ترانزیستور به زبان ساده

هم به عنوان دانشجو و هم به عنوان یه آماتور همیشه با درک نحوه ی کار ترانزیستور مشکل داشتم. معادلاتی که در درس های آکادمیک درس داده می شوند نقاط تاریک بسیار زیادی دارند و حس قابل درکی منتقل نمی کنند. در این قسمت قصد معرفی ترانزیستور با زبان متفاوتی را دارم. امیدوارم این مطالب برای شما هم مفید باشند.

برای مشاهده ی نسخه ی PDF می توانید روی لینک زیر کلیک کنید!

مقدمه

المان های الکتریکی را می توان به دو دسته تقسیم کرد. دسته ی اول المان هایی هستند که برای انجام وظیفه شان نیازمند منبع توان خارجی نیستند. بدیهی است که این المان ها نمی توانند توان در خروجی را افزایش دهند. دسته ی دوم المان هایی هستند که با استفاده از یک منبع توان خارجی توانایی افزایش توان خروجی را دارند. به این المان ها المان های اکتیو گفته می شود.

ترانزیستور مثال خوبی برای المان های اکتیو است.ترانزیستور المانی است که توانایی تقویت سگنال ورودی اش  را دارد. دقت کنید که افزایش سطح ولتاژ به تنهایی به معنی تقویت سیگنال نیست. ترانسفورمر های افزاینده هم توانایی افزایش سطح ولتاژ را دارند ولی توان خروجی آن ها برابر با توان ورودی آن ها است. افزایش توان پارامتر بسیار مهمی برای مخترعین ترانزیستور بود. آن ها برای این که خودشان را قانع کنند که المان قابل استفاده ای را اختراع کرده اند، در اولین کاربرد عملی، سیگنال صدا را برای پخش از بلندگو تقویت کردند.

ترانزیستور قطعه ای مهم برای همه ی مدارات الکترونیکی است.از ساده ترین مدارات الکترونیکی تا مدار پیچیده ای مانند اسیلاتور ها و مدارات فشرده ی دیجیتال(مانند پردازنده های کامپیوترها) همگی از ترانزیستورها به عنوان المان کلیدی شان استفاده می کنند. مدارات مجتمع که امروزه به طرز گسترده ای جایگزین مدارات غیر مجتمع شده اند، معمولاً آرایه ای از ترانزیستورها هستند که روی یک چیپ پیاده شده اند.

انواع ترانزیستورها

۱- ترانزیستورهای پیوند دوقطبی: این ترازیستورها اولین نترانزیستورهایی بودند که توسط مخترعین آزمایشگاه های بل اختراع شدند. مخترعین این قطعه برای این کارشان در سال۱۹۵۶ جایزه ی نوبل فیزیک را کسب کردند.

۲- ترانزیستورهای اثر میدانی: طرح اولیه ی این ترانزیستورها قبل از ترانزیستورهای پیوند دوقطبی در سال ۱۹۲۶ ارائه شد. ولی پیاده سازی آن ها بعد ها در سال ۱۹۵۹ عملی شد. امروزه این ترانزیستورها در مدارهای دیجیتال به طور گسترده ای جایگزین ترانزیستورهای دو قطبی شده اند.

ترانزیستورهای پیوند دوقطبی دقت بالاتری دارند و نویزپذیری آن ها در مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدانی بسیار کمتر است ولی از طرف دیگر ترانزیستورهای اثر میدانی مقاومت خروجی بالاتری دارند و توان کمتری مصرف می کنند و به علاوه توانایی سوییچ کردن جریان های بالاتری را هم دارند.

کارمان را با ترانزیستورهای اثر میدانی شروع می کنیم.در ادامه مطالبی در مورد ترانزیستورهای اثر میدانی آورده خواهد شد.

ساختار ترانزیستور

در اینجا قصد کالبد شکافی ترانزیستور و تحلیل عملکرد آن در سطح فیزیک حالت جامد را نداریم. در عوض قصد داریم با ارائه ی مفاهیم لازم و ضروری از نحوه ی عملکرد ترانزیستور، تحلیل و طراحی مدار را با استفاده از آن را برای خواننده آسان تر کنیم. ارائه ی مدل هیبرید پای که در درس های دانشگاهی مرسوم است ما را از فهم عملکرد ترانزیستور در مدارهای کاربردی رایج دور می کند. به همین خاطر قصد داریم مدلی را از ترانزیستور ارائه کنیم که تا حد لازم گویای عملکرد آن باشد.

ترانزیستورهای دوقطبی از دو پیوند PN تشکیل شده اند. در شکل زیر ساختار یک ترانزیستور دوقطبی به همراه  مولفه های جریان در این ترانزیستور آورده شده اند.

ساختار داخلی ترانزیستور

از ارائه ی توضیحات بیشتر در مورد فیزیک ترانزیستور خودداری می کنم و مطمئن هستم که در این مورد به منابع متعددی می توانید مراجعه کنید!

اولین مدل ترانزیستور: مدل تقویت کننده ی جریان

ترانزیستورهای پیوند دوقطبی در دو نوع NPN و PNP ساخته می شوند. در شکل زیر نمادهای مداری این دو نوع ترانزیستور آورده شده است.

انواع ترانزیستور

همانطور که مشاهده می شود، ترانزیستور سه  پایه دارد که به ترتیب C یا کالکتور، B یا بیس و E یا امیتر نام دارند.

در مدل تقویت کنندگی جریان فرض می کنیم قواعد زیر بر یک ترانزیستور NPN برقرار است.

  • قاعده ی جهت(Polarity) : ولتاژ C باید مثبت تر از ولتاژ E باشد.
  • قاعده ی پیوندها(Junctions) : در عمل اتصال BC و BE یک پیوند نیمه هادی PN هستند. اگر این دو پیوند را مانند دو دیود در نظر بگیریم، دیود BE باید بایاس مستقیم(ولتاژ بیس از امیتر بیشتر باشد) و دیود BC باید بایاس معکوس(ولتاژ بیس از کالکتور کمتر باشد) باشد. ولی توجه داشنته باشید که در عمل و در طراحی و تحلیل مدار ا اثر دیودی پیوند BC صرفنظر می شود.
  • قاعده ی ماکزیمم مقادیر(Maximum Ratings): در هر ترانزیستوری مقادیر بیشینه ای برای بعضی از پارامترها تعیین می شود که فراتر رفتن از آن ها منجر به آسیب دیدن ترانزیستور یا عملکرد نادرست آن می شود. توان مصرفی، دمای کاری، جریان کالکتور، جریان بیس، ولتاژ میان کالکتور و امیتر و ولتاژ میان بیس و امیتر از جمله پارامتر های مهم هر ترانزیستور هستند که بیشینه ی مشخصی دارند. برای فراتر رفتن بیشینه ی این پارامترها باید پول بیشتری خرج کنیم.
  • قاعده ی تقویت(Amplification) : اگر قواعد ۱ تا ۳ برقرار باشند ترانزیستور خاصیت تقویت کنندگی جریان خواهد داشت. رابطه ی تقویت کنندگی جریان به شرح زیر است:

Ic = hFE*Ib = β*Ib

که در آن Ic جریان وارد شونده به کالکتور و Ib جریان وارد شونده به بیس است. به hFE  بهره ی جریان گفته می شود و مقدار آن بین ۵۰ تا ۲۵۰ است و بسته به پارامترهای فیزیکی ترانزیستور دارد.

معادله ی فوق خاصیت تقویت کنندگی را به ما نشان می دهد: اگر جریان کمی از بیس بگذرد، جریان بسیار بالاتری از کالکتور به امیتر جاری خواهد شد. درست است که ترانزیستور به صورت ذاتی می تواند جریان خروجی را چند صد برابر کند ولی نباید روی β آن حساب باز کنیم. زیرا β یک ترانزیستور مشخص به شدت وابسته به دما، جریان کالکتور(Ic)، ولتاژ میان کالکتور و امیتر(VCE) و پروسه ی ساخت ترانزیستور است. برای یک ترانزیستور مشخص β می تواند تحت شرایط مختلف در بازه ی وسیعی( از ۵۰ تا ۲۵۰) تغییر کند که طراحی بر پایه ی آن منجر به عملکرد نا مطمئن مدار در شرایط مختلف می شود.

نکته ی مهم دیگری که باید به آن توجه شود این است که با توجه به قاعده ی ماکزیمم مقادیر نمی توان هر ولتاژ دلخواهی به بیس ترانزیستور اعمال کرد. زیرا ممکن است جریان زیادی از بیس به امیتر عبور کند و ترانزیستور آسیب ببیند.

قوانین ذکر شده با پلاریته ی معکوس برای ترانزیستور PNP هم برقرار خواهد بود:

  • قاعده ی جهت(Polarity) : ولتاژ C باید منفی تر از ولتاژ E باشد.
  • قاعده ی پیوندها(Junctions) : در عمل اتصال BC و BE یک پیوند نیمه هادی PN هستند. اگر این دو پیوند را مانند دو دیود در نظر بگیریم، دیود BE باید بایاس مستقیم(ولتاژ بیس از امیتر کمتر باشد) و دیود BC باید بایاس معکوس(ولتاژ بیس از کالکتور بیشتر باشد) باشد.
  • قاعده ی ماکزیمم مقادیر(Maximum Ratings): در هر ترانزیستوری مقادیر بیشینه ای برای بعضی از پارامترها تعیین می شود که فراتر رفتن از آن ها منجر به آسیب دیدن ترانزیستور یا عملکرد نادرست آن می شود.
  • قاعده ی تقویت(Amplification) : اگر قواعد ۱ تا ۳ برقرار باشند ترانزیستور خاصیت تقویت کنندگی جریان خواهد داشت.

یک مدار ابتدایی ترانزیستوری

  • کلید ترانزیستوری: مدار روبرو یک مدار ساده ی ترانزیستوری را نشان می دهد. در این مدار جریان بسیار کمی به بیس اعمال می شود که منجر به عبور جریان بسیار زیادتری از کالکتور می شود. در واقع با تحریک بیس مسیر جریان برای عبور از کالکتور باز می شود. به این مدار اصطلاحاً کلید ترانزیستوری گفته می شود.مدار ساده کلید ترانزیستوری

حال مدار فوق را بیشتر مورد تحلیل قرار می دهیم. اگر کلید باز باشد، جریانی از بیس ترانزیستور عبور نمی کند. پس جریانی هم از کالکتور عبور نمی کند و ترانزیستور خاموش می ماند. به محض اتصال کلید دیود BE بایاس مستقیم می شود و ولتاژ بیس به ۰٫۶ ولت خواهد رسید. به این ترتیب ولتاژ دو سر مقاومت ۹٫۴ ولت خواهد شد و جریان ۹٫۴ میلی آمپر از مقاومت عبور خواهد کرد

به این ترتیب با توجه به قاعده ی تقویت انتظار خواهیم داشت.حدود ۱۰۰ برابر این مقدار جریان از کالکتور عبور کند.ولی این اتفاق نمی افتد، زیرا کافی است تنها ۱۰۰ میلی آمپر جریان از لامپ عبور کند تا ولتاژ دو سر آن به ۱۰ ولت برسد. در این صورت ولتاژ میان کالکتور و امیتر به صفر می رسد. در صورت فراتر رفتن جریان از این مقدار قاعده ی جهت نقض می شود. لذا ترانزیستور نخواهد توانست جریانش را فراتر از ۱۰۰ میلی آمپر ببرد. در این حالت اصطلاحاً گفته می شود که ترانزیستور اشباع شده است. در حالت اشباع با افزایش جریان بیس، جریان عبوری از کالکتور افزایش نمی یابد.

نکات طراحی مدار

  • اگر به مقادیر مدار فوق دقت کنید جریان ۱ میلی آمپر برای بیس کافی بود تا جریان لازم برای لامپ تامین شود ولی در این مدار جریان ۹٫۴ میلی آمپر به بیس تزریق می شود. در این طراحی از روش محافظه کارانه تری استفاده شده: در صورتی که بار بخواهد جریان بیشتری از منبع بکشد تا به ولتاژ نامی برسد امکان آن وجود خواهد داشت. در مورد لامپ ها مقاومت آن ها در حالت سردشان کمتر است و لذا قبل از گرم شدن حدود ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر جریان مصرف می کنند. لذا با انتخاب جریان بیشتر از مقدار نامی برای بیس امکان راه اندازی بار با جریان های بالاتر را هم فراهم کرده ایم. البته در حالت کلی به علت وابسته بودن بهره ی جریان ترانزیستور به ولتاژ میان کالکتور و امیتر بهتر است جریان زیادتری به بیس ترانزیستور تزریق شود.
  • در عمل بیس ترانزیستور را با یک مقاومت با مقدار بالا به زمین وصل می کنند. این کار در حالت روشن تاثیری روی ترانزیستور ندارد و در حالت خاموش نیز خاموش ماندن ترانزیستور در اثر نویزهای محیطی را تضمین می کند.
  • اگر محل اتصال بار و کلکتور ممکن است ولتاژ منفی بگیرد، از یک دیود سری با بار یا یک دیود با اتصال معکوس به زمین استفاده کنید تا دیود BC از حالت بایاس معکوس خارج نشود. این اتفاق در سوییچ کردن ولتاژهای متناوب یا در بار های سلفی می افتد.
  • در بارهای سلفی ترانزیستور را با استفاده از یک دیود موازی به بار محافظت کنید. بدون حضور دیود در حالتی که کلید باز می شود، با توجه به رابطه ی ولتاژ جریان سلف، ولتاژ بسیار زیادی دو سر سلف القا می شود و ولتاژ کالکتور بسیار بالا می رود که در این صورت حتی احتمال خرابی ترانزیستور هم وجود خواهد داشت.

ولی باید خودمان را با ترانزیستور و همه ی پیچیدگی هایش اذیت کنیم، در حالی که می توانیم کلید را مستقیم به لامپ وصل کنیم؟

  • ترانزیستور کلیدی است که با ورودی الکتریکی فعال می شود. یعنی مدار الکترونیکی دیگری می تواند آن را روشن یا خاموش کند.
  • کلید های ترانزیستوری امکان سوییچینگ با سرعت های بسیار بالا را فراهم می آورند.
  • اگر از ترانزیستور استفاده کنیم، می توانیم چند مدار را به صورت همزمان خاموش یا روشن کنیم.
  • در کلیدهای مکانیکی مشکل Bouncing وجود دارد که باعث می شود در لحظه ی اتصال کلید، کلید چند بار قطع و وصل شود.

مثال هایی از مدارات سوییچینگ ترانزیستوری

مدار درایو LED

LED ها به طور گسترده ای جایگزین لامپ های رشته ای قدیمی شده اند. در گذشته برای مانیتورینگ سیگنال ها از لامپ های رشته ای کوچک استفاده می شد ولی امروزه LED ها به طور کامل جای آن ها را گرفته اند. علت فراگیر شدن آن ها قیمت مناسب، تنوع رنگ و عمر بسیار بالای آن ها است. این دیودها از نظر الکتریکی مشابه دیودهای یکسوساز هستند با این تفاوت که افت ولتاژ در دو سر آن ها بیشتر(حدود ۱٫۵ تا ۳٫۵ ولت) است. این به این معنی است که وقتی به تدریج ولتاژ دو سر آن ها را افزایش می دهیم، تا حدود ۱٫۵ ولت جریانی از آن ها عبور نمی کند، ولی پس از آن با افازیش ولتاژ جریان عبوری از آن ها به شدت افزایش می یابد. در LED ها جریان هایی حدود ۱۰ تا ۲۰ میلی آمپر نور خیره کننده ای تولید می کنند.

مدار درایو دیود نورانی

برای درایو LED راه حل های مختلفی وجود دارد. یک راه ساده ی آن استفاده از ترانزیستور است. اگر از همان مداری که برای لامپ استفاده کردیم برای LED نیز استفاده کنیم، LED دود خواهد کرد.

فرض کنید می خواهیم یک سیگنال دیجیتال ۳٫۳ ولتی را نمایش دهیم، به این معنی که اگر آن سیگنال فعال باشد، LED روشن شود و در غیر اینصورت LED خاموش بماند. در برخی موارد از سیگنال های دیجیتال نمی توان به صورت مستقیم جریان کشید. فرض کنید حداکثر جریانی که سیگنال می تواند تامین کند ۱ میلی آمپر باشد. این جریان برای روشن کردن LED با نور کافی بسیار کم است.

پروسه ی طراحی مدار مورد نظر بسیار ساده است. ابتدا یک LED پیدا کنید که در جریان مشخصی(فرض کنید ۵ میلی آمپر) روشنایی قابل قبولی داشته باشد. جریان آن را با استفاده از یک ترانزیستور NPN سوییچ کنید. برای مقدار مقاومت کالکتور هم مقداری انتخاب کنید که با احتساب افت ولتاژ در دیود جریان کافی از کالکتور عبور کند. مقاومت بیس را هم محتاطانه انتخاب کنید(مثلاً برای ۲۵ = β ) تا از عملکرد ترانزیستور در حالت اشباع مطمئن شوید.

تغییر یافته ی مدار درایور LED

همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید، یک سمت بار به تغذیه وصل است و طرف دیگر به زمین وصل می شود. ولی اگر این محدودیت را داشته باشیم که یک سر  بار حتماً به زمین وصل شود، و سر دیگر به ولتاژ مثبت سوییچ شود از چه راه حلی باید استفاده کنیم؟

جواب این است که کافیست به سادگی به جای ترانزیستور NPN از PNP استفاده کنیم! در این حالت امیتر ترانزیستور باید به تغذیه ی مثبت و کالکتور آن باید به سر بار وصل شود. این آرایش در شکل زیر قابل مشاهده است.

مدار تغییر یافته درایو دیود نورانی

در مدار فوق اگر ولتاژ بیس مثبت باشد(در اینجا ۱۵ ولت) ترانزیستور در حالت قطع است و جریانی از آن عبور نخواهد کرد. کافی است ولتاژ بیس به زمین وصل شود تا ترانزیستور وارد ناحیه ی اشباع شود و جریان از آن عبور کند. با فرض زمین شدن بیس، جریانی حدود ۴ میلی آمپر از بیس خارج خواهد شد.که با فرض β > 50 خواهد توانست بارهایی تا ۴۰۰ میلی آمپر را به راحتی درایو کند. اشکال روش به کار رفته شده در مدار بالا این است که باید ولتاژ بیس را روی ۱۵ ولت نگه داریم تا کلید خاموش بماند. ما ترجیح می دهیم تا  با ولتاژ ۳ ولتی که ولتاژ رایج برای مدارهای دیجیتالی است کلید را روشن و با ولتاژ صفر ولت آن را خاموش کنیم.  مدار لازم برای این کار در شکل زیر آورده شده است.

مدار کلید ترانزیستوری با منطق معکوس

در این مدار Q2 ولتاژ ۰ یا ۳ ولتی را می گیرد و می تواند کالکتورش را به زمن قطع یا وصل کند. اگر Q2 خاموش باشد، R3 ترانزیستور Q3 را خاموش نگه می دارد. با روشن شدن ترانزیستور Q2 در حالت اشباع، R2 امکان سینک شدن جریان بیس Q3 را فراهم خواهد کرد.

خلاصه

در این مقاله نکات ابتدایی مربوط به ساختار ترانزیستور را مورد بحث قرار دادیم و قوانینی معرفی کردیم که طراحی و تحلیل مدارهای ترانزیستوری را آسان تر می کنند. در مقاله های بعدی به مدارات ترانزیستور و سایر کاربردهای ترانزیستور، مانند تقویت کنندگی خواهیم پرداخت.

منبع

کتاب The Art of Electronics نوشته ی Paul Horowitz و Winfield Hill

5 نظر در “ترانزیستور به زبان ساده

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *