ترانزیستور NPN چیست؟ 

ترانزیستور NPN

ترانزیستورهای NPN نوعی ترانزیستور سه لایه هستند که می‌توانند بصورت کلیدهای الکترونیکی یا آمپلی فایر(تقویت کننده) عمل کنند. به عبارت دیگر ترانزیستوری که در آن یک ماده از نوع p بین دو ماده نوع n قرار می گیرد، ترانزیستور NPN نامیده می شود. در واقع علت نامگذاری ترانزیستور npn نیز همین قرار گرفتن یک ماده p بین دوم ماده n است؛ Negative-Positive-Negative (NPN)

ترانزیستور NPN سیگنال ضعیف وارد شده به پایه(base) را تقویت می کند و سیگنال های تقویت کننده قوی در انتهای کلکتور(collector) تولید می کند. برای خرید ترانزیستور npn با قیمتی مناسب و کیفیتی عالی کافی است به فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه مراجعه کنید.

تفاوت ترانزیستور npn و pnp چیست؟

در ترانزیستورهای پیوند دوقطبی یا همان ترانزیستور bjt، ترانزیستورها اغلب به عنوان NPN یا PNP دسته بندی می شوند. ترانزیستورهای NPN دارای ساختار لایه منفی، مثبت و منفی هستند در حالی که ترانزیستورهای PNP دارای ساختار لایه مثبت، منفی و مثبت هستند. همچنین در ترانزیستور NPN، یک ولتاژ مثبت به ترمینال کلکتور داده می شود تا جریانی از کلکتور به امیتر ایجاد کند. در ترانزیستور PNP، یک ولتاژ مثبت به ترمینال امیتر داده می شود تا جریانی از امیتر به کلکتور ایجاد کند.

در آموزش قبلی دیدیم که ترانزیستور دو قطبی استاندارد یا BJT ¹، در دو حالت پایه هستند. یک نوع NPN (منفی-مثبت-منفی) و یک نوع PNP (مثبت-منفی-مثبت) است.

رایج ترین پیکربندی ترانزیستور مورد استفاده، ترانزیستور NPN است. ما همچنین آموختیم که پیوندهای ترانزیستور دو قطبی را می توان به یکی از سه روش مختلف– بیس مشترک، امیتر مشترک و کلکتور مشترک بایاس کرد. درصورتی که قصد خرید ترانزیستور bjt با قیمتی مناسب و کیفیتی عالی را دارید، به فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه مراجعه کنید.

در این آموزش در مورد ترانزیستورهای دو قطبی، بسیار جزئی تر بر پیکربندی “امیتر مشترک” که ترانزیستور NPN دوقطبی استفاده می‌کند، با یک مثال از ساختار یک ترانزیستور NPN همراه با مشخصه های شارش جریان ترانزیستورها  که در زیر آورده شده است، خواهیم پرداخت.

نحوه کار ترانزیستور npn

(توجه: فلش شارش جریان امیتر و جریان قراردادی ” خروجی” را برای یک ترانزیستور دو قطبی NPN تعریف می کند.)

ولتاژ ساخت و ورودی برای یک ترانزیستور دو قطبی NPN در بالا نشان داده شده است. ولتاژ بین بیس و امیتر (V_BE)، در بیس مثبت و در امیتر منفی است زیرا برای یک ترانزیستور NPN، پایه بیس با توجه به امیتر همیشه مثبت است. همچنین ولتاژ تغذیه کلکتور با توجه به امیتر (V_CE) مثبت است. بنابراین برای یک ترانزیستور دو قطبی NPN برای هدایت، کلکتور همیشه از نظر بیس و امیتر مثبت تر است.

سپس منابع ولتاژ همانطور که نشان داده شده به ترانزیستور NPN وصل شده اند.  کلکتور از طریق مقاومت بار R_L به ولتاژ تغذیه V_CC وصل شده است، که همچنین برای محدود کردن حداکثر جریان جاری درون قطعه کار می کند. ولتاژ تغذیه بیس V_B به مقاومت بیس R_B وصل شده است که دوباره برای محدود کردن حداکثر جریان بیس استفاده می شود.

بنابراین در یک ترانزیستور NPN این حرکت حاملهای جریان منفی (الکترون) از طریق ناحیه بیس است که فعالیت ترانزیستور را تشکیل می دهد، زیرا این الکترون های همراه ارتباطی بین مدارهای کلکتور و امیتر را فراهم می کنند. این پیوند بین مدارهای ورودی و خروجی اصلی ترین ویژگی فعالیت ترانزیستور است، زیرا خواص تقویت کنندگی ترانزیستورها از کنترل مداوم حاصل می شوند که بیس بر روی جریان کلکتور تا جریان امیتر انجام می دهد.

سپس می توانیم ببینیم که ترانزیستور  یک قطعه عمل کننده جریانی است(مدل بتا) و یک جریان بزرگ (I_c) در هنگام تغییر ترانزیستور به” کاملا- روشن” درون قطعه بصورت آزادانه بین پایه های امیتر و کلکتور شارش می‌یابد. اگرچه، این تنها هنگامی اتفاق می‌افتد وقتی که یک جریان کوچک بایاس (I_b) در همان زمان به پایانه بیس ترانزیستور وارد شود و در نتیجه به بیس اجازه می‌دهد تا به عنوان نوعی از ورودی کنترلی جریان عمل کند.

جریان در یک ترانزیستور دو قطبی NPN، نسبت بین این دو جریان (I_c / I_b) است، که بهره جریان DC قطعه نامیده می‌شود و به آن نماد hfe یا امروزه بتا (β) داده می شود.

مقدار β می تواند برای ترانزیستورهای استاندارد تا 200 بزرگ باشد، و همین نسبت زیاد بین I_c و I_b است که باعث می شود ترانزیستور دو قطبی NPN هنگام استفاده در منطقه فعال خود، یک قطعه تقویت کننده مفیدی باشند، بطوریکه I_b ورودی و I_c خروجی را فراهم می کند. توجه داشته باشید که بتا واحدی ندارد به عنوان یک نسبت است.

همچنین، بهره جریان ترانزیستور از پایه کلکتور به پایه امیترI_c / I_e ، آلفا  (α) نامیده می شود و تابعی از خود ترانزیستور است (الکترونهایی که در سراسر محل انتشار می یابند). از آنجا که جریان امیتر  I_e  مجموع جریان بیس بسیار کوچک به همراه یک جریان کلکتور بسیار بزرگ است، مقدار آلفا (α) بسیار نزدیک به یک است و برای یک ترانزیستور سیگنال کم توان نوعی، این مقدار از حدود  0.95  تا  0.999  متغیر است.

نماد ترانزیستور npn

همانطور که در تصویر بالا مشخص شده است، نماد ترانزیستور NPN مطابق شکل بالاست. نوک فلش، جهت متعارف جریان کلکتور (IC)، جریان پایه (IB) و جریان امیتر (IE) را نشان می دهد.

رابطه α  و β در یک ترانزیستور NPN

بهره جریان 

m= جریان خروجی  و n= جریان ورودی

با ترکیب دو پارامتر α و β می توانیم دو بیان ریاضی تولید کنیم که رابطه بین جریانهای مختلف جاری در ترانزیستور را ارائه می‌کند.

مقادیر بتا از حدود 20 برای ترانزیستورهای قدرتی جریان بالا تا بیش از 1000 برای ترانزیستورهای دو قطبی نوع توان پایین با فرکانس بالا تغییر می‌کند. مقدار بتا برای بیشتر ترانزیستورهای استاندارد NPN معمولاً در برگه های داده تولید یافت می‌شود اما به طور کلی بین 50 تا 200 متغیر است.

معادله فوق برای بتا نیز می تواند مجدداً تنظیم شود تا Ic به موضوع تبدیل شود و با یک جریان بیس صفر (I_b = 0) جریان کلکتورحاصل I_c نیز صفر خواهد بود ، (β × 0). همچنین هنگامی که جریان بیس زیاد باشد، جریان کلکتور مربوطه نیز زیاد خواهد بود و در نتیجه جریان بیس جریان کلکتور را کنترل می کند. یکی از مهمترین خواص ترانزیستور پیوندی دو قطبی این است که یک جریان بیس کوچک می تواند جریان کلکتور بسیار بزرگتری را کنترل کند. مثال زیر را در نظر بگیرید.

مثال شماره 1 ترانزیستور NPN

یک ترانزیستور دو قطبی NPN دارای یک بهره جریان DC ، مقدار (بتا) 200 است. مقدار جریان بیس I_b مورد نیاز برای تغییر بار مقاومتی 4mA را محاسبه کنید.

بنابراین، β = 200 ، I_c = 4mA و I_b = 20μA  است.

نکته دیگری که باید در مورد ترانزیستورهای دوقطبی NPN به خاطر بسپارید. ولتاژ کلکتور (V_C) با توجه به ولتاژ امیتر (V_e)، باید بزرگتر و مثبت باشد تا جریان درون ترانزیستور بین اتصالات کلکتور-امیتر جریان یابد. همچنین، یک افت ولتاژ در حدود 0.7 بین پایه بیس و پایه امیتر ( یک دیود ولت افت) برای قطعات سیلیکونی وجود دارد زیرا مشخصات ورودی ترانزیستور NPN از یک دیود بایاس مستقیم است.

سپس ولتاژ بیس (V_be) یک ترانزیستور NPN باید بیشتر از این 0.7 ولت باشد در غیر این صورت ترانزیستور با جریان بیس داده شده بصورت زیر هدایت نخواهد کرد:

بطوریکه I_b جریان بیس ، V_b ولتاژ بایاس بیس ، V_be افت ولتاژ بیس-امیتر (0.7 ولت) و R_b مقاومت ورودی بیس است. با افزایش I_b ، V_be به آرامی به 0.7 ولت افزایش می یابد، اما I_c به صورت نمایی افزایش می یابد.

مثال شماره 2 ترانزیستور NPN

ترانزیستور NPN دارای ولتاژ بایاس بیس DC ، V_b=10V ولت است و مقاومت بیس ورودی، R_b =100kΩ است. مقدار جریان بیس به داخل ترانزیستور چه مقدار خواهد بود.

بنابراین، I_b = 93μA  است.

پیکربندی امیتر مشترک ترانزیستور npn

علاوه بر این اینکه به عنوان سوئیچ نیمه رسانا برای “روشن” یا “خاموش” کردن جریانهای بار با کنترل سیگنال بیس به ترانزیستور در مناطق اشباع یا قطع آن ، از آن استفاده می شود ، ترانزیستورهای دوقطبی NPN نیز می تواند در منطقه فعال خود استفاده شوند تا یک مداری ایجاد کنند که هر سیگنال AC کوچکی که در ترمینال بیس آن، با امیتر زمین شده اعمال می شود تقویت نماید.

اگر یک ولتاژ”بایاس” DC  مناسب ابتدا به پایه بیس ترانزیستورها اعمال شود، بنابراین به آن اجازه می‌دهد تا همیشه در منطقه فعال خطی خود کار کند، و یک مدار تقویت کننده معکوس به نام یک تقویت کننده امیتر مشترک تک مرحله ای تولید می شود.

یکی از چنین پیکربندی های تقویت کننده  امیتر مشترک در یک ترانزیستور NPN یک تقویت کننده کلاس A نامیده می شود.  عملکرد یک “تقویت کننده کلاس “A  این است که پایه بیس ترانزیستور به گونه ای بایاس می‌شود تا اتصال امیتر-بیس را بایاس مستقیم نماید.

نتیجه این است که ترانزیستور همیشه بین نواحی قطع و اشباع خود بصورت نیمه کار می کند، از این طریق به تقویت کننده ترانزیستور اجازه می دهد تا نیمه های مثبت و منفی هر سیگنال ورودی AC را که بر روی این ولتاژ بایاس DC قرار گرفته است، را بطور دقیق دوباره تولید کند.

بدون این “ولتاژ بایاس” فقط نیمی از شکل موج ورودی تقویت می شود. این پیکربندی تقویت کننده امیتر مشترک متداول با استفاده از یک ترانزیستور NPN کاربردهای بسیاری دارد اما معمولاً در مدارهای صوتی مانند مراحل پیش تقویت کننده و تقویت کننده توان استفاده می شود.

با مراجعه به پیکربندی امیتر مشترک متداول نشان داده شده در زیر، خانواده ای از منحنی ها که به عنوان منحنی های ویژگی های خروجی شناخته می شوند،  جریان کلکتورخروجی  (I_c) را به ولتاژ کلکتور  (V_ce) هنگامی که مقادیر مختلف جریان بیس (_Ib) اعمال می‌شود را نشان می‌ دهند. منحنی های ویژگی های خروجی با همان مقدار β به ترانزیستور اعمال می شود.

“خط بار” DC نیز می تواند روی منحنیهای مشخصات خروجی کشیده شود تا هنگام اعمال مقادیر مختلف جریان بیس، تمام نقاط عملیاتی ممکن را نشان دهد. لازم است مقدار اولیه V_ce به درستی تنظیم شود تا هنگام تقویت سیگنال های ورودی AC ، ولتاژ خروجی هم از بالا و هم از پایین تغییر کند و این تنظیم نقطه عملیاتی یا نقطه ساکن، یا برای اختصار نقطه-Q  است و این در زیر نشان داده شده است.

مدار تقویت کننده امیتر مشترک تک مرحله

منحنی های مشخصات خروجی یک ترانزیستور دوقطبی نوعی

مهمترین عامل قابل توجه، تأثیر V_ce بر روی جریان کلکتور I_c در زمانی است که V_ce از حدود 1 ولت بیشتر است. می توانیم ببینیم که I_c تا حد زیادی تحت تأثیر تغییرات V_ce  در بالاتر از این مقدار قرار ندارد و در عوض تقریباً توسط جریان بیس I_b کنترل می شود . هنگامی که این اتفاق می افتد می توانیم بگوییم که مدار خروجی نشان دهنده یک “منبع جریان ثابت” است.

از مدار امیتر مشترک در بالا نیز می توان دریافت که جریان امیتر I_e مجموع مقدار جریان کلکتور  I_c و جریان بیسI_b ، است بنابراین  برای پیکربندی امیتر مشترک (CE) می توانیم بگوییم که I_e = I_c + I_b   است.

با استفاده از منحنیهای مشخصات خروجی در مثال ما در بالا و همچنین قانون اهم، جریان جاری در مقاومت بار  (R_L) ، برابر با جریان کلکتور I_c است که وارد ترانزیستور می شود که به نوبه خود با ولتاژ تغذیه( V_cc) منهای افت ولتاژ بین پایه های کلکتور و امیتر (V_ce)  مطابقت دارد و به شرح زیر است:

همچنین، یک خط مستقیم که نمایانگر خط بار دینامیک ترانزیستور است می تواند مستقیماً روی نمودار منحنیهای بالا از نقطه “اشباع” (A) وقتی V_ce = 0 تا نقطه “قطع” (B) در هنگام I_c = 0 کشیده شود، بنابراین “عملیاتی” یا نقطه- Q ترانزیستور را به ما می دهد. این دو نقطه با یک خط مستقیم به هم وصل می شوند و هر موقعیتی در امتداد این خط مستقیم نشان دهنده “منطقه فعال” ترانزیستور است. موقعیت واقعی خط بار در منحنی مشخصات را می توان به شرح زیر محاسبه کرد:

سپس، کلکتور یا منحنی های ویژگی های خروجی برای ترانزیستور NPN امیتر مشترک را می توان برای پیش بینی جریان کلکتور I_c، در هنگام ارائه V_ce و جریان بیس I_b استفاده کرد. یک خط بار نیز می تواند بر روی منحنی ها ساخته شود تا یک نقطه عملیاتی مناسب یا نقطه- Q را تعیین کند که می تواند با تنظیم جریان پایه بیس  انجام شود. رابطه شیب این خط بار با عکس مقاومت بار برابر است با عبارت زیر:

سپس می توانیم یک ترانزیستور NPN را به صورت نرمال “خاموش” تعریف کنیم اما یک جریان ورودی کوچک و یک ولتاژ مثبت کوچک در بیس آن (B) نسبت به امیتر (E)،  آن را “روشن” خواهد کرد و به یک جریان کلکتور-امیتر بسیار بزرگ اجازه شارش می‌دهد. ترانزیستورهای NPN وقتی V_c خیلی بیشتر از V_e باشد هدایت را انجام می دهند.

در آموزش بعدی در مورد ترانزیستورهای دو قطبی، بر حالت مخالف یا مکمل ترانزیستور NPN بنام ترانزیستور PNP خواهیم پرداخت و نشان می دهیم که ترانزیستور PNP دارای مشخصات بسیار مشابهی با ترانزیستور دو قطبی NPN است به جز اینکه قطب ها (یا بایاس) جهت جریان و ولتاژ، معکوس می شود.

1. Bipolar Junction Transistor