نواحی عملکرد کلید ترانزیستوری

نواحی عملکرد کلید ترانزیستوری:
کلید ترانزیستوری برای خاموش یا روشن کردن یک وسیله (مانند LED، لامپ و موتورهای الکتریکی) با اعمال ولتاژ DC ثابت مورد استفاده قرار می گیرد. این کلیدهای الکترونیکی با استفاده از یک ترانزیستور در حالت اشباع یا قطع ساخته می شوند.

زمانی که ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) به عنوان یک تقویت کننده سیگنال AC مورد استفاده قرار می گیرند، ولتاژ بایاس بیس (Base) ترانزیستور به نحوی اعمال می شود، که همیشه در ناحیه فعال خود عمل کنند.

در نتیجه همیشه از ناحیه خطی منحنی مشخصه خروجی استفاده می شود. هر دو نوع ترانزیستور دوقطبی NPN و PNP می توانند به عنوان کلید حالت جامد نوع قطع و وصل عمل کنند.

این کار از طریق بایاس ترمینال بیس ترانزیستور به یک طریق متفاوت از بایاس تقویت کننده های سیگنال امکان پذیر است.

کلیدهای حالت جامد، یکی از مهم ترین کاربردهای ترانزیستورها هستند، که برای تغییر خروجی DC به حالت خاموش یا روشن مورد استفاده قرار می گیرند.

بعضی ادوات خروجی (بارها) مانند LED برای روشن شدن فقط به یک ولتاژ DC جریان پایین احتیاج دارند و بنابراین می توانند مستقیما توسط خروجی یک گیت منطقی راه اندازی شوند.

اما ادوات ولتاژ بالا مانند موتورها، سلونوئیدها و لامپ ها معمولا به توان بیشتری نسبت به آن چه توسط یک گیت منطقی معمولی تامین می شود، نیاز دارند، بنابراین کلیدهای ترانزیستوری در راه اندازی بارهای جریان بالا یک گزینه ایده آل هستند.

اگر مدار از ترانزیستور دوقطبی به عنوان کلید استفاده کند، بایاس ترانزیستور (هم NPN و هم PNP) به نحوی انجام می گیرد که ترانزیستور قادر باشد در هر دو سمت منحنی مشخصه جریان-ولتاژ عمل کند.

نواحی عملکرد برای یک کلید ترانزیستوری با عناوین ناحیه اشباع (Saturation) و ناحیه قطع (Cut-off) شناخته می شوند.

این بدین معنی است که می توان از مدار بایاس نقطه کار و مدار مقسم ولتاژ مورد استفاده در تقویت کننده ها صرف نظر کرد و ترانزیستور را همانند شکل زیر به عنوان یک کلید که بین ناحیه قطع و اشباع خود تغییر موقعیت می دهد، در نظر گرفت. در ناحیه قطع، جریان بیس ترانزیستور صفر می شود.

برای این هدف، ولتاژ صفر منطقی (در حد صفر ولت) به بیس تراتزیستور اعمال می شود. در ناحیه اشباع، تغییرات جریان کلکتور نسبت به ولتاژ کلکتور-امیتر حساسیت بالایی دارد و تغییرات اندک در ولتاژ کلکتور-امتیر منجر به تغییرات زیادی در جریان کلکتور می شود.

با این حال در این ناحیه فرض می شود که ولتاژ کلکتور-امیتر تقریبا ثابت است.

ناحیه قطع:
شرایط عملکرد ترانزیستور در این ناحیه به صورت زیر است:

جریان بیس ورودی مقدار (IB) صفر، جریان کلکتور (IC) صفر و ولتاژ کلکتور (VCE) مقدار بیشینه خود را دارد.

این شرایط منجر به ایجاد ناحیه تخلیه بزرگی می شود که اجازه عبور جریان را نخواهد داد. در نتجه ترانزیستور در ناحیه قطع خواهد بود. شکل زیر ترانزیستور را در ناحیه قطع نشان می دهد.

مشخصه های حالت قطع به صورت زیر است.

• ورودی و بیس به زمین متصل می شوند.
• ولتاژ بیس-امیتر از 0٫7 ولت کمتر است.
• پیوند بیس-امیتر در بایاس معکوس قرار دارد.
• ترانزیستور در ناحیه قطع قرار دارد.
• جریان کلکتور برابر با صفر است.
• VOUT=VCE=VCC=1
• ترانزیستور مانند یک کلید باز عمل می کند.

بنابراین می توان ناحیه قطع یا حالت خاموش را در ترانزیستور دوقطبی به عنوان یک کلید تعریف کرد که هم پیوندها در بایاس معکوس هستند و هم ولتاژ بیس-امیتر از 0٫7 کوچک تر و جریان کلکتور برابر با صفر است.

برای یک ترانزیستور PNP، پتانسیل امیتر نسبت به بیس باید کوچک تر از 0٫7 ولت شود تا تزانزیستور هم خاموش شود.

ناحیه اشباع:
در این ناحیه ترانزیستور به نحوی بایاس می شود که بیشترین مقدار جریان بیس اعمال شود. این عمل منجر به بیشترین جریان کلکتور و در نتیجه کمترین افت ولتاژ کلکتور امیتر می شود. بنابراین عرض ناحیه تخلیه تا حد امکان کوچک می شود و بیشینه جریان در ترانزیستور برقرار می شود.

در این حالت، ترانزیستور به مد روشن تغییر وضعیت می دهد. منحنی اشباع در شکل زیر نشان داده شده است.

مشخصه های حالت اشباع به صورت زیر است.

• ورودی و بیس در این حالت به ولتاژVCCمتصل هستند.
• ولتاژ بیس-امیتر از 0٫7 ولت بزرگ تر است.
• پیوند بیس-امیتر در بایاس مستقیم قرار دارد.
• پیوند بیس-کلکتور در بایاس مستقیم است.
• ترانزیستور در ناحیه اشباع است و مانند کلید روشن عمل می کند.
• بیشینه جریان از کلکتور عبور می کند و مقدار آن برابرIC=VCC/RLاست.
• در این حالت ولتاژ کلکتور-امیتر تقریبا برابر با صفر است و در اشباع ایده آل قرار دارد.
• VOUT=VCE=0برقرار است.
• ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل می کند.

بنابراین می توان هنگام استفاده از یک ترانزیستور دو قطبی، ناحیه اشباع یا حالت روشن را به عنوان یک کلید تعریف کرد، که پیوندهای آن در بایاس مستقیم هستند و ولتاژ بیس آن از 0٫7 ولت بیشتر است و جریان کلکتور بیشینه مقدار را دارد.

برای یک ترانزیستور PNP، پتانسیل امیتر باید نسبت به بیس مثبت باشد.

بنابراین ترانزیستور مانند یک کلید حالت تک زبانه تک قطبی (Single-pole Single-throw) حالت جامد است.

با اعمال یک سیگنال صفر به بیس، ترانزیستور خاموش می شود و مانند یک کلید باز عمل می کند در نتیجه جریان کلکتور صفر می شود.

اما زمانی که یک سیگنال مثبت به بیس ترانزیستور اعمال شود، روشن می شود و مانند یک کلید بسته عمل می کند و بیشینه جریان از مدار عبور می کند.