ترانزستورات 6 ثنائية القطبية BJT ج1

Silicon_PNP_Epitaxial_Type_Transistor_2SA1015.jpg_220x220

بعد أن تعرفنا في المقالات السابقة على الثنائيات (الديودات) كتطبيق لوصلة PN البسيطة المكونة من قطعتين من أنصاف النواقل إما السيليكون أو الجيرمانيوم، سنتعرف في مقال اليوم على عنصر جديد هو الترانزستور والذي يعتبر ربطاً لثنائيين معاً على التسلسل بحيث يتشاركان بالقطعة الوسطى (أي PNP أو NPN) فنحصل على وصلتين وطبقة ثالثة وسطى.

متابعة مفيدة وممتعة ..

 

اشتقت كلمة ترانزستور من الكلمتين: Transfer Resistor (أي تحويل المقاومة) حيث يمكن الانتقال من دارة ذات مقاومة منخفضة إلى دارة ذات مقاومة عالية (وبالعكس) فقدرة الترانزستورات على الانتقال بين حالتي العزل والتوصيل مكّنها من القيام بوظيفتين أساسيتين : التبديل Switching (في الالكترونيات الرقمية) والتضخيم amplification (في الالكترونيات التماثلية).

 

تسمى مناطق الترانزستور: الباعث Emitter ، القاعدة Base ، المجمع Collector حيث توصل إلى الدارة التي يعمل ضمنها الترانزستور بأطراف توصيل سلكية معدنية تسمى C, B, E على الترتيب ويتراوح طول كل طرف بين 5 و15 مم، ويكون الترانزستور ذا غلاف معدني أو بلاستيكي مغلق بإحكام لمنع تأثيرات الرطوبة والضوء وتبرز الأطرف من هذا الغلاف.

 

يكون المجمع والباعث من نفس النوع N أو P في حين تختلف عنهما القاعدة، ويكون تركيز الشوائب في الباعث أعلى من تركيزها في المجمع وأعلى من تركيزها في القاعدة، كما يكون مقاس منطقة المجمع أكبر بكثير من مقاس منطقة الباعث، في حين تكون منطقة القاعدة ضيقة جداً يتراوح سمكها بين 1 و 100 ميكرومتر.
تتشكل وصلة PN بين منطقة القاعدة وكل من منطقتي الباعث والمجمع، وقد سمي هذا الترانزستور بثنائي القطبية لأن عمله يعتمد على توصيل التيار بالثقوب والالكترونات معاً.

 

يمكن أن نميز ثلاث حالات لعمل الترانزستورات:

المنطقة الفعالة Active Region: يعمل فيها الترانزيستور كمضخم ويكون IC = β.IB

 

منطقة الإشباع Saturation Region: يكون الترانزستور في حالة عمل Fully-ON ويعمل فيها الترانزيستور كمبدل،

 

ويكون: (IC = I(saturation 
* منطقة القطع Cut-off Region: يكون الترانزستور في حالة قطع Fully-OFF ويعمل فيها الترانزيستور كمبدل أيضاً،

ويكون: IC = 0

 

تعتبر الترانزستورات ثنائية القطبية عناصر منظمة للتيار وتقوم بالتحكم بكمية التيار المتدفق فيها بما يتناسب مع قيمة جهد الانحياز المطبق على طرف القاعدة B الذي يعمل كمفتاح تحكم بالتيار. ولا يوجد فرق بين نوعي الترانزستورات NPN وPNP من ناحية آلية العمل، إنما يختلفان فقط في الانحياز وقطبية المنبع المغذي لهما.

 

bjt1

 

يدل السهم الموجود في (الرموز المستخدمة في الدارة) في الشكل السابق على اتجاه اصطلاحي لتدفق التيار ودائماً ما يشار إليه بوضع سهم بين القاعدة وطرف الباعث ويكون اتجاه السهم من المنطقة الموجبة P إلى السالبة N كما هو الحال في رمز الثنائي.

تشكيل الترانزستور ثنائي القطبية في الدارات الالكترونية:

يوجد بشكل أساسي ثلاث احتمالات لتشكيل هذا العنصر ضمن الدارة الالكترونية بحيث يكون طرف واحد مشتركاً بين دخل الدارة وخرجها. تختلف استجابة كل وصلة للدخل المطبق كما أن الخواص الساكنة للترانزيستور تختلف أيضاً.

 

الحالة الأولى : وصلة القاعدة مشتركة Common Base وتمتاز بوجود ربح في الجهد فقط.

الحالة الثانية : باعث مشترك Common Emitter: وتمتاز بوجود ربح في الجهد والتيار .

الحالة الثالثة : مجمع مشترك Common Collector: وتمتاز بوجود ربح في التيار فقط .

وصلة القاعدة المشتركة (CB):

تسمى أيضاً القاعدة المؤرضة. تكون وصلة القاعدة مشتركة بين إشارة الدخل وإشارة الخرج، حيث تطبق إشارة الدخل بين القاعدة والباعث في حين تؤخذ إشارة الخرج بين القاعدة والمجمع حيث يكون طرف القاعدة مؤرض أو موصول إلى نقطة جهد مرجعية.

 

يكون تيار الدخل المتدفق عبر الباعث تياراً كبيراً، حيث أنه يعتبر مجموع تيار القاعدة وتيار المجمع، لذا فإن تيار خرج المجمع هو أقل من تيار الدخل (تيار الباعث ) مما يعني أن الربح في التيار هو أقل من 1، وبعبارة أخرى نستطيع أن نقول بأن وصلة القاعدة المشتركة تقوم بتخفيف إشارة الدخل .

 

الشكل 2: دارة القاعدة المشتركة

 

bjt2

 

 

يشكل هذا النوع من المكبرات “دارة مكبر جهد غير عاكس non-inverting voltage amplifier” أي أن إشارتي جهد الدخل والخرج متفقتان بالصفحة (فرق الصفحة = 0). عادة لا تستخدم هذه الوصلة بصورة كبيرة في دارات المكبرات بسبب خصائص ربح الجهد المرتفع الغير عادية، يملك هذا التوصيل يضاً نسبة عالية لمقاومة الخرج إلى الدخل (مقاومة الحِمل إلى مقاومة الدخل) وبالتالي يوجد ربح للمقاومة. و يعطى ربح الجهد في هذه الدارة بالعلاقة:

bjt

حيث أن:

IC/IE : ربح التيار ويرمز له α (ألفا alfa)

 

RL/ RIN : ربح المقاومة .

 

لا تستخدم هذه الدارة عادة إلا في دارات التكبير ذات المرحلة الواحدة مثل: دارة التضخيم الأولي للمايكروفون أو في دارات التكبير الراديوي بسبب استجابتها الجيدة في مجال الترددات العالية.

وصلة الباعث المشترك (CE):

 

تسمى أيضاً الباعث المؤرض، تطبق إشارة الدخل في هذا النوع بين الباعث والقاعدة، بينما تؤخذ إشارة الخرج بين المجمع والباعث. يعتبر هذا النوع من الدرات هو الأكثر شيوعاً في دارات المكبرات المبنية على أساس الترانزستور، وهي تعتبر الطريقة الاعتيادية لوصل الترانزستور ثنائي القطبية في الدارة.

 

تعطي دارة الباعث المشترك أعلى قيم في ربح الاستطاعة والتيار من بين طرق التوصيل الثلاثة، ويعود السبب إلى أن ممانعة الدخل تكون صغيرة لأنها مأخوذة بين طرفي وصلة PN منحازة أمامياً، بينما تكون ممانعة الخرج كبيرة لأنها مأخوذة من طرفي وصلة PN منحازة عكسياً.

 

الشكل 3: دارة تكبير الباعث المشترك

bjt3

 

*

يكون التيار المتدفق خارج الترانزيستور في هذه الدارة مساوياً لتيار الدخل المتدفق فيه، حيث تعطى قيمة تيار الباعث بالعلاقة:

IE=IC+IB

تربط مقاومة الحمل RL على التسلسل مع المجمع، ويكون ربح التيار في هذا النوع كبير ويعطى بالنسبة I_C⁄I_B ،

ويرمز لربح التيار بالرمز اليوناني بيتا β .

يعطى تيار الباعث لهذه الدارة بالعلاقة IE = IC+IB ، وتسمى النسبة I_C⁄(I_E ) ألفا α. حيث α<1.

<!–1–>

 

تتحدد العلاقة الكهربائية بين التيارات الثلاثة بطبيعة الترانزيستور نفسه، وبالتالي فإن أي تغيير بسيط في تيار القاعدة IB سيؤثر بشكل كبير على تيار المجمع IC ، وبالتالي فإن التغيرات الصغيرة في تيار القاعدة هي التي ستتحكم بالتيار في الدارة باعث – مجمع.

 

تتراوح قيمة β بين 20 و 200 لمعظم الترانزستورات المستخدمة، فإذا كانت قيمة β على سبيل المثال تساوي 100، فإن الكتروناً واحداً سيتدفق في تيار طرف القاعدة يقابل تدفق 100 الكترون بين طرف دارة الباعث – المجمع. وبالربط بين صيغة كل من α و β نحصل على العلاقة الرياضية بين هذين البارامترين، ونتيجة لذلك يعطى ربح التيار في الترانزيستور بالعلاقة:

bjt4

 

حيث أن :

IC : تيار الدخل إلى طرف المجمع .

 

IB : التيار الداخل إلى طرف القاعدة .

 

IE : التيار الخارج من طرف الباعث .

 

وبالتالي نستطيع تلخيص هذه الوصلة في النقاط التالية:

  • مقاومة دخل كبيرة.
  • ربح التيار والاستطاعة أكبر من الربح في دارة القاعدة المشتركة.
  • ربح الجهد أقل بكثير مقارنة بدارة القاعدة المشتركة.
  • دارة الباعث المشترك هي دارة مكبر عاكس، أي أن إشارة الخرج تكون مزاحة بالطور 180 درجة عن إشارة الدخل .

وصلة المجمع المشترك (CC):

 

تسمى أيضاً المجمع المؤرض، حيث يكون طرف المجمع هنا مشتركاً من خلال منبع تغذية. يتم توصيل إشارة الدخل مباشرة بالقاعدة بينما تؤخذ إشارة الخرج من حمل الباعث. تُعرَف هذه الدارة باسم دارة تابع الجهد Voltage Follower ، أو دارة تابع الباعث Emitter Follower.

 

تعتبر هذه الوصلة مفيدة جداً في التطبيقات التي تحتاج إلى موائمة ممانعات impedance matching بسبب مقاومة الدخل العالية جداً (بحدود مئات الآلاف من الأوم) بينما تكون مقاومة الخرج صغيرة نسبياً.

 

الشكل 4: دارة الترانزستور في وصلة مجمع مشترك

 

bjt5

يمكن أن نلاحظ من الدارة مايلي:

  • يساوي ربح التيار (تقريباً) في هذه الدارة قيمة المعامل β الخاص بالترانزيستور نفسه.
  • تربط مقاومة الحمل RL على التسلسل مع الباعث لذلك يكون تيار الحمل هو تيار الباعث نفسه.

يعطى ربح التيار في هذه الدارة بالعلاقة :

 

bjt6

 

 

  • هذه الدارة غير عاكسة، أي أن إشارة جهدي الدخل والخرج متفقتان بالطور.
  • تملك هذه الدارة ربح جهد أقل من الواحد دائماً.
  • مقاومة الحمل تستقبل كل من تيار القاعدة وتيار المجمع لتعطي ربح تيار كبير (كما في دارة الباعث المشترك) لذلك فهي تقدم ربحاً جيداً للتيار مع ربح ضعيف للجهد.

العلاقات بين التيارات والربح:

 

نبين في الجدول التالي العلاقات الأساسية للتيارات ضمن ترانزستورات BJT والعلاقات فيما بينها وبين معاملات الربح:

 

bjt7

 

مقارنة بين الأنواع الثلاث:

 

نبين في الجدول التالي ملخصاً للمقارنة بين أنواع الوصلات الثلاثة التي تحدثنا عنها:

 

bjt8

 

الجزء الثاني

الجزء الثالث

 

مقالات مشابهة :

 *
المصدر