تم اختراع أول ترانزستور ثنائي القطب في عام 1947 في مختبرات بيل. يتم اختصار "قطبين" على أنه ثنائي القطب ، ومن هنا جاء اسم الترانزستور ثنائي القطب. BJT عبارة عن جهاز طرفي ثلاثي مزود بمجمع (C) وقاعدة (B) وباعث (E). يتطلب تحديد أطراف الترانزستور رسم تخطيطي لجزء BJT معين ، وسيكون متاحًا في ورقة البيانات. هناك نوعان من ترانزستورات BJT - NPN و PNP. في هذا البرنامج التعليمي سنتحدث عن ترانزستورات NPN. دعونا نفكر في مثالين من ترانزستورات NPN - BC547A و PN2222A ، الموضحين في الصور أعلاه.
بناءً على عملية التصنيع ، سيتغير تكوين الدبوس وستتوفر التفاصيل في ورقة البيانات المقابلة. نظرًا لزيادة معدل طاقة الترانزستور ، يجب توصيل المشتت الحراري بجسم الترانزستور. يشبه الترانزستور غير المتحيز أو الترانزستور بدون إمكانات مطبقة في المحطات صمامين ثنائيين متصلين من الخلف إلى الخلف كما هو موضح في الشكل أدناه.
الصمام الثنائي D1 له خاصية توصيل عكسي تعتمد على التوصيل الأمامي للديود D2. عندما يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي D2 ، يستشعر الصمام الثنائي D1 التيار وسيسمح للتيار النسبي بالتدفق في الاتجاه العكسي من طرف المجمع إلى طرف الباعث بشرط تطبيق إمكانات أعلى عند طرف المجمع. الثابت النسبي هو الكسب (β).
عمل الترانزستورات NPN:
كما نوقش أعلاه ، فإن الترانزستور هو جهاز يتم التحكم فيه حاليًا وله طبقتان من النضوب مع إمكانات حاجز محددة مطلوبة لنشر طبقة النضوب. تبلغ قدرة الحاجز لترانزستور السيليكون 0.7 فولت عند 25 درجة مئوية و 0.3 فولت عند 25 درجة مئوية لترانزستور الجرمانيوم. غالبًا ما يكون النوع الشائع من الترانزستور المستخدم هو نوع السيليكون لأن السيليكون هو العنصر الأكثر وفرة على الأرض بعد الأكسجين.
العملية الداخلية:
و بناء الترانزستور NPN هو أن المناطق جامع وباعث هي مخدر مع ن نوع المواد ومخدر المنطقة قاعدة مع طبقة صغيرة من نوع ف المواد. منطقة الباعث مخدرة بشدة عند مقارنتها بمنطقة المجمع. هذه المناطق الثلاث تشكل تقاطعين. هم تقاطع قاعدة المجمع (CB) وتقاطع قاعدة الباعث.
عندما يتم تطبيق VBE محتمل عبر تقاطع القاعدة-الباعث المتزايد من 0 فولت ، تبدأ الإلكترونات والثقوب في التراكم في منطقة النضوب. عندما يزيد الجهد فوق 0.7 فولت ، يتم الوصول إلى جهد الحاجز ويحدث الانتشار. وبالتالي ، تتدفق الإلكترونات نحو الطرف الموجب ويتدفق تيار القاعدة (IB) عكس تدفق الإلكترون. إلى جانب ذلك ، يبدأ التيار من المجمع إلى الباعث في التدفق ، بشرط تطبيق الجهد الكهربي عند طرف المجمع. يمكن أن يعمل الترانزستور كمفتاح ومضخم.
منطقة التشغيل مقابل طريقة التشغيل:
1. المنطقة النشطة ، IC = β × IB - تشغيل مكبر للصوت
2. منطقة التشبع ، IC = تيار التشبع - عملية التبديل (تشغيل بالكامل)
3. منطقة القطع ، IC = 0 - تشغيل التبديل (مغلق تمامًا)
الترانزستور كمفتاح:
للتوضيح مع PSPICE تم اختيار موديل BC547A. أول شيء مهم يجب مراعاته هو استخدام المقاوم المحدد الحالي في القاعدة. ستؤدي التيارات الأساسية الأعلى إلى إتلاف BJT. من ورقة البيانات ، يكون الحد الأقصى لتيار المجمع 100 مللي أمبير ويتم إعطاء الكسب المقابل (hFE أو β).
خطوات اختيار المكونات ،
1. ابحث عن تيار المجمع الحالي الذي يستهلكه حمولتك. في هذه الحالة سيكون 60 مللي أمبير (لفائف الترحيل أو المصابيح المتوازية) والمقاوم = 200 أوم.
2. من أجل دفع الترانزستور إلى حالة التشبع ، يجب توفير تيار أساسي كافٍ بحيث يكون الترانزستور قيد التشغيل تمامًا. حساب تيار القاعدة والمقاوم المقابل لاستخدامه.
للحصول على تشبع كامل ، يتم تقريب تيار القاعدة إلى 0.6 مللي أمبير (ليست عالية جدًا أو منخفضة جدًا). وبالتالي يوجد أدناه الدائرة ذات 0 فولت للقاعدة التي يكون خلالها المفتاح في حالة إيقاف التشغيل.
أ) محاكاة PSPICE لـ BJT كمفتاح ، و ب) حالة التبديل المكافئة
من الناحية النظرية ، يكون المفتاح مفتوحًا تمامًا ولكن يمكن ملاحظة تدفق تيار التسرب عمليًا. هذا التيار لا يكاد يذكر لأنهم في pA أو nA. لفهم أفضل للتحكم الحالي ، يمكن اعتبار الترانزستور مقاوماً متغيراً عبر المجمع (C) والباعث (E) الذي تختلف مقاومته بناءً على التيار عبر القاعدة (B).
في البداية عندما لا يتدفق تيار من خلال القاعدة ، تكون المقاومة عبر CE عالية جدًا بحيث لا يتدفق أي تيار خلالها. عندما يتم تطبيق جهد 0.7 فولت وما فوق عند محطة القاعدة ، ينتشر تقاطع BE ويؤدي إلى انتشار تقاطع CB. الآن يتدفق التيار من المجمع إلى الباعث بناءً على الكسب.
أ) محاكاة PSPICE لـ BJT كمفتاح ، و ب) حالة التبديل المكافئة
الآن دعونا نرى كيفية التحكم في تيار الإخراج من خلال التحكم في تيار القاعدة. بالنظر إلى IC = 42mA واتباع نفس الصيغة أعلاه نحصل على IB = 0.35mA ؛ RB = 14.28 كيلو أوم ≈ 15 كيلو أوم.
أ) محاكاة PSPICE لـ BJT كمفتاح ، و ب) حالة التبديل المكافئة
يرجع تباين القيمة العملية عن القيمة المحسوبة إلى انخفاض الجهد عبر الترانزستور والحمل المقاوم المستخدم.
الترانزستور كمكبر للصوت:
التضخيم هو تحويل إشارة ضعيفة إلى شكل قابل للاستخدام. كانت عملية التضخيم خطوة مهمة في العديد من التطبيقات مثل الإشارات اللاسلكية المرسلة والإشارات اللاسلكية المستقبلة ومشغلات MP3 والهواتف المحمولة وما إلى ذلك ، يمكن للترانزستور تضخيم الطاقة والجهد والتيار في تكوينات مختلفة.
بعض التكوينات المستخدمة في دوائر مكبر الصوت هي
- مكبر باعث مشترك
- مضخم جامع مشترك
- مكبر الصوت المشترك
من الأنواع المذكورة أعلاه نوع الباعث الشائع هو التكوين الشائع والمستخدم في الغالب. تحدث العملية في منطقة نشطة ، ودائرة مضخم باعث مشتركة أحادية المرحلة هي مثال على ذلك. تعتبر نقطة انحياز تيار مستمر ثابتة وكسب تيار متردد مستقر مهمين في تصميم مكبر للصوت. مكبر الصوت أحادي المرحلة عند استخدام ترانزستور واحد فقط.
أعلاه عبارة عن دائرة مكبر للصوت أحادية المرحلة حيث يتم تحويل الإشارة الضعيفة المطبقة في محطة القاعدة إلى أضعاف الإشارة الفعلية عند طرف المجمع.
الغرض الجزء:
CIN هو مكثف الاقتران الذي يقرن إشارة الإدخال بقاعدة الترانزستور. وبالتالي فإن هذا المكثف يعزل المصدر عن الترانزستور ويسمح فقط لإشارة التيار المتردد بالمرور. CE هو مكثف الالتفاف الذي يعمل كمسار منخفض المقاومة للإشارة المضخمة. COUT هو مكثف الاقتران الذي يقرن إشارة الخرج من مجمع الترانزستور. وبالتالي فإن هذا المكثف يعزل الإخراج من الترانزستور ويسمح فقط لإشارة التيار المتردد بالمرور. يوفر R2 و RE الاستقرار لمكبر الصوت بينما يضمن R1 و R2 معًا الاستقرار في نقطة انحياز DC من خلال العمل كمقسم محتمل.
عملية:
تعمل الدائرة على الفور لكل فترة زمنية. ببساطة لفهم ، عندما يزيد جهد التيار المتردد عند طرف القاعدة ، فإن الزيادة المقابلة في تدفقات التيار عبر المقاوم الباعث. وبالتالي ، فإن هذه الزيادة في تيار الباعث تزيد من تدفق تيار المجمع الأعلى عبر الترانزستور مما يقلل من انخفاض باعث مجمع VCE. وبالمثل ، عندما ينخفض جهد التيار المتردد المدخل بشكل كبير ، يبدأ جهد VCE في الزيادة بسبب انخفاض تيار المرسل. كل هذه التغييرات في الفولتية تنعكس على الفور عند الخرج الذي سيكون شكل موجة مقلوبة من المدخلات ، ولكن تضخيمها.
|
مميزات |
قاعدة مشتركة |
باعث مشترك |
جامع مشترك |
|
كسب الجهد |
عالي |
متوسط |
منخفض |
|
المكسب الحالي |
منخفض |
متوسط |
عالي |
|
اكتساب القوة |
منخفض |
عالي جدا |
متوسط |
الجدول: جدول مقارنة الكسب
بناءً على الجدول أعلاه ، يمكن استخدام التكوين المقابل.