BJT كمفتاح

تعريف ترانزستور التوصيل الثنائي كمفتاح

يُعرف الترانزستور التوصيل الثنائي (BJT) بأنه جهاز يعمل بمثابة مفتاح من خلال التحكم في تيار القاعدة-المنبعث لتغيير مقاومة المنبعث-المجمع.

يقوم المفتاح بإنشاء دائرة مفتوحة (مقاومة لا نهائية) عند وضع "OFF" ودائرة قصيرة (مقاومة صفرية) عند وضع "ON". وبشكل مشابه، في الترانزستور التوصيل الثنائي، يمكن التحكم في تيار القاعدة-المنبعث لجعل مقاومة المنبعث-المجمع قريبة من اللانهاية أو قريبة من الصفر.

في خصائص الترانزستور، هناك ثلاثة مناطق. وهي:

• منطقة القطع

• منطقة النشاط

• منطقة التشبع

في منطقة النشاط، يبقى تيار المجمع (IC) ثابتًا على مدى نطاق واسع من الجهد بين المجمع والمنبعث (VCE). هذا التيار الثابت يسبب فقدًا كبيرًا للطاقة إذا كان الترانزستور يعمل في هذه المنطقة. المفتاح المثالي لا يفقد طاقة عندما يكون مغلقًا، حيث يكون التيار صفرًا.

وبشكل مشابه، عندما يكون المفتاح مفتوحًا، يكون الجهد عبر المفتاح صفرًا وبالتالي لا يوجد فقد للطاقة مرة أخرى. عندما نريد أن يعمل الترانزستور التوصيل الثنائي كمفتاح، يجب تشغيله بطريقة تجعل فقد الطاقة أثناء الوضع المفتوح والمغلق قريبًا من الصفر أو منخفضًا جدًا.

وهذا ممكن فقط عندما يتم تشغيل الترانزستور في المناطق الهامشية من الخصائص. منطقة القطع ومنطقة التشبع هما المناطق الهامشية في خصائص الترانزستور. لاحظ أن هذا ينطبق على كل من الترانزستورات npn والترانزستورات pnp.

في الشكل، عندما يكون تيار القاعدة صفرًا، يكون تيار المجمع (IC) له قيمة ثابتة صغيرة على مدى واسع من الجهد بين المجمع والمنبعث (VCE). لذا عندما يتم تشغيل الترانزستور بتيار قاعدة ≤ 0، يكون تيار المجمع (IC ≈ 0) صغيرًا جدًا، وبالتالي يعتبر الترانزستور في حالة إغلاق ولكن في نفس الوقت، يكون فقد الطاقة عبر المفتاح الترانزستوري أي IC × VCE ضئيلًا بسبب تيار المجمع الصغير جدًا.

يتم ربط الترانزستور بالسلسلة مع مقاومة خرج RC. بالتالي، يكون التيار عبر مقاومة الخرج هو

إذا تم تشغيل الترانزستور بتيار قاعدة I B3 الذي يكون تيار المجمع فيه IC1. فإن IC أقل من IC1، فيكون الترانزستور يعمل في منطقة التشبع. هنا، لأي تيار مجمع أقل من IC1، سيكون هناك جهد منبعث-مجمع صغير جدًا (VCE < VCE1). وبالتالي في هذه الحالة، يكون التيار عبر الترانزستور مرتفعًا مثل تيار الحمل، ولكن الجهد عبر الترانزستور (VCE < VCE1) منخفض جدًا، وبالتالي يكون فقد الطاقة في الترانزستور ضئيلًا.

يقوم الترانزستور بوظيفة مفتاح مفتوح. لذا عند استخدام الترانزستور كمفتاح يجب التأكد من أن التيار القاعدة المطبق يجب أن يكون كافيًا لكي يبقى الترانزستور في منطقة التشبع، لتيار المجمع. لذا، من الشرح أعلاه، يمكننا الاستنتاج أن الترانزستور التوصيل الثنائي يعمل كمفتاح فقط عندما يتم تشغيله في منطقة القطع ومنطقة التشبع من خصائصه. في التطبيقات التبديلية، يتم تجنب منطقة النشاط أو منطقة النشاط من الخصائص. كما ذكرنا سابقًا، فإن فقد الطاقة في المفتاح الترانزستوري منخفض جدًا ولكنه ليس صفراً. لذا، ليس مفتاحًا مثاليًا ولكنه مقبول كمفتاح لتطبيقات محددة.

عند اختيار الترانزستور كمفتاح، يجب النظر في تصنيفه. أثناء حالة الفتح، يجب أن يتحمل الترانزستور كامل تيار الحمل. إذا تجاوز هذا التيار السعة الآمنة لتيار المجمع-المنبعث، قد يتعرض الترانزستور للحرارة الزائدة ويتم تدميره. أثناء حالة الإغلاق، يجب أن يتحمل الترانزستور الجهد المفتوح للحمل لمنع الانهيار. يعد المبرد المناسب ضروريًا لإدارة الحرارة. يحتاج كل ترانزستور إلى وقت محدد للتبديل بين حالتي الإغلاق والفتح.

على الرغم من أن وقت التبديل قصير جدًا، غالبًا ما يكون أقل من بضع ميكروثوانيات، إلا أنه ليس صفراً. أثناء فترة الفتح، يزداد التيار (IC) بينما ينخفض الجهد بين المجمع والمنبعث (VCE) نحو الصفر. هناك لحظة يكون فيها كل من التيار والجهد في أعلى مستوياته، مما يسبب فقد الطاقة الأقصى. يحدث هذا أيضًا عند التحويل من الفتح إلى الإغلاق. يحدث فقد الطاقة الأقصى خلال هذه الانتقالات، ولكن الطاقة المتصاعدة معتدلة بسبب فترة الانتقال القصيرة. عند الترددات المنخفضة، تكون عملية توليد الحرارة قابلة للإدارة، ولكن عند الترددات العالية، يحدث فقد للطاقة وحرارة كبيرة.

يجب ملاحظة أن توليد الحرارة لا يحدث فقط خلال الحالة العابرة بل أيضًا خلال حالة الفتح أو الإغلاق المستقرة للترانزستور، ولكن كمية الحرارة خلال الحالة المستقرة تكون صغيرة وضئيلة.