نسخة الفيديو النصية
وصل ترانزستور NPN بمصدر طاقة جهده 𝑉CC. ووصل مصدر طاقة جهده 𝑉BE بطرفي الباعث والقاعدة للترانزستور، كما هو موضح في الشكل. مر تيار شدته 𝐼C بين 𝑉CC وطرف المجمع، وتيار شدته 𝐼E بين 𝑉BE وطرف الباعث، وتيار شدته 𝐼B بين 𝑉BE وطرف القاعدة. وضعت المقاومة الخارجية 𝑅C بين 𝑉CC وطرف المجمع. ووضعت المقاومة الخارجية 𝑅B بين 𝑉BE وطرف القاعدة. فرق الجهد بين طرفي المجمع والباعث يساوي 𝑉CE. وقيمة 𝑅B متغيرة. أي لون على التمثيل البياني الموضح يمثل تغير 𝐼C مقابل 𝑅B تمثيلًا صحيحًا؟
يطلب منا هذا السؤال في الأساس إيجاد العلاقة بين شدة التيار المار عبر المجمع، 𝐼C، وقيمة المقاومة الموضوعة على المسار المؤدي إلى القاعدة، 𝑅B. إذا استطعنا إيجاد هذه العلاقة، يمكننا تحديد الخط الصحيح على التمثيل البياني. دعونا نبدأ بتذكر معادلة نسبة تكبير التيار، التي يمكن أن تساعدنا في الربط بين 𝐼C و𝐼B. نسبة تكبير التيار في الترانزستور، وهي 𝛽𝑒، تساوي شدة تيار المجمع مقسومة على شدة تيار القاعدة.
تبدو هذه المعادلة مفيدة، لكن المطلوب منا هو مقارنة 𝐼C، وهي قيمة شدة تيار، مع 𝑅B، وهي قيمة مقاومة. إذا استخدمنا قانون أوم لمكونات قاعدة الترانزستور، فسنجد أن فرق الجهد لمصدر الطاقة 𝑉BE يساوي حاصل ضرب 𝐼B و𝑅B. وبما أن 𝑉BE مصدر طاقة ذو جهد ثابت، فلن يتغير فرق الجهد. هذا يعني أن الزيادة في 𝑅B لا بد أن تؤدي إلى انخفاض 𝐼B حتى يظل فرق الجهد الكلي كما هو.
إذا نظرنا بعد ذلك إلى معادلة نسبة تكبير التيار، نجد أن انخفاض 𝐼B يجب أن يؤدي أيضًا إلى انخفاض 𝐼C إذا ظلت نسبة تكبير التيار ثابتة هي الأخرى. ومن ثم، فإن الزيادة في 𝑅B، التي تتسبب في انخفاض 𝐼B، ستؤدي إلى انخفاض 𝐼C.
بالنظر مرة أخرى إلى التمثيل البياني، نلاحظ أن الخطوط الخمسة كلها تمثل أشكالًا مختلفة لانخفاض التيار، ولذا علينا الآن تحديد أي منها هو الشكل الصحيح. قد نميل إلى اختيار الخط الأحمر؛ لأن العلاقة تبدو واضحة. إذا خفضنا 𝐼B بمقدار النصف، علينا توقع انخفاض 𝐼C إلى النصف بالمثل للحفاظ على نسبة تكبير التيار دون تغير. وهذا يعني أنه يجب وجود علاقة خطية إلى حد ما، وهو ما يوضحه الخط الأحمر.
لكن هذا لا يحدث بالفعل؛ لأن نسبة تكبير التيار ليست ثابتة دائمًا. على وجه التحديد، توجد حالتان مختلفتان تكون فيهما نسبة تكبير التيار ثابتة إلى حد ما: عندما يستخدم الترانزستور باعتباره مفتاحًا مغلقًا وعندما يستخدم باعتباره مفتاحًا مفتوحًا. بخلاف ذلك تتغير نسبة تكبير التيار حسب قيمة 𝐼B وقيمة 𝐼C.
لمعرفة سبب ذلك، دعونا نتذكر أن الترانزستور يتكون من ثلاثة أشباه موصلات، يشار إليها بأسماء مختلفة وهي: المجمع والقاعدة والباعث. ولكي يمر تيار عبر الترانزستور، يجب أن تسمح أجزاؤه الثلاثة بالتوصيل. لكن القاعدة لن تسمح بمرور أي شحنة عبرها من تلقاء نفسها. يجب دفع التيار إلى داخل القاعدة لكي يصبح الحد الفاصل بين المجمع والقاعدة موصلًا أماميًّا، وهو ما سيسمح بمرور تيار عبر الترانزستور. هذا يعني أن الترانزستور لا يمكن أن يمر به تيار، ومن ثم، ينعدم تيار المجمع 𝐼C عندما لا يمر تيار عبر القاعدة، 𝐼B، بشكل مستقل.
نسبة تكبير التيار عند هذه القيم الصغيرة جدًّا لـ 𝐼B مرتفعة جدًّا، وهذا يعني أن الزيادة البسيطة في 𝐼B ستؤدي إلى زيادة كبيرة في 𝐼C. نلاحظ أن هذا تمثله الخطوط الأزرق والأسود والوردي في التمثيل البياني هنا. نظرًا لأن لها منحنيات حادة تشير إلى نسبة تكبير تيار عالية عند المنطقة الموجودة على اليمين. علينا تذكر أن قيمة مقاومة القاعدة العالية 𝑅B تشير إلى وجود شدة تيار قاعدة منخفضة 𝐼B. إذن بما أن هذه الخطوط الثلاثة فقط تشير إلى التغير في نسبة تكبير التيار بطريقة صحيحة، فإن الخطين الأحمر والأخضر غير صحيحين.
بمتابعة النظر في هذه الخطوط الثلاثة، نلاحظ أنه مع زيادة 𝐼B، أي مع تقليل 𝑅B، تستقر شدة تيار المجمع 𝐼C. وذلك لأن نسبة تكبير التيار تقل مع زيادة 𝐼B.
لكن أي خط ملون هو الخط الصحيح؟ دعونا نلق نظرة على كل خط منها على حدة. يوضح الخط الأزرق نسبة تكبير تيار مرتفعة بشدة عند مستويات 𝑅B المرتفعة، التي تستقر عند تقليل 𝑅B. تزداد قيمة تيار المجمع تدريجيًّا بحيث تتجاوز الزيادة الحادة الموجودة في البداية، ولكنها لا تقف عند حد معين. إذن، هذا الخط لا يمثل بدقة ما يحدث لتيار المجمع؛ لأن تيار المجمع يصل بالفعل إلى حد معين.
في الترانزستورات، يوجد حد لشدة تيار الخرج، يسمى تيار التشبع، للقيم العالية لشدة تيار الدخل. بالنسبة إلى ترتيب تجهيزات الترانزستور هذا، يكون تيار الخرج هو تيار المجمع. وتيار الدخل هو تيار القاعدة، وهو ما يعني أننا يجب أن نرى حدًّا لشدة التيار في هذا التمثيل البياني. لكن بالنسبة للخط الأزرق، فإنه يزداد باستمرار تدريجيًّا مع زيادة تيار القاعدة، وهو ما لا يمثل السلوك الفعلي للترانزستور.
إذن، الخط الأزرق لا يمكن أن يكون الخط الصحيح، ولا يمكن أن يكون الخط الوردي صحيحًا أيضًا؛ لأننا نلاحظ أن الخط مستقيم جدًّا، مع وجود انكسار واضح حيث تتغير كما يبدو نسبة تكبير التيار. هذان الخطان المستقيمان لا يمثلان السلوك الذي نتوقعه من الترانزستور، الذي يتضمن تغيرات حادة ولكن بقيم صغيرة في نسبة تكبير التيار. إذن، الخط الوردي ليس صحيحًا أيضًا.
هذا يعني أن الخط الوحيد الذي يمكن أن يكون صحيحًا هو الخط الأسود، الذي نلاحظ أنه يوضح بشكل صحيح نسبة تكبير تيار كبيرة عند القيم المرتفعة لـ 𝑅B، ويصل فيه التيار المكبر إلى حد معين مع انخفاض 𝑅B، وهذا الحد هو تيار التشبع. يفضل وجود تيار التشبع، والتغيرات الحادة في نسبة تكبير التيار، في الترانزستورات لأنها مفيدة في استخدامها بمجال الإلكترونيات. يمكن أن يسبب أي تغير بسيط في 𝐼B تغيرًا أكبر بكثير في 𝐼C، وهو ما يسمح لدائرة بها ترانزستور أن تعمل فعليًّا مفتاحًا لفتح التيار 𝐼C وغلقه، إما عن طريق عدم وجود تيار أو عن طريق الوصول إلى تيار تشبع معين. وهذا يعني أن الخط الملون على التمثيل البياني الذي يمثل بدقة أكبر تغير 𝐼C مقابل 𝑅B هو الخط الأسود.
