و 9 فولت وبتيار أعظمي للعمل 500mA.
  • مصدر تغذية بجهد مستمر 9 فولت.
  • ديود 1N4148 او بديل له.
3.3. البرامج المستخدمة
  • بيئة التطوير الرسمية الخاصة بلوحات الأردوينو (للتحميل: اضغط هنا )
4.3. توصيل العتاد

يتم توصيل العناصر كما هو موضح في المخطط الآتي:

ويكون شكل الدارة عمليا كما في الصورة الآتية:

ملاحظات هامة

  • تم استخدام الديود لحماية مجمع الترانزستور من التيار العكسي الناتج من المحرك أثناء توقفه عن الدوران.
  • تم استخدام ترانزستور يتحمل جهد التغذية الخاص بتشغيل المحرك وأيضا يتحمل تمرير التيار الذي يستهلكه المحرك من خلال وصلة المجمع – باعث.
5.3. الشيفرة البرمجية
// Using Transistor With Arduino

int Motor = 2; // output pin to controll transistor > motor

void setup() 
{
  // initialize digital pin Motor as an output.
  pinMode(Motor, OUTPUT);
}

void loop() 
{
  // turn the Motor on (HIGH is the voltage level)
  digitalWrite(Motor, HIGH);   
  // wait for 3 seconds
  delay(3000); 
  // turn the Motor off by making the voltage LOW                     
  digitalWrite(Motor, LOW);    
  // wait for 2 seconds
  delay(2000);                       
}
6.3. أفكار تطويرية
  • يمكنك تجريب شاشة المراقب التسلسلي لتشغيل أو إطفاء مصباح يعمل بجهد 12 فولت مع الانتباه للتغيرات اللازمة (مصدر التغذية، الترانزستور المستخدم من حيث الجهود والتيار التي يسمح بها)
  • يمكنك تجريب تشغيل أو إطفاء محرك تيار مستمر كمروحة تبريد، اعتمادا على قيم درجة الحرارة المقروءة من خلال حساس Lm35.
  • يمكنك تجريب الشيفرة البرمجية السابقة و تعديل قيم التأخير الزمني للتشغيل و الإطفاء باستخدام المقاومة المتغيرة ذات الذراع.

4. ملخص

  • استطعنا تشغيل جهاز يستهلك جهد أعلى من الجهد الذي تقدمه لوحة الأردوينو، وكذلك الأمر بالنسبة للتيار وذلك عبر استخدام ترانزستور مناسب ومصدر تغذية خارجي يؤمن الجهد والتيار المطلوبين لتشغيل الجهاز.
  • يجب اختيار الترانزستور بعناية بحيث يسمح بالجهد والتيار اللازمين لتشغيل الجهاز .
  • برمجيا لم نضطر إلا لتعليمة توليد إشارة رقمية على مغرز رقمي digitalWrite() وتعاملنا مع قاعدة الترانزستور وكأنها ثنائي ضوئي!
  • يمكن استخدام الحواكم Relays أو الكونتاكتور كجهاز ضمن دارة الترانزستور لتشغيل الأجهزة ذات الأحمال الكبيرة والمتناوبة كما هو موضح في الشكل التالي (سنتحدث عنها بمقال منفصل) .

عن Mouhamad Hadid

طالب هندسة الكترونيات و اتصالات في السنة الخامسة بجامعة دمشق مهتم بعالم الالكترونيات الرقمية و المتحكمات

تعليق واحد

اضف رد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني . الحقول المطلوبة مشار لها بـ *

*

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

x

‎قد يُعجبك أيضاً

[سبق تقني]: آي بي إم تُطلق أول شريحة معالجة بدقة تصنيع 2 نانومتر

أصبحت شركة آي بي إم الأميركية أول شركة في العالم تتمكن من تصنيع شريحة معالجة حاسوبية بتقنية تصنيع بدقة 2 نانومتر، متفوقة على كل الشركات الأخرى في هذا المجال