العلوم

نقطة التشغيل في الترانزستور – Operating Point in Transistor

نقطة التشغيل في الترانزستور – Operating Point in Transistor

تعريف نقطة التشغيل في الترانزستور:

تُعرف النقطة التي يتم الحصول عليها من قيم (IC) “تيار المجمع” (collector current) أو (VCE) “جهد المجمع – الباعث” (collector-emitter voltage) عندما لا يتم إعطاء إشارة إلى المدخلات باسم “نقطة التشغيل” أو نقطة (Q) في الترانزستور. يطلق عليها نقطة التشغيل لأنّ الاختلافات في (IC) “تيار المجمع” و(VCE) “جهد المجمع – الباعث” تحدث حول هذه النقطة عندما لا يتم تطبيق إشارة على المدخلات.

تسمّى نقطة التشغيل أيضًا “النقطة الهادئة” أو “الصامتة” (quiescent (silent) point) أو ببساطة نقطة (Q) (Q-point)، لأنّها نقطة تعمل على خاصية (IC – VCE) عندما يكون الترانزستور صامتًا أو لا يتم تطبيق إشارة إدخال على الدائرة. يمكن الحصول على نقطة التشغيل بسهولة عن طريق طريقة خط تحميل التيار المستمر. يتم شرح خط تحميل التيار المستمر أدناه.

شرح خط تحميل التيار المستمر:

دعنا نحدد نقطة التشغيل الخاصة بتيار الدائرة الأساسي المعين (IB). وفقًا لظروف خط التحميل، يتم عرض (OA = VCE = VCC و OB = IC = VCC / RC) على منحنى خصائص المخرجات. النقطة (Q) هي نقطة التشغيل حيث يتقاطع خط تحميل التيار المستمر مع التيار الأساسي (IB) عند منحنيات الخرج المميزة في غياب إشارة الدخل:

Where IC= OD mA

VCE = OC volts

يعتمد موضع النقطة (Q) على تطبيقات الترانزستور. إذا تمّ استخدام الترانزستور كمفتاح، فعندئذٍ بالنسبة للمفتاح المفتوح، تكون نقطة (Q) في منطقة القطع، وبالنسبة لمفتاح الإغلاق، تكون نقطة (Q) في منطقة التشبع (saturation region). تقع نقطة (Q) في منتصف خط الترانزستور الذي يعمل كمكبر للصوت.

ملاحظة: في منطقة التشبع، تكون منطقة قاعدة المجمع ومنطقة قاعدة الباعث في اتجاه منحاز للأمام وتدفق تيار ثقيل عبر التقاطع. والمنطقة التي يكون فيها كل من تقاطعات الترانزستور متحيزة عكسيًا تسمّى منطقة القطع (cut-off region).

التضخيم الصحيح – Faithful Amplification:

تسمّى عملية زيادة قوة الإشارة “بالتضخيم” (Amplification). يسمّى هذا التضخيم عند القيام به دون أي خسارة في مكونات الإشارة بالتضخيم الصحيح (Faithful amplification). التضخيم الصحيح هو عملية الحصول على أجزاء كاملة من إشارة الدخل عن طريق زيادة قوة الإشارة. يتم ذلك عندما يتم تطبيق إشارة التيار المتردد عند دخلها.

يتم تضخيم إشارة الإدخال المطبقة بالكامل وإعادة إخراجها دون أي خسائر. يمكن فهم هذا على أنّه تضخيم صحيح. يتم اختيار نقطة التشغيل بحيث تقع في المنطقة النّشطة وتساعد في إعادة إنتاج إشارة كاملة دون أي خسارة. إذا تمّ اعتبار نقطة التشغيل بالقرب من نقطة التشبع (saturation point)، فسيكون التضخيم أقل من ذلك. إذا تمّ اعتبار نقطة التشغيل بالقرب من نقطة القطع (cut off point)، فسيكون التضخيم كما هو.

ومن ثمّ فإنّ وضع نقطة التشغيل هو عامل مهم لتحقيق التضخيم الصحيح. ولكن لكي يعمل الترانزستور بشكل صحيح كمضخم، تظل دائرة الإدخال أي تقاطع القاعدة – الباعث منحازة للأمام ودائرة الخرج أي تقاطع قاعدة المجمع تظل منحازة عكسيًا. وبالتالي تحتوي الإشارة المضخمة على نفس المعلومات الموجودة في إشارة الإدخال بينما تزداد قوة الإشارة.

العوامل الرئيسية للتضخيم الصحيح:

لضمان التضخيم الصحيح، يجب استيفاء الشروط الأساسية التالية:

  • التيار المناسب لمجمع الإشارة يجب أن يكون صفر.
  • يجب وجود الحد الأدنى المناسب لجهد الباعث – القاعدة (VBE) في أي لحظة.
  • يجب وجود الحد الأدنى المناسب من الجهد الباعث – المجمع (VCE) في أي لحظة.

يضمن استيفاء هذه الشروط أن يعمل الترانزستور على المنطقة النّشطة (active region) التي لها مدخلات منحازة للأمام ومخرجات منحازة عكسيًا.

التيار المناسب لمجمع الإشارة يجب أن يكون صفر:

لفهم هذا، لنفكر في دائرة ترانزستور (NPN). يكون تقاطع القاعدة – الباعث متحيزًا للأمام ويكون تقاطع المجمع – الباعث متحيزًا عكسيًا. عندما يتم تطبيق إشارة عند الإدخال، فإنّ تقاطع القاعدة – الباعث في ترانزستور (NPN) يتحيز للأمام لدورة نصف موجبة للإدخال ومن ثمّ يظهر عند الإخراج. بالنسبة للدورة النصفية السالبة، يحصل نفس التقاطع على انحياز عكسي وبالتالي لا تعمل الدائرة، هذا يؤدي إلى تضخيم غير صحيح.

لنقدم بطارية (VBB) في الدائرة الأساسية. يجب أن يكون حجم هذا الجهد بحيث يجب أن يظل تقاطع الباعث الأساسي للترانزستور متحيزًا للأمام، حتى بالنسبة للدورة النصفية السالبة لإشارة الإدخال. عندما لا يتم تطبيق أي إشارة دخل، يتدفق تيار مستمر في الدائرة، بسبب (VBB). يُعرف هذا باسم التيار (IC) لمجمع الإشارة الصفري.

خلال الدورة النصف الموجبة للإدخال، يكون تقاطع القاعدة – الباعث أكثر تحيزًا للأمام وبالتالي يزداد تيار المجمع. خلال دورة النصف السالبة للإدخال، يكون تقاطع الإدخال أقل تحيزًا للأمام وبالتالي ينخفض تيار المجمع. ومن ثمّ تظهر كل من دورات الإدخال في الإخراج وبالتالي ينتج التضخيم الصحيح. ومن ثمّ، من أجل التضخيم الصحيح، يجب أن يتدفق تيار مجمع الإشارة الصفري المناسب. يجب أن تكون قيمة تيار مجمع الإشارة الصفري مساويًا على الأقل لأقصى تيار للمجمع بسبب الإشارة وحدها.

يجب وجود الحد الأدنى المناسب لجهد الباعث القاعدة – VBE في أي لحظة:

يجب أن يكون الحد الأدنى لجهد القاعدة لجهد الباعث (VBE) أكبر من جهد القطع حتى يكون التقاطع متحيزًا للأمام. الحد الأدنى للجهد المطلوب لتوصيل ترانزستور السيليكون هو (0.7) فولت ولترانزستور الجرمانيوم (0.5) فولت. إذا كان جهد الباعث الأساسي (VBE) أكبر من هذا الجهد، يتم التغلب على حاجز الجهد (potential barrier) وبالتالي يزداد تيار القاعدة وتيارات المجمع بشكل حاد. ومن ثمّ إذا انخفض (VBE) لأي جزء من إشارة الإدخال، فسيتم تضخيم هذا الجزء إلى حد أقل بسبب تيار المجمع الصغير الناتج، ممّا يؤدي إلى تضخيم غير صحيح.

يجب وجود الحد الأدنى المناسب من الجهد الباعث المجمع – VCE في أي لحظة:

لتحقيق تضخيم صحيح، يجب ألا يقل جهد الباعث – المجمع (VCE) عن جهد القطع، والذي يسمّى جهد الركبة (Knee Voltage). إذا كان (VCE) أقل من جهد الركبة، فلن يكون تقاطع قاعدة المجمع متحيزًا عكسيًا بشكل صحيح. ثم لا يمكن للمجمع جذب الإلكترونات المنبعثة من الباعث وسوف تتدفق نحو القاعدة ممّا يزيد من تيار القاعدة. وبالتالي فإنّ قيمة (β) تنزل بقوة.

لذلك، إذا انخفض (VCE) لأي جزء من إشارة الإدخال، فسيتم مضاعفة هذا الجزء إلى حد أقل، ممّا يؤدي إلى تضخيم غير صحيح. لذلك إذا كان (VCE) أكبر من (VKNEE)، فإنّ تقاطع قاعدة المجمع يكون منحازًا بشكل عكسي وتظل قيمته ثابتة، ممّا يؤدي إلى تضخيم صحيح.

السابق
كيفية استخدام الترانزستور كمضخم للصوت Transistor as an Amplifier
التالي
الفرق بين الصمام الثنائي الباعث للضوء والصمام الثنائي – LED vs Diode