کار ترانزیستور چیست؟

کار ترانزیستور چیست؟
قابلیت ترانزیستور در تغییر بین دو حالت سبب می شود این قطعه دو کاربرد اساسی داشته باشد: سوئیچینگ و تقویت کنندگی.

از ترانزیستورها در اندازه های کوچک و انواع گسسته، می توان برای ساخت سوئیچ های الکترونیکی ساده، منطق دیجیتال و مدارهای تقویت کننده سیگنال استفاده کرد.

هزاران، میلیون ها و حتی میلیاردها ترانزیستور در کنار یکدیگر درون تراشه های کوچکی تعبیه می شوند و حافظه های رایانه، ریزپردازنده ها و سایر مدارهای مجتمع پیچیده را تشکیل می دهند.

در ادامه، کاربردهای رایج ترانزیستورها را بیان کنیم. آشنایی با این کاربردها، درک ما از مفاهیم نظری ترانزیستورها را عمیق تر خواهد کرد.

سوئیچینگ:
یکی از اساسی ترین کاربردهای ترانزیستور استفاده از آن برای کنترل جریان برق قسمت دیگری از مدار است. در واقع، در این موارد، ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ الکتریکی به کار می رود. ترانزیستور در حالت قطع و یا اشباع می تواند نقش باینری خاموش و روشن سوئیچ را ایفا کند.

سوئیچ های ترانزیستوری بلوک های مهمی در ساختار مدار هستند. از آن ها برای ساخت گیت های منطقی استفاده می شود که در ساخت میکروکنترلرها، میکروپروسسورها و سایر مدارهای مجتمع به کار می روند. در ادامه، چند مدار نمونه را بررسی می کنیم.

کلید ترانزیستوری:
در اینجا، با پایه ای ترین مدار کلید ترانزیستوری آشنا می شویم که یک سوئیچ NPN است. می خواهیم از یک ترانزیستور NPN برای کنترل یک LED با توان بالا استفاده کنیم.

کلید ترانزیستوری:
همان طور که در مدار شکل بالا می بینیم، ورودی کنترل به بیس وارد می شود، خروجی به کلکتور متصل است و ولتاژ امیتر در یک مقدار ثابت نگه داشته می شود.

در حالی که یک سوئیچ عادی به محرک نیاز دارد تا از نظر فیزیکی تغییر وضعیت دهد، این کلید ترانزیستوری توسط ولتاژ بیس کنترل می شود.

با تغییر یک پایه ورودی/خروجی میکروکنترلر به سطح بالا و پایین، مانند آن هایی که روی آردوینو هستند، می توان برای روشن یا خاموش شدن LED برنامه ریزی کرد.

وقتی ولتاژ در بیس بزرگ تر از 0٫6 ولت باشد (یا هر مقداری دیگری که مربوط به Vth ترانزیستور مورد استفاده است)، ترانزیستور به حالت اشباع می رود و به عنوان یک اتصال کوتاه بین کلکتور و امیتر عمل خواهد کرد.

وقتی ولتاژ بیس کمتر از 0٫6 ولت باشد، ترانزیستور در حالت قطع است و هیچ جریانی برقرار نخواهد بود، بین کلکتور و امیتر مدار باز است.

مدار بالا «سوئیچ سمت ولتاژ پایین» (Low-side Switch) نامیده می شود، زیرا سوئیچ (ترانزیستور) در سمت ولتاژ پایین (زمین) مدار است.

همچنین می توانیم از ترانزیستور PNP برای ساخت سوئیچ سمت ولتاژ بالا استفاده کنیم. که در شکل زیر نشان داده شده است.

در مدار شکل بالا، مشابه مدار NPN، بیس ورودی است و امیتر به ولتاژ ثابت متصل می شود و بار به سمت زمین ترانزیستور متصل شده است.

این مدار درست مانند کلید NPN کار می کند، اما یک تفاوت بزرگ وجود دارد: برای برق دار کردن بار، بیس باید در سطح ولتاژ پایین باشد. این امر می تواند عوارضی ایجاد کند، خصوصاً اگر ولتاژ بالای بار (VCC برابر با 12 ولت بوده و به VE متصل استر) بزرگ تر از ولتاژ بالای ورودی کنترل ما باشد.

به عنوان مثال، اگر می خواهید از آردوینو با ولتاژ تغذیه 5 ولت برای خاموش کردن موتور 12 ولت استفاده کنید، این مدار کارایی نخواهد داشت. زیرا، در آن صورت، خاموش کردن سوئیچ غیرممکن است چون VB (اتصال به پایه کنترل) همیشه کمتر از VE است.

مقاومت بیس:
همان طور که در شکل ها می بینیم، هر کدام از این مدارها یک مقاومت سری بین ورودی کنترل و بیس ترانزیستور دارند.

اگر این مدار رای پیاده می کنید، این مقاومت را فراموش نکنید. ترانزیستورِ بدون مقاومت بیس مانند یک LED است که هیچ مقاومت محدودکننده جریانی ندارد.

به یاد بیاورید که گفتیم ترانزیستور، به نوعی، یک جفت دیود به هم پیوسته است. ما دیود امیتر-بیس را بایاس مستقیم کرده ایم تا بار را روشن کنیم.

دیود برای روشن شدن فقط به 0٫6 ولت نیاز دارد و ولتاژ بیشتر از این مقدار، به معنای جریان بیشتر است. برخی از ترانزیستورها ممکن است فقط برای حداکثر 10 تا 100 میلی آمپر جریان ساخته شده باشند. اگر جریان بیش از حد مجاز باشد، ممکن است ترانزیستور بسوزد.

مقاومت سری بین کنترل و بیس جریان بیس را محدود می کند. در واقع، افت ولتاژ بیس-امیتر می تواند 0٫6 ولت باشد و بقیه ولتاژ روی مقاومت بیفتد. مقدار مقاومت و ولتاژ دو سر آن جریان را تنظیم می کند.

مقاومت باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا جریان را به طور مؤثر محدود کند، اما باید به اندازه کافی کوچک نیز باشد که بتواند جریان را به اندازه کافی تغذیه کند. معمولاً 1 تا 10 میلی آمپر کافی است، اما برای اطمینان باید دیتاشیت ترانزیستور مورد استفاده را بررسی کنید.

گیت های منطقی:
ترانزیستورها را می توان برای ساخت گیت های منطقی پایه، یعنی گیت AND، گیت OR و گیت NOT به کار برد.

البته گفتن این نکته خالی از لطف نیست که امروزه اغلب از ماسفت ها برای ساخت گیت های منطقی استفاده می شود. ماسفت های بازدهی بالاتری دارند و همین موضوع آن ها را به عنوان گزینه مناسب قرار می دهد.

گیت NOT:
شکل زیر مدار ترانزیستوری را نشان می دهد که یک معکوس کننده یا همان گیت NOT است.

در اینجا یک ولتاژ بالا به بیس اعمال شده و BJT را روشن کده و کلکتور را به امیتر متصل می کند. از آنجا که امیتر مستقیماً به زمین متصل است، کلکتور نیز زمین خواهد شد (البته ولتاژ کمی بزرگ تر و در حدود 0٫05 تا 0٫2 ولت است).

از طرف دیگر، اگر ورودی پایین باشد، ترانزیستور مانند یک مدار باز عمل کرده و اندازه ولتاژ خروجی VCC خواهد شد. به این پیکربندی امیتر مشترک می گویند.

گیت AND:
در اینجا یک جفت ترانزیستور وجود دارد که برای ساخت یک گیت AND دو ورودی از آن ها استفاده می شود.

اگر هر یک از ترانزیستورها خاموش باشد، خروجی در کلکتور ترانزیستور دوم پایین می شود. اگر هر دو ترانزیستور روشن باشند (بیس هر دو بالا باشد)، خروجی مدار نیز بالا خواهد بود.

گیت OR:
شکل زیر مداری گیت OR دو ورودی را نشان می دهد.

در این مدار، اگر یکی از A یا B یا هر دو بالا باشد، ترانزیستور مربوطه روشن می شود و خروجی بالا را نتیجه خواهد داد. اگر هر دو ترانزیستور خاموش باشند، خروجی پایین می شود.

پل H:
«پل اچ» (H-Bridge) یک مدار مبتنی بر ترانزیستور است که قادر به کنترل حرکت موتورها هم در جهت عقربه های ساعت و هم در خلاف جهت عقربه های ساعت است.

این مدار، یک ساختار بسیار محبوب است و نیروی محرکه تعداد بسیار زیادی از ربات ها را که باید بتوانند هم به جلو و هم به عقب حرکت کنند، کنترل می کند.

اساساً، یک پل اچ ترکیبی از چهار ترانزیستور با دو خط ورودی و دو خروجی است که عملکرد آن در تصویر متحرک زیر نشان داده شده است.

اگر ولتاژ هر دو ورودی یکسان باشد، خروجی هایی که به ورودی موتور متصل می شوند ولتاژ برابری خواهند داشت و موتور قادر به چرخش نخواهد بود. اما اگر این دو ورودی مخالف باشند، موتور در یک جهت یا جهت دیگر می چرخد.

جدول درستی یا جدول ارزش پل اچ به صورت زیر است.

اسیلاتورها:
اسیلاتور مداری است که سیگنال متناوبی تولید می کند که بین ولتاژ بالا و پایین نوسان می کند. اسیلاتورها در انواع مدارها و کاربردها از قبیل چشمک زدن ساده LED تا تولید سیگنال ساعت برای کنترل میکروکنترلر مورد استفاده قرار می گیرند.

اسیلاتورها برای تولید سیگنال نوسانی از روش های مختلفی استفادع می کنند که ترانزیستوری یکی از آن ها است.

در اینجا مثالی از مدار اسیلاتور آورده شده است که به آن مولتی ویبراتور آستابل می گوییم. با استفاده از فیدبک می توانیم از یک جفت ترانزیستور برای ایجاد دو سیگنال نوسانگر مکمل استفاده کنیم.

علاوه بر دو ترانزیستور، خازن ها قطعات مهم این مدار هستند. خازن ها به طور متناوب شارژ و تخلیه می شوند که باعث می شود دو ترانزیستور به طور متناوب روشن و خاموش شوند.

تحلیل عملکرد این مدار یک مطالعه عالی در مورد عملکرد خازن و ترانزیستور است. برای شروع، فرض کنید C1 کاملاً شارژ شده است (ولتاژ آن تقریباً VCC است)، C2 تخلیه شده، Q1 روشن است و Q2 خاموش.

آنچه در ادامه اتفاق می افتد، به شرح زیر است:

• اگر Q1 روشن باشد، صفحه سمت چپ C1 (روی شماتیک مدار) به تقریباً 0 ولت متصل است. این موضوع موجب می شود C1 از طریق کلکتور Q1 تخلیه شود.
• در حالی که C1 در حال تخلیه است، C2 به سرعت از طریق مقاومت R4 شارژ می شود.
• با تخلیه کامل C1، صفحه سمت راست آن به حدود 0٫6 ولت که می رسد، Q2 روشن می شود.
• در این مرحله وضعیت مانند شروع است، اما این بار برای برای قطعات مقابل. یعنی: C1 تخلیه شده، C2 شارژ شده، Q1 خاموش و Q2 روشن است. در ادامه، مراحل تکرار می شود.
• روشن بودن Q2 به C2 اجازه می دهد تا از طریق کلکتور Q2 تخلیه شود.
• در حالی که Q1 خاموش است، C1 می تواند نسبتاً سریع از طریق R1 شارژ شود.
• پس از تخلیه کامل C2، ترانزیستور Q1 دوباره روشن می شود و به همان وضعیتی که از ابتدا شروع کرده ایم برمی گردیم.

با انتخاب مقادیر خاص R2، C2، C1 و R3 (و نسبتاً کوچک نگه داشتن R1 و R4)، می توانیم سرعت مدار مولتی ویبراتور خود را تنظیم کنیم:

بنابراین، با توجه به اینکه خازن ها و مقاومت ها به ترتیب روی 10μF و 47kΩ تنظیم می شوند، فرکانس اسیلاتور بالا تقریباً 1٫5 هرتز است. این یعنی هر LED تقریباً 1٫5 بار در ثانیه چشمک می زند.

همان طور که احتمالاً قبلاً مشاهده کرده اید، مدارهای زیادی وجود دارد که از ترانزیستورها استفاده می کنند.

این مثال های ساده ای که بیان کردیم، بیشتر برای این بود که نشان دهیم چگونه می توان از ترانزیستور در حالت اشباع و قطع به عنوان سوئیچ استفاده کرد. اما در مورد تقویت کنندگی ترانزیستور چه می توان گفت؟ پاسخ این پرسش در بخش بعد است.

تقویت کنندگی:
یکی از مهم ترین کاربردهای ترانزیستور تقویت، یعنی تبدیل سیگنال کم توان به سیگنالی با توان بالاتر است. تقویت کننده ها می توانند ولتاژ سیگنال را افزایش دهند و ولتاژی در محدوده μV را بگیرند و آن را به سطح mV یا V تبدیل کنند.

یا می توانند جریان را تقویت کنند. مثلاً جریان میکروآمپری یک فتودیود را به جریانی با شدت بسیار بیشتر تبدیل کنند. حتی تقویت کننده هایی وجود دارند که جریان را می گیرند و ولتاژ بالاتری تولید می کنند یا بالعکس.

ترانزیستورها قطعات اصلی بسیاری از مدارهای تقویت کننده هستند. تعداد بسیار زیادی تقویت کننده ترانزیستوری وجود دارد، اما خوشبختانه بسیاری از آن ها مبتنی بر برخی از این مدارهای ابتدایی هستند. اگر این مدارها را فرا بگیرید، با کمی تطبیق الگو خواهید توانست تقویت کننده های پیچیده تر را نیز درک کنید.

سه مورد از اساسی ترین تقویت کننده های ترانزیستوری عبارتند از: امیتر مشترک، کلکتور مشترک و بیس مشترک. در هر یک از سه پیکربندی یکی از سه پایه به طور دائم به یک ولتاژ مشترک (معمولاً زمین) متصل می شود و دو پایه دیگر ورودی یا خروجی تقویت کننده هستند.

تقویت کننده امیتر مشترک:
امیتر مشترک یکی از محبوب ترین پیکربندی های تقویت کننده های ترانزیستوری است. در این مدار، امیتر به ولتاژی مشترک برای بیس و کلکتور (معمولاً زمین) متصل می شود. ورودی سیگنال به بیس وارد شده و خروجی از کلکتور گرفته می شود.

مدار امیتر مشترک به این دلیل محبوب است که برای تقویت ولتاژ به ویژه در فرکانس های پایین بسیار مناسب است. به عنوان مثال، برای تقویت سیگنال های صوتی گزینه بسیار مناسبی است. اگر یک سیگنال ورودی 1٫5 پیک تا پیک کوچک دارید، می توانید با استفاده از یک مدار کمی پیچیده تر، مانند شکل زیر، ولتاژ را به خوبی تقویت کنید.

تقویت کننده کلکتور مشترک:
اگر پایه کلکتور را به یک ولتاژ مشترک وصل کنیم و از بیس به عنوان ورودی و امیتر به عنوان خروجی استفاده کنیم، یک مدار کلکتور مشترک داریم. این پیکربندی به عنوان امیتر فالوور نیز شناخته می شود.

کلکتور مشترک هیچ گونه تقویت ولتاژی را انجام نمی دهد (در واقع ولتاژ خروجی 0٫6 ولت کمتر از ولتاژ ورودی خواهد بود) به همین دلیل، این مدار را گاهی ولتاژ فالوور یا پیرو ولتاژ می نامند.

این مدار به عنوان یک تقویت کننده جریان کاربرد دارد. علاوه بر این، بهره جریان زیاد همراه با بهره ولتاژ نزدیک به یک، این مدار را به یک بافر ولتاژ عالی تبدیل می کند. یک بافر ولتاژ از تداخل نامطلوب مدار بار در مدار کنترل جلوگیری می کند.

به عنوان مثال، اگر می خواهید 1 ولت به یک بار تحویل دهید، می توانید از یک مقسم ولتاژ یا در طرف مقابل از امیتر فالوور استفاده کنید.

با بزرگ تر شدن بار خروجی مدار تقسیم ولتاژ کاهش می یابد. اما ولتاژ خروجی امیتر فالوور، صرف نظر از اینکه بار چیست، ثابت است.

تقویت کننده بیس مشترک:
همان طور که پیش تر نیز گفتیم، تقویت کننده بیس مشترک کمترین محبوبیت را در بین سه پیکربندی اساسی تقویت کننده های ترانزیستوری دارد. در یک تقویت کننده بیس مشترک، امیتر ورودی و کلکتور خروجی است. بیس در هر دو مشترک است.

بیس مشترک ضد امیتر فالوور است. این پیکربندی برای تقویت ولتاژ مناسب است و جریان آن تقریباً برابر با جریان خروجی است (در واقع جریان ورودی کمی بیشتر از جریان خروجی است).

مدار بیس مشترک به عنوان بافر جریان بهتر کار می کند. این مدار می تواند یک جریان ورودی را در یک امپدانس ورودی کم بگیرد و تقریباً همان جریان را به یک خروجی با امپدانس بالاتر برساند.

تقویت کننده دارلینگتون:
تقویت کننده دارینگتون از اتصال دو کلکتور مشترک به یکدیگر برای بهره جریان بالا تشکیل شده است.

ولتاژ خروجی دارلینگتون تقریباً مشابه ولتاژ ورودی است (منهای تقریباً 1٫2 تا 1٫4 ولت)، اما بهره جریان حاصل ضرب بهره دو ترانزیستور است.

اگر شما نیاز به کنترل بار بزرگی با جریان ورودی بسیار کم دارید، زوج دارلینگتون یک گزینه عالی است.

تقویت کننده تفاضلی:
یک تقویت کننده تفاضلی دو سیگنال ورودی را از هم کم می کند و این اختلاف را تقویت می کند. این مدار یک قسمت مهم از مدارهای فیدبک است که در آن ها ورودی با خروجی مقایسه می شود تا خروجی آینده تولید شود. مدار پایه تقویت کننده تفاضلی به صورت زیر است.

این مدار از دو ساق تشکیل شده که هر کدام یک مدار امیتر مشترک هستند. دو ورودی به بیس ترانزیستورها اعمال می شود و خروجی ولتاژ تفاضلی بین دو کلکتور است.

تقویت کننده پوش-پول:
تقویت کننده پوش-پول در طبقه نهایی بسیاری از تقویت کننده های چندطبقه مفید است. این تقویت کننده توان، با صرفه جویی در مصرف انرژی برای بلندگوها استفاده می شود.

در مدار پایه پوش-پول از ترانزیستور NPN و PNP استفاده می شود که هر دو پیکربندی کلکتور مشترک دارند.

تقویت کننده پوش-پول ولتاژ را تقویت نمی کند (ولتاژ خروجی کمی کمتر از ولتاژ ورودی است)، اما جریان را تقویت می کند.

تقویت کننده عملیاتی:
تقویت کننده عملیاتی یک نمونه کلاسیک از مدار ترانزیستوری چندطبقه است. در اینجا، مدار داخلی آی سی LM3558 را بررسی می کنیم که یک آمپلب فایر عملیاتی بسیار ساده است.

مدار این تقویت کننده مطمئناً پیچیدگی بیشتری نسبت به شکل بالا دارد، اما درک همین مدار ساده کمک زیادی به ما خواهد کرد:

• Q3، Q2، Q1 و Q4 طبقه ورودی را تشکیل می دهند. مدار بسیار شبیه به یک کلکتور مشترک (Q1 و Q4) و یک تقویت کننده تفاضلی است. ترانزیستورهای PNP به تشکیل طبقه تفاضلی ورودی تقویت کننده کمک می کنند.
• Q11 و Q12 بخشی از طبق دوم هستند. Q11 یک کلکتور مشترک و Q12 یک امیتر مشترک است. این جفت ترانزیستور سیگنال را از کلکتور Q3 بافر می کنند و با رفتن سیگنال به طبقه آخر، بهره زیادی خواهد داشت.
• Q6 و Q13 بخشی از طبقه انتهایی هستند و همان طور که می بینیم یک پوش-پول هستند. این مرحله خروجی را بافر می کند و به آن امکان می دهد تا بارهای بیشتری را اداره کند.
• پیکربندی های رایج دیگری نیز وجود دارد که درباره آن ها در این مطلب صحبتی نکرده ایم. Q8 و Q9 به عنوان یک آینه جریان پیکربندی شده اند که به سادگی مقدار جریان را از طریق یک ترانزیستور به دیگری کپی می کند.