الترانزستور هو عنصر موجود في كل مكان ومهم في الإلكترونيات الدقيقة الحديثة. الغرض منه بسيط: فهو يسمح بالاستخدام اشارة ضعيفةالسيطرة أقوى بكثير.
على وجه الخصوص، يمكن استخدامه كـ "مخمد" متحكم فيه: بسبب عدم وجود إشارة عند "البوابة"، يمنع تدفق التيار، ومن خلال إمداده، يسمح به. وبعبارة أخرى: هذا هو الزر الذي لا يتم الضغط عليه بإصبعك، ولكن عن طريق تطبيق الجهد. هذا هو التطبيق الأكثر شيوعًا في الإلكترونيات الرقمية.
كيف يعمل الترانزستور؟
في البداية كان يطلق عليه نسخة الحالة الصلبة من الصمام الثلاثي الفراغي، ولكن بقي مصطلح "الترانزستور". ويتكون هذا النوع من الترانزستور من. نحن نعلم أن السيليكون والجرمانيوم هما مثالان على أشباه الموصلات. الآن لماذا يطلق عليه ترانزستور الوصلة؟ الجواب يكمن في البناء. الآن في هذا النوع من الترانزستور، يتم وضع نوع واحد من أشباه الموصلات بين نوع آخر من أشباه الموصلات. سنناقشها لاحقا.
خصائص الترانزستور ثنائي القطب
الآن، عندما يكون هناك وصلتان مصنوعتان من أنواع مختلفة من أشباه الموصلات، يطلق عليهما ترانزستور الوصلة. ويسمى ثنائي القطب لأن التوصيل يحدث عن طريق الإلكترونات والثقوب. 
الخصائص العامة للباعث
الوضع الأساسي العام الوضع العامباعث وضع جامع العام. . من الرسم البياني أعلاه، يمكن ملاحظة أن زيادة جهد الباعث يقلل من الانحياز الأمامي عند تقاطع الباعث، وبالتالي يقلل تيار المجمع. هذا يعني أن جهد الخرج وجهد الإدخال متوازيان في الطور.
تتوفر الترانزستورات في عبوات مختلفة: نفس الترانزستور يمكن أن يبدو مختلفًا تمامًا في المظهر. في النماذج الأولية، العبوات الأكثر شيوعًا هي:
TO-92 - مدمج للأحمال الخفيفة
TO-220AB - تبديد جيد للحرارة، للأحمال الثقيلة
يختلف التعيين الموجود في المخططات أيضًا اعتمادًا على نوع الترانزستور ومعيار التعيين المستخدم في التجميع. ولكن بغض النظر عن الاختلاف، يظل رمزه معروفًا.
أنواع الترانزستورات ثنائية القطب
مقالات مماثلة. اللامبالاة الترانزستورات أحادية القطب مثل تأثير الترانزستور الميدان، استخدم نوعًا واحدًا فقط من حاملات الشحن. وهو يختلف عن أي نوع آخر من الترانزستورات، حيث يتم التحكم في تيار الخرج بواسطة جهد الدخل. كما رأينا، فإن شبه الموصل يوفر مقاومة أقل لتدفق التيار في اتجاه واحد ومقاومة عالية في الاتجاه الآخر ويمكننا أن نطلق عليه الترانزستور كنمط من أجهزة أشباه الموصلات. تتكون الترانزستورات ثنائية القطب من نوعين من الترانزستورات.
الترانزستورات ثنائية القطب
تحتوي ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب (BJT، ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب) على ثلاث جهات اتصال:
المجمع - يتم تطبيق الجهد العالي عليه، والذي تريد التحكم فيه
القاعدة - يتم توفير كمية صغيرة من خلالها حاضِرلفتح كبيرة؛ القاعدة مؤرضة لمنعها
الباعث - يتدفق التيار من خلاله من المجمع والقاعدة عندما يكون الترانزستور "مفتوحًا"
نقطة الاتصال الترانزستور الانتقالي. . بالمقارنة بين الترانزستورين، يتم استخدام ترانزستورات التوصيل أكثر من الترانزستورات من النوع النقطي. يتم تصنيف الترانزستورات الانتقالية أيضًا إلى نوعين، كما هو موضح أدناه. يوجد لكل ترانزستور عبور ثلاثة أقطاب كهربائية: الباعث والمجمع والقاعدة.
مخطط الاتصال الأساسي
المحطات الثلاث هي المجمع والقاعدة والباعث والترانزستور تستخدم في تطبيقات التبديل والتضخيم. عادة، يتم توصيل طرف المجمع بالطرف الموجب والباعث بالإمداد السالب بمقاوم في دائرة الباعث أو المجمع. باستخدام هذه الخاصية، يمكن للترانزستور أن يعمل في كلا التطبيقين مثل المحول والمضخم.
السمة الرئيسية للترانزستور ثنائي القطب هو المؤشر hfeالمعروف أيضا باسم الربح. إنه يعكس عدد المرات التي يمكن أن يمرر فيها الترانزستور تيارًا أكبر في قسم الباعث والمجمع بالنسبة إلى تيار الباعث الأساسي.
أين يمكنني شراء الترانزستورات؟
عادة، يتم تطبيق الجهد الموجب على طرف المجمع والطاقة السالبة على طرف الباعث مع المقاوم إما عن طريق الباعث أو دائرة المجمع أو الباعث. باستخدام هذا الشرط، يمكن للترانزستور أن يعمل كتطبيقين، وهما مكبر للصوت ومفتاح. الرمز الأساسي والرسم البياني كما هو موضح أدناه.
يستخدم مواد شبه موصلة مختلفة للباعث ومنطقة القاعدة ويخلق ترابطًا متغايرًا. يؤدي هذا إلى بدء تدفق تيار كبير بسبب مزيج الإلكترونات والثقوب. تركت على كميات كبيرةسوف تمر الإلكترونات عبر مجمع التحيز العكسي لبدء تيار المجمع. يمكننا أن نلاحظ معادلة رياضية.
على سبيل المثال، إذا hfe= 100، ومرور 0.1 مللي أمبير عبر القاعدة، فإن الترانزستور سيمر من خلال نفسه بحد أقصى 10 مللي أمبير. إذا كان في هذه الحالة يوجد مكون في قسم التيار العالي يستهلك مثلا 8 مللي أمبير، فسيتم تزويده بـ 8 مللي أمبير، وسيكون للترانزستور "احتياطي". إذا كان هناك مكون يسحب 20 مللي أمبير، فسيتم تزويده بحد أقصى 10 مللي أمبير فقط.
تيار القاعدة أقل بكثير مقارنة بتيار الباعث والمجمع. 
يأمل، هذه المعلومةهذه المقالة سوف تساعد في إعطاء معلومات جيدةوفهم المشروع. وهنا سؤال لك، إذا تم استخدام الترانزستورات في الدوائر الرقمية، فعادةً ما تعمل في أي منطقة؟
ترانزستورات كهربائية ثنائية القطب. . مقدمة. وتتمثل الوظيفة الرئيسية لـ "النموذج" في التنبؤ بسلوك الجهاز بطريقة معينة منطقة العمل. المقالات القادمة. يمكن وصف استجابة إشارة التيار المتردد الصغيرة بطريقتين: نماذج عامة: نموذج ونموذج هجين. النماذج عبارة عن دوائر مكافئة تسمح باستخدام تقنيات تحليل الدوائر للتنبؤ بالأداء.
أيضًا، تشير الوثائق الخاصة بكل ترانزستور إلى الحد الأقصى من الفولتية والتيارات المسموح بها عند نقاط الاتصال. تجاوز هذه القيم يؤدي إلى التسخين المفرط وتقليل عمر الخدمة، والزيادة القوية يمكن أن تؤدي إلى التدمير.
إن بي إن و بي إن بي
نموذج الترانزستور الهجين لإظهار نموذج الترانزستور الهجين، من الضروري إنشاء دائرة مكافئة التيار المتناوب. الرسم البياني السفلي على اليسار هو واحد المرحلة العامةباعث للتحليل. مزود الطاقة أيضًا قصير الدائرة لإشارات التيار المتردد.
تظهر الدائرة المكافئة أعلاه في الرسم البياني الأيمن. يمثل المستطيل الأزرق الآن الدائرة المكافئة للإشارة المكافئة ويمكنه الآن بدء العمل على الدائرة المكافئة الهجينة. في المعلمات باعث العامة. نموذج هجين مناسب للإشارات الصغيرة في الممر الأوسطويصف عمل الترانزستور.
الترانزستور الموصوف أعلاه هو ما يسمى بترانزستور NPN. وسمي بذلك لأنه يتكون من ثلاث طبقات من السيليكون متصلة بالترتيب: سالب - موجب - سالب. حيث السالبة عبارة عن سبيكة سيليكون بها فائض من حاملات الشحنة السالبة (n-doped)، والموجبة هي سبيكة بها فائض من حاملات الشحنة الموجبة (p-doped).
تعتبر شبكات NPN أكثر فعالية وشائعة في الصناعة.
لهذا السبب، عند تصميم دائرة، يجب قياس المعلمات الهجينة تحت نفس ظروف الدائرة الفعلية. تعتبر منحنيات الخرج مفيدة للغاية لأنها تظهر التغير في تيار المجمع لمجموعة من جهود باعث المجمع. يوضح الجزء المسطح تقريبًا من المنحنيات أن الترانزستور يتصرف مثل مولد التيار المستمر.
هذه حقيقة مهمة يجب مراعاتها عند استخدام الترانزستور كمحول. سيتم استخدام النموذج لبناء معادلات لكسب الجهد، وكسب التيار، ومقاومة المدخلات والمخرجات. باعتباره أحد أهم أجهزة أشباه الموصلات، فقد وجد الترانزستور تطبيقًا كبيرًا التطبيقات الإلكترونيةمثل الأنظمة المدمجة والدوائر الرقمية وأنظمة التحكم. في المجالات الرقمية والتناظرية، تستخدم الترانزستورات على نطاق واسع لتطبيقات مختلفة مثل التضخيم، والعمليات المنطقية، والتبديل، وما إلى ذلك. تركز هذه المقالة بشكل أساسي على تطبيق الترانزستور كمفتاح وتقدم شرحًا موجزًا عنه.
عند تعيين ترانزستورات PNP، فإنها تختلف في اتجاه السهم. يشير السهم دائمًا من P إلى N. تتمتع ترانزستورات PNP بسلوك "مقلوب": لا يتم حظر التيار عندما يتم تأريض القاعدة ويتم حظره عندما يتدفق التيار عبرها.
تأثير الترانزستور الميدان
ترانزستورات التأثير الميداني (FET، ترانزستور التأثير الميداني) لها نفس الغرض، ولكنها تختلف في البنية الداخلية. نوع معين من هذه المكونات هو ترانزستورات MOSFET (ترانزستور تأثير المجال بأكسيد المعدن وأشباه الموصلات). إنها تسمح لك بالعمل بقوة أكبر بنفس الأبعاد. ويتم التحكم في "المخمد" نفسه بشكل حصري باستخدام الجهد: لا يتدفق التيار عبر البوابة، على عكس الترانزستورات ثنائية القطب.
أوضاع تشغيل الترانزستورات ثنائية القطب
في العديد من التطبيقات تقريبًا، تُستخدم هذه الترانزستورات لوظيفتين رئيسيتين مثل التبديل والتضخيم. هاتان الحاملتان للشحنة هما الثقوب والإلكترونات، حيث تكون الثقوب حاملة للشحنة الموجبة والإلكترونات حاملة للشحنة السالبة.
الترانزستور ثنائي القطب: دوائر التبديل، أوضاع التشغيل
يحتوي الترانزستور على ثلاث مناطق: القاعدة والباعث والمجمع. الباعث عبارة عن محطة مخدرة بشدة وينبعث منها إلكترونات إلى القاعدة. الطرف الأساسي مخدر بشكل خفيف ويسمح للإلكترونات التي يضخها الباعث بالتدفق إلى المجمع. يتم تخدير طرف المجمع بشكل وسيط ويجمع الإلكترونات من القاعدة. هذا المجمع كبير مقارنة بالمنطقتين الأخريين، لذلك فهو يبدد المزيد من الحرارة.
تحتوي ترانزستورات التأثير الميداني على ثلاث جهات اتصال:
الصرف - يتم تطبيق الجهد العالي عليه، والذي تريد التحكم فيه
البوابة - يتم تطبيق الجهد عليها للسماح بتدفق التيار؛ البوابة مؤرضة لمنع التيار.
المصدر - يتدفق التيار من خلاله من المصرف عندما يكون الترانزستور "مفتوحًا"
أوضاع تشغيل الترانزستور
يمكن تكوين هذين الترانزستورين أنواع مختلفة، مثل الباعث المشترك والمجمع المشترك والتكوينات الأساسية المشتركة. اعتمادًا على ظروف التحيز مثل الأمام أو الخلف، تمتلك الترانزستورات ثلاثة أوضاع رئيسية للتشغيل: المناطق المقطوعة والنشطة والمشبعة.
تشغيل الترانزستور في وضع تضخيم الإشارة
في هذا الوضع، عادة ما يستخدم الترانزستور كمضخم للتيار. في الوضع النشط، تكون الوصلتان متحيزتين بشكل مختلف، مما يعني أن الوصلة مع قاعدة الباعث تكون منحازة للأمام بينما تكون الوصلة مع قاعدة المجمع منحازة عكسيًا. في هذا الوضع، يتدفق التيار بين الباعث والمجمع، وتكون كمية التدفقات الحالية متناسبة مع التيار الأساسي.
قناة N وقناة P
قياسا على الترانزستورات ثنائية القطب، تختلف ترانزستورات المجال في القطبية. تم وصف ترانزستور القناة N أعلاه. هم الأكثر شيوعا.
تختلف قناة P عند تعيينها في اتجاه السهم، ومرة أخرى، يكون لها سلوك "مقلوب".
في هذا الوضع، يعتمد كل من اتصال المجمع الأساسي واتصال الباعث على الانحياز العكسي. وهذا بدوره يمنع تدفق التدفق من المجمع إلى الباعث عندما يكون جهد الباعث الأساسي منخفضًا. في هذا الوضع، يتم إيقاف تشغيل الجهاز تمامًا، مما يؤدي إلى تدفق تيار صفر عبر الجهاز.
في وضع التشغيل هذا، يتم استخدام كل من الأساسي و الاتصالات الأساسيةيتم تحويل الباعث إلى الأمام. يتدفق التيار بحرية من المجمع إلى الباعث عندما يكون جهد الباعث الأساسي مرتفعًا. في الشكل أدناه، تتمتع منطقة القطع بظروف تشغيل مثل تيار خرج المجمع صفر، وتيار دخل القاعدة صفر، والحد الأقصى لجهد المجمع. تؤدي هذه المعلمات إلى طبقة استنفاد كبيرة، مما يمنع تدفق التيار عبر الترانزستور.
توصيل الترانزستورات لتشغيل المكونات عالية الطاقة
تتمثل المهمة النموذجية لوحدة التحكم الدقيقة في تشغيل وإيقاف مكون دائرة معين. عادةً ما يتمتع المتحكم الدقيق نفسه بخصائص متواضعة في التعامل مع الطاقة. لذا فإن Arduino، مع خرج 5 فولت لكل طرف، يمكنه تحمل تيار 40 مللي أمبير. يمكن للمحركات القوية أو مصابيح LED فائقة السطوع أن تسحب مئات المللي أمبير. عند توصيل هذه الأحمال مباشرة، يمكن أن تفشل الشريحة بسرعة. بالإضافة إلى ذلك، لتشغيل بعض المكونات، يلزم جهد أكبر من 5 فولت، ولا يمكن لـ Arduino إنتاج أكثر من 5 فولت من طرف الإخراج الرقمي.
وبالمثل، في منطقة التشبع، ينحرف الترانزستور بحيث يتم تطبيق الحد الأقصى للتيار الأساسي، مما يوفر الحد الأقصى الحاليجامع والحد الأدنى من الجهد جامع باعث. يؤدي هذا إلى أن تصبح طبقة النضوب صغيرة وتسمح بمرور أقصى تيار عبر الترانزستور.
يستخدم هذا النوع من تطبيقات التبديل للتحكم في المحركات، وأحمال المصابيح، والملفات اللولبية، وما إلى ذلك. يستخدم الترانزستور للتبديل لفتح أو إغلاق الدائرة. يوفر هذا النوع من تبديل الحالة الصلبة موثوقية كبيرة وتكلفة أقل من المرحلات التقليدية. تستخدم بعض التطبيقات ترانزستور الطاقة كجهاز تبديل، ثم قد تحتاج إلى استخدام ترانزستور آخر على مستوى الإشارة للتحكم في الترانزستور عالي الطاقة.
ولكن من السهل التحكم في الترانزستور، والذي بدوره سيتحكم في تيار كبير. لنفترض أننا بحاجة إلى الاتصال لفترة طويلة شريط LED، والذي يتطلب 12 فولت ولا يزال يستهلك 100 مللي أمبير:
الآن، عندما يتم ضبط الخرج على مستوى منطقي (مرتفع)، فإن الجهد 5 فولت الذي يدخل إلى القاعدة سيفتح الترانزستور وسيتدفق التيار عبر الشريط - وسوف يتوهج. عندما يتم ضبط الإخراج على الصفر المنطقي (منخفض)، سيتم تأريض القاعدة من خلال وحدة التحكم الدقيقة وسيتم حظر تدفق التيار.
انتبه إلى المقاوم المحدد الحالي ر. من الضروري منع تشكيل دائرة مقصورةعلى طول متحكم الطريق - الترانزستور - الأرض. الشيء الرئيسي هو عدم تجاوز التيار المسموح به من خلال اتصال Arduino البالغ 40 مللي أمبير، لذلك تحتاج إلى استخدام مقاوم بقيمة على الأقل:
هنا أود- هذا هو انخفاض الجهد عبر الترانزستور نفسه. يعتمد ذلك على المادة التي صنع منها وعادة ما يكون 0.3 – 0.6 فولت.
لكن ليس من الضروري على الإطلاق إبقاء التيار عند الحد المسموح به. من الضروري فقط أن يسمح لك كسب الترانزستور بالتحكم في التيار المطلوب. في حالتنا هو 100 مللي أمبير. مقبول للترانزستور المستخدم hfe= 100، فإن تيار التحكم 1 مللي أمبير سيكون كافيًا بالنسبة لنا
المقاوم الذي تتراوح قيمته من 118 أوم إلى 4.7 كيلو أوم مناسب لنا. لتشغيل مستقر على جانب واحد و تحميل الضوءإلى الشريحة من جهة أخرى، 2.2 كيلو أوم هو خيار جيد.
إذا كنت تستخدم الترانزستور ذو التأثير الميداني بدلاً من الترانزستور ثنائي القطب، فيمكنك الاستغناء عن المقاوم:
ويرجع ذلك إلى حقيقة أن البوابة في مثل هذه الترانزستورات يتم التحكم فيها فقط عن طريق الجهد: لا يوجد تيار في قسم المصدر - البوابة - المتحكم الدقيق. وبفضل خصائصها العالية، تسمح لك الدائرة التي تستخدم MOSFETs بالتحكم في مكونات قوية جدًا.
الترانزستور ثنائي القطب.
الترانزستور ثنائي القطب- جهاز إلكتروني شبه موصل، وهو أحد أنواع الترانزستورات، مصمم لتضخيم وتوليد وتحويل الإشارات الكهربائية. يسمى الترانزستور ثنائي القطبنظرًا لأن نوعين من حاملات الشحن يشاركان في وقت واحد في تشغيل الجهاز - الإلكتروناتو الثقوب. وهذا هو كيف يختلف عن أحادي القطبترانزستور (مؤثر ميداني) يحتوي على نوع واحد فقط من حاملات الشحنة.
مبدأ تشغيل كلا النوعين من الترانزستورات يشبه تشغيل صنبور الماء الذي ينظم تدفق الماء، فقط تدفق الإلكترونات يمر عبر الترانزستور. في الترانزستورات ثنائية القطب، يمر تياران عبر الجهاز - التيار الرئيسي "الكبير"، والتيار "الصغير" للتحكم. تعتمد الطاقة الحالية الرئيسية على قوة التحكم. مع الترانزستورات ذات التأثير الميداني، يمر تيار واحد فقط عبر الجهاز، وتعتمد قوته على المجال الكهرومغناطيسي. في هذه المقالة سوف نلقي نظرة فاحصة على عمل الترانزستور ثنائي القطب.
تصميم الترانزستور ثنائي القطب.
يتكون الترانزستور ثنائي القطب من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات ووصلتين PN. هناك PNP و الترانزستورات NPNحسب نوع التناوب الفتحة والموصلية الإلكترونية. انها مثل اثنين الصمام الثنائي، متصلة وجهاً لوجه أو العكس.
يحتوي الترانزستور ثنائي القطب على ثلاثة اتصالات (أقطاب كهربائية). يتم استدعاء جهة الاتصال الخارجة من الطبقة المركزية قاعدة.تسمى الأقطاب الكهربائية القصوى جامعو باعث (جامعو باعث). الطبقة الأساسية رقيقة جدًا بالنسبة للمجمع والباعث. بالإضافة إلى ذلك، فإن مناطق أشباه الموصلات الموجودة عند حواف الترانزستور غير متماثلة. تكون طبقة أشباه الموصلات الموجودة على جانب المجمع أكثر سمكًا قليلاً من جانب الباعث. وهذا ضروري لكي يعمل الترانزستور بشكل صحيح.
تشغيل الترانزستور ثنائي القطب.
دعونا ننظر في العمليات الفيزيائية التي تحدث أثناء تشغيل الترانزستور ثنائي القطب. لنأخذ نموذج NPN كمثال. مبدأ تشغيل الترانزستور PNP مشابه، فقط قطبية الجهد بين المجمع والباعث ستكون معاكسة.
كما سبق بيانه في مقال عن أنواع الموصلية في أشباه الموصلات، في مادة من النوع P توجد أيونات موجبة الشحنة - ثقوب. المادة من النوع N مشبعة بالإلكترونات سالبة الشحنة. في الترانزستور، تركيز الإلكترونات في المنطقة N يتجاوز بشكل كبير تركيز الثقوب في المنطقة P.
لنقم بتوصيل مصدر جهد بين المجمع والباعث V CE (V CE). بموجب عملها، ستبدأ الإلكترونات من الجزء العلوي N في الانجذاب إلى الزائد وتجمع بالقرب من المجمع. ومع ذلك، لن يتمكن التيار من التدفق لأن المجال الكهربائي لمصدر الجهد لا يصل إلى الباعث. يتم منع ذلك بواسطة طبقة سميكة من أشباه الموصلات المجمعة بالإضافة إلى طبقة من أشباه الموصلات الأساسية.
الآن دعونا نقوم بتوصيل الجهد بين القاعدة والباعث V BE ، ولكنه أقل بكثير من V CE (بالنسبة لترانزستورات السيليكون، الحد الأدنى المطلوب V BE هو 0.6V). نظرًا لأن الطبقة P رقيقة جدًا، بالإضافة إلى مصدر جهد متصل بالقاعدة، فإنها ستكون قادرة على "الوصول" بمجالها الكهربائي إلى المنطقة N للباعث. تحت تأثيره، سيتم توجيه الإلكترونات إلى القاعدة. سيبدأ البعض منهم في ملء الثقوب الموجودة هناك (إعادة التركيب). أما الجزء الآخر فلن يجد ثقبا حرا، لأن تركيز الثقوب في القاعدة أقل بكثير من تركيز الإلكترونات في الباعث.
ونتيجة لذلك، يتم إثراء الطبقة المركزية للقاعدة بالإلكترونات الحرة. سيذهب معظمهم نحو المجمع، لأن الجهد أعلى بكثير هناك. يتم تسهيل ذلك أيضًا من خلال السماكة الصغيرة جدًا للطبقة المركزية. بعض أجزاء الإلكترونات، على الرغم من أنها أصغر بكثير، ستستمر في التدفق نحو الجانب الموجب للقاعدة.
نتيجة لذلك، نحصل على تيارين: صغير - من القاعدة إلى الباعث I BE، وكبير - من المجمع إلى الباعث I CE.
إذا قمت بزيادة الجهد عند القاعدة، فسوف يتراكم المزيد من الإلكترونات في الطبقة P. ونتيجة لذلك، فإن التيار الأساسي سوف يزيد قليلا، وسوف يزيد تيار المجمع بشكل كبير. هكذا، مع تغيير طفيف في التيار الأساسي I ب ، تيار المجمع يتغير بشكل كبير مع. هذا ما يحدث تضخيم الإشارة في الترانزستور ثنائي القطب. تسمى نسبة تيار المجمع I C إلى التيار الأساسي I B بالكسب الحالي. معين β , hfeأو h21e، اعتمادًا على تفاصيل الحسابات التي تم إجراؤها باستخدام الترانزستور.
أبسط مضخم ترانزستور ثنائي القطب
دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في مبدأ تضخيم الإشارة في المستوى الكهربائي باستخدام مثال الدائرة. اسمحوا لي أن أحجز مسبقًا أن هذا المخطط ليس صحيحًا تمامًا. لا أحد يقوم بتوصيل مصدر جهد مستمر مباشرة بمصدر تيار متردد. ولكن في هذه الحالة، سيكون من الأسهل والأكثر وضوحًا فهم آلية التضخيم نفسها باستخدام ترانزستور ثنائي القطب. كما أن تقنية الحساب نفسها في المثال أدناه مبسطة إلى حد ما.
1. وصف العناصر الرئيسية للدائرة
لذا، لنفترض أن لدينا ترانزستورًا بكسب قدره 200 (β = 200). على جانب المجمع، سنقوم بتوصيل مصدر طاقة قوي نسبيا 20 فولت، بسبب الطاقة التي سيحدث فيها التضخيم. من قاعدة الترانزستور نقوم بتوصيل مصدر طاقة ضعيف 2 فولت. نقوم بتوصيل المصدر به في سلسلة AC الجهدعلى شكل جيب، بسعة تذبذب 0.1V. ستكون هذه إشارة يجب تضخيمها. يعد المقاوم Rb الموجود بالقرب من القاعدة ضروريًا للحد من التيار القادم من مصدر الإشارة، والذي عادةً ما يكون ذو طاقة منخفضة.
2. حساب المدخلات الأساسية الحالية I ب
الآن دعونا نحسب التيار الأساسي I b. وبما أننا نتعامل مع الجهد المتردد، فإننا بحاجة إلى حساب قيمتين للتيار - عند الحد الأقصى للجهد (V max) والحد الأدنى (V min). دعنا نسمي هذه القيم الحالية على التوالي - أنا bmax و أنا bmin.
أيضًا، من أجل حساب تيار القاعدة، عليك معرفة جهد الباعث الأساسي V BE. يوجد وصلة PN واحدة بين القاعدة والباعث. اتضح أن التيار الأساسي "يلتقي" مع الصمام الثنائي لأشباه الموصلات في طريقه. الجهد الذي يبدأ عنده الصمام الثنائي لأشباه الموصلات في التوصيل هو حوالي 0.6 فولت. دعونا لا ندخل في التفاصيل خصائص الجهد الحالي للديود، ولتبسيط الحسابات، سنأخذ نموذجًا تقريبيًا، يكون بموجبه الجهد على الصمام الثنائي الحامل للتيار دائمًا 0.6 فولت. وهذا يعني أن الجهد بين القاعدة والباعث هو V BE = 0.6V. وبما أن الباعث متصل بالأرض (V E = 0)، فإن الجهد من القاعدة إلى الأرض هو أيضًا 0.6V (V B = 0.6V).
لنحسب I bmax وi bmin باستخدام قانون أوم:
2. حساب جامع الإخراج الحالي I مع
الآن، بعد معرفة الكسب (β = 200)، يمكنك بسهولة حساب القيم القصوى والدنيا لتيار المجمع (I cmax وI cmin).
3. حساب جهد الخرج V خارج
يتدفق تيار المجمع عبر المقاومة Rc، والتي قمنا بحسابها بالفعل. يبقى استبدال القيم:
4. تحليل النتائج
وكما يتبين من النتائج، تبين أن V Cmax أقل من V Cmin. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الجهد عبر المقاوم V Rc يتم طرحه من جهد الإمداد VCC. ومع ذلك، في معظم الحالات، لا يهم، لأننا مهتمون بالمكون المتغير للإشارة - السعة، التي زادت من 0.1 فولت إلى 1 فولت. لم يتغير التردد والشكل الجيبي للإشارة. بالطبع، فإن نسبة V out / V التي تبلغ عشر مرات ليست أفضل مؤشر لمكبر الصوت، ولكنها مناسبة تمامًا لتوضيح عملية التضخيم.
لذلك، دعونا نلخص مبدأ تشغيل مكبر للصوت على أساس الترانزستور ثنائي القطب. يتدفق تيار I b عبر القاعدة، ويحمل مكونات ثابتة ومتغيرة. هناك حاجة إلى مكون ثابت حتى يبدأ تقاطع PN بين القاعدة والباعث في العمل - "يفتح". والمكون المتغير هو في الواقع الإشارة نفسها (معلومات مفيدة). إن تيار المجمع والباعث داخل الترانزستور هو نتيجة لتيار القاعدة مضروبًا في الكسب β. بدوره، فإن الجهد عبر المقاوم Rc أعلى المجمع هو نتيجة ضرب تيار المجمع المضخم بقيمة المقاوم.
وهكذا، فإن طرف V الخارج يستقبل إشارة ذات سعة تذبذب متزايدة، ولكن بنفس الشكل والتردد. من المهم التأكيد على أن الترانزستور يستهلك الطاقة من أجل التضخيم من مصدر الطاقة VCC. إذا كان جهد الإمداد غير كافٍ، فلن يتمكن الترانزستور من العمل بشكل كامل، وقد تتشوه إشارة الخرج.
أوضاع تشغيل الترانزستور ثنائي القطب
وفقًا لمستويات الجهد على أقطاب الترانزستور، هناك أربعة أوضاع لتشغيله:
وضع القطع.
الوضع النشط.
وضع التشبع.
الوضع العكسي.
وضع القطع
عندما يكون جهد الباعث الأساسي أقل من 0.6 فولت - 0.7 فولت، يتم إغلاق وصلة PN بين القاعدة والباعث. في هذه الحالة، لا يوجد للترانزستور تيار أساسي. ونتيجة لذلك، لن يكون هناك تيار مجمع أيضًا، حيث لا توجد إلكترونات حرة في القاعدة جاهزة للتحرك نحو جهد المجمع. اتضح أن الترانزستور مغلق، ويقولون إنه موجود وضع القطع.
الوضع النشط
في الوضع النشطالجهد الكهربائي عند القاعدة كافٍ لفتح تقاطع PN بين القاعدة والباعث. في هذه الحالة، يكون للترانزستور تيارات قاعدية ومجمعة. تيار المجمع يساوي التيار الأساسي مضروبا في الكسب. أولئك الوضع النشطيسمى وضع التشغيل العادي للترانزستور، والذي يستخدم للتضخيم.
وضع التشبع
في بعض الأحيان قد يكون التيار الأساسي مرتفعًا جدًا. ونتيجة لذلك، فإن طاقة الإمداد ببساطة لا تكفي لتوفير مثل هذا الحجم من تيار المجمع الذي يتوافق مع كسب الترانزستور. في وضع التشبع، سيكون تيار المجمع هو الحد الأقصى الذي يمكن أن يوفره مصدر الطاقة ولن يعتمد على التيار الأساسي. في هذه الحالة، يكون الترانزستور غير قادر على تضخيم الإشارة، لأن تيار المجمع لا يستجيب للتغيرات في التيار الأساسي.
في وضع التشبع، تكون موصلية الترانزستور هي الحد الأقصى، وهي أكثر ملاءمة لوظيفة المفتاح (المفتاح) في حالة "التشغيل". وبالمثل، في وضع القطع، تكون موصلية الترانزستور في حدها الأدنى، وهذا يتوافق مع المفتاح في حالة إيقاف التشغيل.
الوضع العكسي
في هذا الوضع، يتغير دور المجمع والباعث: يكون تقاطع المجمع PN متحيزًا في الاتجاه الأمامي، ويكون تقاطع الباعث متحيزًا في الاتجاه المعاكس. ونتيجة لذلك، يتدفق التيار من القاعدة إلى المجمع. تكون منطقة أشباه الموصلات المجمعة غير متماثلة مع الباعث، ويكون الكسب في الوضع العكسي أقل منه في الوضع النشط العادي. تم تصميم الترانزستور بحيث يعمل بأكبر قدر ممكن من الكفاءة في الوضع النشط. لذلك، لا يتم استخدام الترانزستور عمليا في الوضع العكسي.
المعلمات الأساسية للترانزستور ثنائي القطب.
المكسب الحالي- نسبة تيار المجمع I C إلى تيار القاعدة I B. معين β , hfeأو h21e، اعتمادًا على تفاصيل الحسابات التي يتم إجراؤها باستخدام الترانزستورات.
β هي قيمة ثابتة لترانزستور واحد، وتعتمد على البنية المادية للجهاز. يتم حساب المكاسب العالية بمئات الوحدات، والمكاسب المنخفضة - بالعشرات. بالنسبة لترانزستورين منفصلين من نفس النوع، حتى لو كانا "جارين في خط الأنابيب" أثناء الإنتاج، قد يكون β مختلفًا قليلاً. ربما تكون هذه الخاصية للترانزستور ثنائي القطب هي الأكثر أهمية. إذا كان من الممكن في كثير من الأحيان إهمال المعلمات الأخرى للجهاز في الحسابات، فإن الكسب الحالي يكاد يكون مستحيلاً.
مقاومة المدخلات- المقاومة في الترانزستور التي "تلبي" التيار الأساسي. معين ر في (ر مدخل). كلما كان أكبر، كلما كان ذلك أفضل لخصائص التضخيم للجهاز، حيث يوجد عادة على الجانب الأساسي مصدر إشارة ضعيفة، والتي تحتاج إلى استهلاك أقل قدر ممكن من التيار. خيار مثالي- وذلك عندما تكون مقاومة الإدخال لا نهاية لها.
مدخلات R للترانزستور ثنائي القطب المتوسط هي عدة مئات من KΩ (كيلو أوم). هنا يفقد الترانزستور ثنائي القطب كثيرًا أمام ترانزستور التأثير الميداني، حيث تصل مقاومة الإدخال إلى مئات الجيجا أوم.
الموصلية الإخراج- موصلية الترانزستور بين المجمع والباعث. كلما زادت موصلية الخرج، زادت قدرة تيار المجمع والباعث على المرور عبر الترانزستور بقدرة أقل.
أيضًا، مع زيادة موصلية الخرج (أو انخفاض مقاومة الخرج)، يزداد الحمل الأقصى الذي يمكن أن يتحمله مكبر الصوت مع خسائر طفيفة في الكسب الإجمالي. على سبيل المثال، إذا قام الترانزستور ذو الموصلية المنخفضة للإخراج بتضخيم الإشارة 100 مرة بدون تحميل، فعند توصيل حمل 1 كيلو أوم، سيتم تضخيمه بالفعل 50 مرة فقط. الترانزستور الذي له نفس الكسب ولكن موصلية خرج أعلى سيكون له انخفاض أقل في الكسب. الخيار المثالي هو عندما تكون موصلية الخرج لا نهاية لها (أو مقاومة الخرج R out = 0 (R out = 0)).