ترانزیستور و نحوه استفاده از آن در مدار

ترانزیستور یک قطعه سه پایه است که کار اصلی آن عبور دادن جریان از دو پایه به وسیله یکی از پایه ها (به همراه تقویت جریان) است. ترانزیستور ها انواع مختلفی دارند که در اینجا فقط در مورد ترانزیستور های بیپلار[1] توضیح شده است.

***«« سورس و کد انواع پروژه های مهندسی، دانشجویی و دانش آموزی در زمینه الکترونیک، برنامه نویسی، گرافیک سه بعدی و اپلیکیشن »»***

دو پایه ای که جریان از آن ها عبور می­ کند امیتر[2] (E) و کلکتور[3](C) نام دارند و پایه ای که اجازه عبور جریان را می­ دهد بیس[4](B) نام دارد. در تصویر زیر ظاهر یک ترانزیستور بیپلار و ترتیب قرار گرفتن پایه ها را مشاهده می کنید.

ترانزیستور های بیپلار به دو دسته PNP و NPN تقسیم می­ شوند. تفاوت این دو دسته در این است که ورودی جریان در PNP از امیتر و خروجی جریان از کلکتور است و پایه بیس نیز خروج جریان را کنترل می­ کند، اما در ترانزیستور های NPN جریان از کلکتور وارد شده و از امیتر خارج می­شود و پایه بیس نیز ورود جریان را کنترل می­ کند. قسمت مسطح ترانزیستورهای NPN سیاه و در گاهاً PNP نقره­ ای است (بیشتر سعی کنید نوع ترانزیستور را از نام آن شناسایی کنید). در زیر شمای این دو نوع ترانزیستور در نقشه آمده است.

در ادامه به نحوه عملکرد کلی این دو دسته ترانزیستور و محاسبات مربوط به آن ها پرداخته شده است.

* بررسی ساختار ترانزیستور بسیار پیچیده است و نیاز به اطلاعاتی در مورد فیزیک کوانتوم دارد و بررسی اجمالی آن، قابل درک نیست؛ بنابراین بهتر است که ترانزیستور را فعلا به همین صورت بپذیرید.

ترانزیستور های NPN و محاسبات مربوط به آن

همان طور که قبلا اشاره شد، جریان در این نوع از ترانزیستور ها به پایه کلکتور وارد می­ شود و از پایه امیتر (با توجه به این که از شمای آن پیداست) خارج می­شود.

پایه بیس با توجه به جریانی که به آن وارد می­ شود، میزان بیشینه جریانی که از کلکتور عبور می­ کند را تعیین می­کند.

میزان بیشینه جریان با توجه به مدار زیر، از روابط زیر بدست می­ آید:

در روابط بالا، I_B  جریان گذرنده از بیس،

I_C  جریان گذرنده از کلکتور،

I_E  جریان گذرنده از امیتر،

R_B  مقاومت پایه بیس،

R_C مقاومت پایه کلکتور کلکتور،

R_E  مقاومت پایه امیتر،

β ضریب میان شدت جریان بیس و کلکتور که آن را با hFE نیز نشان می­ دهند،

R مقاومت کل مدار،

R₄  مجموع مقاومت های قبل از محلی که جریان های بیس و کلکتور از هم جدا می­ شوند و بعد از قطب مثبت منبع تغذیه،

R₁  مجموع مقاومت های قبل از کلکتور و بعد از R₄،

R₂ مجموع مقاومت های قبل از بیس و بعد ازR₄،

و R₃ مجموع مقاومت های بعد از امیتر است.

* برای محاسبه مقاومت های ترانزیستور، مقاومت پایه های کلکتور و بیس با هم موازی در نظر گرفته شده و حاصل این دو مقاومت، با مقاومت امیتر به صورت متوالی در نظر گرفته شده است.

ورودی کلکتور را می­توانید با تغییر میزان R₂ کنترل کنید، اما خود کلکتور هیچ تاثیری روی ورودی بیس ندارد. با تغییر R₃ هم ورودی بیس و هم ورودی کلکتور تغییر می­کند.

در مواقعی که کلکتور در مدار کارایی ندارد، می­ توانید از بیس و امیتر به عنوان یک دیود استفاده کنید.

* ضریب β و مقاومت های پایه ها در فایل دیتاشیت (Datasheet) ترانزیستور تعریف شده است. فایل دیتاشیت را می توانید با داشتن سریال قطعه در گوگل جستجو نمایید.

هرچه ولتاژ و جریان بالاتر باشد، درصد خطای محاسباتی کمتر است. دقت کنید که هر ترانزیستور فقط جریان و ولتاژ محدودی را می­ پذیرد، در غیر این صورت از بین خواهد رفت که می­توانید از دیتاشیت مربوط به ترانزیستور، همه این مقادیر بیان شده را بیابید.

ترانزیستور های PNP و محاسبات مربوط به آن

در این نوع از ترانزیستور ها جریان به پایه امیتر وارد می­شود (با توجه به این که از شمای آن پیداست) و از پایه کلکتور خارج می­شود.

پایه بیس با توجه به جریانی که از آن خارج می­شود، میزان بیشینه جریانی که از کلکتور عبور می­ کند را تعیین می­کند.

میزان بیشینه جریان با توجه به مدار زیر، از روابط زیر بدست می­ آید:

در روابط بالا، I_B  جریان گذرنده از بیس،

I_C  جریان گذرنده از کلکتور،

I_E  جریان گذرنده از امیتر،

R_B  مقاومت پایه بیس،

R_C  مقاومت پایه کلکتور کلکتور،

R_E  مقاومت پایه امیتر،

β  ضریب میان شدت جریان بیس و کلکتور (hFE)،

R  مقاومت کل مدار،

R₄  مجموع مقاومت های قبل از محلی که جریان های بیس و کلکتور از هم جدا می­ شوند و بعد از قطب مثبت منبع تغذیه،

R₁  مجموع مقاومت های قبل از کلکتور و بعد از R₄،

R₂ مجموع مقاومت های قبل از بیس و بعد ازR₄،

و R₃ مجموع مقاومت های بعد از امیتر است.

خروجی کلکتور را می­توانید با تغییر میزان R₂ کنترل کنید.

* خروجی کلکتور هیچ تاثیری روی خروجی بیس ندارد و با تغییر میزان R3 خروجی بیس و کلکتور، هر دو تغییر می­کند.
* از دیود D برای جلوگیری از ورود جریان به پایه بیس استفاده شده است، زیرا برگشت جریان به پایه بیس موجب اختلال در جریان خروجی از کلکتور و ورودی به امیتر می­شود.

تا اینجا تمام کار یک ترانزیستور بررسی شد. باز روی تاثیر پایه ها بر هم تفکر کنید؛ روی فرمول ها و نسبت ها خوب فکر کنید؛ این کار باعث درک کامل از ترانزیستور می­ شود. درک از ترانزیستور، مقدمه برای درک دیجیتال است.

کاربرد ترانزیستور به عنوان گیت AND

یک نمونه از مداراتی که می­ توان با استفاده از ترانزیستور آن را ساخت، مدار گیت AND است. گیت AND یکی دیگر از گیت های منطقی دیجیتالی است که در صورتی که تمام جریان های ورودی آن وصل باشد، جریان خروجی متصل می­شود.

مدار زیر، مدار این گیت است که توسط دو ترانزیستور NPN و یک ترانزیستور PNP ساخته شده است و دارای ٢ ورودی و ١ خروجی می­ باشد.

تحلیل این مدار به صورت زیر است:

١) هردو کلید قطع اند. (جریان خروجی صفر است.)

٢) کلید١ (SW1) وصل و کلید٢ (SW2) قطع است:

در این حالت جریان از مثبت منبع تغذیه وارد می ­شود و پس از عبور از SW1 وارد امیتر T1 می­ شود و از امیتر به بیس می­رود، اما تا وقتی که جریان بیس به خروجی جریان نرسیده، جریان از طریق کلکتور خارج نمی­ شود.

جریان بیس T1 وقتی به کلکتور T2 می­رسد، چون SW2 قطع است و به بیس T2 جریانی نمی­رسد، جریانی از امیتر T2 خارج نمی­ شود.

٣) SW1 قطع و SW2 وصل است:

در این حالت جریان پس از عبور از SW2 به بیس T2 می­ رسد و از طریق امیتر همان ترانزیستور خارج و به کلکتور T3 می­رسد، اما از آنجا که هیچ جریانی برای ورود به بیس T3 وجود ندارد، تقریبا هیچ جریانی از کلکتور به طرف امیتر در ترانزیستور T3 نمی­رود، در نتیجه جریانی به خروجی نمی­ رسد.

٤) هر دو کلید وصل اند:

جریان از SW1 وارد، سپس به امیتر T1 می­رود. در T1 بیشتر جریان وارد بیس و مقدار بسیار ناچیزی (به دلیل وجود ناخالصی در مواد سازنده ترانزیستور) به کلکتورش می­ رود.

جریان بیس T1 به کلکتور T2 می­رود و از آنجا که SW2 وصل است،  جریان ورودی به بیس و کلکتور T2 وارد امیتر در T2 می­ شود.

جریان از امیتر T2 به کلکتور T3 می­رود.

چون جریان اندکی به بیس T3 (برای لحظه اول) از طریق کلکتور T1 می­رود، جریان کلکتور T3 از طریق امیترش خارج می­ شود.

در لحظات بعدی، جریان با توجه به hFE ترانزیستور T1 از کلکتور همان ترانزیستور خارج و به بیس T3 وارد می­ شود، در نتیجه جریان از امیتر T3 خارج می­ شود.

جدول زیر عملکرد کلی گیت AND را نشان می­دهد.

SW1	0	1	0	1
SW2	0	0	1	1
output	0	0	0	1

تقویت کننده های ترانزیستوری

در اینجا با سه نوع تقویت کننده پر کاربرد ترانزیستوری آشنا می­شویم:

پیشتر با نوعی تقویت کننده جریان آشنا شدید و در اینجا با استفاده از همان خاصیت میان پایه ها سه نوع تقویت کننده می ­توان ساخت.

در مدار شماره ۱ تصویر بالا RL مصرف کننده است و بعد از امیتر قرار گرفته است.

با توجه به روابط جریان ها و ساختار ترانزیستور، مقاومت مصرف کننده در جریان ورودی به پایه بیس و جریانی که کلکتور پذیرش می­ کند مؤثر است که می­توانیم نتیجه بگریم جریان بیس با استفاده از ولتاژ VG و مقاومت مصرف کننده، قابل محاسبه است و می­توان با ضرب این جریان در hFE به جریان قابل پذیرش در کلکتور رسید.

در مدار ۲ مصرف کننده قبل از کلکتور قرار دارد و بعد از امیتر هیچ مقاومتی وجود ندارد، پس در محاسبه نیز فقط جریان تولیدی VG را در نظر می­گیریم.

بهترین حالت برای تقویت کننده همین آرایش است، زیرا در این حالت چنانچه مقاومت مصرف کننده متغیر باشد، در جریان بیس-امیتر هیچ اثری نمی­ گذارد.

در مدار ۳، با افزایش ولتاژ بیس ترانزیستور، اختلاف پتانسیل در دو سر RL کاهش می­یابد.

* به خصوصیات  ترانزیستوری که مورد استفاده قرار می­دهید حتماً دقت کنید و مقاومت لازم را پس از محاسبه قبل از کلکتور و یا بعد از امیتر، قرار دهید.
* نسبت تقویت در این سه نوع تقویت کننده را بررسی کنید و این سه نوع تقویت کننده را با ترانزیستور نوع PNP بسازید.

فلیپ فلاپ (Flip-Flop)

فلیپ فلاپ را به طور غیر دقیق می­توان گفت که وسیله ای است شامل دو کلید و دو لامپ که در ابتدا یکی از لامپ ها روشن است و اگر کلید آن لامپ را قطع کنیم، لامپ دیگر روشن می­ شود و روشن می­ماند، حتی اگر کلید دوباره وصل شود؛ در واقع به این عمل که می­تواند توسط ترانزیستور یا آی سی انجام شود، عمل فلیپ فلاپ (جا به جایی سیگنال) می­ گویند.

از آنجا که روش استفاده از این عمل توسط ترانزیستور مهم است و در موارد بسیاری کاربرد دارد، نمونه ای از فلیپ فلاپ توسط ترانزیستور به صورت زیر است:

در مدار فلیپ فلاپ بالا، چنانچه جریان متصل شود، یکی از دو LED روشن می­ماند و دیگری خاموش می­ ماند که در مدار بالا، LED2 روشن است. هنگامی که بیس ترانزیستوری که LED آن روشن است را قطع و وصل کنید (که در مدار بالا توسط SW2 قطع و وصل می­ شود) LED ترانزیستور دیگر روشن می ­شود و روشن می­ ماند و اگر این عمل را دوباره (اینبار با SW1) انجام دهید نیز همین اتفاق می­ افتد و LED روشن، خاموش و LED خاموش، روشن می­ شود و روشن می­ ماند.

تحلیل مدار بالا به صورت زیر است:

جریان از مثبت وارد دو مقاومت R3 و R4 می­شود و پس از عبور از هر LED دو شاخه می­شود.

جریانی که پس از LED2 وارد R2 می­شود به سمت بیس T1 می­رود و موجب گذر جریان کلکتورT1 به سمت امیتر می­شود و در نتیجه جریان خارج می­شود.

در T2 نیز به همین صورت جریان گذر می­کند. از این قسمت نتیجه می­ شود که هر دو LED در آغاز روشن می­ شوند، اما هردو روشن نمی­ مانند، زیرا با توجه به درصد خطایی که مقاومت ها دارند، اگر مقاومتی که به بیس یکی از ترانزیستور ها متصل است، بیشتر باشد و موجب شود تا جریان کمتری انتقال یابد، با توجه به جریان ورودی، بیشتر جریان به سمت بیسی که دارای مقاومت کمتر قبل از خود است، کشیده می­ شود و از بیس ترانزیستور دیگر، جریان بسیار ناچیزی عبور می­کند؛ در نتیجه تنها یک LED روشن می­ ماند.

اگرجریانی که وارد بیس ترانزیستوری که LED آن روشن است قطع شود, جریان به بیس ترانزیستور دیگر می­رود و به سمت LED دیگر کشیده می­شود.

حال اگر کلید دوباره وصل شود، چون بیشتر جریان به طرف LED ترانزیستور دیگر می­رود، LED خاموش، خاموش می­ماند.

همین مطلب را با توجه به مدار بالا می­ توانیم بگوییم اگر SW2 قطع شود، LED2 خاموش می­شود و LED1 روشن می­ماند و چون LED1 بیشتر جریان را می­ کشد، پس نتیجه می­ گیریم که حتی با بستن مجددSW2 ،  LED2 روشن نمی­ شود.

تولید فرکانس (نوسان)

برای تولید فرکانس از جریان مستقیم، می­توانیم از خاصیت خازن و ترانزیستور استفاده کنیم. برای این کار ابتدا باید بدانیم که تولید فرکانس از جریان مستقیم یعنی چه؟ همان طور که قبلا گفته شد اگر نمودار ولتاژ را از جریان مستقیم رسم کنیم، به صورت یک خط افقی خواهد بود و اگر نمودار جریان متناوب را رسم کنیم به صورت موجی خواهد بود. عمل تولید فرکانس یعنی این که با قطع و وصل کردن جریان مستقیم، سیگنال متناوب را پدید آوریم.

روش­های زیادی برای تبدیل جریان مستقیم به متناوب وجود دارد که یکی از آن ها استفاده از رله است.

اگر در مدار چشمک زن تک لامپی بخش خازن، نمودار ولتاژ LED را رسم کنیم، نمودار به صورت نیم موج است.

برای اندازه گیری فرکانس به دو سر LED  یک سلف (برای تبدیل نیم موج به موج کامل سینوسی) و آن را به ورودی های دستگاه مالتی متر متصل کنیم و مد دستگاه را روی فرکانس قرار دهیم، دستگاه فرکانس آن را به اندازه تعداد دفعات روشن شدن LED در یک ثانیه نشان می­ دهد و با استفاده از یک اسیلوسکوپ، سیگنال را می­ توانیم مشاهده کنیم.

روش استفاده از رله پر سر و صدا و پر مصرف و غیر دقیق است. روش های دیگر تولید فرکانس، استفاده از آی سی و ترانزیستور است. در اینجا به یک روش ساده با استفاده از ترانزیستور برای تولید فرکانس می­ پردازیم.

یکی از ساده­ ترین روش ­ها برای تولید فرکانس با ترانزیستور، استفاده از فلیپ-فلاپ است.

نوسان ساز فیلیپ-فلاپی

اگر در مدار نقشه زیر به دو سر LED سلف و دستگاه مالتی متر را (روی مد فرکانس) متصل کنیم، فرکانس را به اندازه تعداد دفعات روشن شدن LED در یک ثانیه نشان می­ دهد.

ممکن است فرکانس آن قدر زیاد باشد که LED  به صورت ثابت روشن بنظر برسد. فرکانس در این مدار به مقاومت های R2 و R3 بستگی دارد، هرچه این مقاومت ها پایین تر باشد، فرکانس بیشتر است.

در عمل اگر از خازن های ۰.۳۳ میکرو فارادی و مقاومت هایی به صورت R1 وR4 را ۴۷۰۰، R2 و R3 را ۴۷۰۰۰ اهم و ترانزیستورهای C945 استفاده کنیم، فرکانس ۶۵۰ هرتز تولید می­ شود.

بهترین روش برای تنظیم دقیق فرکانس، استفاده از آی سی است که در مطالب بعدی به آن خواهیم پرداخت.

چند نمونه مدار ساخته شده با ترانزیستور

چشمک زن دو لامپی:

وسایل مورد نیاز: ٢ مقاومت 1KΩ،  ٢ مقاومت 33KΩ، ٢ خازن 56μF،    ٢ ترانزیستور BC107، دو LED، منبع تغذیه ١٢ ولتی.

چنانچه با توجه به نقشه این مدار را بسازید، مشاهده خواهید کرد که یک LED روشن و پس از حدود ١ ثانیه LED دیگر روشن می­شود و همین روند ادامه می­یابد.

تحلیل مدار:

مدار فوق با استفاده از فلیپ فلاپ ساخته شده است. پس از ورود جریان یک LED روشن می­شود و تا زمانی که خازنی که به بیس ترانزیستور LED روشن متصل است شارژ نشده، روشن می­ماند. پس از شارژ خازنی که گفته شد، LED روشن، خاموش می­شود و LED خاموش، روشن می­شود. مقاومت های R3 و R4 برای تخلیه خازن شارژ شده به کار می­روند.

گیت نقیض (Inverter):

تصویر زیر مدار نقیض (Inverter) را نشان می­دهد.

نقیض نیز یکی دیگر از گیت های منطقی دیجیتالی است.

در صورتی که SW1 بسته باشد، LED1 خاموش می ­شود، در غیر این صورت روشن می­ شود.

[1]  Bipolar

[2]   Emitter

[3]   Collector

[4]   Base