أساسيات الإلكترونيات للدمى: ما هو الترانزستور وكيف يعمل. الترانزستور. الترانزستور ثنائي القطب. كيف يعمل الترانزستور؟ رسم تخطيطي يوضح مبدأ تشغيل الترانزستور. توصيل الترانزستور بدائرة كهربائية كيف تعمل الترانزستورات في الدائرة

الاسم الأصلي لمكون الراديو هو الصمام الثلاثي، بناءً على عدد جهات الاتصال. هذا العنصر الراديوي قادر على التحكم في التيار في الدائرة الكهربائية تحت تأثير إشارة خارجية. تُستخدم الخصائص الفريدة في مكبرات الصوت والمذبذبات وحلول الدوائر المماثلة الأخرى.

تعيين الترانزستورات على الرسم التخطيطي

لفترة طويلة، سادت الصمامات الثلاثية الأنبوبية في الإلكترونيات الراديوية. داخل دورق مغلق، في بيئة خاصة بالغاز أو الفراغ، تم وضع ثلاثة مكونات رئيسية للصمام الثلاثي:

• الكاثود
• شبكة

عندما تم تطبيق إشارة تحكم منخفضة الطاقة على الشبكة، كان من الممكن المرور بشكل لا يضاهى قيم كبيرة. تيار التشغيل للصمام الثلاثي أعلى بعدة مرات من تيار التحكم. هذه الخاصية هي التي تسمح لعنصر الراديو بالعمل كمكبر للصوت.

تعمل الصمامات الثلاثية المعتمدة على أنابيب الراديو بكفاءة عالية، خاصة عند الطاقة العالية. ومع ذلك، فإن أبعادها لا تسمح باستخدامها في الأجهزة المدمجة الحديثة.

يتصور تليفون محمولأو لاعب الجيب المصنوع من هذه العناصر.

المشكلة الثانية هي تقديم الطعام. للتشغيل العادي، يجب أن يكون الكاثود ساخنًا جدًا حتى يبدأ انبعاث الإلكترون. يتطلب تسخين الملف الكثير من الكهرباء. ولذلك، يسعى العلماء في جميع أنحاء العالم دائمًا إلى إنشاء جهاز أكثر إحكاما بنفس الخصائص.

ظهرت العينات الأولى في عام 1928، وفي منتصف القرن الماضي، تم تقديم الصمام الثلاثي لأشباه الموصلات العاملة باستخدام التكنولوجيا ثنائية القطب. تم تخصيص اسم "الترانزستور" له.

ما هو الترانزستور؟

الترانزستور هو جهاز كهربائي من أشباه الموصلات، مع أو بدون غلاف، وله ثلاث جهات اتصال للتشغيل والتحكم. الخاصية الرئيسية هي نفس خاصية الصمام الثلاثي - تغيير المعلمات الحالية بين أقطاب العمل باستخدام إشارة التحكم.

ونظرًا لغياب الحاجة للتدفئة، تنفق الترانزستورات كمية ضئيلة من الطاقة لضمان أدائها. وتسمح الأبعاد المدمجة لبلورة أشباه الموصلات العاملة باستخدام مكونات الراديو في الهياكل الصغيرة الحجم.

نظرا لاستقلالها عن بيئة التشغيل، يمكن استخدام بلورات أشباه الموصلات في حزمة منفصلة وفي الدوائر الدقيقة. يتم زراعة الترانزستورات، مع عناصر الراديو الأخرى، مباشرة على بلورة واحدة.

لقد وجدت الخواص الميكانيكية المتميزة لأشباه الموصلات تطبيقًا في الأجهزة المحمولة والمحمولة. الترانزستورات غير حساسة للاهتزازات والصدمات الحادة. لديهم مقاومة جيدة لدرجة الحرارة (تستخدم مشعات التبريد تحت الأحمال الثقيلة).

سنحاول في هذه السلسلة من المقالات التحدث ببساطة ووضوح عن المكونات المعقدة مثل الترانزستورات.

اليوم تم العثور على عنصر أشباه الموصلات هذا في الجميع تقريبًا لوحات الدوائر المطبوعة، في أي جهاز إلكتروني (في هاتف خليوي، في أجهزة الراديو وأجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات الأخرى). الترانزستورات هي الأساس لبناء الرقائق المنطقية والذاكرة والمعالجات الدقيقة... لذلك دعونا نكتشف ما هي هذه المعجزة وكيف تعمل وما الذي يسبب مثل هذا النطاق الواسع من تطبيقاتها.

الترانزستور هو مكون إلكتروني مصنوع من مادة شبه موصلة، عادة بثلاثة أطراف، يسمح لإشارة الدخل بالتحكم في التيار.

يعتقد الكثير من الناس أن الترانزستور يضخم إشارة الدخل. أسارع إلى إحباطك - بمفردها، بدون مصدر طاقة خارجي، لن تقوم الترانزستورات بتضخيم أي شيء (لم يتم إلغاء قانون الحفاظ على الطاقة بعد). يمكنك بناء مكبر للصوت باستخدام الترانزستور، ولكن هذا ليس سوى أحد تطبيقاته، وللحصول على إشارة مضخمة تحتاج إلى دائرة خاصة، يتم تصميمها وحسابها في ظل ظروف معينة، بالإضافة إلى مصدر طاقة.

يمكن للترانزستور بمفرده التحكم في التيار فقط.

ما هو أهم شيء تحتاج إلى معرفته؟ تنقسم الترانزستورات إلى 2 مجموعات كبيرة: ثنائي القطب والميدان. تختلف هاتان المجموعتان في البنية ومبدأ العمل، لذلك سنتحدث عن كل مجموعة من هاتين المجموعتين على حدة.

إذن المجموعة الأولى هي الترانزستورات ثنائية القطب.

تتكون هذه الترانزستورات من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات وتنقسم حسب بنيتها إلى نوعين: pnpو npn. يُطلق على النوع الأول (pnp) أحيانًا اسم الترانزستورات الأمامية، ويسمى النوع الثاني (npn) بالترانزستورات العكسية.

ماذا تعني هذه الحروف؟ كيف تختلف هذه الترانزستورات؟ ولماذا بالضبط اثنين من الموصلات؟ كالعادة، الحقيقة موجودة في مكان ما. كل شيء عبقري بسيط. ن - سلبي (إنجليزي) - سلبي. ف - إيجابي (إنجليزي) - إيجابي. هذا هو تحديد أنواع الموصلية لطبقات أشباه الموصلات التي يتكون منها الترانزستور. "الموجبة" هي طبقة من أشباه الموصلات ذات موصلية "ثقبية" (حيث يكون لحاملات الشحنة الرئيسية علامة إيجابية)، و"السالبة" هي طبقة من أشباه الموصلات ذات موصلية "إلكترونية" (حيث تكون حاملات الشحنة الرئيسية
إشارة سلبية).

يظهر هيكل وتعيين الترانزستورات ثنائية القطب في المخططات في الشكل الموجود على اليمين. كل إخراج له اسمه الخاص. E - باعث، K - جامع، B - قاعدة. كيفية معرفة الإخراج الأساسي على الرسم البياني؟ بسهولة. يتم تحديده بواسطة المنصة التي يستريح فيها المجمع والباعث. كيف يمكنك معرفة الباعث؟ إنه سهل أيضًا، هذا هو الإخراج بسهم. الدبوس المتبقي هو المجمع. يُظهر السهم الموجود على الباعث دائمًا اتجاه التيار. وفقًا لذلك، بالنسبة لترانزستورات npn، يتدفق التيار عبر المجمع والقاعدة، ويتدفق خارجًا من الباعث؛ بالنسبة لترانزستورات pnp، على العكس من ذلك، يتدفق التيار عبر الباعث، ويتدفق عبر المجمع والقاعدة.

دعونا نتعمق أكثر في النظرية... تشكل ثلاث طبقات من أشباه الموصلات وصلتين pn في الترانزستور. أحدهما بين الباعث والقاعدة، ويسمى عادة بالباعث، والثاني بين المجمع والقاعدة، ويسمى عادة المجمع.

في كل من الوصلتين pn يمكن أن يكون هناك انحياز أمامي أو عكسي، وبالتالي، في تشغيل الترانزستور هناك أربعة أوضاع رئيسية، اعتمادًا على انحياز الوصلات pn (تذكر نعم، إذا كان على الجانب ذو موصلية من النوع p الجهد أكبر مما هو عليه على الجانب ذو الموصلية من النوع n، فهذا انحياز مباشر لوصلة pn، وإذا كان العكس، فهو العكس). أدناه، في الأشكال التي توضح كل وضع، تظهر الأسهم الاتجاه من الجهد الأعلى إلى الجهد الأدنى (هذا ليس اتجاه التيار!). وهذا يجعل التنقل أسهل: إذا تم توجيه السهم من "p" إلى "n"، فهذا انحياز أمامي لوصلة pn، وإذا كان من "n" إلى "p"، فهذا انحياز عكسي.

أوضاع تشغيل الترانزستور ثنائي القطب:

1) إذا كان تقاطع الباعث pn متحيزًا للأمام، ووصلة المجمع متحيزة عكسيًا، فإن الترانزستور في وضع التشغيل طبيعي الوضع النشط (أحيانًا يقولون ببساطة "الوضع النشط"، مع حذف كلمة عادي). في هذا الوضع يعتمد تيار المجمع على تيار القاعدة ويرتبط به بالعلاقة التالية: Ik=Ib*β. يتم استخدام الوضع النشط عند بناء مكبرات الصوت الترانزستور.

2) إذا كان كلا الوصلتين متحيزتين للأمام، يكون الترانزستور في وضع التشغيل وضع التشبع. في هذه الحالة، يتوقف تيار المجمع عن الاعتماد على التيار الأساسي وفقًا للصيغة المذكورة أعلاه (حيث كان هناك معامل β)، ويتوقف عن الزيادة، حتى لو استمر التيار الأساسي في الزيادة. في هذه الحالة، يقال أن الترانزستور مفتوح بالكامل أو مفتوح ببساطة. كلما تعمقنا في منطقة التشبع، كلما زاد الاعتماد على Ik=Ib*β. خارجيًا، يبدو كما لو أن المعامل β آخذ في التناقص. سأقول أيضًا أن هناك شيئًا مثل معامل التشبع. يتم تعريفه على أنه نسبة التيار الأساسي الفعلي (الذي لديك حاليًا) إلى التيار الأساسي في الحالة الحدودية بين النشط والتشبع.

3) إذا كان لدينا انحياز عكسي في كلا الوصلتين، يكون الترانزستور في وضع التشغيل وضع القطع. في الوقت نفسه، لا يتدفق أي تيار من خلاله (باستثناء تيارات التسرب الصغيرة جدًا - التيارات العكسية عبر تقاطعات pn). في هذه الحالة، يُقال أن الترانزستور متوقف تمامًا أو ببساطة متوقف عن العمل. يتم استخدام أوضاع التشبع والقطع عند إنشاء مفاتيح الترانزستور.

4) إذا كانت تقاطع الباعث متحيزًا عكسيًا، وكانت تقاطع المجمع متحيزًا للأمام، فإن الترانزستور يقع في حالة انحياز الوضع النشط العكسي. هذا الوضع غريب تمامًا ونادرًا ما يستخدم. على الرغم من حقيقة أن الباعث في رسوماتنا لا يختلف عن المجمع وفي الواقع يجب أن يكونا متكافئين (انظر مرة أخرى إلى الرسم العلوي - للوهلة الأولى، لن يتغير شيء إذا قمت بتبديل المجمع والباعث)، في الواقع لديهما هناك اختلافات في التصميم (على سبيل المثال في الحجم) وهي غير متكافئة. وبسبب هذا التباين يوجد تقسيم إلى "الوضع النشط العادي" و"الوضع النشط العكسي".

وفي بعض الأحيان يتم تحديد نظام خامس يسمى "نظام الحاجز". في هذه الحالة، يتم تقصير قاعدة الترانزستور إلى المجمع. في الواقع، سيكون من الأصح الحديث ليس عن بعض الوضع الخاص، ولكن عن طريقة خاصة للتبديل. الوضع هنا طبيعي تمامًا - قريب من الحالة الحدودية بين الوضع النشط والتشبع. يمكن الحصول عليه ليس فقط عن طريق ماس كهربائى للقاعدة مع المجمع. في هذا حالة محددةالحيلة برمتها هي أنه باستخدام طريقة التشغيل هذه، بغض النظر عن كيفية تغيير جهد الإمداد أو الحمل، سيظل الترانزستور في هذا الوضع الحدودي. أي أن الترانزستور في هذه الحالة سيكون معادلاً للصمام الثنائي.

يتم التحكم في الترانزستور ثنائي القطب بواسطة التيار. أي أنه لكي يتدفق التيار بين المجمع والباعث (وبعبارة أخرى، لكي يفتح الترانزستور)، يجب أن يتدفق التيار بين الباعث والقاعدة (أو بين المجمع والقاعدة - في الوضع العكسي). علاوة على ذلك، فإن حجم التيار الأساسي والحد الأقصى للتيار المحتمل من خلال المجمع (في مثل هذا التيار الأساسي) يرتبطان بمعامل ثابت β (معامل نقل التيار الأساسي): I B * β = I K .

بالإضافة إلى المعلمة β، يتم استخدام معامل آخر: معامل نقل تيار الباعث (α). وهي تساوي نسبة تيار المجمع إلى تيار الباعث: α=Iк/Iе. عادة ما تكون قيمة هذا المعامل قريبة من الواحد (كلما اقتربت من الواحد، كلما كان ذلك أفضل). ترتبط المعاملات α و β ببعضها البعض بالعلاقة التالية: β=α/(1-α).

في الكتب المرجعية المحلية، بدلاً من المعامل β، يُشار غالبًا إلى المعامل h 21E (الكسب الحالي في دائرة ذات باعث مشترك) في الأدبيات الأجنبية، وأحيانًا بدلاً من β يمكنك العثور على h FE. لا بأس، عادةً يمكننا أن نفترض أن جميع هذه المعاملات متساوية، وغالبًا ما يطلق عليها ببساطة "كسب الترانزستور".

ماذا يعطينا هذا ولماذا نحتاجه؟ يوضح الشكل الموجود على اليسار أبسط الدوائر. إنها متكافئة، ولكنها مبنية باستخدام ترانزستورات ذات موصلية مختلفة. يوجد أيضًا: حمل على شكل مصباح متوهج ومقاوم متغير ومقاوم ثابت.

دعونا نلقي نظرة على الرسم البياني الأيسر. ماذا يحدث هناك؟ لنتخيل أن منزلق المقاومة المتغيرة في الموضع العلوي. في هذه الحالة، الجهد عند قاعدة الترانزستور يساوي الجهد عند الباعث، تيار القاعدة هو صفر، وبالتالي فإن تيار المجمع هو أيضًا صفر (I K = β*I B) - الترانزستور مغلق، المصباح يعمل لا ضوء. نبدأ في خفض شريط التمرير لأسفل
- يبدأ الجهد الكهربائي في الانخفاض أقل من الباعث - يظهر تيار من الباعث إلى القاعدة (التيار الأساسي) وفي نفس الوقت - تيار من الباعث إلى المجمع (سيبدأ الترانزستور في الفتح). يبدأ المصباح في التوهج، ولكن ليس بكامل شدته. كلما قمنا بتحريك منزلق المقاومة المتغيرة إلى الأسفل، كلما كان المصباح أكثر سطوعًا.

ومن ثم الاهتمام! إذا بدأنا بتحريك منزلق المقاومة المتغيرة لأعلى، سيبدأ الترانزستور في الإغلاق، وستبدأ التيارات من الباعث إلى القاعدة ومن الباعث إلى المجمع في الانخفاض. في المخطط الصحيح، كل شيء هو نفسه، فقط مع ترانزستور ذو موصلية مختلفة.

وضع التشغيل المدروس للترانزستور نشط. ما هي النقطة؟ هل التيار يتحكم بالتيار؟ بالضبط، ولكن الحيلة هي أن المعامل β يمكن قياسه بالعشرات و
حتى المئات. أي أنه من أجل تغيير التيار المتدفق من الباعث إلى المجمع بشكل كبير، نحتاج فقط إلى تغيير طفيف للتيار المتدفق من الباعث إلى القاعدة.

في الوضع النشط، يتم استخدام الترانزستور (مع الأسلاك المناسبة) كمكبر للصوت.

لقد تعبنا...دعونا نرتاح قليلا...

وإلى الأمام مرة أخرى!

الآن دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل الترانزستور كمفتاح. دعونا نلقي نظرة على الرسم البياني الأيسر. دع المفتاح S يكون مغلقا في الموضع 1. في هذه الحالة، يتم سحب قاعدة الترانزستور من خلال المقاومة R إلى القوة الموجبة، لذلك لا يوجد تيار بين الباعث والقاعدة ويتم إغلاق الترانزستور. لنتخيل أننا قمنا بتحريك المفتاح S إلى الموضع 2. يصبح الجهد عند القاعدة أقل منه عند الباعث - يظهر تيار بين الباعث والقاعدة (يتم تحديد قيمته بواسطة المقاومة R). ينشأ تيار FE على الفور. يفتح الترانزستور ويضيء المصباح. إذا أعدنا المفتاح S إلى الموضع 1 مرة أخرى، فسوف ينغلق الترانزستور وينطفئ المصباح. (في الرسم البياني الصحيح كل شيء هو نفسه، فقط الترانزستور له موصلية مختلفة)

في هذه الحالة، يقال أن الترانزستور يعمل كمفتاح. ما هي النقطة؟ يقوم الترانزستور بالتبديل بين حالتين - مفتوح ومغلق. عادة، عند استخدام الترانزستور كمفتاح، يحاولون التأكد من أن الترانزستور في الحالة المفتوحة يكون قريبًا من التشبع (وفي الوقت نفسه، يكون انخفاض الجهد بين المجمع والباعث، وبالتالي خسائر الترانزستور، منخفضًا). الحد الأدنى) لهذا الغرض، يتم حساب المقاوم المحدد في الدائرة الأساسية بطريقة خاصة. عادةً ما يتم تجنب حالات التشبع العميق والقطع العميق، لأنه في هذه الحالة يزداد وقت تحويل المفتاح من حالة إلى أخرى.

مثال صغير على العمليات الحسابية. لنتخيل أننا نتحكم في مصباح متوهج بجهد 12 فولت، 50 مللي أمبير من خلال الترانزستور. يعمل الترانزستور الخاص بنا كمفتاح، لذلك في الحالة المفتوحة يجب أن يكون قريبًا من التشبع. لن نأخذ في الاعتبار انخفاض الجهد بين المجمع والباعث، لأنه بالنسبة لوضع التشبع يكون أقل من جهد الإمداد. نظرًا لأن تيارًا يبلغ 50 مللي أمبير يتدفق عبر المصباح، نحتاج إلى اختيار ترانزستور بحد أقصى لتيار EC لا يقل عن 62.5 مللي أمبير (يُنصح عادةً باستخدام مكونات بنسبة 75٪ من الحد الأقصى لمعلماتها، وهذا نوع من الاحتياطي) . افتح الدليل وابحث عن الدليل المناسب الترانزستور بي إن بي. على سبيل المثال KT361. في حالتنا، من حيث التيار، فهي مناسبة مع مؤشرات الحروف "a، b، c، d"، نظرًا لأن الحد الأقصى لجهد EC هو 20 فولت، ولكن في مشكلتنا هو 12 فولت فقط.

لنفترض أننا سنستخدم KT361A، مع ربح من 20 إلى 90. وبما أننا نحتاج إلى ضمان فتح الترانزستور بالكامل، فسوف نستخدم الحد الأدنى Kus = 20 في الحساب. الآن نحن نفكر. ما هو الحد الأدنى من التيار الذي يجب أن يتدفق بين الباعث والقاعدة من أجل توفير تيار قدره 50 مللي أمبير عبر الجماعة الأوروبية؟

50 مللي أمبير / 20 مرة = 2.5 مللي أمبير

ما المقاومة المحددة للتيار التي يجب تركيبها لتمرير تيار مقداره 2.5 mA عبر BE؟

كل شيء بسيط هنا. قانون أوم: أنا=U/R. لذلك R = (إمدادات 12 فولت - خسارة 0.65 فولت عند تقاطع pn BE) / 0.0025 A = 4540 أوم. نظرًا لأن 2.5 مللي أمبير هو الحد الأدنى للتيار الذي يجب أن يتدفق في حالتنا من الباعث إلى القاعدة، فأنت بحاجة إلى الاختيار من بينها النطاق القياسيأقرب مقاوم ذو مقاومة أقل. على سبيل المثال، مع انحراف قدره 5%، ستكون المقاومة 4.3 كيلو أوم.

الآن عن الحالي. لإشعال مصباح بتيار مقنن قدره 50 مللي أمبير، نحتاج إلى تبديل تيار قدره 2.5 مللي أمبير فقط. وهذا عند استخدام سلع استهلاكية، ترانزستور رخيص، مع انخفاض Kus، تم تطويره منذ 40 عامًا. هل تشعر بالفرق؟ إلى أي مدى يمكن تقليل أبعاد المفاتيح (وبالتالي تكلفتها) عند استخدام الترانزستورات؟

دعنا نعود إلى النظرية مرة أخرى.

في الأمثلة التي تمت مناقشتها أعلاه، استخدمنا واحدة فقط من دوائر تبديل الترانزستور. في المجمل، اعتمادًا على المكان الذي نزود فيه إشارة التحكم والمكان الذي نستقبل منه إشارة الخرج (على أي قطب كهربائي شائع لهذه الإشارات)، هناك 3 دوائر رئيسية لتشغيل الترانزستورات ثنائية القطب (حسنًا، منطقي، أليس كذلك؟ - الترانزستور لديه 3 مخارج، وهذا يعني أنه إذا قمت بتقسيم الدوائر وفقًا لمبدأ أن أحد المحطات مشترك، فيمكن أن يكون هناك 3 دوائر في المجموع):

1) دائرة الباعث المشترك.

إذا افترضنا أن تيار الدخل هو تيار القاعدة، وجهد الدخل هو الجهد عند الوصلة BE، وتيار الخرج هو تيار المجمع، وجهد الخرج هو الجهد بين المجمع والباعث، فيمكننا أن نكتب ما يلي: Iout/Iin=Ik/Ib= β , Rin=Ube/Ib.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن Uout = Epit-Iк*R، فمن الواضح أنه، أولاً، يمكن بسهولة جعل جهد الخرج أعلى بكثير من الإدخال، وثانيًا، أن جهد الخرج معكوس بالنسبة إلى الإدخال (عندما Ube = يزداد Uin ويزداد تيار الإدخال - ويزداد تيار الخرج أيضًا، لكن Uke = Uout يتناقص).

يعد نظام الاتصال هذا (للإيجاز، تم تعيينه OE) هو الأكثر شيوعًا، لأنه يسمح لك بتضخيم كل من التيار والجهد، أي أنه يسمح لك بالحصول على أقصى قدر من تضخيم الطاقة. وألاحظ أن هذه القوة الإضافية من الإشارة المضخمة مأخوذة ليس من الهواء الرقيق وليس من الترانزستور نفسه، ولكن من مصدر الطاقة (Epit)، والذي بدونه لن يتمكن الترانزستور من تضخيم أي شيء ولن يكون هناك تيار في دائرة الإخراج على الإطلاق. (أعتقد - سنكتب بمزيد من التفصيل لاحقًا، في مقال منفصل، حول كيفية عمل مكبرات الصوت الترانزستور وكيفية حسابها).

2) مخطط مع قاعدة مشتركة.

هنا، تيار الإدخال هو تيار الباعث، وجهد الإدخال هو الجهد عند تقاطع BE، وتيار الخرج هو تيار المجمع، وجهد الخرج هو الجهد عند الحمل المتصل بدائرة المجمع. لهذه الدائرة: Iout≈Iin، لأن Ik≈Ie، Rin = Ube/Ie.

مثل هذه الدائرة (OB) تعمل فقط على تضخيم الجهد ولا تضخم التيار. إشارة في في هذه الحالةلا يتحول في المرحلة.

3) دائرة جامع مشتركة(تابع باعث).

هنا، تيار الدخل هو تيار القاعدة، وجهد الدخل متصل بوصلة الترانزستور BE والحمل، وتيار الخرج هو تيار الباعث، وجهد الخرج هو الجهد عبر الحمل المتصل بدائرة الباعث . لهذه الدائرة: Iout/Iin=Ie/Ib=(I K +I B)/I B =β+1، لأن عادةً ما يكون المعامل β كبيرًا جدًا، ولكن في بعض الأحيان يتم أخذ Iout/Iin≈β في الاعتبار. رين = أوبي / إب + ر. Uout/Uin=(Ube+Uout)/Uout≈1.

كما ترون، مثل هذه الدائرة (OK) تضخم التيار ولا تضخم الجهد. الإشارة في هذه الحالة لا تتغير في الطور. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع هذه الدائرة بأعلى مقاومة للمدخلات.

تُظهر الأسهم البرتقالية في المخططات أعلاه دوائر تدفق التيار التي أنشأها مصدر الطاقة لدائرة الخرج (Epit) وإشارة الإدخال نفسها (Uin). كما ترون، في الدائرة مع OB، يتدفق التيار الناتج عن Epit ليس فقط من خلال الترانزستور، ولكن أيضًا من خلال مصدر الإشارة المضخمة، وفي الدائرة مع OK، على العكس من ذلك، التيار الناتج عن لا تتدفق إشارة الدخل عبر الترانزستور فحسب، بل أيضًا عبر الحمل (باستخدام هذه العلامات، يمكنك بسهولة تمييز نظام اتصال عن الآخر).

وأخيرًا، دعونا نتحدث عن كيفية التحقق من صلاحية الترانزستور ثنائي القطب. في معظم الحالات، يمكن الحكم على صحة الترانزستور من خلال حالة الوصلات pn. إذا أخذنا في الاعتبار وصلات pn هذه بشكل مستقل عن بعضها البعض، فيمكن تمثيل الترانزستور كمجموعة من اثنين من الثنائيات (كما في الشكل الموجود على اليسار). بشكل عام، التأثير المتبادل لوصلات pn هو ما يجعل الترانزستور ترانزستورًا، ولكن عند التحقق، يمكن تجاهل هذا التأثير المتبادل، لأننا نطبق الجهد على أطراف الترانزستور في أزواج (إلى طرفين من أصل ثلاثة). وفقًا لذلك، يمكنك التحقق من وصلات pn هذه باستخدام مقياس متعدد عادي في وضع اختبار الصمام الثنائي. عند توصيل المسبار الأحمر (+) بكاثود الصمام الثنائي، والمسبار الأسود بالأنود، سيتم إغلاق تقاطع pn (يظهر المقياس المتعدد مقاومة عالية بلا حدود)، إذا قمت بتبديل المجسات، سيتم إغلاق تقاطع pn كن مفتوحًا (يُظهر المقياس المتعدد انخفاض الجهد عبر الوصلة pn المفتوحة، عادةً ما يكون 0.6-0.8 فولت). عند توصيل المجسات بين المجمع والباعث، سيظهر المقياس المتعدد مقاومة عالية بلا حدود، بغض النظر عن أي مسبار متصل بالمجمع وأي مسبار متصل بالباعث.

يتبع…

الترانزستور هو جهاز يعمل على أشباه الموصلات ذات التعبئة الإلكترونية. وهي مصممة لتحويل وتضخيم الإشارات الكهربائية. هناك نوعان من الأجهزة: ترانزستور أحادي القطب، أو ترانزستور ذو تأثير مجالي.

إذا كان هناك نوعان من حاملات الشحنة يعملان في وقت واحد في الترانزستور - الثقوب والإلكترونات، فإنه يطلق عليه ثنائي القطب. إذا كان هناك نوع واحد فقط من الشحنات يعمل في الترانزستور، فهو أحادي القطب.

تخيل تشغيل صنبور الماء العادي. أدر الصمام - زاد تدفق الماء، وأدره في الاتجاه الآخر - انخفض التدفق أو توقف. في الممارسة العملية، هذا هو مبدأ تشغيل الترانزستور. فقط بدلا من الماء، يتدفق من خلاله تيار من الإلكترونات. يتميز مبدأ تشغيل الترانزستور ثنائي القطب بحقيقة أنه من خلال هذا جهاز الكترونيهناك نوعان من التيار. وهي مقسمة إلى كبير أو رئيسي وصغير أو مدير. علاوة على ذلك، فإن قوة تيار التحكم تؤثر على قوة التيار الرئيسي. دعونا نعتبر أن مبدأ عملها يختلف عن الآخرين. يمر عبره واحد فقط، وهذا يعتمد على البيئة المحيطة

يتكون الترانزستور ثنائي القطب من ثلاث طبقات من أشباه الموصلات، والأهم من ذلك، أنه مصنوع من وصلتين PN. من الضروري التمييز بين الوصلات PNP و NPN وبالتالي الترانزستورات. تتناوب أشباه الموصلات هذه بين موصلية الإلكترون والفتحة.

يحتوي الترانزستور ثنائي القطب على ثلاث جهات اتصال. هذه هي القاعدة، جهة الاتصال التي تخرج من الطبقة المركزية، واثنين من الأقطاب الكهربائية عند الحواف - الباعث والمجمع. بالمقارنة مع هذه الأقطاب الكهربائية الخارجية، فإن الطبقة الأساسية رقيقة جدًا. عند حواف الترانزستور، منطقة أشباه الموصلات ليست متناظرة. من أجل التشغيل السليم لهذا الجهاز، يجب أن تكون طبقة أشباه الموصلات الموجودة على جانب المجمع قليلاً، ولكن أكثر سمكًا مقارنة بجانب الباعث.

تعتمد مبادئ تشغيل الترانزستور على العمليات الفيزيائية. دعونا نعمل مع نموذج PNP. سيكون تشغيل نموذج NPN مماثلاً، باستثناء قطبية الجهد بين العناصر الأساسية مثل المجمع والباعث. سيتم توجيهه في الاتجاه المعاكس.

تحتوي المادة من النوع P على ثقوب أو أيونات موجبة الشحنة. تتكون المادة من النوع N من إلكترونات سالبة الشحنة. في الترانزستور الذي ندرسه، يكون عدد الثقوب في المنطقة P أكبر بكثير من عدد الإلكترونات في المنطقة N.

عندما يتم توصيل مصدر جهد بين أجزاء مثل الباعث والمجمع، تعتمد مبادئ تشغيل الترانزستور على حقيقة أن الثقوب تبدأ في الانجذاب إلى القطب وتتجمع بالقرب من الباعث. لكن التيار لا يتدفق. الحقل الكهربائيمن مصدر الجهد لا يصل إلى المجمع بسبب الطبقة السميكة من شبه الموصل الباعث وطبقة شبه الموصل الأساسية.
ثم سنقوم بتوصيل مصدر الجهد بمجموعة مختلفة من العناصر، أي بين القاعدة والباعث. الآن يتم توجيه الثقوب نحو القاعدة وتبدأ في التفاعل مع الإلكترونات. الجزء المركزي من القاعدة مشبع بالثقوب. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل تيارين. كبير - من الباعث إلى المجمع، صغير - من القاعدة إلى الباعث.

مع زيادة الجهد الأساسي، سيكون هناك المزيد من الثقوب في الطبقة N، وسيزداد تيار القاعدة، وسيزداد تيار الباعث قليلاً. وهذا يعني أنه مع تغيير طفيف في التيار الأساسي، يزداد تيار الباعث بشكل خطير. ونتيجة لذلك، نحصل على زيادة في الإشارة في الترانزستور ثنائي القطب.

دعونا نفكر في مبادئ تشغيل الترانزستور اعتمادًا على أوضاع التشغيل الخاصة به. هناك الوضع النشط العادي، ووضع التشبع النشط العكسي، ووضع القطع.
عندما يكون وضع التشغيل نشطًا، تكون وصلة الباعث مفتوحة ويتم إغلاق وصلة المجمع. في وضع الانقلاب، كل شيء يحدث في الاتجاه المعاكس.

الترانزستورات هي مكونات نشطة وتستخدم في جميع أنحاء الدوائر الإلكترونية كمكبرات صوت وأجهزة تبديل (مفاتيح الترانزستور). كأجهزة تضخيم، يتم استخدامها في الأجهزة ذات التردد العالي والمنخفض، ومولدات الإشارة، والمغيرات، والكاشفات والعديد من الدوائر الأخرى. في الدوائر الرقمية، تعمل محولات الطاقة والمحركات الكهربائية التي يتم التحكم فيها كمفاتيح.

الترانزستورات ثنائية القطب

هذا هو اسم النوع الأكثر شيوعا من الترانزستور. وهي مقسمة إلى أنواع npn و pnp. المادة الأكثر استخدامًا لهم هي السيليكون أو الجرمانيوم. في البداية، كانت الترانزستورات مصنوعة من الجرمانيوم، لكنها كانت حساسة جدًا لدرجة الحرارة. تعد أجهزة السيليكون أكثر مقاومة للاهتزازات وأرخص في الإنتاج.

يتم عرض الترانزستورات ثنائية القطب المختلفة في الصورة أدناه.

توجد الأجهزة منخفضة الطاقة في علب بلاستيكية صغيرة مستطيلة أو أسطوانية معدنية. لديهم ثلاثة أطراف: للقاعدة (B)، والباعث (E)، والمجمع (K). ترتبط كل واحدة منها بواحدة من ثلاث طبقات من السيليكون ذات موصلية إما من النوع n (يتم توليد التيار بواسطة إلكترونات حرة) أو من النوع p (يتم توليد التيار بواسطة ما يسمى "الثقوب" المشحونة إيجابيًا)، والتي تشكل هيكل الترانزستور.

كيف يعمل الترانزستور ثنائي القطب؟

يجب دراسة مبادئ تشغيل الترانزستور بدءًا من تصميمه. خذ بعين الاعتبار بنية ترانزستور NPN، الذي يظهر في الشكل أدناه.

كما ترون، فهو يحتوي على ثلاث طبقات: اثنتان بموصلية من النوع n وواحدة بموصلية من النوع p. يتم تحديد نوع موصلية الطبقات من خلال درجة تطعيم أجزاء مختلفة من بلورة السيليكون بشوائب خاصة. يتم تخدير الباعث من النوع n بشكل كبير جدًا لتوفير العديد من الإلكترونات الحرة باعتبارها حاملات الأغلبية الحالية. القاعدة الرفيعة جدًا من النوع p مطلية قليلًا بالشوائب ولها مقاومة عالية، والمجمع من النوع n مطلي بشكل كبير جدًا لمنحه مقاومة منخفضة.

مبادئ تشغيل الترانزستور

أفضل طريقة للتعرف عليهم هي من خلال التجربة. يوجد أدناه رسم تخطيطي لدائرة بسيطة.

ويستخدم ترانزستور الطاقة للتحكم في المصباح الكهربائي. ستحتاج أيضًا إلى بطارية، ومصباح كهربائي صغير بقوة 4.5 فولت/0.3 أمبير تقريبًا، ومقياس جهد مقاوم متغير (5K) ومقاوم 470 أوم. يجب أن تكون هذه المكونات متصلة كما هو موضح في الشكل الموجود على يمين الرسم التخطيطي.

أدر شريط تمرير الجهد إلى أدنى موضع له. سيؤدي هذا إلى خفض الجهد الأساسي (بين القاعدة والأرض) إلى صفر فولت (U BE = 0). المصباح لا يضيء، مما يعني عدم وجود تيار يتدفق عبر الترانزستور.

إذا قمت الآن بإدارة المقبض من موضعه السفلي، فإن U BE يزداد تدريجيًا. وعندما يصل إلى 0.6 فولت، يبدأ التيار بالتدفق إلى قاعدة الترانزستور ويبدأ المصباح في التوهج. عندما يتم تحريك المقبض أبعد، يبقى الجهد U BE عند 0.6 فولت، لكن تيار القاعدة يزداد وهذا يزيد التيار من خلال دائرة المجمع-الباعث. إذا تم نقل المقبض إلى الموضع العلوي، فإن الجهد عند القاعدة سيزيد قليلاً إلى 0.75 فولت، لكن التيار سيزداد بشكل ملحوظ وسيتوهج المصباح بشكل ساطع.

ماذا لو قمت بقياس تيارات الترانزستور؟

إذا قمنا بتوصيل مقياس التيار الكهربائي بين المجمع (C) والمصباح (لقياس I C)، وأميتر آخر بين القاعدة (B) ومقياس الجهد (لقياس I B)، وفولتميتر بين المشترك والقاعدة وكرر التجربة بأكملها، يمكننا الحصول على بعض البيانات المثيرة للاهتمام. عندما يكون مقبض مقياس الجهد في أدنى موضع له، تكون قيمة U BE 0 V، وكذلك التياران IC وI B. عند تحريك المقبض، تزداد هذه القيم حتى يبدأ المصباح في التوهج، عندما تتساوى: U BE = 0.6 V، I B = 0.8 mA وIC = 36 mA.

ونتيجة لذلك، نحصل من هذه التجربة على المبادئ التالية لتشغيل الترانزستور: في حالة عدم وجود جهد متحيز موجب (لنوع npn) عند القاعدة، تكون التيارات عبر أطرافه صفرًا، وفي وجود جهد أساسي و الحالية، فإن تغييراتها تؤثر على التيار في دائرة باعث المجمع.

ماذا يحدث عند تشغيل طاقة الترانزستور

خلال عملية عادية، يتم توزيع الجهد المطبق على تقاطع الباعث الأساسي بحيث تكون إمكانات القاعدة (النوع p) أعلى بحوالي 0.6 فولت من جهد الباعث (النوع n). في هذه الحالة، يتم تطبيق جهد أمامي على هذه الوصلة، وتكون منحازة في الاتجاه الأمامي وتكون مفتوحة لتدفق التيار من القاعدة إلى الباعث.

أكثر بكثير الجهد العالييتم تطبيقه على تقاطع المجمع الأساسي ، وتبين أن إمكانات المجمع (النوع n) أعلى من إمكانات القاعدة (النوع p). لذلك يتم تطبيق جهد عكسي على الوصلة ويكون متحيزًا عكسيًا. وينتج عن هذا تكوين طبقة سميكة إلى حد ما مستنفدة للإلكترون في المجمع بالقرب من القاعدة عند تطبيق جهد الإمداد على الترانزستور. ونتيجة لذلك، لا يمر تيار عبر دائرة المجمع والباعث. يظهر الشكل أدناه توزيع الشحنات في مناطق الوصلات لترانزستور npn.

ما هو دور التيار الأساسي؟

كيف يمكننا أن نجعل أجهزتنا الإلكترونية تعمل؟ مبدأ تشغيل الترانزستور هو تأثير التيار الأساسي على حالة تقاطع جامع القاعدة المغلق. عندما تكون وصلة الباعث والقاعدة منحازة للأمام، فإن تيارًا صغيرًا سوف يتدفق إلى القاعدة. هنا ناقلاتها عبارة عن ثقوب موجبة الشحنة. تتحد هذه مع الإلكترونات القادمة من الباعث لإنتاج تيار I BE. ومع ذلك، نظرًا لحقيقة أن الباعث مخدر بشدة، فإن عدد الإلكترونات التي تتدفق منه إلى القاعدة أكبر بكثير مما يمكن دمجه مع الثقوب. وهذا يعني وجود تركيز كبير من الإلكترونات في القاعدة، ومعظمها يعبرها ويدخل إلى الطبقة المجمعة المستنفدة للإلكترونات. هنا يقعون تحت تأثير قوي الحقل الكهربائي، المطبق على تقاطع المجمع الأساسي، يمر عبر الطبقة المستنفدة للإلكترون والحجم الرئيسي للمجمع إلى مخرجاته.

تؤثر التغيرات في التيار المتدفق إلى القاعدة على عدد الإلكترونات المنجذبة من الباعث. وبالتالي، يمكن استكمال مبادئ تشغيل الترانزستور بالعبارة التالية: التغيرات الصغيرة جدًا في تيار القاعدة تسبب تغيرات كبيرة جدًا في التيار المتدفق من الباعث إلى المجمع، أي. الزيادات الحالية.

أنواع الترانزستورات ذات التأثير الميداني

في اللغة الإنجليزية، يتم تعيينهم على أنهم FETs - ترانزستورات التأثير الميداني، والتي يمكن ترجمتها على أنها "ترانزستورات التأثير الميداني". على الرغم من وجود الكثير من الالتباس حول الأسماء الخاصة بها، إلا أن هناك نوعين رئيسيين:

1. مع تقاطع التحكم pn. في الأدب الإنجليزي يتم تسميتهم JFET أو Junction FET، والتي يمكن ترجمتها على أنها "ترانزستور تأثير المجال الوصلي". بخلاف ذلك يطلق عليهم اسم JUGFET أو Junction Unipolar Gate FET.

2. مع بوابة معزولة (خلاف ذلك ترانزستورات MOS أو MOS). في اللغة الإنجليزية تم تسميتهم بـ IGFET أو البوابة المعزولة FET.

ظاهريًا، فهي تشبه إلى حد كبير الاضطراب ثنائي القطب، كما تؤكد الصورة أدناه.

جهاز ترانزستور التأثير الميداني

يمكن تسمية جميع الترانزستورات ذات التأثير الميداني بأجهزة أحادية القطب، لأن حاملات الشحنة التي تشكل التيار من خلالها هي من نوع واحد لترانزستور معين - إما إلكترونات أو "ثقوب"، ولكن ليس كلاهما في نفس الوقت. وهذا ما يميز مبدأ تشغيل ترانزستور التأثير الميداني عن الترانزستور ثنائي القطب، حيث يتم توليد التيار في وقت واحد بواسطة كلا النوعين من الناقلات.

تتدفق الموجات الحاملة الحالية في ترانزستورات تأثير مجال الوصلات عبر طبقة من السيليكون بدون وصلات، تسمى قناة، مع موصلية من النوع n أو p بين محطتين تسمى "المصدر" و"المصرف" - نظائرها للباعث والمجمع أو، بشكل أكثر دقة ، الكاثود والأنود من الصمام الثلاثي فراغ. الطرف الثالث - البوابة (التناظرية لشبكة الصمام الثلاثي) - متصل بطبقة من السيليكون بنوع موصلية مختلف عن قناة تصريف المصدر. يظهر هيكل هذا الجهاز في الشكل أدناه.

كيف يعمل الترانزستور ذو التأثير الميداني؟ مبدأ التشغيل الخاص بها هو التحكم في المقطع العرضي للقناة من خلال تطبيق الجهد على تقاطع قناة البوابة. إنه دائمًا متحيز عكسيًا، لذلك لا يستهلك الترانزستور أي تيار تقريبًا في دائرة البوابة، في حين يتطلب الجهاز ثنائي القطب تيارًا أساسيًا معينًا للعمل. مع تغير جهد الدخل، يمكن أن تتوسع منطقة البوابة، مما يحجب قناة تصريف المصدر حتى يتم إغلاقها بالكامل، وبالتالي التحكم في تيار الصرف.