الترانزستورات - أساسيات وأنواع وطرق التعزيز
مقدمة في الترانزستور:
في وقت سابق ، كان المكون الاساسي والمهم للجهاز الإلكتروني عبارة عن أنبوب مفرغ. وهو عبارة عن أنبوب إلكتروني يستخدم للتحكم في التيار الكهربائي . عملت الأنابيب المفرغة كالترانزستورات لكنها ضخمة ، وتتطلب جهد تشغيل أعلى ، واستهلاكًا عاليًا للطاقة ، وتنتج كفاءة أقل ، ويتم استخدام المواد التي ينبعث منها الإلكترون الكاثود في التشغيل. لذلك ، ينتهى ذلك بالحرارة التي تقصر من عمر الأنبوب نفسه. للتغلب على هذه المشاكل ، اخترع جون باردين ووالتر براتين وويليام شوكلي الترانزستور في مختبرات Bell في عام 1947. كان هذا الجهاز الجديد حلًا أكثر أناقة بكثير للتغلب على العديد من القيود الأساسية للأنابيب المفرغة.
الترانزستور هو جهاز أشباه الموصلات يمكنه التوصيل والعزل. يمكن أن يعمل الترانزستور كمفتاح ومضخم. يقوم بتحويل الموجات الصوتية إلى موجات ومقاومات إلكترونية ، والتحكم في التيار الإلكتروني. تتمتع الترانزستورات بعمر طويل جدًا ، وأصغر حجمًا ، ويمكن أن تعمل على إمدادات الجهد المنخفض لمزيد من الأمان ، ولا تتطلب تيارًا خيطيًا. تم تصنيع الترانزستور الأول من الجرمانيوم. يؤدي الترانزستور نفس وظيفة الصمام الثلاثي المفرغ لكن باستخدام وصلات شبه موصلة بدلاً من أقطاب كهربائية ساخنة في غرفة مفرغة. الترانزستور يمثل لبنة البناء الأساسية للأجهزة الإلكترونية الحديثة وتوجد في كل مكان في الأنظمة الإلكترونية الحديثة.
أساسيات الترانزستور:
الترانزستور هو جهاز ثلاثي الأطراف. تسمى،
القاعدة: وهي المسؤولة عن تنشيط الترانزستور.
جامع: وهو الرصاص الموجب.
باعث: وهو الرصاص السالب.
الفكرة الأساسية وراء الترانزستور هي أنه يتيح لك التحكم في تدفق التيار من خلال قناة واحدة عن طريق تغيير شدة تيار أصغر الى شدة تيار أكبر يتدفق عبر قناة ثانية.
أنواع الترانزستورات:
يوجد نوعان من الترانزستورات. هما الترانزستورات ثنائية التوصيل (BJT) ، والترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET). يتدفق تيار صغير بين القاعدة والباعث ؛ يمكن أن يتحكم طرف القاعدة في تدفق تيار أكبر بين أطراف المجمع والباعث. بالنسبة للترانزستور ذو التأثير الميداني ، فإنه يحتوي أيضًا على المحطات الثلاثة ، وهي البوابة والمصدر والصرف ، ويمكن أن يتحكم الجهد عند البوابة في التيار بين المصدر والصرف. تظهر الرسوم البيانية البسيطة لـ BJT و FET في الشكل أدناه:
ترانزستور ثنائي القطب (BJT)
ترانزستور ثنائي القطب (BJT)
الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET)
الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET)
كما ترون ، تأتي الترانزستورات بمختلف الأحجام والأشكال. الشيء المشترك بين جميع هذه الترانزستورات هو أن لكل منها ثلاثة خيوط.
ناقل ثنائي القطب:
يحتوي الترانزستور ثنائي القطب (BJT) على ثلاث محطات متصلة بثلاث مناطق شبه موصلة. يأتي بنوعين ، PNP و NPN.
ترانزستور PNP ، يتكون من طبقة من أشباه الموصلات N-doped بين طبقتين من مادة P-doped. يتم تضخيم التيار الأساسي الذي يدخل المجمع في مخرجه.
وذلك عندما يكون الترانزستور PNP في وضع التشغيل عندما يتم سحب قاعدته المنخفضة بالنسبة إلى المرسل. ترمز أسهم الترانزستور PNP إلى اتجاه التدفق الحالي عندما يكون الجهاز في الوضع النشط لإعادة التوجيه.
مخطط عمل PNP
يتكون الترانزستور NPN من طبقة شبه موصلة P-doped بين طبقتين من مادة N-doped. من خلال تضخيم القاعدة نحصل على تيار جامع وباعث مرتفع.
وذلك عندما يكون الترانزستور NPN في وضع التشغيل عندما يتم سحب قاعدته المنخفضة بالنسبة إلى المرسل. عندما يكون الترانزستور في حالة ON ، يكون التدفق الحالي بين الجامع وباعث الترانزستور. بناءً على ناقلات الأقلية في منطقة النوع P ، تنتقل الإلكترونات من الباعث إلى المجمع. يسمح بتشغيل أكبر حقيقي وأسرع ؛ لهذا السبب ، فإن معظم الترانزستورات ثنائية القطب المستخدمة اليوم هي NPN.
مخطط عمل NPN
ترانزستور تأثير المجال (FET):
الترانزستور ذو التأثير المجالي هو ترانزستور أحادي القطب ، يتم استخدام N-channel FET أو P-channel FET للتوصيل. محطات FET الثلاث هي المصدر والبوابة والمصرف. يتم عرض F-Channel و F-channel الأساسيين أعلاه. بالنسبة إلى NET-channel FET ، يتم إنشاء الجهاز من مادة من النوع n. بين المصدر والصرف ، تعمل مادة من النوع كمقاوم.
يتحكم هذا الترانزستور في الموجات الحاملة الموجبة والسالبة فيما يتعلق بالثقوب أو الإلكترونات. تتكون قناة FET عن طريق تحريك حاملات الشحنة الموجبة والسالبة. قناة FET المصنوعة من السيليكون.
هناك العديد من أنواع FET ، و MOSFET ، و JFET ، إلخ.
انحياز ثنائي القطب تقاطع الترانزستور
ديود NPN-PNP
الترانزستورات هي أهم الأجهزة النشطة شبه الموصلة الضرورية لجميع الدوائر تقريبًا. يتم استخدامها كمفاتيح إلكترونية ومكبرات وما إلى ذلك في الدوائر. قد تكون الترانزستورات NPN ، PNP ، FET ، JFET ، إلخ ، والتي لها وظائف مختلفة في الدوائر الإلكترونية. من أجل العمل السليم للدائرة ، من الضروري تحيز الترانزستور باستخدام شبكات المقاومة. نقطة التشغيل هي النقطة على خصائص الإخراج التي تظهر الجهد الجامع والباعث والتيار جامع مع عدم وجود إشارة الإدخال. تُعرف نقطة التشغيل أيضًا باسم نقطة التحيز أو نقطة Q (نقطة هادئة).
يشار إلى التحيز لتوفير المقاومات أو المكثفات أو جهد الإمداد ، إلخ لتوفير خصائص التشغيل المناسبة للترانزستورات. يستخدم انحياز التيار المستمر للحصول على تيار جامع التيار المستمر عند جهد جامع معين. يتم التعبير عن قيمة هذا الجهد والتيار من حيث نقطة Q. في تكوين مضخم الترانزستور ، يكون IC (الحد الأقصى) هو الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يتدفق عبر الترانزستور و VCE (الحد الأقصى) هو الحد الأقصى للجهد المطبق عبر الجهاز. لتشغيل الترانزستور كمضخم ، يجب توصيل المقاومة للحمل بالمجمع. يؤدي التحيز إلى تعيين جهد التشغيل الحالي والتيار إلى المستوى الصحيح بحيث يمكن تضخيم إشارة دخل التيار المتردد بشكل صحيح بواسطة الترانزستور. نقطة التحيز الصحيحة هي في مكان ما بين حالات التشغيل الكامل أو حالات الإيقاف الكامل للترانزستور. هذه النقطة المركزية هي Q-Point وإذا كان الترانزستور متحيزًا بشكل صحيح ، فستكون نقطة Q هي نقطة التشغيل المركزية للترانزستور. وهذا يساعد تيار المخرج على الزيادة والنقصان مع تأرجح إشارة المدخل خلال الدورة الكاملة.
لتعيين Q-Point الصحيح للترانزستور ، يتم استخدام مقاومة المجمع لتعيين تيار المجمع إلى قيمة ثابتة دون أي إشارة في قاعدته. يتم تعيين نقطة التشغيل الثابتة DC هذه من خلال قيمة جهد الإمداد وقيمة المقاومة المتحيزه الأساسي. تستخدم مقاومات التحيز الأساسي في جميع تكوينات الترانزستور الثلاثة مثل القاعدة المشتركة والمجمع المشترك وتكوينات الباعث المشترك.
التحيز للترانزستور -1الترانزستور
طرق التحيز:
فيما يلي الأساليب المختلفة لانحياز قاعدة الترانزستور:
1. التحيز الحالي:
كما هو موضح في الشكل 1 ، يتم استخدام مقاومين RC و RB لضبط انحياز القاعدة. تحدد هذه المقاومات منطقة التشغيل الأولية للترانزستور مع انحياز التيار الثابت.
يتحيز الترانزستور الأمامي بجهد تحيز قاعدة موجبة من خلال RB. انخفاض جهد باعث القاعدة إلى الأمام هو 0.7 فولت. لذا فإن التيار من خلال RB هو I B = (V cc - V BE ) / I B
2. انحياز التغذية المرتدة:
يوضح الشكل 2 انحياز الترانزستور باستخدام المقاوم الارتجاعي. يتم الحصول على تحيز القاعدة من جهد المجمع. تضمن ردود فعل المجمع أن يكون الترانزستور متحيزًا دائمًا في المنطقة النشطة. عندما يزيد تيار المجمع ، ينخفض الجهد عند المجمع. هذا يقلل من محرك الأقراص الأساسي الذي بدوره يقلل من تيار المجمع. يعد تكوين الملاحظات هذا مثاليًا لتصميمات مضخم الترانزستور.
3. انحياز التغذية المرتدة المزدوجة:
يوضح الشكل 3 كيفية تحقيق التحيز باستخدام مقاومات التغذية المرتدة المزدوجة.
بإستخدام مقاومتين RB1 و RB2 يزيدان الثبات فيما يتعلق بالتغيرات في بيتا عن طريق زيادة التدفق الحالي من خلال مقاومات التحيز الأساسية. في هذا التكوين ، يساوي التيار RB1 10٪ من تيار المجمع.
4. انحياز تقسيم الجهد:
يوضح الشكل 4 انحياز مقسم الجهد حيث يتم توصيل مقاومتين RB1 و RB2 بقاعدة الترانزستور لتشكيل شبكة مقسم الجهد. يحصل الترانزستور على تحيزات بانخفاض الجهد بواسطة RB2. يستخدم هذا النوع من تكوين التحيز على نطاق واسع في دوائر مكبر الصوت.
5. انحياز قاعدة مزدوجة:
يوضح الشكل 5 تغذية مرتدة مزدوجة لتحقيق الاستقرار. يستخدم كلاً من التغذية المرتدة لقاعدة الباعث والمجمع لتحسين التثبيت من خلال التحكم في تيار المجمع. يجب تحديد قيم المقاومة لضبط انخفاض الجهد بواسطة المقاومةEmitter 10٪ من جهد الإمداد والتيار RB1 ، 10٪ من تيار المجمع.
مزايا الترانزستور:
حساسية ميكانيكية أصغر.
تكلفة أقل وأصغر في الحجم ، خاصة في دوائر الإشارة الصغيرة.
جهد تشغيل منخفض لمزيد من الأمان ، وخفض التكاليف ، وتشديد الموافقات.
حياة طويلة للغاية.
لا يوجد استهلاك للطاقة بواسطة سخان الكاثود.
التبديل السريع.
يمكن أن يدعم تصميم دوائر التماثل التكميلي ، وهو أمر غير ممكن مع الأنابيب المفرغة.