ترانزستورات ج7 ثنائية القطبية BJT ج2

Silicon_PNP_Epitaxial_Type_Transistor_2SA1015.jpg_220x220

تحدثنا في المقال السابق عن الترانزستورات ثنائية الوصلة BJT ورأينا أنها تنقسم إلى نوعين بحسب طريقة وصل الثنائيين الداخليين، حيث يمكن أن تكون إما NPN أو PNP.

*

سنلقي الضوء في هذا المقال بشكل مفصل على الترانزستورNPN الذي يعتبر الأكثر استخداماً في وصلة الباعث المشترك Common Emitter.

*

متابعة مفيدة وممتعة ..

*

الترانزستور ثنائي الوصلة نوع NPN:

الشكل 1: تشكيل الترانزستور واتجاه التيارات والجهود الخاصة

bjt11

 

تشكيل الترانزستور و اتجاه التيارات و الجهود الخاصة

 

*

يحدد السهم الخارج من الترانزستورNPN اتجاه التيار (إصطلاحياً).

يكون الجهد بين القاعدة والباعث VBE موجباً عند القاعدة وسالباً عند الباعث لأن الترانزستور نوع NPN

جهد القاعدة يكون دائماً أكثر إيجابية بالنسبة لجهد الباعث.

يكون منبع الجهد المغذي للمجمع موجباً أيضاً بالنسبة لجهد الباعث VCE

إذاً: لكي يتم توصيل الترانزستور NPN يجب أن يكون المجمع دائماً أكثر إيجابية بالنسبة لكل من القاعدة والباعث.

*

الشكل 2: توصيل الترانزستورNPN

bjt10

*

يتم توصيل المجمع بمصدر الجهد VCC من خلال مقاومة الحمل RL التي تعمل على تحديد أقصى تيار يمر خلال الترانزستور.

يتم توصيل مصدر جهد القاعدة VB إلى مقاومة القاعدة RBالتي تستخدم أيضاً لتحديد أقصى تيار للقاعدة.

*

إذا يعتبر ترانزستورNPN عبارة عن حركة حاملات الشحنات السالبة (الالكترونات) عبر القاعدة التي تحدد عمل الترانزستور حيث تؤمن هذه الإلكترونات المتحركة الوصل بين دارتي الباعث والمجمع. ويعتبر هذا الوصل بين دخل وخرج الدارة الميزة الرئيسية لعمل الترانزستور (بشكل عام) لأن خصائص التضخيم يتم الحصول عليها من التحكم المتواصل المطبق من القاعدة على تيار الباعث – مجمع.

*

نعلم أن الترانزستور ثنائي القطبية BJT هو عنصر يعمل بالتيار (النمط بيتا Beta model)، ويمر تيار كبير IC خلال العنصر بين أطراف المجمع والباعث عندما يكون الترانزستور في حالة التوصيل fully-ON، ويحدث هذا فقط عندما يمر تيار انحياز صغير IB في طرف القاعدة في نفس الوقت، وهكذا يسمح للقاعدة بالعمل كنوع من أنواع متحكمات تيار الدخل.

*

ربح التيار في ترانزستور BJT من النوع NPN:

 

يُعطى ربح التيار كنسبة بين التيارين IC/IB، ويسمى ربح التيار المستمر DC Current Gain ويرمز له بالرمز hfE أو بيتا β.

يمكن أن تكون قيمة β كبيرة حتى 200 للترانزستورات القياسية، وهذه النسبة المرتفعة بين IC و IB هي التي تجعل من الترانزستور NPN أداة تكبير مفيدة عندما تستخدم في المنطقة الفعالة حيث يمثل IB تيار الدخل ويمثل IC تيار الخرج.

*

ملاحظة: إن بيتا β ليس لها واحدة لأنها نسبة.
*
يسمى ربح التيار للترانزستور من طرف المجمع إلى طرف الباعث IC/IE بـ ألفا α وهو تابع للترانزستور نفسه (انتشار الالكترونات عبر الوصلة).

*

وحيث أن تيار الباعث IE هو مجموع تيار القاعدةIB مضافاً إليه تيار المجمع الكبير فإن قيمة ألفا تكون قريبة جداً من الواحد، (بين حوالي 0.950 إلى 0.999) لترانزستور الإشارة ذات الاستطاعة المنخفضة.

*

العلاقة بين α و β في ترانزستور NPN :

 

*

bjt22

*

وبدمج البارامترين α وβ سنحصل على صيغتين رياضيتين تعطيان العلاقة بين التيارات المختلفة التي تمر خلال الترانزستور:

*

bjt33

*

وكذلك عندما تكون قيمة تيار القاعدة مرتفعة فإن قيمة تيار المجمع المناظر سوف تكون مرتفعة أيضاً، أي أن تيار القاعدة يتحكم بتيار المجمع، وهذا أحد أهم خصائص الترانزستور ثنائي القطبية أنه بتيار قاعدة صغير يمكن التحكم بتيار أكبر في المجمع.

*

مثال:

ترانزستور NPN له ربح تيار للتيار المستمر β = 200. احسب تيار القاعدة المطلوب لتوصيل تيار 4 mA لحمل أومي.

*

الحل:

*

bjt44

 

 

إن جهد المجمع VC يجب أن يكون أكثر إيجابية بالنسبة لجهد الباعث VE للسماح بمرور التيار خلال الترانزستور بين وصلات المجمع – الباعث .

*

يوجد أيضاً هبوط في الجهد بين أطراف القاعدة والباعث حوالي 0.7 v(تكافئ هبوط جهد على ثنائي واحد) وذلك لأجهزة السليكون لأن خصائص الدخل للترانزستور NPN تمثل ديود ذات انحياز أمامي. نتيجة لذلك يجب أن يكون جهد القاعدة VB للترانزستور NPN أكبر من القيمة 0.7 v وإلا فإن الترانزستور لن يتم توصيله بتيار القاعدة والذي يعطى بالعلاقة:

*

bjt55

*

مثال:

ترانزستور NPN له جهد انحيار قاعدة مستمر VB = 10V ومقاومة دخل القاعدة RB = 100 KΩ . ما هي قيمة تيار القاعدة الداخل إلى الترانزستور.

الحل :

*

bjt66

*

دارة الباعث المشترك:

فضلاً عن كونها تستخدم كمفتاح مصنوع من أنصاف النواقل لتوصيل تيارات الحمل أو فصلها عن طريق التحكم بإشارة قاعدة الترانزستور لجعله يعمل إما في منطقة الإشباع أو منطقة القطع، فإن الترانزستور NPN يمكن أيضاً أن يستخدم في منطقته الفعالة ليعمل كدارة تكبير لأي إشارة تيار متناوب صغيرة تطبق بين طرف قاعدته وطرف الباعث المتصل بأرضي الدارة.

*

إذا طبق جهد انحياز مناسب على طرف القاعدة أولا، سيتمكن الترانزيستور من العمل في منطقته الفعالة الخطية كدارة مكبر عاكس تدعى “دارة مكبر باعث مشترك ذو مرحلة واحدة”، ويسمى مثل هذا المكبر ذو الباعث المشترك للترانزستور NPN بالمكبر من الفئة A أو Class A amplifier، وذلك عندما ينحاز طرف القاعدة بطريقة تجعل وصلة القاعدة – الباعث تنحاز أمامياً،

*

فنتيجة لذلك يكون هذا الترانزستور في حالة عمل دائمة في منطقة المنتصف بين منطقة القطع ومنطقة الإشباع، مما يسمح للترانزستور بإجراء تكبير دقيق للأنصاف الموجبة والسالبة لأي إشارة تيار دخل متردد مركبة على جهد الانحياز المستمر. فبدون “جهد الانحياز” هذا فإنه سيتم تكبير نصف موجة الدخل فقط.

*

دارة مكبر الترانزستور NPN ذات الباعث المشترك لها تطبيقات كثيرة ولكنها شائعة الاستخدام في الدارات السمعية مثل مرحلة المكبر الابتدائي Pre-amplifier و مرحلة مكبر الاستطاعة Power amplifier .

*

يبين الشكل التالي مجموعة المنحنيات المعروفة باسم منحنيات خواص الخرج لوصلة لباعث المشترك والتي تمثل العلاقة بين تيار خرج المجمع IC وجهد المجمعVCE عند تطبيق قيم مختلفة لتيار القاعدة IB لترانزستورات لها قيمة محددة للمعامل β، كما يمكن رسم “خط الحمل Load Line” على منحنيات الخرج لتوضيح جميع نقط التشغيل الممكنة عندما يتم تطبيق قيم مختلفة لتيار القاعدة.

*

من الضروري أيضاً تحديد القيمة الابتدائية للجهد VCE بدقة للسماح بتغير جهد الخرج من أعلى أو من أسفل عند تكبير إشارات دخل التيار المتردد AC وتسمى هذه العملية بتحديد نقطة التشغيل أو نقطة الهدوء أو السكون كما هو موضح بالشكل التالي (نقطة الانحياز المستمر) :

*

الشكل 3: دارة مكبر باعث مشترك أحادي المرحلة

*

bjt77

*

الشكل 4: منحنيات خواص الخرج لترانزستور نموذجي ثنائي القطبية

*

bjt88

*

أهم عامل يجب ملاحظته هو تأثير الجهد VCEعلى تيار المجمع IC،عندما يكون الجهد VCE أكبر من حوالي 1.0 volts يمكننا أن نرى أن IC لا يتأثر إلى حد كبير بالتغير في VCE فوق هذه القيمة، وبدلاً من ذلك يتم التحكم فيه بالكامل بواسطة تيار القاعدة IB وعندما يحدث ذلك عندئذ يمكننا القول بأن دارة الخرج تمثل “مصدر تيار ثابت”.

*
باستخدام منحنيات خواص الخرج وقانون أوم، فإن التيار المار في مقاومة الحمل RL يساوي تيار المجمع IC الداخل للترانزستور الذي يعطى بالعلاقة:

*

*

يمكن أيضاً رسم الخط المستقيم الذي يمثل “خط الحمل الديناميكي Dynamic Load Line” للترانزستور مباشرة على المنحنيات من نقطة الإشباعA عند VCE = 0 إلى نقطة القطع B

*

عند IC = 0 ومن ثم يعطى لنا نقطة عمل الترانزستور Q، يتم الوصل بين هاتين النقطتين بخط مستقيم و أي موضع على هذا الخط المستقيم يمثل “المنطقة الفعالة للترانزستور.

*

يمكن حساب الموضع الفعلي لخط الحمل على منحنيات الخواص كما يلي:

*

bjt99

*

يمكن عندئذ استخدام منحنيات خواص الخرج للترانزستورات NPN ذو الباعث المشترك في معرفة قيمة تيار الخرج (تيار المجمع IC) عند قيم معطاة لكل من VCE و تيار القاعدة IB.

*
يمكن استخدام المنحنيات أيضاً لرسم “خط الحمل” وتحديد نقطة العمل المناسبة Q والتي يمكن تحديدها عن طريق التحكم بقيمة تيار القاعدة، ويساوي ميل خط الحمل هذا معكوس مقاومة الحمل أي (-1)⁄R_L .

*

يمكننا تشكيل ترانزستور NPN بحيث يكون في الحالة الأولية في وضعية “فصل”OFF ، وبمرور تيار دخل صغير وجهد موجب صغير عند طرف قاعدته بالنسبة للباعث سوف ينتقل إلى حالة “التوصيل”ON بما يسمح بمرور تيار أكبر بكثير من خلال المجمع – الباعث.

*

المصدر