#16 دائرة BJT بانحياز الباعث — تحليل DC كامل

تجد أدناه جميع الأسطر المكتوبة في الدفتر مع النص الكامل للشرح الصوتي.

1. 1. لماذا ينجرف الانحياز الثابت؟

   

   في الانحياز الثابت: I_C = β I_B

   تغير β يحرك نقطة السكون

   نضيف R_E في فرع الباعث

   R_E تصنع تغذية راجعة سالبة

   الهدف: نقطة تشغيل أكثر ثباتاً

   نص الشرح الصوتي

   أهلاً بكم من جديد. في الدرس السابق فتحنا أول دائرة ترانزستور لنا، دائرة الانحياز الثابت، على مصراعيها: تيار القاعدة، وتيار المجمّع، وكل جهد. لكنني ختمت بتحذير. تلك الدائرة البسيطة تميل إلى الانجراف، وإليك السبب. في الانحياز الثابت، يعتمد تيار القاعدة على R B وحدها، وتيار المجمّع هو ببساطة بيتا في ذلك. فإذن I C يركب كلياً على بيتا. وبيتا رقم زئبقي. استبدل ترانزستوراً آخر من النوع نفسه تماماً، وقد تقفز بيتا من خمسين إلى مئة وخمسين. فيتضاعف تيار مجمّعك ثلاث مرات، وتنزلق نقطة التشغيل التي اخترتها بعناية نحو التشبّع، فيُقصّ المضخّم. اليوم نعالج ذلك، والعلاج بسيط إلى حدّ يكاد يكون مُهيناً: نُسقط مقاومة واحدة في فرع الباعث. تلك المقاومة الواحدة، R E، تُروّض الانجراف. لنرَ كيف بالضبط، بحلّ الدائرة حلاً كاملاً.

2. 2. اختزال دائرة DC

   

   $V_{\mathrm{C}}C = 20 V;\; \beta = 50$

   $R_{\mathrm{B}} = 430 k\Omega;\; R_{\mathrm{C}} = 2 k\Omega$

   $R_{\mathrm{E}} = 1 k\Omega$

   C₁ وC₂ مفتوحان عند DC

   مسار AC خارج حساب DC

   المطلوب جميع تيارات وجهود DC

   نص الشرح الصوتي

   إليكم الدائرة، وللوهلة الأولى هي دائرة الانحياز الثابت مع قطعة جديدة واحدة. مصدر عشرين فولت، V C C، يغذّي القاعدة عبر R B، أربعمئة وثلاثين كيلو أوم، والمجمّع عبر R C، اثنين كيلو أوم. وبيتا تساوي خمسين، كما في السابق. القطعة الجديدة في الأسفل عند الباعث. بدلاً من وصله مباشرة بالأرضي، نرسله إلى الأرضي عبر R E، واحد كيلو أوم. تلك المقاومة الصغيرة هي قصة هذا الدرس كلها. وكالعادة، المكثّفان دائرتان مفتوحتان في دي سي. يُبعدان إشارة إيه سي عن تحليل دي سي، فنتجاهلهما. السؤال يطلب كل شيء: تيار القاعدة I B، وتيار المجمّع I C، والجهود V E، و V B، و V C، و V C E، و V B C. لنمشِ بها، تماماً كما فعلنا من قبل.

3. 3. حلقة القاعدة

   

   $20 - I_{\mathrm{B}} R_{\mathrm{B}} - V_{\mathrm{B}}E - I_{\mathrm{E}} R_{\mathrm{E}} = 0$

   $I_{\mathrm{E}} = (\beta + 1)I_{\mathrm{B}} = 51I_{\mathrm{B}}$

   $19.3 = I_{\mathrm{B}}[430 k\Omega + 51(1 k\Omega)]$

   $19.3 = I_{\mathrm{B}}(481 k\Omega)$

   تظهر R_E كأنها 51 kΩ من القاعدة

   $I_{\mathrm{B}} = 19.3/(481 k\Omega)$

   $I_{\mathrm{B}} \approx 40.1 \muA$

   نص الشرح الصوتي

   الأداة نفسها كالعادة، قانون كيرشهوف للجهد، والمسير نفسه. نبدأ عند المصدر، عشرين فولت. التيار الخارج عبر مقاومة الأربعمئة والثلاثين كيلو له مسار واحد فقط، إلى القاعدة، فهو I B. أول عائق: R B. ندفع الرسم، ناقص I B في أربعمئة وثلاثين كيلو، ونصل إلى القاعدة. خطوة واحدة عبر وصلة القاعدة والباعث، ناقص 0.7، فنحطّ على الباعث. والآن، إليك الفخ الجديد، وهو الخطأ الأكثر شيوعاً في هذه الدائرة. ما زال علينا النزول عبر R E للوصول إلى الأرضي، فندفع رسماً آخر: ناقص التيار المار في R E، في واحد كيلو. لكن أي تيار يمر في R E؟ من المغري أن تكتب I B. قاوم ذلك. مقاومة الباعث تحمل تيار الباعث، I E. كل ما دخل من القاعدة، زائد كل ما دخل من المجمّع، ينسكب خارجاً من الباعث. ونحن نعرف العلاقة سلفاً: I E تساوي بيتا زائد واحد في I B، أي واحداً وخمسين في I B. فالرسم عبر R E هو ناقص واحد وخمسين I B في واحد كيلو. الآن نصل إلى الأرضي، صفر. المسير كاملاً يُقرأ: عشرون، ناقص I B في أربعمئة وثلاثين كيلو، ناقص 0.7، ناقص واحد وخمسين I B في واحد كيلو، يساوي صفراً. مجهول واحد، I B، تماماً كما أردنا. لنجمعه. عشرون ناقص 0.7 تساوي 19.3. وفي الطرف الآخر، I B في أربعمئة وثلاثين كيلو، زائد I B في واحد وخمسين كيلو، لأن واحداً وخمسين في واحد كيلو تساوي واحداً وخمسين كيلو. اجمعهما: I B في أربعمئة وواحد وثمانين كيلو. توقّف عند ذلك الواحد والخمسين كيلو، فهو سرّ هذه الدائرة. الواحد كيلو أوم في الباعث، مرئياً من القاعدة، يبدو كأنه واحد وخمسون كيلو أوم. بيتا زائد واحد تضربه. مقاومة باعث صغيرة تُلقي ظلاً عملاقاً على حلقة القاعدة، وذلك الظل العملاق هو ما سيُثبّت تيارنا. إذاً، 19.3 تساوي I B في أربعمئة وواحد وثمانين كيلو. I B تساوي 19.3 مقسومة على أربعمئة وواحد وثمانين كيلو. فولت على أوم يعطي أمبير: 4.01 في عشرة أس سالب خمسة أمبير، أي 40.1 ميكرو أمبير. فحص رتبة المقدار: تيارات القاعدة تعيش في الميكرو أمبير، وأربعون تقع في النطاق الصحي من ثلاثين إلى ثمانين. نحن على المسار الصحيح.

4. 4. تيارات الترانزستور الثلاثة

   

   $I_{\mathrm{E}} = (\beta + 1)I_{\mathrm{B}}$

   $I_{\mathrm{E}} = 51(40.1 \muA)$

   I_E ≈ 2.046 mA

   $I_{\mathrm{C}} = \beta I_{\mathrm{B}}$

   $I_{\mathrm{C}} = 50(40.1 \muA)$

   I_C ≈ 2.006 mA

   $I_{\mathrm{E}} = I_{\mathrm{C}} + I_{\mathrm{B}}$

   نص الشرح الصوتي

   I B على اللوح، والتياران اللذان يعتمدان عليه يخرجان في سطر واحد لكلٍّ منهما. تيار الباعث استخدمناه سلفاً: I E تساوي واحداً وخمسين في I B، واحد وخمسون في 40.1 ميكرو أمبير، أي ألفين وستة وأربعين ميكرو أمبير. أزح الفاصلة ثلاث خانات: 2.046 ميلّي أمبير. تيار المجمّع: I C تساوي بيتا في I B، خمسون في 40.1 ميكرو أمبير، ألفان وخمسة ميكرو أمبير، أي 2.006 ميلّي أمبير. فحص رتبة المقدار: تيارات المجمّع تعيش في الميلّي أمبير، وميلّي أمبيران تماماً ما نتوقعه. ولاحظ، 2.006 و 2.046 توأمان عملياً. ها هي مجدداً، وعدنا القديم: I C تساوي تقريباً I E.

5. 5. تغذية راجعة من الباعث

   

   $V_{\mathrm{E}} = I_{\mathrm{E}} R_{\mathrm{E}}$

   V_E = (2.046 mA)(1 kΩ)

   $V_{\mathrm{E}} \approx 2.046 V$

   $V_{\mathrm{B}} = V_{\mathrm{E}} + 0.7$

   $V_{\mathrm{B}} \approx 2.746 V$

   التيار ↑ ← V_E ↑ ← V_BE ↓

   التغذية الراجعة تعاكس التغير

   نص الشرح الصوتي

   والآن شيء لم تمنحنا إياه دائرة الانحياز الثابت قط: جهد عند الباعث. من قبل، كان الباعث عند الأرضي، صفر فولت. لم يعد كذلك. تيار الباعث يمر عبر R E، فيطفو الباعث للأعلى. V E تساوي I E في R E: 2.046 ميلّي أمبير في واحد كيلو. ميلّي أمبير في كيلو أوم يعطي فولتاً مباشرة: 2.046 فولت. والقاعدة؟ استخدم الوصلة التي نثق بها. V B E هي V B ناقص V E، وتساوي 0.7. فإذن V B تساوي 0.7 زائد V E، 0.7 زائد 2.046، أي 2.746 فولت. الآن انظر إلى جهد الباعث هذا، فهو بطل القصة كلها. افترض أن بيتا أكبر، وأن تيار المجمّع حاول الصعود. تيار أكبر عبر R E يعني V E أعلى. لكن V B مثبّتة تقريباً بحلقة القاعدة. فإذن V E المرتفعة تضغط V B E، هبوط القاعدة إلى الباعث، و V B E الأصغر يخنق تيار القاعدة فيعيده إلى الأسفل. مقاومة الباعث رسنٌ: كلما شدّ التيار أكثر، شدّ الرسن في الاتجاه المعاكس أكثر. هذا التصحيح الذاتي هو بالضبط لماذا تكاد نقطة انحياز الباعث لا تنجرف، بينما تاهت نقطة الانحياز الثابت.

6. 6. حلقة المجمّع

   

   $V_{\mathrm{R}}C = I_{\mathrm{C}} R_{\mathrm{C}} \approx 4.01 V$

   $V_{\mathrm{C}} = 20 - 4.01 \approx 15.99 V$

   $V_{\mathrm{C}}E = V_{\mathrm{C}} - V_{\mathrm{E}}$

   $V_{\mathrm{C}}E \approx 13.94 V$

   $V_{\mathrm{B}}C = V_{\mathrm{B}} - V_{\mathrm{C}}$

   $V_{\mathrm{B}}C \approx -13.24 V$

   وصلة B-C عكسية ← المنطقة الفعالة

   $4.01 + 13.94 + 2.05 \approx 20 V$

   نص الشرح الصوتي

   بقي مسير واحد، في جهة المجمّع، وهو يسلّمنا الجهود الثلاثة الأخيرة. ابدأ عند عشرين فولت، نزولاً عبر R C. التيار هناك هو I C، ونحن نعرفه، 2.006 ميلّي أمبير. المقاومة تأكل I C في اثنين كيلو: 2.006 في اثنين تساوي نحو 4.01 فولت. فالمجمّع يستقر عند V C تساوي عشرين ناقص 4.01، أي 15.99 فولت. الآن قاعدة الأول ناقص الثاني، قاعدتنا مدى الحياة: V C E هي V C ناقص V E. 15.99 ناقص 2.05 تساوي نحو 13.94 فولت. تلك هي V C E. والأخيرة: V B C هي V B ناقص V C، 2.75 ناقص 15.99، أي سالب 13.24 فولت. سالب، وكما في المرة السابقة تماماً، إشارة السالب خبر سار. تعني أن وصلة القاعدة والمجمّع منحازة عكسياً، ومع وصلة القاعدة والباعث المنحازة أمامياً، تلك هي بصمة المنطقة الفعّالة: الترانزستور يضخّم، وهو بخير. فحص سلامة أخير قبل أن نختم. ينبغي أن ينقسم المصدر بالكامل على الهبوطات الثلاثة: مقاومة المجمّع تأخذ 4.01، و V C E تأخذ 13.94، ومقاومة الباعث تأخذ 2.05. اجمعها: عشرون فولت، بالضبط. لا شيء تسرّب.

7. 7. ملخص الطريقة

   

   ابدأ من جهد معلوم

   العنصر الجديد: مقاومة الباعث

   R_E تحمل I_E لا I_B

   تظهر (β + 1)R_E في حلقة القاعدة

   التغذية الراجعة تقلل انجراف β

   I_C ≈ 2.01 mA؛ V_CE ≈ 13.94 V

   التالي: انحياز مقسّم الجهد

   نص الشرح الصوتي

   لنضع الدرس في جيبنا. الطريقة لم تتغيّر: ابدأ من جهد تعرفه، وادفع ثمن كل عائق حول الحلقة. التغيير الجديد الوحيد كان مقاومة الباعث. إنها تحمل تيار الباعث، لا تيار القاعدة، فتدخل حلقة القاعدة مضروبة في بيتا زائد واحد من قيمتها. وهذا هو بيت القصيد في هذه الدائرة. في الانحياز الثابت، كانت بيتا تعيش في الأعلى فقط، فكانت نقطة التشغيل تركب عليها كلياً. هنا، بيتا تجلس في الأسفل أيضاً، في المقام. حين تكبر بيتا، يكبر المقام معها، فيكاد التيار لا يتحرّك. تلك هي التغذية الراجعة السالبة التي تشتريها لك مقاومة الباعث، وهي السبب في أن نقطة انحياز الباعث تبقى ثابتة بينما تاهت نقطة الانحياز الثابت. دائرتنا استقرت عند نقطة مريحة ومستقرة: أربعون ميكرو أمبير، وميلّي أمبيران، وجهد مجمّع-باعث نحو أربعة عشر فولت. في المرة القادمة ندفع الفكرة خطوة أبعد مع انحياز مقسّم الجهد، التهيئة التي تستخدمها التصاميم الحقيقية فعلاً. أراكم هناك.