الترانزستور ثنائي القطبيّة BJT بنيته وميزاته

الترانزستور ثنائي القطبيّة BJT: بنيته وميزاته

رأينا في دروس الديودات أو الثنائيات (DIODE) أنّ الديودات مكوّنة من قطعتين من مواد نصف ناقلة لتشكّل موصل بسيط من النوع PN، ودرسنا خصائصها ومميّزاتها.والآن إذا قمنا بوصل ديودين مفردين معاً، سنحصل على وصلتين PN على التسلسل تشتركان بنقطة من النوع P أو N.

إنّ دمج هذين الديودين ينتِج قطعة مكوّنة من ثلاث طبقات وبثلاثة أقطاب، ويشكّل أساس الترانزستور ثنائيّ القطبيّة، ويسمّى Bipolar Junction Transistor (أو BJT اختصاراً).


محتويات المقال:


الترانزستورات:

هي عناصر إلكترونيّة فعّالة لها ثلاثة أطراف مصنوعة من أنصاف نواقل مختلفة يمكنها أن تعمل كعازل  أو ناقل عند تطبيق جهد منخفض.

إنّ قدرة الترانزستور على التحوّل من عنصر موصل إلى عازل وبالعكس تسمح له بالقيام بدورين أساسيّين، هما: العمل كمفتاح (عند التعامل مع الدارات الرقميّة)، أو العمل كمضخّم (في الدارات التماثلية).

وبالتالي فإنّ الترانزستور يمكن أن يعمل في ثلاثة أوضاع (مناطق)، هي:

المنطقة الفعّالة: يعمل خلالها الترانزستور كمضخّم، ويكون تيّار المجمّع محدّداً بالمعادلة IC=β*IB.
منطقة الإشباع: يمرّر الترانزستور أكبر تيّار ممكن، ويسمّى تيّار الإشباع (Saturation) (أو يسمّى وضع التشغيل التام)
IC= ISATURATION.
منطقة القطع:يكون الترانزستور مغلقاً تماماً بوجه التيّار، ويكون تيّار المجمّع معدوماً IC=0.

تشكّلت كلمة ترانزستور من جمع الجزء الأول من كلمة TRANSfer والتي تعني النقل، ونهاية كلمة varISTOR وتعني متغيّر المقاومة (أي الناقل متغيّر المقاومة)، وهي كلمة تصف عمل الترانزستور سابقاً أثناء تطويره.

يوجد نوعان أساسيّان من الترانزستورات ثنائيّة القطبيّة PNP وNPN، وهما وصفان للترتيب الفيزيائي لأنصاف النواقل من النوع N وP ضمن الترانزستور.

يتكوّن الترانزستور ثنائي القطبية من ديودين PN يشكّلان عنصراً له ثلاثة أطراف، كلّ منها له اسم ليميّز عن الطرفين الباقيين. وتعرف هذه الأطراف حالياً بالأسماء التالية: الباعث (Emitter (E، والقاعدة (Base (B، والمجمّع (Collector (C.

نموذج لترانزستور ثنائيّ القطبيّة
نموذج لترانزستور ثنائيّ القطبيّة

 

إنّ الترانزستورات هي عناصر تنظيم التيّار، أي تتحكّم بكميّة التيّار الذي يمرّ خلالها من الباعث إلى المجمّع بالتناسب مع الجهد المطبَّق على القاعدة، وبالتالي فتعمل كمفتاح يتم التحكّم به عن طريق التيّار، حيث أنّ مرور تيار بسيط عبر القاعدة يتحكّم بمرور تيّار أكبر بكثير عبر المجمّع، وهو ما يشكّل أساس عمل الترانزستور.

إنّ مبدأ عمل الترانزستورات من النوعين PNP وNPN هو نفسه تماماً، ولكنّ الفرق الوحيد هو إشارة الجهد المطبَّق على القاعدة واتّجاه التيّار المطبَّق على كل نوع.

بنية وتركيب الترانزستور ثنائي القطبية:

 

بنية ترانزستور ثنائي القطبيةبنية ترانزستور ثنائي القطبية
بنية ترانزستور ثنائي القطبية (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

يوضح الشكل السابق تركيب كلّ من نوعي الترانزستورات ورمزهما، وتشير الأسهم في الشكل إلى جهة التيّار الاصطلاحيّة بين القاعدة والباعث.
تسير الأسهم دائماً من القسم الموجب من النوعP  إلى القسم السالب من النوع N لكلا نوعي الترانزستورات، كما هو الحال مع الديود تماماً.

طرق توصيل الترانزستور ثنائي القطبية:

بما أنّ للترانزستور ثنائيّ القطبيّة ثلاثة أطراف، فهناك ثلاث طرق ممكنة لتوصيله في دارة إلكترونيّة، حيث يكون أحد أطرافه مشتركاً بين الدخل والخرج.
تتجاوب كلّ طريقة توصيل بشكل مختلف مع إشارة الدخل بسبب تغيّر مواصفات الناقليّة للترانزستور مع كلّ تغيير في توصيل الدارة. طرق التوصيل الثلاث هي:

1-التوصيل بطريقة القاعدة المشتركة: يكون فيها ربح في الجهد بدون ربح تيّار.
2-التوصيل بطريقة الباعث المشترك: يكون فيها ربح في التيّار والجهد.
3-التوصيل بطريقة المجمع المشترك: يكون فيها ربح في التيّار بدون ربح في الجهد.

أولاً: التوصيل بطريقة القاعدة المشتركة

تكون القاعدة هي الطرف المشترك بين إشارة الدخل وإشارة الخرج، كما يوحي اسم هذه الطريقة، يتم تطبيق إشارة الدخل على طرفي القاعدة والباعث، بينما يتمّ الحصول على إشارة الخرج من فرق الجهد بين القاعدة والمجمّع كما هو موضّح في الشكل التالي، يتمّ توصيل القاعدة إلى الأرضي أو إلى نقطة جهد مرجعيّة.

يكون التيّار المتدفِّق إلى الباعث كبيراً، حيث يكون محصلة جمع كلّ من تيّار القاعدة وتيّار المجمّع، وبالتالي يكون خرج تيّار المجمّع أقل من دخل تيّار الباعث، ممّا يسبِّب ربحاً في هذا النوع من الدارات بمقدار 1 أو أقل، أو بتعبير آخر فإنّ التوصيل بطريقة القاعدة المشتركة يضعف إشارة الدخل.

دارة القاعدة المشتركة:
توصيلة القاعدة المشتركة (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)
توصيلة القاعدة المشتركة (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

إنّ طريقة التوصيل هذه تعطي دارة مضخّم غير عاكس لطور الجهد، أي يكون كل من جهد إشارة الدخل VIN وجهد إشارة الخرج VOUT متّفقان بالطور (الصفحة) في هذه الطريقة.

بشكل عام، إنّ التوصيل بهذه الطريقة غير شائع بسبب كونها ترفع الجهد بطريقة غير عاديّة.

تكون مواصفات دخل هذه الدارة كمواصفات دخل ديود موصول بشكل مباشر، بينما تشابِه مواصفات الخرج مواصفات خرج ديود ضوئيّ معرّض للإنارة. كما أنّ التوصيل بهذه الطريقة له نسبة (مقاومة خرج إلى مقاومة دخل) مرتفعة أو بشكل أكثر أهمية له نسبة (مقاومة حمل RL إلى مقاومة دخل RIN) مرتفعة ممّا يسبِّب ربحاً في المقاومة، وبالتالي يُعطى مقدار الربح في الجهد (AV) عند التوصيل بطريقة القاعدة المشتركة بالشكل:

مقدار الربح في الجهد عند التوصيل بطريقة القاعدة المشتركة:

قانون الربح (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)
قانون الربح (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

حيث تمثل النسبة IC/IE مقدار الربح في التيّار، أو ألفا α، وتمثّل النسبة RL/RIN مقدار الربح في المقاومة.

بشكل عام، يُستخدم التوصيل بطريقة القاعدة المشتركة في دارات التضخيم وحيدة المرحلة فقط، كالمضخّم الأوليّ في الميكروفون، أو مضخّمات ترددات الراديو (Rf) بسبب استجابتها الجيّدة عند التردّدات المرتفعة.

ثانياً: التوصيل بطريقة الباعث المشترك

تكون إشارة الدخل مطبّقة بين القاعدة والباعث عند التوصيل بطريقة الباعث المشترك، بينما يكون الخرج بين المجمّع والباعث كما هو موضَّح في الشكل أدناه.

غالباً ما تُستخدَم طريقة التوصيل هذه في المضخّمات المبنيّة على أساس الترانزستورات، والتي تمثّل طريقة التوصيل الطبيعية للترانزستورات ثنائيّة القطبيّة. ينتِج التوصيل بطريقة الباعث المشترك أكبر ربح في التيّار والاستطاعة من بين طرق التوصيل الثلاثة، ويعود ذلك بشكل رئيسيّ إلى كون إعاقة مرور الدخل منخفضة، حيث أنّها تمثلّ وضع توصيل مباشر لديود PN، بينما تكون مقاومة الخرج مرتفعة، حيث أنّها تأتي من توصيل عكسي لديود PN.

دارة الباعث المشترك:
توصيلة الباعث المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)
توصيلة الباعث المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

عند التوصيل بهذه الطريقة يجب أن يكون التيّار الذي يخرج من الترانزستور مساوياً للتيّارات الداخلة إليه، حيث يكون تيّار الباعث معطى بالعلاقة: IE = IC + IB.
بما أنّ مقاومة الحمل (RL) موصولة على التسلسل مع المجمّع، يكون الربح في التيّار للترانزستور الموصول بطريقة الباعث المشترك كبيراً جداً، حيث يعطى بالنسبة IC/IB. يرمز لمقدار الربح في تيّار الترانزستور بالحرف اليوناني بيتا β.

وبما أنّ تيّار الباعث في هذه الطريقة يعطى بالعلاقة: IE = IC + IB، يطلق على النسبة IC/IE اسم الحرف اليوناني ألفا α. وتجدر الإشارة إلى أنّ قيمة ألفا دائماً أصغر من الواحد.

بما أنّ العلاقة بين التيّارات الثلاثة في الترانزستور IC،IB،IE تتحدَّد بالتركيب الفيزيائيّ للترانزستور، فإنّ أيّ تغيّر صغير في تيّار القاعدة IB سيسبّب تغيّراً أكبر بكثير في تيّار المجمّع IC.

وبالتالي فإنّ التغيّرات الطفيفة التي تحدث في التيّار الذي يمرّ في القاعدة ستتحكّم بتيار دارة الباعث-المجمّع. بشكل عام، تتراوح قيمة بيتا بين 20 و200 في أغلب الترانزستورات ذات الاستخدام العام.

فإذا كان لترانزستور ما قيمة بيتا تعادل 100 فهذا يعني أنّه يمرّ إلكترون واحد من القاعدة لكل 100 إلكترون يمرّ بين الباعث والمجمّع.
بجمع العلاقتين المحدّدتين لـكل من ألفا α و بيتا β تصبح العلاقة الرياضية بين هذين المعيارين

مقدار الربح في تيار الترانزستور معطاة بالشكل التالي:

علاقة الربح بتوصيلة الباعث المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

علاقة الربح بتوصيلة الباعث المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)حيث أنّ IC هو تيّار دخل المجمّع، وIB هو تيّار دخل القاعدة، وIE هو تيّار الخرج من الباعث.

وبتلخيص ما سبق نستطيع أن نقول: إنّ توصيل الترانزستور ثنائيّ القطبيّة بهذه الطريقة له ممانعة دخل أكبر وربح أكبر في الاستطاعة والتيّار من التوصيل بطريقة القاعدة المشتركة، ولكن بربح في الجهد أقل بكثير.
يشكل التوصيل بطريقة الباعث المشترك دارة تضخيم عاكسة، أي إنّ صفحة إشارة الخرج الناتجة تختلف عن طور (صفحة) إشارة الدخل بمقدار 180درجة.

ثالثاً: التوصيل بطريقة المجمّع المشترك

يكون المجمّع في هذه الطريقة مشتركاً، وتكون إشارة الدخل متّصلة مباشرة بالقاعدة، في حين يكون الخرج مأخوذاً من الباعث كما يظهر في الشكل التالي.

كما تشيع تسمية طريقة التوصيل هذه بدارة تابع الجهد أو دارة تابع الباعث. وتعتبر هذه الطريقة مفيدة جداً في حالات مطابقة الممانعة بسبب ممانعتها المرتفعة جداً للدخل، وهي ممانعة من رتبة مئات أو آلاف الأومات في حين لها ممانعة خرج منخفضة نسبياً.

دارة المجمّع المشترك:

توصيلة المجمع المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)
توصيلة المجمع المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

غالباً ما تكون قيمة الربح في التيّار عند التوصيل بطريقة المجمّع المشترك تساوي تقريباً قيمة β للترانزستور. وتكون في هذه الحالة مقاومة الحمل موصولة على التسلسل مع الباعث، وبالتالي يكون تيّارها مساوياً لتيار الباعث.

بما أنّ تيّار الباعث ناتج عن جمع كلا تيّاري المجمّع والقاعدة معاً، يمرّ في مقاومة الحمل تيّار المجمّع وتيّار القاعدة، وعندها يُعطى الربح في التيّار بالعلاقة التالية:

مقدار الربح في التيّار عند التوصيل بطريقة المجمع المشترك:

 

الربح في توصيلة المجمع المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)
الربح في توصيلة المجمع المشترك (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

إنّ التوصيل بهذه الطريقة يعطي دارة لا تعكس الطور، أي أنّ إشارة جهدي الدخل والخرج متفقتان بالطور (الصفحة). ويكون مقدار الربح في الجهد دائماً أقل من الواحد، كما يمرّ في مقاومة الحمل كلّ من تياري القاعدة والمجمّع، ممّا يعطي ربحاً كبيراً في التيار (كما هو الحال عند التوصيل بطريقة الباعث المشترك)، وبالتالي نحصل على تضخيم جيّد للتيّار مع ربح بسيط جداً في الجهد.

يمكن أن نلخّص العلاقات المختلفة بين تيّارات التي تمرّ في كلّ قطب من أقطاب الترانزستور ومقدار الربح في الشكل التالي.

ملخص علاقات الربح (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)
ملخص علاقات الربح (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

ملخّص شرح الترانزستور ثنائيّ القطبيّة:

إذا أردنا أن نلخّص ما ناقشناه سابقاً نقول: إنّ سلوك الترانزستور ثنائيّ القطبيّة يختلف بشكل كبير في كلّ دارة من الدارات السابقة، وينتج خصائص متباينة للتيّارات تبعاً لممانعتي الدخل والخرج ومقادير الربح سواءً في الجهد، أو التيّار، أو في الطاقة، كما هو موضَّح في كل من الشكل والجدولالتاليين.

طرائق توصيل الترانزستور ثنائي القطبية:

 

طرق توصيل الترانزستور ثنائي القطبية (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)
طرق توصيل الترانزستور ثنائي القطبية (حقوق الصورة: موقع electronics-tutorials)

 

الخصائص العامّة لطرائق التوصيل المختلفة:

القاعدة المشتركة الباعث المشترك المجمع المشترك
ممانعة الدخل منخفضة متوسطة مرتفعة
ممانعة الخرج مرتفعة جداً مرتفعة منخفضة
تغيير الطور (الصفحة) 180°
الربح في الجهد مرتفع متوسط منخفض
الربح في التيار منخفض متوسط مرتفع
الربح في الطاقة منخفض مرتفع جداً متوسط

 

سنلقي في المقالة التالية  عن الترانزستورات ثنائيّة القطبيّة نظرة عن كثب على الترانزستورات من النوع NPN، ونشرح بالتفصيل متى تستخدم بطريقة الباعث المشترك كمضخّمات، حيث تعتبر الطريقة الأكثر انتشاراً بسبب مرونتها ومقدار الربح المرتفع فيها.

كما سنقوم برسم مخططات لمنحنيات الخرج المترافقة مع دارات التّضخيم يكون فيها تيّار المجمّع تابعاً لتيار القاعدة.


المصدر: هنا
ترجمة: لؤي ديب, مراجعة: علي العلي، تدقيق لغوي: سلام أحمد, تصميم: علي العلي, تحرير: علي العلي.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *