#14 مقدمة BJT — البنية وبيتا وعلاقات التيار

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

1. 1. لماذا الترانزستور؟

   

   دوائر الديود تشكّل الإشارات

   الإشارة الصغيرة يجب أن تقود خرجاً أكبر

   I_B صغير ← تحكم في I_C كبير

   يتحكم BJT في قدرة مصدر التغذية

   الهدف الجديد: التضخيم

   نص الشرح الصوتي

   أهلاً بكم من جديد. كل ما بنيناه حتى الآن، المقوّمات، دوائر القصّ، دوائر التثبيت، ومنظّم الزينر، يشترك في شيء واحد: إنها تُشكِّل الإشارة أو تُقيِّدها، لكن لا أحد منها يستطيع تكبيرها. فكّر في الميكروفون: يعطيك بضعة ميلّي فولت فقط، بينما يحتاج مكبّر الصوت إلى فولتات كاملة. في مكان ما بينهما، يجب تضخيم الإشارة. لهذا نحتاج عنصراً من نوع جديد تماماً: عنصراً يتحكم فيه تيار صغير بتيار أكبر منه بكثير. هذا العنصر هو الترانزستور. اليوم نتعرّف عليه كما يجب: بنيته، وعائلتاه، وقواعد التيار البسيطة التي ستمكّننا في المرة القادمة من حلّ أول دائرة ترانزستور لنا حتى آخر فولت.

2. 2. بنية BJT

   

   BJT = ترانزستور الوصلة ثنائي القطب

   NPN: N — طبقة P رقيقة — N

   E الباعث؛ B القاعدة؛ C المجمّع

   القاعدة الرقيقة ← مفتاح التحكم

   PNP: P — طبقة N رقيقة — P

   السهم دائماً على الباعث

   نص الشرح الصوتي

   الاسم الكامل هو ترانزستور الوصلة ثنائي القطب، بي جي تي. والبنية أبسط من الاسم: ثلاث طبقات من السيليكون. خذ طبقة من النوع إن، ثم طبقة رقيقة جداً من النوع بي، ثم طبقة أخرى من النوع إن. إن، بي، إن. لكل طبقة طرف، ولكل طرف اسم. الباعث، الذي يبعث حاملات الشحنة. والمجمّع، الذي يجمعها. وفي المنتصف، القاعدة: طبقة التحكم الرقيقة. احتفظ بهذه الكلمة في ذهنك: رقيقة. كون القاعدة رقيقة هو السرّ الكامل لعمل الترانزستور. اعكس الطبقات، بي إن بي، فتحصل على العائلة الثانية، ترانزستور بي إن بي. في الرمز، يقع السهم دائماً على الباعث. في ترانزستور إن بي إن يشير السهم إلى الخارج. سنعمل مع إن بي إن، حصان العمل في عالم الإلكترونيات.

3. 3. تشبيه الصمام

   

   التدفق الكبير في الأنبوب ↔ I_C

   مقبض الصمام ↔ I_B

   حركة صغيرة ← تغير تيار كبير

   مصدر الطاقة: تغذية الدائرة

   كسب التيار: β = I_C/I_B

   نص الشرح الصوتي

   إذاً كيف يتصرف فعلياً؟ تخيّل أنبوب ماء سميكاً يجري فيه تدفق كبير، وعلى الأنبوب صمام. التدفق في الأنبوب هو تيار المجمّع. والقوة اللطيفة التي تدير بها مقبض الصمام، تلك هي تيار القاعدة. لفّة صغيرة للمقبض، فيتغير التدفق تغيّراً هائلاً. لاحظ ما لا يفعله الصمام: إنه لا يصنع ضغط الماء. المضخة تفعل ذلك، وفي دوائرنا، مصدر التغذية يفعل ذلك. الترانزستور لا يولّد القدرة، بل يتحكم فيها. ونسبة الرفع في هذا المقبض، أي كم تدفقاً تقود بكل وحدة جهد، هي الشهيرة بيتا.

4. 4. علاقات التيار

   

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

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

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

   $\beta = 200;\; I_{\mathrm{B}} = 60 \muA$

   I_C = 12 mA

   I_E = 12.06 mA

   $I_{\mathrm{C}} \approx I_{\mathrm{E}}$

   نص الشرح الصوتي

   لنحوّل هذه الصورة إلى معادلات، بهدوء. بيتا هي كسب التيار: تيار المجمّع يساوي بيتا مضروبة في تيار القاعدة. I C تساوي بيتا في I B. قيم بيتا النموذجية من خمسين إلى بضع مئات، أي أن تيار المجمّع أكبر من تيار القاعدة بخمسين إلى بضع مئات من المرات. والآن، إلى أين تذهب هذه التيارات؟ يدخل إلى العنصر I B و I C، وكل ما يدخل يجب أن يخرج، عبر الباعث. إذاً I E تساوي I B زائد I C. هذا ببساطة قانون كيرشهوف للتيار. عوّض عن I C: تصبح I E تساوي I B زائد بيتا في I B، أي بيتا زائد واحد، في I B. لنتحسس هذه العلاقات بالأرقام. لتكن بيتا مئتين، وتيار القاعدة ستين ميكرو أمبير. تيار المجمّع: مئتان في ستين تساوي اثني عشر ألفاً. اثنا عشر ألف ميكرو أمبير. أزح الفاصلة ثلاث خانات: اثنا عشر ميلّي أمبير. وتيار الباعث: مئتان وواحد في ستين تساوي اثني عشر ألفاً وستين ميكرو أمبير، أي 12.06 ميلّي أمبير. قارن الآن: اثنا عشر، و 12.06. متطابقان تقريباً. وهذا يعطينا قاعدة سنستعملها باستمرار: I C تساوي تقريباً I E. تيار القاعدة من الصغر بحيث لا يكاد يظهر في المجموع.

5. 5. نموذجان ذهبيان

   

   المسار B-E وصلة P-N

   سيليكون وانحياز أمامي ومنطقة فعالة

   $V_{\mathrm{B}}E \approx 0.7 V$

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

   الحروف الكبيرة ← قيم تشغيل DC

   الحروف الصغيرة ← مركبات إشارة AC

   نص الشرح الصوتي

   قبل أن نلمس دائرة حقيقية، أريد أن أسلّمك الحقيقتين الذهبيتين اللتين تفتحان كل تحليل دي سي. الحقيقة الأولى. انظر عن قرب إلى الوصلة بين القاعدة والباعث: مادة من النوع بي مقابل مادة من النوع إن. هذه وصلة بي إن. هذا حرفياً دايود، أول عنصر في هذه السلسلة كلها. وعندما يكون منحازاً أمامياً، أنت تعرف مسبقاً كم يُسقط: 0.7 فولت. إذاً V B E تساوي 0.7 فولت. مفتاح دخولنا دائماً. الحقيقة الثانية قابلتها للتو: I C تساوي بيتا في I B. ملاحظة صغيرة عن الترميز. الحروف الكبيرة، مثل I B و V C E، تعني قيم دي سي. والحروف الصغيرة تعني إشارات إيه سي. درس اليوم دي سي خالص، فالحروف الكبيرة في كل مكان.

6. 6. ملخص الطريقة

   

   1) BJT: الباعث — القاعدة الرقيقة — المجمّع

   2) NPN وPNP هما العائلتان

   3) I_B صغير ← I_C أكبر بمقدار β

   $4) طبّق I_{\mathrm{E}} = I_{\mathrm{B}} + I_{\mathrm{C}}$

   $5) في المنطقة الفعالة استخدم V_{\mathrm{B}}E \approx 0.7 V$

   الخطوة التالية: دائرة الانحياز الثابت

   نص الشرح الصوتي

   لنجمع ما حصّلناه. ترانزستور الوصلة ثنائي القطب: ثلاث طبقات من السيليكون، الباعث، والقاعدة الرقيقة، والمجمّع، في عائلتين، إن بي إن و بي إن بي. يتصرف كالصمام: تيار قاعدة ضئيل يقود تيار مجمّع أكبر منه بيتا مرة. والحساب عند كيرشهوف: I E تساوي I B زائد I C، ولأن حصة القاعدة ضئيلة جداً، فإن I C تساوي تقريباً I E. واحمل معك الحقيقتين الذهبيتين أينما ذهبت: V B E تساوي 0.7 فولت، و I C تساوي بيتا في I B. في المرة القادمة، نضع الترانزستور في أول دائرة حقيقية له، دائرة الانحياز الثابت، ونحلّها حلاً كاملاً: كل تيار، وكل جهد، حتى آخر فولت. أراكم هناك.

الفيديو المصدر: أساسيات الإلكترونيات #14 | ما هو الترانزستور؟ أساسيات BJT: بنية npn وpnp وكسب التيار بيتا (6:05)