ترانزیستور و کاربرد آن

اختراع ترانزیستور ها عامل تحول و انقلاب در مدارها و تجهیزات الکترونیکی شد و این امر از هیچ علاقه مند به حوزه مهندسی برق پنهان نیست.

احتمالا در هر مدار الکترونیکی ساده تا پیچیده حداقل یک ترانزیستور استفاده شده است که
باید بدانید علت کاربرد آن چیست؟

در این مقاله به همراه هم ترانزیستور و انواع آن را به عنوان یکی از پرکاربردترین قطعات هر مدار الکترونیکی بررسی می کنیم.

با مشاهده ویدیو فارسی زیر با اجزای سازنده و کلیات این قطعه آشنا می شویم.

1# ترانزیستور چیست؟

ترانزیستورها یکی از اصلی ترین تراشه های اکترونیکی و قلب تپنده مدار های الکتریکی هستند.

ترانزیستورها در واقع قطعات نیمه رسانا یا نیمه هادی هستند که
برای تقویت و تعویض یک سیگنال الکتریکی استفاده می شوند.

این قطعات از نیمه هادی هایی مثل سیلیسیوم و ژرمانیوم ساخته و
جزء دسته بندی قطعات حالت جامد (Solid State) شناخته می شوند.

هر ترانزیستور به صورت کلی یک قطعه سه پایه (سه ترمینال) است که
هر یک از پایه های آن با توجه به ساختار داخلی نقش خاص خود را دارند.

این سه پایه در هر یک از انواع ترانزیستور نام مشخصی دارند؛ اما همواره یکی از آن ها ورودی، دیگری خروجی و پایه سوم کنترلی خواهد بود.

این قطعات از نوع اکتیو (active) هستند که برای راه اندازی نیاز به انرژی (ولتاژ) خارجی دارند و
از طرفی جریان عبوری در مدار را دستخوش تغییر قرار می دهند.

2# اهمیت ترانزیستور

ترانزیستورها در کنار ماشین چاپ، خودرو و ارتباط الکتریکی به عنوان یکی از مهم ترین اختراعات عصر جدید می باشند.

ترانزیستورها غالبا در IC ها و در کنار دیگر تراشه ها مانند مقاومت، خازن و … به کار می روند و
به دلیل این که قابلیت تولید انبوه را به صورت تمام اتوماتیک دارند هزینه تولید آن ها بسیار ناچیز است و
این هزینه تولید کم، اهمیت اصلی این قطعه برای جامعه امروز است.

3# انواع ترانزیستور

به صورت کلی ترانزیستورها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند که در ساختار و نحوه فعال شدن این قطعه تفاوت دارند.

• ترانزیستور اتصال دو قطبی BJT یا (Bipolar Junction Transistor)
• ترانزیستور های اثر میدانی FET یا (Field Effect Transistor)

1-3# ترانزیستور BJT (دو قطبی)

این نوع از ترانزیستورها که به دو قطبی نیز معروف هستند، بیشترین مقدار مصرف در مدارهای الکترونیکی را دارند.

همانطور که از نام این قطعات قابل حدس است، ساختار داخلی آن ها شامل دو پیوند قطبی است که
در واقع مشابه اتصال دو دیود با پیوند NP نیمه هادی به یکدیگر است که
به صورت های ترکیبی به نام NPN یا PNP ساخته می شوند.

هر کدام از این سه لایه در واقع متصل به یکی از پایه های خروجی ترانزیستور هستند و اسامی خاص خود را دارند؛
لایه وسطی بیس (Base)، لایه های کناری کلکتور (Collector) و امیتر (Emitter) نامیده می شوند.

به صورت معمول عرض لایه کلکتور از بقیه لایه ها بیشتر بوده و امیتر ناخالصی بیشتری در خود جا داده است.

جریان خروجی در این نوع ترانزیستور به صورت مستقیم با جریان اعمال شده به پایه ورودی متناسب است به همین دلیل
کنترل ترانزیستور BJT از طریق جریان اتفاق می افتد.

نماد مداری نوع دو قطبی مشابه تصویر زیر است که
از روی جهت فلش گذاشته شده نوع آن را می توان تشخیص داد.

2-3# ترانزیستور FET (اثر میدان)

در ترانزیستورهای اثر میدانی، جا به جایی حامل های الکتریکی (الکترون و حفره) در نیمه هادی ها با استفاده از یک میدان الکتریکی اتفاق می افتد.

علت نام گذاری این قطعات هم به همین دلیل است.

سه ترمینال اصلی این نوع به نام های سورس (Source)، درین (Drain) و گیت (Gate) شناحته می شوند.

یکی از معروف ترین ترانزیستورهای اثر میدانی به عنوان ترانزیستور های MOSFET معروف هستند.

برای آشنایی بیشتر با این نوع به مقاله زیر مراجعه کنید.

در این نوع، بر خلاف مدل دو قطبی کنترل جریان خروجی با اعمال ولتاژ به پایه ورودی صورت می گیرد.

ترانزیستورهای FET دو نوع اصلی n کانال و یا p کانال دارند که
n کانال ساختار فیزیکی مشابه ترانزیستور pnp و P کانال ساختار فیزیکی مشابه npn دارد.

یکی دیگر از انواع خانواده FET نوع JFET است که ساختاری کمی متفاوت با سایر ترانزیستورها دارد،
برای مطالعه بیشتر درباره این مدل می توانید مقاله زیر را مشاهده کنید.

4# ناحیه کاری ترانزیستورها

هر ترانزیستور در 3 ناحیه کاری مختلف استفاده می شود:

• ناحیه قطع
• ناحیه فعال
• ناحیه اشباع

در ناحیه قطع، ترانزیستور غیر فعال است

به محض اعمال جریان یا ولتاژ به پایه ورودی، وارد ناحیه فعال می شود و
سپس با اعمال جریان یا ولتاژ بیشتر به ورودی، جریان عبوری از دو پایه دیگر افزایش می یابد.

سپس در نقطه ای دیگر اعمال ولتاژ یا جریان بیشتر، تغییری در جریان عبوری از دو پایه دیگر به وجود نمی آورد که
این ناحیه اشباع نامیده می شود.

در این ناحیه اعمال ولتاژ یا جریان بیشتر ممکن است باعث سوختن ترانزیستور شود.

5# کاربرد ترانزیستور

ترازیستور ها در مدار های آنالوگ در ناحیه فعال کاری خود هستند و می توان از آن ها به عنوان تثبیت کننده یا تقویت کننده ولتاژ استفاده کرد.

مدارهای بسیار متفاوتی با ساختار مختلف در دسته تقویت کننده ها قرار دارد که
برای تقویت سیگنال یک مدار مورد استفاده قرار می گیرد.

از این مدار ها می توان موارد زیر را نام برد:

• امیتر مشترک
• بیس مشترک
• کلکتور مشترک
• دارلینگتون
• تفاضلی
• پوش-پول
• عملیاتی

اما در مدار های دیجیتالی در ناحیه های قطع یا اشباع قرار می گیرند و
برای پیاده سازی حافظه، سوییچ و مدار منطقی در حالت های صفر و یکی مورد استفاده هستند.

1-5# مهمترین کاربرد ترانزیستور BJT در دنیای دیجیتال

کاربرد ترانزیستور BJT در الکترونیک دیجیتال به عنوان یک سوئیچ (کلید) برای قطع و وصل کردن جریان است.

با بهره گیری از مدل سازی هیدرولیکی برای مدارات الکترونیکی، اگر بخواهیم یک ترانزیستور را مدل سازی کنیم، با یک کلید که بر سر راه جریان قرار گرفته است، مدل می­ شود.

زمانی که ترانزیستور روشن است اجازه عبور تمام جریان را می ­دهد.

اما وقتی خاموش است به طور کامل جریان را قطع می­ کند.

همانطور که گفتیم ترانزیستور یک حالت کاری دیگر تحت عنوان ناحیه فعال نیز دارد که
برای کنترل کردن مقدار جریان عبوری است و
فقط در مدارات آنالوگ کاربرد دارد.

که در مدار های دیجیتال فقط از ترانزیستور در دو ناحیه کاری قطع (خاموش) و اشباع (روشن) استفاده می­ کنیم.

6# نحوه عملکرد ترانزیستور های BJT

1-6# ترانزیستور NPN

در این نوع ترانزیستور در حالت اولیه که ترانزیستور در مدار است، ارتباط بین کلکتور و امیتر قطع است و
از آن شاخه، جریانی عبور نمی­ کند.

با تحریک بیس و وارد کردن یک جریان کوچک به آن، ارتباط کلکتور-امیتر (CE) برقرار شده و
جریان در آن جاری می­ شود.

برای روشن شدن ترانزیستور باید ولتاژی به بیس بدهیم که 0.7 ولت روی بیس-امیتر (BE) بیفتد و
ولتاژ بیس نیز باید بیشتر از امیتر باشد.

ما با اعمال یک ولتاژ به بیس و قرار دادن یک مقاومت در سر راه آن، جریان و ولتاژ لازم برای تحریک ترانزیستور را فراهم می کنیم.

2-6# ترانزیستور PNP

در ترانزیستور نوع PNP همه چیز برعکس حالت بالاست.

باید با تحریک بیس، جریانی از امیتر به بیس جاری شود تا ترانزیستور روشن شده و
جریان اصلی از امیتر به کلکتور برقرار شود.

ولتاژ بیس نیز باید 0.7 ولت کمتر از امیتر باشد.

7# مدار معادل سوئیچینگ

1-7# طراحی کلید با NPN

یک ترانزیستور NPN از پایه امیتر به زمین و از بیس با یک مقاومت به منبع تحریک وصل شده است و
از شاخه کلکتور با یک LED و یک مقاومت محدود کننده جریان به 5 ولت متصل شده است.

در این مدار در حالت عادی جریانی در شاخه LED برقرار نشده و خاموش خواهد ماند،
درست شبیه یک سوئیچ باز در مسیر شاخه LED.

اگر به مقاومت بیس ولتاژ تحریک 5 ولت وصل کنیم ولتاژ 0.7 روی بیس-امیتر افتاده و ترانزیستور روشن می­ شود و
در نتیجه آن LED روشن خواهد شد.

2-7# طراحی کلید با PNP

برای ترانزیستور PNP مداری را تصور کنید که برخلاف حالت قبل از امیتر ترانزیستور به 12 ولت متصل شده است.

بیس را با یک مقاومت به منبع تحریک متصل کرده ایم و
در شاخه کلکتور تا زمین یک موتور DC به همراه دیود هرزگرد وجود دارد.

در حالت عادی اگر صفر ولت به مقاومت بیس تحریک کنیم ولتاژ بیس از امیتر 0.7 کمتر بوده و
ترانزیستور روشن شده، جریان برقرار می­­ شود و موتور به چرخش در می­­­ آید.

با اعمال تحریک 5 ولت ترانزیستور قطع بوده و مشابه یک کلید باز عمل می­ کند.

کاربرد ترانزیستور BJT در مداراتی است که ما یک جریان کوچک در اختیار داریم ولی یک جریان بزرگ (مثلا برای راه اندازی موتور) نیاز داریم.

8# شکل ظاهری

مانند همه قطعات دیگر، ترانزیستور نیز دارای مدل های DIP و SMD است.

مدل دیپ یک قطعه نیمه استوانه ای با 3 پایه است و باید از روی دیتاشیت تشخیص داد که
که کدام پایه چیست.

مدل اس ام دی هم مانند سایر المان ها بسیار کوچک است و دارای 3 پایه در طرفین قطعه است.