آشنایی با سوئیچ های ترانزیستور 

سوئیچ های ترانزیستور برای سوئیچ یک قطعه DC ولتاژ پایین (مانند LED‌ها) با استفاده از یک ترانزیستور در وضعیت اشباع یا قطع آن بکار می‌روند.

ترانزیستور سوئیچینگ

هنگامی که به عنوان یک تقویت‌کننده سیگنال AC بکار می‌روند، ولتاژ بایاس بیس ترانزیستور به روشی اعمال می‌شود که ترانزیستور همیشه در ناحیه “فعال” خود عمل ‌کند، که این در بخش خطی منحنی ویژگی‌های خروجی بکار رفته است.

اگرچه، هر دو نوع ترانزیستور NPN و PNP دوقطبی می‌تواند برای عمل به عنوان سوئیچ حالت جامد نوع “روشن/خاموش” با بایاس کردن ترمینال بیس ترانزیستور متفاوت‌تر از تقویت‌کننده سیگنال ساخته شوند.

سوئیچ ‌های ترانزیستور حالت جامد یکی از کاربردهای اصلی برای استفاده از ترانزیستور برای سوئیچ یک خروجی DC به “روشن” یا “خاموش”  هستند. بعضی قطعات خروجی، مانند LED‌ها، تنها نیازمند چند میلی‌آمپر در سطح منطقی ولتاژ DC هستند و درنتیجه می‌توانند بصورت مستقیم توسط خروجی یک گیت منطقی کشیده شوند. اما، قطعات توان بالا مانند موتورها، سلنئوید‌ها یا لامپ‌ها معمولا نیازمند توان بیشتر از آنهایی که توسط یک گیت منطقی معمولی تغذیه شده‌اند هستند بنابراین سوئیچ ‌های ترانزیستور بکار می‌روند.

مدار سوئیچ با ترانزیستور  pnp

اگر مدار ترانزیستور دو قطبی را به عنوان یک سوئیچ بکار ببریم، سپس بایاس ترانزیستور هم NPN یا PNP برای عمل کردن ترانزیستور در دو سمت منحنی‌های مشخصه “I-V” که قبلا دیدیم مرتب می‌شود.

نواحی عملیاتی برای سوئیچ های ترانزیستور به عنوان ناحیه اشباع و ناحیه قطع شناخته می‌شود. درنتیجه این بدان معنا است که می‌توانیم بایاس نقطه Q عملیاتی و تقسیم‌کننده ولتاژ مداری مورد نیاز را برای تقویت نادیده بگیریم و ترانزیستور را به عنوان یک سوئیچ با راه‌اندازی آن به عقب و جلو بین نواحی “کاملا خاموش” (قطع) و “کاملا روشن” (اشباع) بکار ببریم که در زیر نشان داده شده است.

نواحی عملیاتی در سوئیچ های ترانزیستور

ناحیه سایه‌دار صورتی در پایین منحنی‌ها منطقه “قطع” را نشان می‌دهد در حالی که منطقه آبی در سمت چپ نشان‌دهنده منطقه “اشباع” ترانزیستور است. هر دو منطقه ترانزیستور به این صورت تعریف شده‌اند:

ناحیه قطع

در اینجا شرایط عملیاتی ترانزیستور جریان بیس ورودی صفر (I_B)، جریان خروجی کلکتور صفر (I_C) و حداکثر ولتاژ کلکتور (V_CE) است که منجر به لایه تخلیه بزرگ می‌شود و هیچ جریان از قطعه شارش نمی‌یابد. بنابراین ترانزیستور به “کاملاً خاموش” تغییر یافته می‌یابد.

ویژگی های قطع

• ورودی و بیس زمین شده‌اند(0v)
• ولتاژ بیس امیتر V_BE<0.7V
• پیوند بیس-امیتر بایاس معکوس شده است
• پیوند بیس-کلکتور بایاس معکوس شده است.
• ترانزیستور “کاملا خاموش” است(ناحیه قطع)
• هیچ جریان کلکتوری جاری نمی‌شود(I_C=0)
• V_OUT=V_CE=V_CC=”1″
• ترانزیستور به عنوان یک “سوئیچ باز” عمل می‌کند.

سپس می‌توانیم “ناحیه قطع” یا “حالت خاموش” را هنگام استفاده از ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ تعریف کنیم، هر دو پیوند بایاس معکوس شده‌اند، V_B <0.7v و I_C = 0. برای یک ترانزیستور PNP، پتانسیل امیتر باید با توجه به بیس منفی باشد.

ناحیه اشباع

در اینجا ترانزیستور بایاس خواهد شد بنابراین حداکثر مقدار جریان به بیس اعمال می‌شود و منجر به حداکثر جریان کلکتور و حداقل افت ولتاژ امیتر کلکتور می‌شود که این نیز منجر به کاهش لایه تخلیه تا حد ممکن و حداکثر جریان جاری در داخل ترانزیستور می‌شود. بنابراین ترانزیستور به  “کاملا روشن” تغییر یافته می‌یابد.

ویژگی های اشباع

• بیس و ورودی به V_CC وصل شده‌اند.
• ولتاژ بیس-امیتر V_BE>0.7V است.
• پیوند بیس امیتر بایاس مستقیم شده است.
• پیوند بیس کلکتور بایاس مستقیم شده است.
• ترانزیستور “کاملا روشن” است (ناحیه اشباع)
• بیشینه جریان کلکتور جاری می‌شود (I_C=V_CC/R_L)
• V_CE=0 (اشباع ایده‌آل)
• V_OUT=V_CE=”0″
• ترانزیستور به عنوان یک “سوئیچ بسته” عمل می‌کند.

سپس می‌توانیم هنگام استفاده از ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ، “ناحیه اشباع” یا “حالت خاموش” را تعریف کنیم، هر دو پیوند بایاس مستقیم شده‌اند V> 0.7v و I = حداکثر است. برای ترانزیستور PNP، پتانسیل امیتر باید با توجه به بیس مثبت باشد.

سپس ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ حالت جامد “تک قطبی تک پرتاب” (SPST) عمل می‌کند. با سیگنال صفر اعمال‌شده به بیس ترانزیستور آن به “خاموش” تغییر می‌کند و مانند یک سوئیچ باز عمل می‌کند و جریان کلکتور صفر جاری می‌شود. با یک سیگنال مثبت که به پایه بیس ترانزیستور اعمال می‌شود، آن مانند “سوئیچ بسته” فعال می‌کند و حداکثر جریان مدار درون قطعه جریان می‌یابد.

ساده‌ترین روش برای تغییر مقادیر متوسط به زیاد توان، استفاده از ترانزیستور با خروجی باز کلکتور و اتصال ترمینال امیتر ترانزیستور به طور مستقیم به زمین است. هنگام استفاده به این روش، خروجی کلکتور باز ترانزیستور می‌تواند یک ولتاژ تغذیه خارجی را به زمین “بکشد” و بدین‌ترتیب هر بار اتصال را کنترل کند.

نمونه‌ای از ترانزیستور NPN به عنوان سوئیچی که برای کار با رله استفاده می‌شود در زیر آورده شده است. با بارهای القایی مانند رله یا سلنوئید‌ها، یک دیود flywheel در سراسر بار قرار می‌گیرد تا EMF برگشتی ایجاد شده توسط بار القایی را هنگام خاموش شدن ترانزیستور پخش کند و در نتیجه از ترانزیستور در برابر آسیب محافظت کند.

اگر بار از نوع جریان یا ولتاژ بسیار بالا مانند موتور، بخاری و غیره باشد، می‌توان جریان بار را از طریق رله مناسب کنترل کرد که در زیر نیز نشان داده شده است.

مدار سوئیچینگ ترانزیستور NPN پایه

مدار مشابه مدار امیتر مشترک است که در آموزش‌های قبلی به بررسی آن پرداختیم. تفاوت این بار این است که برای کار با سوئیچ های ترانزیستور، ترانزیستور باید به کاملاً “خاموش” (قطع) یا کاملاً “روشن” (اشباع) تغییر یابد. سوئیچ های ترانزیستور ایده‌آل در صورت “کاملا خاموش” مقاومت نامتناهی بین کلکتور و امیتر خواهد داشت و منجر به جریان صفر جاری از آن و مقاومت صفر بین کلکتور و امیتر در هنگام “کاملا روشن” می‌شود و منجر به شارش جریان بیشینه می‌شود.

در عمل هنگامی که ترانزیستور خاموش است، جریان‌های نشتی کوچکی از داخل ترانزیستور جریان می‌یابد و هنگامی که به طور کامل “روشن” است قطعه دارای مقاومت کمی است که باعث ایجاد ولتاژ اشباع کوچک (V_CE) در دوسر آن می‌شود. اگرچه ترانزیستور یک سوئیچ کامل نیست، اما در هر دو منطقه قطع و اشباع، توان تلف شده توسط ترانزیستور در حداقل مقدار خود است.

به منظور شارش جریان بیس، پایانه ورودی بیس باید مثبت‌تر از امیتر با افزایش آن بالای 0.7v باشد که نیازمند یک قطعه سیلیکونی است. با تغییر این ولتاژ بیس-امیتر V_BE، جریان بیس نیز تغییر می‌کند و به نوبه خود مقدار جریان کلکتور جاری درون ترانزیستور را همانطور که قبلاً گفته شد کنترل می‌کند.

گفته می‌شود وقتی حداکثر جریان کلکتور جریان دارد، ترانزیستور اشباع می‌شود. مقدار مقاومت بیس تعیین می‌کند که چقدر ولتاژ ورودی و جریان بیس متناظر برای روشن کردن کامل ترانزیستور مورد نیاز است.

مثال شماره 1 ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ

با استفاده از مقادیر ترانزیستور از آموزش‌های قبلی: β = 200 ،Ic = 4mA و Ib = 20uA، مقدار مقاومت بیس (Rb) مورد نیاز برای تغییر بار به کاملا “روشن”، هنگامی که ولتاژ ترمینال ورودی بیش از 2.5 ولت است، پیدا کنید.

پایین‌ترین مقدار مورد نظر بعدی: 82kΩ است، این تضمین می‌کند که سوئیچ های ترانزیستور همیشه اشباع شده است

مثال شماره 2 سوئیچ های ترانزیستور

مجدداً با استفاده از همان مقادیر، حداقل جریان بیس مورد نیاز برای تغییر ترانزیستور به “کاملاً روشن” (اشباع) برای بار که به 200 میلی‌آمپر جریان نیاز دارد در هنگام افزایش ولتاژ ورودی به 5 ولت پیدا کنید. همچنین مقدار جدید Rb را محاسبه کنید.

جریان بیس ترانزیستور:

مقاومت بیس ترانزیستور

سوئیچ های ترانزیستور برای طیف گسترده‌ای از کاربرها از قبیل مواجه کردن قطعات جریان بزرگ یا ولتاژ بالا مانند موتورها، رله‌ها یا لامپ‌ها به آی‌سی‌های دیجیتال ولتاژ کم یا گیت‌های منطقی مانند گیت‌های AND یا گیت‌های OR استفاده می‌شوند.

در اینجا، خروجی از یک گیت منطقی دیجیتال تنها 5+ ولت است اما قطعه‌ای که باید کنترل شود ممکن است به 12 یا حتی 24 ولت تغذیه نیاز داشته باشد. یا بار مانند موتور DC ممکن است لازم باشد تا سرعت آن با استفاده از یک سری پالس‌ها کنترل شود (مدولاسیون پهنای پالس). سوئیچ های ترانزیستور به ما امکان می‌دهد این کار را سریع‌تر و راحت‌تر از سوئیچ‌های مکانیکی معمولی انجام دهیم.

سوئیچ های ترانزیستور منطقی دیجیتال

مقاومت بیس، Rb لازم است تا جریان خروجی را از گیت منطقی محدود کند.

سوئیچ های ترانزیستور PNP

ما همچنین می‌توانیم از ترانزیستورهای PNP به عنوان سوئیچ استفاده کنیم، تفاوت این بار در این است که بار به زمین وصل می‌شود (0v) و ترانزیستور PNP توان را به آن سوئیچ می‌کند. برای روشن کردن ترانزیستور PNP که به عنوان سوئیچ “روشن” کار می‌کند، ترمینال بیس همانطور که نشان داده شده به زمین یا صفر ولت (LOW) وصل می‌شود.

مدار سوئیچینگ ترانزیستور PNP

روابط برای محاسبه مقاومت بیس، جریان کلکتور و ولتاژ دقیقاً برابر با مقادیر سوئیچ های ترانزیستور NPN قبلی است. تفاوت این بار این است که ما توان را با یک ترانزیستور NPN (جریان منبع)، به جای سوئیچ زمین با یک ترانزیستور PNP (جریان کشنده) تغییر می‌دهیم.

سوئیچ های ترانزیستور دارلینگتون

گاهی اوقات بهره جریان DC ترانزیستور دو قطبی برای تغییر مستقیم جریان بار یا ولتاژ بسیار کم است، بنابراین چندین ترانزیستور سوئیچینگ استفاده می‌شود. در اینجا، یک ترانزیستور ورودی کوچک برای “خاموش” یا “روشن” یا “خاموش” کردن جریان بزرگتر ترانزیستور استفاده می‌شود.

برای به حداکثر رساندن میزان بهره سیگنال، دو ترانزیستور در یک “پیکربندی ترکیب‌کننده بهره مکمل” یا چیزی که بیشتر با آن عنوان می‌شود “پیکربندی دارلینگتون” به یکدیگر وصل می‌شوند که فاکتور عملیاتی محصول دو ترانزیستور مستقل است.

ترانزیستورهای دارلینگتون به سادگی شامل دو ترانزیستور دو قطبی NPN یا PNP هستند که به هم وصل شده‌اند به طوری که بهره جریان ترانزیستور اول با بهره جریان ترانزیستور دوم برای تولید دستگاهی که مانند یک ترانزیستور منفرد با یک جریان بسیار بالا برای یک جریان بیس بسیار کمتر عمل می‌کند، ضرب می‌شود. بهره کلی جریان بتا (β) یا مقدار hfe یک قطعه دارلینگتون محصول دو بهره مستقل ترانزیستورها است و به شرح زیر است:

بنابراین ترانزیستور دارلینگتون با مقادیر بسیار بالا β و جریان‌های کلکتور بالا در مقایسه با یک سوئیچ ترانزیستور منفرد امکان‌پذیر است. به عنوان مثال، اگر ترانزیستور ورودی اول دارای بهره جریان 100 باشد و ترانزیستور سوئیچینگ دوم دارای بهره جریان 50 باشد، بهره جریان کلی 100*50=5000 خواهد بود.

به عنوان مثال، اگر جریان بار ما 200mA باشد سپس جریان بیس دارلینگتون تنها 200mA / 5000 = 40uA است. که یک کاهش بسیار زیاد از 1 میلی‌آمپر قبلی برای یک ترانزیستور واحد است. یک مثال از دو نوع پیکربندی پایه ترانزیستور دارلینگتون در زیر ارائه شده است.

پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون

پیکربندی سوئیچ های ترانزیستور دارلینگتون NPN فوق، کلکتورهای دو ترانزیستور متصل به همراه امیتر اولین ترانزیستور متصل به ترمینال بیس ترانزیستور دوم را نشان می‌دهد، بنابراین جریان امیتر ترانزیستور اول، جریان بیس ترانزیستور دوم است که آن را “روشن” می‌کند.

اولین ترانزیستور “ورودی” سیگنال ورودی را به بیس خود دریافت می‌کند. این ترانزیستور آن را به روش معمول تقویت می‌کند و از آن برای راه‌اندازی دومین بزرگترین ترانزیستور “خروجی” استفاده می‌کند. ترانزیستور دوم دوباره بهره سیگنال را تقویت می‌کند که منجر به بهره جریان بسیار بالا می‌شود. یکی از ویژگی‌های اصلی ترانزیستور دارلینگتون، بهره جریان بالای آنها در مقایسه با ترانزیستورهای دو قطبی واحد است.

همانند جریان افزایش یافته بالا و قابلیت سوئیچینگ ولتاژ آن، یکی دیگر از مزایای “سوئیچ های ترانزیستور دارلینگتون” در سرعت زیاد سوئیچینگ آن است که آنها را برای استفاده در مدارهای معکوس‌کننده، مدارهای روشنایی و موتورهای DC یا کاربرد کنترل موتور پله‌ای ایده‌آل می‌کند.

یکی از تفاوت‌هایی که باید هنگام استفاده از ترانزیستورهای دارلینگتون نسبت به انواع تک قطبی معمولی هنگام استفاده از ترانزیستور به عنوان سوئیچ در نظر بگیرید این است که ولتاژ ورودی بیس امیتر (V_BE) به دلیل اتصال سری دو پیوند PN نیاز به افزایش در حدود 1.4v برای قطعات سیلیکونی دارد.

ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ

برای خلاصه کردن، هنگام استفاده از سوئیچ های ترانزیستور شرایط زیر اعمال می‌شود:

سوئیچ های ترانزیستور می‌توانند برای تغییر و کنترل لامپ‌ها، رله‌ها یا حتی موتورها استفاده شوند.

هنگام استفاده از ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ، آنها باید “کاملاً خاموش” یا “کاملاً روشن” باشند.

گفته می‌شود ترانزیستورهایی که کاملاً “روشن” هستند در منطقه اشباع هستند.

گفته می‌شود ترانزیستورهایی که کاملاً “خاموش” هستند در منطقه قطع خود هستند.

هنگام استفاده از سوئیچ های ترانزیستور، یک جریان کوچک بیس یک جریان بسیار بزرگتر از کلکتور را کنترل می‌کند.

هنگام استفاده از ترانزیستورها برای جابجایی بارهای القایی مانند رله و سلنوئیدها، از “دیود flywheel” استفاده می‌شود.

هنگامی که نیاز به کنترل جریان‌های بزرگ یا ولتاژها باشد، می‌توان از ترانزیستورهای دارلینگتون استفاده کرد.

در آموزش بعدی در مورد ترانزیستورها، ما به عملکرد ترانزیستور اثر میدانی که معمولاً به عنوان JFET معروف است، خواهیم پرداخت. منحنی‌های مشخصات خروجی را که معمولاً با مدارهای تقویت کننده JFET در ارتباط است را به عنوان تابعی از ولتاژ منبع به ولتاژ گیت ترسیم خواهیم کرد.