نواحی عملکرد ترانزیستور NPN

نواحی عملکرد ترانزیستور NPN:
برخلاف مقاومت ها، که رابطه بین ولتاژ و جریان آن ها خطی است، ترانزیستورها قطعاتی غیرخطی هستند.

در واقع، ترانزیستورها چهار حالت یا ناحیه عملکرد مشخص دارند که جریان عبوری از آن ها را توصیف می کند (باز هم تأکید می کنیم هنگامی که در مورد جریان گذرنده از ترانزیستور صحبت می کنیم، معمولاً منظورمان جریان از کلکتور به امیتر ترانزیستور NPN است.)

چهار حالت عملکرد ترانزیستور عبارتند از:

اشباع (Saturation):
ترانزیستور در این ناحیه مانند یک اتصال کوتاه عمل می کند و جریان آزادانه از کلکتور به امیتر برقرار است.

قطع (Cut-off):
در این ناحیه عملکرد، ترانزیستور مانند یک مدار باز عمل می کند و هیچ جریانی از کلکتور به امیتر عبور نمی کند.

فعال (Active):
جریان کلکتور به امیتر متناسب با جریانی است که به بیس وارد می شود.

فعال معکوس (Reverse-Active):
مانند حالت فعال، در این ناحیه نیز جریان متناسب با جریان بیس است، اما جهت جریان برعکس است؛ یعنی جریان از امیتر به کلکتور برقرار است (البته که ترانزیستور معمولاً برای کار در این ناحیه طراحی نشده است).

برای تعیین اینکه یک ترانزیستور در کدام ناحیه کاری قرار دارد، باید ولتاژهای موجود در هر سه پایه و نحوه ارتباط آن ها با یکدیگر را بررسی کنیم. ولتاژهای از بیس-امیتر (VBE) و بیس-کلکتور (VBC) حالت ترانزیستور را مشخص می کنند. نمودار زیر به خوبی این موضوع را نشان می دهد.

نمودار چهارربعی ساده شده در بالا نشان می دهد که چگونه ولتاژهای مثبت و منفی پایه ها روی ناحیه کاری ترانزیستور تأثیر می گذارند. البته واقعیت کمی پیچیده تر از این است.

بیایید هر چهار ناحیه کاری ترانزیستور را به صورت جداگانه بررسی کنیم. نحوه قرار دادن ترانزیستور در ناحیه کاری و تأثیر آن بر جریان را بررسی خواهیم کرد.

باز هم یادآوری می کنیم که تمرکز ما روی ترانزیستورهای NPN است. برای درک نحوه کار کردن ترانزیستور PNP، کافی است پلاریته یا علائم > و < را برعکس کنید.

حالت اشباع:
اشباع حالت روشن یا وصل ترانزیستور است. ترانزیستور در حالت اشباع مانند یک اتصال کوتاه بین کلکتور و امیتر عمل می کند.

در حالت اشباع هر دو «دیود» موجود در ترانزیستور بایاس مستقیم هستند. این یعنی VBE و همچنین VBC باید بزرگ تر از 0 باشد. به عبارت دیگر، VB باید بزرگ تر از VE و VC باشد.

VB>VC

VB>VE

از آنجا که اتصال از بیس به امیتر دقیقاً مانند یک دیود به نظر می رسد، در واقع VBE برای ورود به اشباع باید از یک «ولتاژ آستانه» (Threshold Voltage) بزرگ تر باشد.

این ولتاژ با نمادهای مختلفی مانند Vth، Vγ و Vd نشان داده می شود و مقدار واقعی آن برای ترانزیستورهای مختلف متفاوت است و حتی به دما نیز بستگی دارد. برای بسیاری از ترانزیستورها (در دمای اتاق) می توانیم این افت ولتاژ را تقریباً 0٫6 ولت در نظر بگیریم.

واقعیت این است که هدایت کاملی بین امیتر و کلکتور وجود نخواهد داشت و بین این دو پایه اندکی افت ولتاژ ایجاد می شود.

در دیتاشیت ترانزیستور، این ولتاژ به صورت ولتاژ اشباع CE و با نماد VCE(sat) تعریف می شود که همان ولتاژ لازم کلکتور-امیتر برای برای اشباع است. این مقدار معمولاً در حدود 0٫05 تا 0٫2 ولت است. در واقع، این ولتاژ نشان می دهد که VC باید کمی بزرگ تر از VE باشد تا ترانزیستور در حالت اشباع قرار گیرد (البته هنوز هم هر دو کوچک تر از VB هستند).

حالت قطع:
ناحیه قطع در مقابل اشباع است. ترانزیستور در حالت قطع خاموش است و جریان کلکتور و بنابراین جریان امیتر وجود ندارد و تقریباً شبیه مدار باز است.

برای قرار دادن ترانزیستور در حالت قطع، ولتاژ بیس باید کمتر از ولتاژ امیتر و ولتاژ کلکتور باشد. این یعنی VBC و VBE هر دو باید منفی باشند.

VC>VB

VE>VB

در عمل، VBE باید در مقداری بین 0 ولت و Vth (0٫6 ولت) باشد تا به حالت قطع برسد.

حالت فعال:
برای کار در ناحیه فعال، VBE ترانزیستور باید بزرگ تر از صفر و VBC منفی باشد. بنابراین، ولتاژ بیس باید کوچک تر از ولتاژ کلکتور و بزرگ تر از ولتاژ امیتر باشد. این همچنین بدین معنی است که ولتاژ کلکتور باید بزرگ تر از ولتاژ امیتر باشد.

VC>VB>VE

در واقع، برای «روشن کردن» ترانزیستور به افت ولتاژ غیرصفر مستقیم (به اختصار Vth، Vγ یا Vd) بیس به امیتر (VBE) نیاز داریم. این افت ولتاژ معمولاً در حدود 0٫6 ولت است.

حالت فعال قوی ترین حالت ترانزیستور است، زیرا آن را به یک «تقویت کننده» (Amplifier) تبدیل می کند. جریان ورودی به پایه بیس، جریان ورودی به کلکتور و جریان خروجی امیتر را تقویت می کند.

از نماد β برای نشان دادن «بهره» یا گین «Gain» (عامل تقویت کنندگی) یک ترانزیستور استفاده می کنیم (همچنین ممکن است آن را با نمادهای βF یا hFE مشاهده کنیم).

بهره β رابطه خطی بین جریان کلکتور (IC) و جریان بیس (IB) را بیان می کند:

IC=βIB

مقدار واقعی β برای ترانزیستورهای مختلف متفاوت است. مقدار آن معمولاً در حدود 100 است، اما بسته به اینکه از چه ترانزیستوری استفاده می شود و چه میزان جریانی از آن عبور می کند، می تواند از 50 تا 200 و حتی 2000 نیز باشد. به عنوان مثال، اگر اندازه β ترانزیستور 100 باشد، یعنی اینکه جریان ورودی 1 میلی آمپر به بیس می تواند جریان کلکتور 100 میلی آمپری را تولید کند.

شکل زیر مدل حالت فعال ترانزیستور را نشان می دهد که در آن، VBE=Vth و IC=βIB.

اما اندازه جریان امیتر (IE) چقدر است؟ در حالت فعال، جریان های کلکتور و بیس وارد ترانزیستور می شوند و جریان امیتر خارج می شود. برای ارتباط جریان امیتر با جریان کلکتور، مقدار ثابت دیگری نیز داریم که به آن بهره جریان «بیس مشترک» (Common-base) می گوییم و آن را با α نشان می دهیم.

این پارامتر، جریان های کلکتور و امیتر را به صورت زیر با هم مرتبط می کند:

IC=αIE

مقدار α بسیار نزدیک به 1 و البته کوچک تر از آن است. این بدین معنی است که در حالت فعال، IC بسیار نزدیک به IE و کوچک تر از آن است.

مقدار β را می توان از α و بالعکس، به دست آورد:

برای مثال، اگر β برابر با 100 باشد، یعنی α برابر با 0٫99 است. در نتیجه، اگر IC برابر با 100 میلی آمپر باشد، یعنی IE برابر با 101 میلی آمپر است.

حالت فعال معکوس:
همان طور که ناحیه اشباع در برابر ناحیه قطع قرار می گیرد، حالت فعال معکوس برعکس حالت فعال است. ترانزیستور در حالت فعال معکوس هدایت و حتی تقویت می کند، اما جریان آن در جهت مخالف و از امیتر به کلکتور است. نکته منفی در حالت فعال معکوس این است که β (در این حالت βR) بسیار کوچک است.

برای قرار دادن ترانزیستور در ناحیه فعال معکوس، ولتاژ امیتر باید بزرگ تر از ولتاژ بیس و ولتاژ بیس بزرگ تر از ولتاژ کلکتور بیشتر باشد (VBE<0 vbc="">0).

VC<VB<VE

حالت فعال معکوس معمولاً حالتی نیست که بخواهیم ترانزیستور در آن کار کند، اما دانستن آن لازم است.