ترانزیستور چگونه کار می کند ؟

موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما” از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.

جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا” برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.

از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد

 همانطور که در مطلب قبل (اولین ترانزیستورها) اشاره کردیم ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی – مثلآ برای آشکار سازی – را نداشتند.معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.

در مطالب قبل بطور خلاصه راجع به دیودها و ترانزیستورها و پیوندهای PN صحبت کرده مثالهایی از کاربرد اصلی انواع دیود ارائه کردیم. در این قسمت راجع به گونه های ساده اولین ترانزیستورها که از سه لایه نیمه هادی تشکیل شده اند صحبت خواهیم کرد.

 انواع ترانزیستور

بصورت استاندارد دو نوع ترانزیستور بصورت PNP و NPN داریم. انتخاب نامه آنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن لایه های نیمه هادی و پلاریته آنها بستگی دارد. هر چند در اوایل ساخت این وسیله الکترونیکی و جایگزینی آن با لامپهای خلاء، ترانزستورها اغلب از جنس ژرمانیم و بصورت PNP ساخته می شدند اما محدودیت های ساخت و فن آوری از یکطرف و تفاوت بهره دریافتی از طرف دیگر، سازندگان را مجبور کرد که بعدها بیشتر از نیمه هادیی از جنس سیلیکون و با پلاریته NPN برای ساخت ترانزیستور استفاده کنند. تفاوت خاصی در عملکرد این دو نمونه وجود ندارد و این بدان معنی نیست که ترانزیستور ژرمانیم با پلاریته NPN یا سیلیکون با پلاریته PNP وجود ندارد.

برای هریک از لایه های نیمه هادی که در یک ترانزیستور وجود دارد یک پایه در نظر گرفته شده است که ارتباط مدار بیرونی را به نیمه هادی ها میسر می سازد. این پایه ها به نامهای Base (پایه) ، Collector (جمع کننده) و Emitter (منتشر کننده) مشخص می شوند. اگر به ساختار لایه ای یک ترانزیستور دقت کنیم بنظر تفاوت خاصی میان Collector و Emitter دیده نمی شود اما واقعیت اینگونه نیست. چرا که ضخامت و بزرگی لایه Collector به مراتب از Emitter بزرگتر است و این عملا” باعث می شود که این دو لایه با وجود تشابه پلاریته ای که دارند با یکدیگر تفاوت داشته باشند. با وجود این معمولا” در شکل ها برای سهولت این دو لایه را بصورت یکسان در نظر میگیردند.

بدون آنکه در این مطلب قصد بررسی دقیق نحوه کار یک ترانزیستور را داشته باشیم، قصد داریم ساده ترین مداری که می توان با یک ترانزیستور تهیه کرد را به شما معرفی کرده و کاربرد آنرا برای شما شرح دهیم. به شکل زیر نگاه کنید.

بطور جداگانه بین E و C و همچنین بین E و B منابع تغذیه ای قرار داده ایم. مقاومت ها یی که در مسیر هریک از این منابع ولتاژ قرار دادیم صرفا” برای محدود کردن جریان بوده و نه چیز دیگر. چرا که در صورت نبود آنها، پیوندها بر اثر کشیده شدن جریان زیاد خواهند سوخت.

طرز کار ترانزیستور به اینصورت است، چنانچه پیوند BE را بصورت مستقیم بایاس (Bias به معنی اعمال ولتاژ و تحریک است) کنیم بطوری که این پیوند PN روشن شود (برای اینکار کافی است که به این پیوند حدود 0.6 تا 0.7 ولت با توجه به نوع ترانزیستور ولتاژ اعمال شود)، در آنصورت از مدار بسته شده میان E و C می توان جریان بسیار بالایی کشید. اگر به شکل دوم دقت کنید بوضوح خواهید فهمید که این عمل چگونه امکان پذیر است. در حالت عادی میان E و C هیچ مدار بازی وجود ندارد اما به محض آنکه شما پیوند BE را با پلاریته موافق بایاس کنید، با توجه به آنچه قبلا” راجع به یک پیوند PN توضیح دادیم، این پیوند تقریبا” بصورت اتصال کوتاه عمل می کند و شما عملا” خواهید توانست از پایه های E و C جریان قابل ملاحظه ای بکشید. (در واقع در اینحالت می توان فرض کرد که در شکل دوم عملا” لایه PN مربوط به BE از بین می رود و بین EC یک اتصال کوتاه رخ می دهد.)

بنابراین مشاهده می کنید که با برقراری یک جریان کوچک I_b شما می توانید یک جریان بزرگ I_c را داشته باشید. این مدار اساس سوئیچ های الکترونیک در مدارهای الکترونیکی است. بعنوان مثال شما می توانید در مدار کلکتور یک رله قرار دهید که با جریان مثلا” چند آمپری کار می کند و در عوض با اعمال یک جریان بسیار ضعیف در حد میلی آمپر – حتی کمتر – در مدار بیس که ممکن است از طریق یک مدار دیجیتال تهیه شود، به رله فرمان روشن یا خاموش شدن بدهید.

در مطالب قبل دیدیم که چگونه می توان با برقراری جریان کمی میان بیس و امیتر ترانزیستور جریان قابل توجهی در مسیر کلکتور – امیتر را می توان راه اندازی و کنترل کرد. در این مطلب با دقت بیشتری این موضوع را بررسی کرده و نقش ترانزیستور بعنوان یک تقویت کننده جریان را توضیح خواهیم داد.

راجع به مدار شکل اول در مطلب قبل توضیح دادیم و دیدیم که که چگونه با بایاس کردن پیوند کوچک بیس – امیتر می توان میان کلکتور و امیتر جریان بزرگی را برقرار کرد. بدون آنکه وارد معادلات پیچیده ریاضی شویم با دقت در شکل اول می توان برای نقطه ای که ترانزیستور قرار دارد جمع جبری جریان ها را معادل صفر قرار داد و از آن نتیجه بسیار جالب زیر را گرفت :

I_e = I_b + I_c

از شکل هم کاملآ مشخص است که جریان های ورودی به ترانزیستور – در حالت ایده آل – باید مساوی با جریان های خروجی باشد. این معادله بعد ها برای انجام محاسبات بایاسینگ یک ترانزیستور بسیار کاربرد خواهد داشت.

اگر در آزمایشگاه مدار فوق را با یک ترانزیستور معمولی بسته و پیوند بیس – امیتر را بایاس کنید خواهید دید که برای ولتاژ ثابت V_be و V_ce نسبت جریان عبوری از کلکتور به جریان بیس در محدوده ای که ترانزیستور بصورت خطی کار می کند و اشباع نشده است تقریبآ مقدار ثابتی است. به این مقدار ضریب تقویت جریان می گویند و اغلب آنرا با h_fe نمایش می دهند، یعنی :

h_fe = I_c / I_b

در محدوده عملکرد خطی جریان کلکتور ضریبی از جریان بیس خواهد بود.
 

به شکل مقابل نگاه کنید این شکل برای یک بایاسینگ خاص ترانزیستور، نمودار جریان کلکتور به جریان بیس را نمایش می دهد. دقت کنید که چنانچه بایاسینگ ترانزیستور تغییر کند این نمودار نیز بالا و پایین رفته و نقاط اشباع و یا آستانه تقویت نیز تغییر خواهد کرد. همانگونه که مشاهده می کنید در محدوده سبز رنگ عملکرد ترانزیستور تقریبآ خطی بوده و می تواند جریان بیس را که در حد میکروآمپر است به جریان های چند صد میلی آمپر و حتی چند ده آمپر – بسته به نوع ترانزیستور – تبدیل کند. در این حالت ترانزیستور بعنوان یک تقویت کنند جریان با ضریب تقویت h_fe بکار برده می شود.

دقت کنید که قسمت قرمز اولیه نمودار هنگامی است که پیوند بیس – امیتر از بایاسینگ مناسب برخوردار نیست و جریان کمی از این پیوند عبور می کند لذا جریان خروجی کلکتور نیز کم است و برعکس در قسمت قرمز انتهایی نمودار بایاسینگ ترانزیستور به گونه ای است که اصطلاحآ می گویند ترانزیستور اشباع شده و در این حالت عملکرد خطی ندارد و شکل موج تقویت شده را تغییر می دهد.

در طراحی مدارها مقادیر پارامتر هایی که از یک ترانزیستور انتظار می رود، مشخص شده و سپس طراح می تواند با مراجعه به کتابهای مشخصات ترانزیستور، ترانزیستور مورد نظر خود را انتخاب کند. این پارامترها عمومآ عبارتند از :

I_c Max : ماکزیمم جریان کلکتور (می تواند از حدود 100 میلی آمپر تا چند ده آمپر باشد)
V_ce Maz : ماکزیمم ولتاژ کلکتور- امیتر (می تواند از حدود 20 ولت باشد تا حدود 100 ولت)
h_fe Min : حداقل ضریب تقویت جریان (از حدود 10 برای ترانزیستورهای قدرت تا چند صد)
P Max : قدرت تحمل توان ماکزیمم (از حدود چند صد میلی وات تا حدود 200 وات)

عمومآ مشخصات مداری برای شما مشخص می کند که از چه ترانزیستوری با چه پارامترهایی استفاده کنید.

چگونگی تشخیص نوع و پایه های یک ترانزیستور مجهول

البته در بیشتر دیتاشیتها توضیح داده شده اما اگر ترانزیستور ناشناخته یا بدون مارک باشد با استفاده از یک مولتی متر ساده به صورت زیر می توان تشخیص داد .با توجه به اینکه مولتی متر یک باتری ۱.۵یا ۳ ولتی دارد وپراب قرمز به منفی باتری وپراب سیاه به مثبت باتری (از داخل)وصل میشود به صورت زیر عمل میکنیم.

  نکته  :
مولتی متر رو در رنج high ohmقرار دهید (۱k)

پراب سیاه رو روی یکی از پایه ها بذارید و قرمز رو روی دو پایه دیگه اگر عقربه زیاد حرکت کرد ترانزیستور از نوع npnاست.
اگر کم حرکت کرد پراب سیاه رو روی پایه های دیگه بذارید برای گرفتن نتیجه نهایی حداکثر ۶ بار اینو انجام بدید.
اگر عقربه دوباره حرکت نکرد جای پراب سیاه و قرمز رو عوض کنیدو دوباره ازمایش بالا رو تکرار کنیددر این حالت اگر عقربه برای هر دو پایه دیگه حرکت کرد ازنوع pnp است.
اگر برای هر دو پایه حرکت نکرد ترانزیستور openاست.
اگر برای همه تستها حرکت کند shortest است.
اگر برای یکی از تستها خیلی اروم حرکت کنه leakyاست.

وقتی نوعش رو فهمیدیم پایه متصل شده به پراب سیاه (در نوع ان پی ان) پایه بیس است ودر نوع دیگه پایه متصل شده به پراب قرمز پایه بیس است .
برای پیدا کردن کلکتور وامیتر از روش tutاستفاده میکنیم و در واقع ساده ترین امپلی فایر جهان رو میسازیم در نوع npn(سیاه به کلکتور وقرمز به امیتر )به وسیله یک انگشت بین c,bاتصال برقرار کنید عقربه ۸۰درصد تغییر جهت میدهد در این حالت پایه امیتر نباید با بدن تماس داشته باشد.
در واقع در این عمل ترانزیستور جریانی که بدن شما به بیس میدهد رو تقویت میکنه و جریان حدود صد برابر میشود ودر مدار کلکتور وامیتر جاری میشه واین جریان زیاد مقاومت بین دو پایه رو کاهش میده و مولتی متر نتیجه رو نشون میده.

در(pnp)سیاه به امیتر و قرمز به کلکتور وصل شده ومثل بالا عمل میشود.
اگر از این روش برای ترانزیستوری که در مدار وصل است استفاده میکنید باید تغذیه خاموش باشه وخازن ها شارژشونو از دست داده باشند.
این روش کاملا عملی است و در ابتدا کمی پیچیده به نظر میرسه اما اگه روی ترانزیستوری که برای شما شناخته شدست اولین بار ازمایش کنید خیلی آسون میشه.

 

• 

• 

•