مقدمة:
إن الترانزستور هو عنصر الكتروني فعّال مصنوع من أنصاف النواقل، اخترعه ويليام شوكلي William Shockely، وجون باردين John Bardeen، ووالتر هاوسر براتين Walter Houser Brattain في مخابر بيل، في العام ١٩٤٧، وقد كان أول ترانزستور هو عبارة عن ترانزستور نقطة اتصال، من جهة أخرى يعتبر الترانزستور اللُّبنة الأساسية لكل العناصر الرقمية؛ إذْ أن وظيفته الرئيسية هي تضخيم الإشارة وتنظيمها وفقا لذلك، كما يتكون من مواد نصف ناقلة كالسيليكون والجرمانيوم وأرسينيد الغاليوم. أما بالنسبة لأنواعه فيصنف تبعا لبنيته إلى نوعين هما:
- الترانزستور ثنائي القطبية BJT (يضم نوعين N-P-N وP-N-P )
- ترانزستور التأثير الحقليFET الذي يقسم إلى نوعين هما: ترانزستور التأثير الحقلي ذو الوصلة JFET وترانزستور الأثر الحقلي نوع معدن-أكسيد نصف ناقل MOSFET وله نوعين موسفيت ذو القناة P وموسفيت ذو القناة N
وتبعاً لوظيفته فيكون التصنيف على النحو التالي:
ترانزستور الإشارات الضعيفة، ترانزستور التبديل الصغير، ترانزستور الاستطاعة، ترانزستور التردد العالي، الترانزستورات الضوئية، والترانزستور أحادي الوصلة.
يتألف الترانزستور من ثلاثة أجزاء رئيسية هي: الباعث E والقاعدة B والمجمع C أو المصدر S والمصرف D والبوابة G
ما هو ترانزستور الاستطاعة؟
ترانزستور الاستطاعة هو عنصر ثلاثي الأطراف مصمم خصيصًا للتحكم في الجهود والتيارات العالية، ومن أجل التعامل مع العدد الكبير من مستويات الاستطاعة في جهاز أو دارة واحدة، كما تضم ترانزستورات الاستطاعة التصنيفات التالية:
- ترانزستورات ثنائية القطبية BJTs
- ترانزستورات الأثر الحقلي نوع معدن-أكسيد نصف ناقل MOSFETs
- ترانزستورات الحث الثابت SITs
- الترانزستور ثنائي القطبية ذو البوابة المعزولة IGBTs
سنناقش الآن، كلاً من الترانزستورات السابقة على حدى.
ترانزستور BJT
هذا النوع بمقدوره التعامل مع قطبين هما الالكترونات والثقوب، ويمكن أن يستخدم كمفتاح الكتروني أو مضخم، ويعرف أنَّه جهاز تحكم بالتيار.
خواصه:
- حجمه أكبر بحيث يستطيع التيار الأعظمي التدفق من خلاله.
- جهد الانهيار مرتفع.
- يملك قدرة أكبر على حمل التيار والتعامل مع الاستطاعات العالية.
- هبوط جهد أعلى.
- تطبيقات استطاعة عالية.
ترانزستور MOSFET
يعد هذا النوع تصنيفًا فرعيًا من تصنيفاتFET ، وهو عنصر ثلاثي الأطراف (المصدر والمصرف والبوابة)، يعتمد أداءه على عرض القناة، فكلَّما زاد العرض عمل بكفاءة أكثر.
خواصه:
- يعرف بأنَّه متحكم بالجهد.
- لا يحتاج تيار دخل.
- ممانعة دخل كبيرة.
ترانزستور SIT:
هو عنصر له ثلاثة أطراف، عالي التردد والاستطاعة، ومصمم بشكل عمودي، الميزة الأساسية لهذا النوع أن لديه جهد انحياز أعلى بالمقارنة مع ترانزستورات FET
خواصه:
-قناته قصيرة
-ضجيج أقل
-تتم عملية التشغيل والإطفاء خلال ثوان قليلة.
-المقاومة الطرفية منخفضة.
ترانزستور IGBT
هذا النوع هو مزيج من BJTو FETإذ يعتمد عمله على البوابة فهي المسؤولة عن تشغيله وإطفاءه، بالإضافة إلى أن هذا النوع يوجد غالبًا في أجهزة الاستطاعة الالكترونية مثل الانفرترات والمحولات وتجهيزات الطاقة.
-الضياعات أقل عند دخل الدارة.
-ربح استطاعة أكبر.
بنية ترانزستورات الاستطاعة
إن ترانزستور الاستطاعة BJT هو جهاز عمودي التصميم، لديه مساحة واسعة من الطبقات المتقاطعة مع طبقات من نوع N وP متصلة معا، ويمكن تصميم هذا النوع بواسطة ترانزستور P-N-PأوN-P-N
حيث تُظهِر البنية في الصورة أدناه النوع P-N-P الذي يضم ثلاثة أطراف هي الباعث والقاعدة والمجمع، ويظهر الباعث متصلاً بطبقة من النوع n- ذات إشابة عالية ويوجد تحتها طبقة من النوع P ذات إشابة متوسطة بتركيز cm-3 16^10 وطبقة من نوع n- ذات إشابة خفيفة بتركيز cm-3 14^10 والتي تسمى أيضًا بمنطقة انجراف المجمع التي بدورها تحدد جهد الانهيار للترانزستور وأسفل هذه المنطقة يوجد طبقة من النوع n+ ذات تركيز عالي من الاشابة cm-3 19^10 كما ان المجمع موجود بعيداً عن واجهة المستخدم.
عمل ترانزستور الاستطاعة:
يعمل ترانزستور الاستطاعة نوع BJTضمن أربع مناطق عمل هي:
- منطقة القطع
- المنطقة الفعالة
- منطقة شبه الإشباع
- منطقة الإشباع التام
يكون في حالة قطع إذا كان من النوع npn وموصولاً في حالة الانحياز العكسي وهذا يحدث في حالتين:
الحالة الأولى: طرف القاعدة موصول بالسالب وطرف الباعث موصول بالموجب.
الحالة الثانية: طرف المجمع موصول بالسالب وطرف القاعدة موصول بالموجب بحيث تكون وصلة القاعدة-باعث والمجمع-باعث في حالة انحياز عكسي.
بذلك لن يتدفق تيار الخرج إلى قاعدة الترانزستور بالتالي IBE=0 وأيضًا لن يتدفق تيار الخرج من المجمع إلى الباعث حيث IC=IB=0 وهذا يشير إلى أن الترانزستور في حالة off والتي هي منطقة القطع، ولكن في المقابل يتسرب جزءٌ صغير من التيار من المجمع إلى الباعث هو ICEO
ويكون الترانزستور في الحالة الفعالة فقط عندما تكون وصلة القاعدة-باعث في حالة انحياز أمامي ووصلة المجمع-قاعدة في حالة انحياز عكسي، وبالتالي سيتدفق تيار القاعدة في القاعدة وتيار المجمع IC من المجمع إلى الباعث، وبازدياد تيار القاعدة يزداد تيار المجمع.
بالنسبة للترانزستور في وضع شبه الإشباع فيحدث إذا كانت وصلتا القاعدة-باعث والمجمع-قاعدة في حالة انحياز امامي.
أما وضع الاشباع التام فهو عندما تكون وصلتا القاعدة-باعث والمجمع-قاعدة في حالة انحياز أمامي.
خصائص خرج ترانزستور الاستطاعة
-يمكننا معايرة خواص الخرج بالرسم البياني كما هو موضح أدناه، حيث يمثل المحور x الجهد من المجمع إلى الباعث VCE بينما الحور y يمثل تيار المجمع.
-كما يبين الرسم مناطق عديدة مثل منطقة القطع والمنطقة الفعالة ومنطقة شبه الإشباع ومنطقة الإشباع التام.
-من أجل قيم مختلفة من الجهد VBE يكون لدينا قيم تيار مختلفة IB0, IB1, IB2, IB3, IB4, IB5.
-طالما أنه لا يوجد تدفق للتيار هذا يعني أن الترانزستور في حالة قطع، لكن يتسرب تيار صغيرICEO
-من أجل قيم متزايدة من تيار القاعدة IB=0,1,2,3,4,5 حيث يكون IB0 صاحب أصغر قيمة و IB5 صاحب أكبر قيمة، وعندما يزداد VCE يزداد أيضا ICE بمقدار ضئيل حيث β. IB IC= وذلك يعني أن الترانزستور يعمل متحكمًا بالتيار وبالتالي هو في الوضع الفعّال الذي يدوم لفترة معينة.
-عندما تصل IC لأقصى قيمة لها يصبح الترانزستور في حالة الإشباع التي تحوي منطقتين هما: الاشباع التام وشبه الاشباع.
-يكون الترانزستور في منطقة شبه الإشباع إذا وفقط إذا تمت عملية التبديل من on إلى off أو بالعكس بسرعة، ونرى هذا النوع من الإشباع في التطبيقات متوسطة التردد.
-بينما في منطقة الإشباع التام يحتاج الترانزستور لفترة من الزمن لكي يبدل من وضع لآخر، ونرى هذا النوع في التطبيقات منخفضة التردد.
ميزات ترانزستور الاستطاعة من نوع BJT:
-ربح الجهد عالي
-كثافة التيار كبيرة
-ربح عرض النطاق الترددي كبير
عيوب ترانزستور الاستطاعة من نوع BJT:
-الاستقرار الحراري منخفض
-أكثر ضجيجًا
-التحكم فيه أكثر تعقيدًا
تطبيقاته:
-الريليهات Relays
-مضخمات الاستطاعة
-محولات من التيار المستمر DC إلى AC
-إمدادات الطاقة في وضع التبديل
أكثر الأسئلة شيوعًا:
- ما هو الفرق بين الترانزستور وترانزستور الاستطاعة؟
الترانزستور هو عنصر الكتروني فعال ذو ثلاثة أو أربعة أطراف، عندما تطبق تيار دخل على زوج من أطرافه ستلاحظ تغيرًا في التيار في الطرف الآخر، أي يعمل الترانزستور كمضخم أو مفتاح الكتروني، بينما يعمل ترانزستور الاستطاعة كمشتت حرارة يحمي الدارة من التخريب وهو أكبر حجمًا من الترانزستور العادي.
- أي منطقة من مناطق عمل الترانزستور يكون فيها التبديل من on إلى off وبالعكس أسرع؟
يكون الترانزستور أسرع في عملية التبديل في منطقة شبه الإشباع.
- على ماذا يدل حرف ال N في الترانزستورات N-P-N و P-N-P؟
يمثل نوع حوامل الشحنة المستخدمة حيث تكون حوامل الشحنة الأكثرية في النوع N هي الالكترونات سالبة الشحنة Negative وبالتالي فإن حوامل الشحنة N تحصر داخلها حوامل N في النوع N-P-N ، أما في النوع P-N-P فحوامل N هي التي تكون محصورة بين حوامل P.
- ما هي وحدة الترانزستور؟
إن وحدات القياس الالكترونية للترانزستور هي على التوالي: الامبير A والفولت V والاوم Ω
- هل يعمل الترانزستور على التيار المتناوب DC أم المستمر AC؟
يعتبر الترانزستور مقاومة متغيرة بإمكانها العمل على كلا التيارين لكنها لا تستطيع التحويل من المستمر للمتناوب أو بالعكس.
الترانزستور هو عنصر أساسي في الأنظمة الرقمية، له نوعين تبعًا لبنيته وأنواع عديدة تبعا لوظيفته، أما ترانزستور الاستطاعة BJT فهو الترانزستور المستخدم للتحكم في الجهود والتيارات العالية، ويعمل ضمن ٤ مناطق هي القطع، والفعالة، وشبه الإشباع، والإشباع التام، تحدد المنطقة بحسب الاستطاعة المقدمة للترانزستور، كما أن الميزة الأساسية له هي عمله كمتحكم في التيار.
المصدر: هنا
ترجمة: رلا دنوره , مراجعة: علي العلي , تدقيق لغوي: بولا ابراهيم, تصميم: علي العلي, تحرير: نور البوشي.
