دايرة الـAmplifier باستخدام الترانزستور

ازاي نصمم دايرة amplifier باستخدام الترانزستور؟

اشتري كل المكونات المطلوبة للمشروع عن طريق صفحتنا على الفيسبوك من هنا، اكتب اسم المشروع وقولنا عالعنوان واحنا هنوصله لحد عندك.

الترانزستور ده هو اهم اختراع في علم الالكترونيات، بيستخدم استخدامين اساسيين:

1- مكبر إشارة Amplifier

2- مفتاح Switch

هنتكلم النهاردة عن الاستخدام الأول وهو ازاي نستخدمه كمكبر؟

الفكرة كلها موجودة في المعادلة دي:

Ic = ß x Ib

دي معادلة الترانزستور الأساسية واللي بتقول انه أي تيار هيخش للـbase بتاعة الترانزستور هيطلع هو هو بس مضروب في رقم، بالتالي لو انا التيار بتاعي دا على شكل sine wave مثلا هيطلع sine wave برضه بس كبيرة! طب لو التيار بتاعي على أي شكل تاني؟ هيطلع نفس الشكل بس كبير. بالتالي الترانزستور بيقلد أي حاجة ادخلهاله.

طب هل لازم أدخل التيار على الـbase؟

لا مش شرط، عندنا أكتر من دايرة عشان أستخدم الترانزستور فيها، كل دايرة ليها خاصية معينة، ودول أشهر تلات دوائر:

1- Common Emitter

2- Common Base

3- Common Collector

ايه الفرق بينهم؟

الفرق اني مرة بدخل الإشارة على الـbase وباخدها من الـcollector فبكدة بلاقي الجهد والتيار اتضاعفوا، دا في الـCommon Emitter، والتانية بلاقي الجهد بس اتضاعف، وانا مش مهتم بالتيار فأخلي الترانزستور يركز على تكبير الجهد ويطلع التيار زي ماهو، والتالتة لا أنا عايزه يركز عالتيار، والجهد انا هتعامل معاه بعدين أو هو كبير أصلا.

طب ليه بنسميهم Common حاجة؟

common يعني مشترك، يعني أنا بدخل جهد عالـbase مثلا، الجهد دا لازم يكون بالنسبة لحاجة، فلما أقول أنا مدخل 5 فولت على الـbase أول سؤال لازم يكون: 5 فولت بالنسبة لمين؟ هقولك بالنسبة للـemitter طب تمام، وأخدت 50 فولت من الـcollector، بالنسبة لمين؟ بالنسبة للـemitter برضه، بالتالي الـemitter هو الرجل المشتركة بين الدخل والخرج فبنسمي الدايرة common emitter.

Common Emitter Amplifier

طبعا أشهر دايرة هي الـCE عشان بتكبر الجهد والتيار، ولكن فيه أكتر من شكل للدايرة دي، كلهم نفس الفكرة العامة ولكن بيختلف الأداء بتاع كل دايرة، فيه دايرة منهم مثلا بتتأثر بالحرارة فبالتالي مش هتكون كويسة في الأماكن الحارة، هنتكلم في بوست تاني عن أنواع الدواير دي وايه الفرق بينهم بالمعادلات. بس حاليًا هنستخدم دايرة الـvoltage divider Common Emitter Amplifier.

كلمة voltage divider بتشير للمقاومتين اللي بيشكلوا voltage divider عند الدخل بتاع الترانزستور.

معظم الدكاترة بيشرحوا ازاي بنحلل الدايرة دي ولكن محدش بيشرح ازاي بنصممها، هدفنا في البوست دا ازاي نصمم الدايرة عشان تشتغل زي ما احنا عايزين.

3 قواعد أساسية واحنا بنصمم الـamplifier:

1- الـbase – emitter junction دايما عليها فرق جهد 0.6-0.7 فولت، ده الافتراض اللي بنفترضه واحنا بنصمم الدايرة عشان لما نحسب الـ VBE نقدر نعوض عن قيمته برقم.

2- الـß بتاعة الترانزستور كبيرة، 100-300، أي تغيير بسيط في الـIb بيقابله تغيير كبير في الـIc.

3- بنفترض انه الـIe والـIc يساووا بعض، لأنه Ie=Ic+Ib ولكن Ib صغير بالنسبة لـIc فمش هيفرق كتير.

دي الدايرة الأساسية:

فيه بعض المكثفات ولكن مش بيلعبوا دور أساسي في التصميم الـDC فهنسيبهم دلوقتي.

Rc هي المقاومة المتصلة بالـcollector، الـRe المقاومة المتوصلة بالـemitter. الـ R1 و الـR2 مهمين لأنهم بيشكلوا الـvoltage divider وهما اللي بيحددوا الـbias point بتاعة الترانزستور.

يعني ايه الـbias point؟

الإشارة اللي احنا عايزين نكبرها عبارة عن اشارة AC فمنعرفش قيمتها كام، ممكن 0 فولت، 1 فولت؟ (لازم نبقا عارفين أقصى قيمة ليها كام عشان منحرقش الترانزستور) ممكن تتراوح ما بين 0 و 1 فولت، والترانزستور مش بيشتغل إلا لما يكون فيه جهد أكبر من 0.7 فولت على الـbase-emitter junction، فاحنا بنحط جهد أكبر من 0.7 بنفسنا، مش بنعتمد على الإشارة اللي جاية من برا، لا احنا بنحط جهد معين باستخدام R1 & R2 بحيث يبقا فيه مثلا 2 فولت عند الـbase وده أكبر من 0.7 فنضمن إنه الترانزستور شغال. فبنطلق اسم DC bias point، أو Q-point على الجهود الـDC الثابتة اللي احنا حاطينها بنفسنا عشان نضمن انه الترانزستور يشتغل عندها. لأن فيه جهود تانية AC متغيرة هتخش عالدايرة مش عارفين هتعمل ايه، فعايزين نضمن دايرتنا منسيبهاش كدة عايمة. الجهود دي هي: VB, VC, VE. احيانا بيخلوهم: VCE, VBE. نفس الفكرة في الاخر.

جهد البطارية

أول حاجة لازم نسألها: نختار بطارية جهدها كام للدايرة؟ لازم يكون جهد البطارية أقل من أقصى جهد الترانزستور يستحمله عشان منحرقهوش، ممكن نبص في الـdatasheet بتاع الترانزستور عشان نعرف ايه الـVce0. احنا هنستخدم 12 فولت، والترانزستور 2N2222 وأقصى جهد ليه 40 فولت.

اختيار الـQ-point

عشان نختار الـQ-point كل اللي في ايدينا نتحكم فيه هي المقاومات، اللي هي Re, Rc, R1 and R2.

الخطوة الأولى: اختيار قيمة التيار Ic:

طبعا ممكن نختار أي رقم أقل من 800mA لان أكتر من كدة الـ2n2222 مش هيستحمل وهيتحرق، طب لو عايزين أكتر من كدة؟ ممكن نجيب power transistor زي BD135 دا بيستحمل لحد 1.5A. خلينا نختار على سبيل المثال 15mA، الـ15mA الـDC دول اللي جايين من البطارية من اول ما اشغل الدايرة هيفضلوا ماشيين لحد ما اقفلها، طب والإشارة الـAC الصغيرة اللي عايز أكبرها؟ هتروح عند Ic وهي كبيرة بقا وتبقا راكبة فوق الـ15mA دول فتلاقي الـ15 بيتغيروا، بيزيدوا وينقصوا، ممكن يتغيروا من 10 لـ20 مثلا او من 5 لـ25 حسب التيار اللي داخل قيمته كام ونسبة التكبير كام.

الخطوة التانية: تحديد قيمة التيار Ib:

كدة حددنا قيمة الـIc واللي هي تعتبر قيمة الـIe، ناقصنا قيمة الـIb.

Ib=Ic/B=15mA/200=0.075mA

هنا اعتبرنا إنه الـB قيمتها 200، ودا اختيار معقول ﻷن الترانزستور هيشتغل كمكبر، فهنفترض إنه هيكبر 200 مرة التيار اللي داخله، ولو رجعنا للداتاشيت هنلاقي إنه قيمة الـB بتتراوح بين 100 لـ300، وبتتغير مع الحرارة، فأخدنا رقم تقريبي في النص.

الخطوة التالتة: تحديد قيمة الجهد Vce:

كدة خلصنا التيارات وفاضل الجهود، طبعا عارفين إنه Vbe ثابت 0.7، يبقا اللي فاضل هو Vce. هنختار الجهد دا في الـrange:

Vbattery/3 → Vbattery/2

4V → 6V

ولتكن 4V.

الخطوة الرابعة: تحديد قيمة المقاومات:

خلاص حددنا الـQ-point اللي عايزين نشتغل عندها، ازاي بقا ننفذها؟ عن طريق المقاومات.

هنقول إنه الجهد على المقاومة Rc يساوي الجهد على المقاومة Re وبالتالي جهد البطارية هيكون متقسم كالتالي: جزء هيكون على الترانزستور (الـVce) وجزء هيتقسم بالتساوي على الـRc و الـRe.

Vce=4V, Vabttery=12V

12V-4V = 8V

8V/2=4V

إذا، الجهد على كل مقاومة 4V.

نعمل KVL على دايرة الخرج:

IcRc+Vce+IeRe=Vbattery

بما أن:

Ic=Ie* Rc=Re*

نعوض:

2IcRc+Vce=Vabttery

عندنا كل القيم إلا Rc.

Rc=(Vbattery-Vce)/(2Ic)

Rc=(12-4)/(2*15m)=266ohm

يبقا:

Rc=Re=220ohm (ناخد أقرب قيمة)

المقاومات R1 و R2:

المقاومات دول هما اللي بيتحكموا في قيمة الـIb. احنا عايزين الـIb=0.075mA، يبقا نستخدم الاتنين كالتالي: هنعتبر انه المقاومات دول أكبر بكتير جدا من بقية المقاومات في الدايرة، بالتالي المقاومات التانية مش هتاثر عليهم تماما والدايرة تبقا كدة:

نفترض انه فيه تيار اسمه Io بيمر في المقاومة R2 والتيار Ib هو اللي بيدخل للـbase يبقا بيمر في R1 بس، يبقا الاتنين جايين من البطارية فوق وبيتقسموا في النص.

زي ما احنا شايفين في الدايرة المقاومتين دول عاملين voltage divider الاتنين متوصلين عالتوالي من البطارية للأرضي. جهد النقطة اللي بينهم بيكون كالتالي:

Vb=R2/(R1+R2) *Vbattery

طب والجهد دا يهمنا في ايه؟ الجهد دا مهم جدا، لأن زي ماحنا عارفين إنه لازم الـVBE=0.7V، والـ VBE=VB-VE، بالتالي لازم الفرق دا يكون 0.7، فلو فاكرين من شوية قولنا الجهد على الـRe هيساوي 4V، دا معناه إنه الـVE=4V واحنا عايزين الـ VBE=0.7V يبقا مين المجهول الناقص في المعادلة دي؟ VB.

VB=VBE+VE=0.7+4=4.7V

يبقا ممكن نستنتج المعادلة دي:

Io*R2=VB

Io*R2=4.7V

بس احنا معندناش قيمة Io عشان نجيب قيمة R2 فمحتاجين معادلة تانية.

لو عملنا KVL على الدايرة اللي فوق هنلاقي:

(Ib+Io)*R1+Io*R2=Vbattery

نعوض:

Vbattery=12V

Io*R2=4.7V

(Ib+Io)*R1=7.3V

لسا عندنا مجهولين.. مضطرين نفترض، هنفترض إنه الـIo أكبر بـ25 مرة من Ib. ليه؟ مجرد افتراض معقول عشان نقدر نحسب قيم المقاومات.

Io=25Ib

(Ib+25Ib)*R1=7.3V

Ib=0.075m

26*(0.075m)*R1=7.3V

R1=7.3/(26*0.075m)

R1=3.7kohm

R2=4.7/(Io)=4.7/(25*0.075m)=

R2=2.5kohm

هناخد R1=3.3kohm و R2=2.2kohm بكدة نكون جيبنا قيم كل المقاومات.

الدايرة الكاملة

دا شكل الدايرة الكاملة، الزيادة 3 حاجات:

3 مكثفات، الاتنين اللي عالدخل والخرج بتاع الدايرة، ودول مهمتهم انهم يمنعوا أي تيار DC انه يعدي، بيعدي الـAC بس عشان هي دي الإشارة اللي عايزين نكبرها، أي حاجة DC هتخش تبوظ الـbias point/Q-point اللي بقالنا ساعة بنظبطها. وعند الخرج بنطلع اشارة AC بس. والمكثف اللي تحت بيستخدم في إنه يعمل bypass للمقاومة الـRe واحنا شغالين AC بحيث الإشارة تشوف المقاومة Rg عند الـemitter.

تيار الـemitter بالنسبة للـAC بيكون:

ie=v_input/r'e

(r'e المقاومة الداخلية للترانزستور)

عشان نحسب الـr'e هنستخدم التيار Ie والقيمة 26mV ودا ثابت بيجي من معادلة للترانزستور هنهتم بيها بعدين، يبقا:

r'e=26mV/Ie=26m/15m=1.733ohm.

طب وايه الـie في المعادلة اللي فوق؟ عندنا تيارين في الـemitter، واحد DC ودا احنا حاسبين قيمته وعارفينه، اسمه Ie حروف كابيتال، وواحد AC ودا متغير هيجيلنا من الدخل، مش عارفين قيمته وبنرمز له بالرمز ie حروف صغيرة، لازم نفرق بينهم لأنهم مش نفس الحاجة.

الجهد الـAC عند الـinput بيعدي من المكثف ويروح عالـbase ويجي على الـemitter على طول وبعد كدة يعدي على المكثف ويروح للأرضي، فالمكثف بالنسبة له short circuit لأن مقاومته هتكون صغيرة جدا عند التردد بتاع اﻹشارة.

طب والخرج؟ الخرج هيتاخد من الـcollector بالتالي هيساوي:

v_output=ic*Rc

واحنا واخدينه بالنسبة للأرضي.

وبما إن احنا فرضنا إنه ie=ic بالتالي:

v_output/v_input=(ic*Rc)/(ie*r'e)

gain=Rc/r'e=220/1.7=129

ودا اللي هو نسبة تكبير الدايرة، اللي هو جهد الخرج أكبر من جهد الدخل كام مرة؟ 129 مرة.

المكثفات

1- مكثف الدخل والخرج: مقاومة المكثف بتقل مع زيادة التردد، Xc=1/wC، بالتالي لو التردد صفر (DC) المقاومة هتكون مالانهاية، او رقم كبير جدا، مش هيعدي الـDC عشان كدة بنقول انه بيعمل block للـDC، وبما اننا هنكبر اشارة صوتبة يبقا اقل تردد 20Hz، لازم نختار القيمة دي انها تساوي تقريبا قيمة R2 عشان الإشارة اللي داخلة متصغرش، لأن R2 و مكثف الدخل عاملين voltage divider ودا هيقسم جهد الدخل فهيصغر:

Xc=R2=2.2k=1/(2*pi*20*C)

C=1/(2*pi*20*2.2k)

= 3.6uF

ممكن ناخد 1uF.

2- bypass capacitor

المكثف دا اللي بيكون عالتوازي مع الـRe، عند التردد العالي المكثف دا المفروض قيمته تكون صغيرة جدا بالنسبة للـRe بحيث اﻹشارة تيجي كدة ترددها 10kHz مثلا تلاقي طريقين: مقاومة 220ohm ومكثف مقاومته 10ohm مثلا، هتختار ايه؟ هتمشي في المكثف وبالتالي هتكون مش شايفه المقاومة اصلا. طب الـDC تردده صفر هيلاقي المكثف مقاومته كبيرة جدا، والمقاومة 220ohm، هيمشي في المقاومة، وبكدة يبقا احنا قدرنا نستفيد من المقاومة في الـbias واتخلصنا منها في اثناء التشغيل. فاحنا عايزين مقاومة المكثف تكون اصغر عشر مرات من مقاومة الـRe:

Xc=Re/10=220ohm/10=22ohm

22=1/wC

C=1/(w*22)=0.000079577F

=361.7uF

هنختار 100uF.

المشروع

هنجرب الدايرة دي على سماعة، هندخلها صوت من الموبايل عن طريق كابل الـAUX والخرج هناخده على سماعة.

هنحتاج ايه؟

1. Adapter 12V – 1A + connector

2. breadboard

3. 2N2222 transistor x2

4. R220ohm x4

5. R2.2kohm x2

6. R3.3kohm x2

7. C1uF x3

8. C100uF x2

9. AUX cable x1

10. Speaker 8ohm x1 +2 wires

11. 2 wires m2m

هنعمل ايه؟

الدايرة بتكبر الإشارة 129 مرة، بس هل دا هيكون كافي لأننا نسمع الصوت؟ هننفذ الدايرة الأول ونسمع الصوت، وبعدين بنعمل نفس الدايرة تاني جنبها، يبقا كدة عدينا الاشارة على الدايرة مرتين، ودا اسمه cascade، يعني الإشارة بتدخل تكبر 129 مرة، وبعدين ناخدها نضاعفها 129 مرة تانيين، يبقا كأننا كبرناها 129*129 = 16,641 مرة. هنلاقي إنه الصوت كبر بس بقا وحش ودا ناتج عن حاجة اسمها الضوضاء noise، ودي بتيجي من الترانزستور نفسه، يعني بيكبر الاشارة ويبوظ فيها شوية، فيه ترانزستورات تانية غير 2n2222 بتكبر الاشارة بـnoise قليلة ودي مناسبة لدوائر الصوت، بس هدفنا اننا نصمم دايرة amplifier عامة لكافة الأغراض والإشارات.

 

نتمنى تكونوا استفدتم بالمقال، وإلى مقال اخر.