طرز کار ترانزيستور

[vahid_pakrou]

ترانزيستور چگونه کار مي کند​

اعمال ولتاژ با پلاريته موافق باعث عبور جريان از يک
پيوند PN مي شود وچنانچه پلاريته ولتاژتغيير کند
جرياني از مدار عبور نخواهد کرد.
اگر ساده بخواهيم به موضوع نگاه کنيم عملکرد يک ترانزيستور رامي توان تقويت جريان دانست. مدار منطقي کوچکي را در نظر بگيريد که تحت شرايط خاص درخروجي خود جريان بسيار کمي را ايجاد مي کند. شما بوسيله يک ترانزيستور مي توانيداين جريان را تقويت کنيد و سپس از اين جريان قوي براي قطع و وصل کردن يک رله برقياستفاده کنيد.
موارد بسياري هم وجود دارد که شما از يک ترانزيستوربراي تقويت ولتاژ استفاده مي کنيد. بديهي است که اين خصيصه مستقيما" از خصيصه تقويتجريان اين وسيله به ارث مي رسد کافي است که جريان وردي و خروجي تقويت شده را روي يکمقاومت بيندازيم تا ولتاژ کم ورودي به ولتاژ تقويت شده خروجي تبديل شود.

جريان ورودي اي که که يک ترانزيستور مي تواند آنرا تقويت کند بايد حداقلداشته باشد. چنانچه اين جريان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزيستور در خروجي خودهيچ جرياني را نشان نمي دهد. اما به محض آنکه شما جريان ورودي يک ترانزيستور را بهبيش از حداقل مذکور ببريد در خروجي جريان تقويت شده خواهيد ديد. از اين خاصيتترانزيستور معمولا" براي ساخت سوييچ هاي الکترونيکي استفاده مي شود.

از لحاظ ساختاري مي توان يک ترانزيستور را با دو ديود مدل کرد.
همانطور که در مطلب قبلاشارهکرديم ترانزستورهاي اوليه از دو پيوند نيمه هادي تشکيل شده اند و بر حسب آنکه چگونهاين پيوند ها به يکديگر متصل شده باشند مي توان آنها را به دو نوع اصلي PNP يا NPN تقسيم کرد. براي درک نحوه عملکرد يک ترانزيستور ابتدا بايد بدانيم که يک پيوند (Junction) نيمه هادي چگونه کار مي کند.
در شکل اول شما يک پيوندنيمه هادي از نوع PN را مشاهده مي کنيد. که از اتصال دادن دو قطعه نيمه هادي P و N به يکديگر درست شده است. نيمه هادي هاي نوع N داراي الکترونهاي آزاد و نيمه هادينوع P داراي تعداد زيادي حفره (Hole) آزاد مي باشند. بطور ساده مي توان منظور ازحفره آزاد را فضايي دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به اينتکه نيمه هادي از خارج ولتاژي بصورت آنچه در شکل نمايش داده مي شود اعمال کنيم درمدار جرياني برقرار مي شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغيير دهيم جرياني ازمدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

اين پيوند نيمه هادي عملکرد ساده يک ديود رامدل مي کند. همانطور که مي دانيد يکي از کاربردهاي ديود يکسوسازي جريان هاي متناوبمي باشد. از آنجايي که در محل اتصال نيمه هادي نوع N به P معمولآ يک خازن تشکيل ميشود پاسخ فرکانسي يک پيوند PN کاملآ به کيفيت ساخت و اندازه خازن پيوند بستگي دارد. به همين دليل اولين ديودهاي ساخته شده توانايي کار در فرکانسهاي راديويي - مثلآبراي آشکار سازي - را نداشتند.

معمولآ براي کاهش اين خازن ناخاسته، سطحپيوند را کاهش داده و آنرا به حد يک نقطه مي رسانند.

منحني رفتار يک ديود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت
در مطلب قبلکلياتي راجع به ترانزيستور بيان کرديم همچنين گفتيم که اگر به يک پيوند PN ولتاژ با پلاريته موافق متصل کنيم جريان از اين پيوند عبور کرده و اگر ولتاژ رامعکوس کنيم در مقابل عبور جريان از خود مقاومت نشان مي دهد. براي درک دقيق نحوهکارکرد يک ترانزيستور بايد با نحوه کار ديود آشنا شويم، بايد اشاره کنيم که قصدنداريم تا به تفضيل وارد بحث فيزيک الکترونيک شويم و فقط سعي خواهيم کرد با بياننتايج حاصل از اين شاخه علمي ابتدا عملکرد ديود و سپس ترانزيستور را بررسي کنيم.

از لحاظ الکتريکي يک ديود هنگامي عبورجريان را از خود ممکن مي سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنيد. مقدار ولتاژي که باعث ميشود تا ديود شروع به هدايتجريان الکتريکي نمايد ولتاژ آستانه يا (forward voltage drop) ناميده مي شود کهچيزي حدود 0.6 تا 0.7 ولت مي باشد. به شکل اول توجه کنيد که چگونه براي ولتاژهايمثبت - منظور جهت درست مي باشد - تا قبل از 0.7 ولت ديود از خود مقاومت نشان مي دهدو سپس به يکباره مقاومت خود را از دست مي دهد و جريان را از خود عبور مي دهد.

 

[vahid_pakrou]

طرز کار ترانزيستور2

طرز کار ترانزيستور2

نمادفني و دو نمونه از انواع ديويد
اما هنگامي که شما ولتاژ معکوس به ديود متصل مي کنيد (+ به کاتدو - به آند) جرياني از ديود عبور نمي کند، مگر جريان بسيار کمي که به جريان نشتي يا Leakage معرف است که در حدود چند µA يا حتي کمتر مي باشد. اين مقدار جريان معمولآدر اغلب مدار هاي الکترونيکي قابل صرفنظر کردن بوده و تاثير در رفتار ساير المانهايمدار نميگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام ديود ها يک آستانه براي حداکثر ولتاژ معکوسدارند که اگر ولتاژمعکوس بيش از آن شود ديويد مي سوزد و جريان را در جهت معکوس همعبور مي دهد. به اين ولتاژ آستانه شکست يا Breakdown گفته مي شود.
دردسته بندي اصلي، ديودها را به سه قسمت اصلي تقسيم مي کنند، ديودهاي سيگنال (Signal) که براي آشکار سازي در راديو بکار مي روند و جرياني در حد ميلي آمپر از خود عبور ميدهند، ديودهاي يکسوکننده (Rectifiers) که براي يکسوسازي جريانهاي متناوب بکاربردهمي شوند و توانايي عبور جريانهاي زياد را دارند و بالآخره ديود هاي زنر (Zener) کهبراي تثبيت ولتاژ از آنها استفاده مي شود.


استفاده از ديود سيگنار در مداررله براي جلوگيري از
ايجاد ولتاژ هاي ناخواسته زياد
در ادامه بحث نحوه کارکرد يک ترانزيستور لازم است قدري راجع بهانواع ديود که در مطلب قبل به آنها اشاره کرديم داشته باشيم.
ديودهاي سيگنال
اين نوع از انواع ديودها براي پردازشسيگنالهاي ضعيف - معمولا" راديويي - و کم جريان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترين و پر استفاده ترين آنها که ممکن است با آن آشنا باشيد ديود 1N4148 است کهاز سيليکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقيم آن 0.7 ولت است.

اما برخي ازديود هاي سيگنال از ژرمانيم هم ساخته مي شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقيمپايينتري دارد، حدود 0.2 ولت. به همين دليل از اين نوع ديود بيشتر براي آشکار سازيامواج مدوله شده راديويي استفاده مي شود.

بصورت يک قانون کلي هنگامي کهولتاژ شکست مستقيم ديويد خيلي مهم نباشد، از ديودهاي سيليکون استفاده مي شود. دليلآن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محيط يا حرارت هنگام لحيم کاري و نيز مقاومتالکتريکي کمتر در ولتاژ مستقيم است. همچنين ديود هاي سيليکوني سيگنال معمولا" درولتاژ معکوس جريان نشتي بسيار کمتري نسبت به نوع ژرمانيم دارند.

از کاربردديگري که براي ديودهاي سيگنال وجود دارد مي توان به استفاده از آنها براي حفاظتمدار هنگامي که رله در يک مدار الکترونيکي قرار دارد نام برد. هنگامي که رله خاموشمي شود تغيير جريان در سيم پيچ آن ميتواند در دوسر آن ولتاژ بسيار زيادي القا کندکه قرار دادن يک ديود در جهت مناسب ميتواند اين ولتاژ را خنثي کند. به شکل اول توجهکنيد.

استفادهاز ديود زنر براي تهيه ولتاژ ثابت
ديودهاي زنر

همانطور که قبلا" اشاره کرديم از اينديودها براي تثبيت ولتاژ استفاده مي شود. اين نوع از ديود ها براي شکسته شدن بااطمينان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراين بدون ترس مي توان آنها را در جهتمعکوس باياس کرد و از آنها براي تثبيت ولتاژ استفاده نمود. به هنگام استفاده ازآنها معمولا" از يک مقاومت براي محدود کردن جريان بطور سري نيز استفاده مي شود. بهشکل نگاه کنيد به اين طريق شما يک ولتاژ رفرنس دقيق بدست آورده ايد.
ديودهاي زنر معمولا" با حروفي که در آنها Z وجود دارد نامگذاري ميشوند مانند BZX يا BZY و ... و ولتاژ شکست آنها نيز معمولا" روي ديود نوشته مي شود،مانند 4V7 که به معني 4.7 ولت است. همچنين توان تحمل اين ديود ها نيز معمولا" مشخصاست و شما هنگام خريد بايد آنرا به فروشنده بگوييد، در بازار نوع 400mW و 1.3W آنبسيار رايج است.


يکسو سازنيم موج با استفاده از يک ديود.
در مطلب قبل راجع به ديودهاي زنر و سيگنال صحبت کرديم و ضمنآوردن مثال، توضيح داديم که اين ديودها چگونه کار ميکنند. حال در ادامه اين مجموعهمطالب ابتدا به تشريح مختصر ديود هاي يکسو کننده ميپردازيم.
ديود هاييکسوساز عموما" در مدارهاي جريان متناوب بکار برده مي شوند تا با کمک آنها بتوانجريان متناوب (AC) را به مستقيم (DC) تبديل کرد. اين عمليات يکسوسازي يا Rectification ناميده مي شود.

از مشهورترين اين ديودها مي توان به انواعديودهاي 1N400x و يا 1N540x اشاره کرد که داراي ولتاژ کاري بين 50 تا بيش از 1000ولت هستند و مي توانند جريان هاي بالا را يکسو کنند. اين ولتاژ، ولتاژي است که ديودمي تواند بدون شکسته شدن - سوختن - در جهت معکوس آنرا تحمل کند.

ديودهاييکسوساز معمولآ از سيليکون ساخته مي شوند و ولتاژ باياس مستقيم آنها حدود 0.7 ولتمي باشد.

 

[vahid_pakrou]

طرز کار ترانزيستور3

طرز کار ترانزيستور3

يکسو ساز تمام موج با استفاده از پل ديود.
پل ديود يا Bridge Rectifiers
اما براي آنکه بتوانيماز نيمه منفي موج ورودي که در نيمي از سيکل جريان امکان عبور به خروجي را ندارد،استفاده کنيم بايد از مداري بعتوان پل ديود استفاده کنيم. پل ديود همانطور که ازشکل دوم مشخص است متشکل از چهار ديود به يکديگر متصل مي باشد. جريان متناوب بهقسمتي که دو جفت آند و کاتد به يکديگر متصل هستند وصل مي شود و خروجي از يک جف آندو يک جفت کاتد به يکديگر متصل شده گرفته مي شود.
روش کار به اينصورتاست که در سيکل مثبت مدار ديودهاي 1 و 2 عمل کرده و خروجي را تامين ميکنند و درسيکل منفي مدار ديودهاي 3 و 4 عمل مي کند و باز خروجي را در همان وضعيت تامين ميکند.

نماد و شماتيک پيوندهادر ترانزيستورها
در مطالب قبل بطور خلاصه راجع به ديودها و ترانزيستورها وپيوندهاي PN صحبت کرده مثالهايي از کاربرد اصلي انواع ديود ارائه کرديم. در اينقسمت راجع به گونه هاي ساده اولين ترانزيستورها که از سه لايه نيمه هادي تشکيل شدهاند صحبت خواهيم کرد.
بصورت استاندارد دو نوع ترانزيستور بصورت PNP و NPN داريم. انتخاب نامه آنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن لايه هاي نيمه هادي وپلاريته آنها بستگي دارد. هر چند در اوايل ساخت اين وسيله الکترونيکي و جايگزيني آنبا لامپهاي خلاء، ترانزستورها اغلب از جنس ژرمانيم و بصورت PNP ساخته مي شدند امامحدوديت هاي ساخت و فن آوري از يکطرف و تفاوت بهره دريافتي از طرف ديگر، سازندگانرا مجبور کرد که بعدها بيشتر از نيمه هاديي از جنس سيليکون و با پلاريته NPN برايساخت ترانزيستور استفاده کنند. تفاوت خاصي در عملکرد اين دو نمونه وجود ندارد و اينبدان معني نيست که ترانزيستور ژرمانيم با پلاريته NPN يا سيليکون با پلاريته PNP وجود ندارد.

نماي واقعي تري از پيوندها در يک ترانزيستور که تفاوت

کلکتورو اميتر را بوضوح نشان مي دهد.
براي هريک از لايه هاي نيمه هادي که در يک ترانزيستور وجود دارديک پايه در نظر گرفته شده است که ارتباط مدار بيروني را به نيمه هادي ها ميسر ميسازد. اين پايه ها به نامهاي Base )پايه( ، Collector )جمع کننده( و Emitter )منتشرکننده( مشخص مي شوند. اگر به ساختار لايه اي يک ترانزيستور دقت کنيم بنظر تفاوتخاصي ميان Collector و Emitter ديده نمي شود اما واقعيت اينگونه نيست. چرا که ضخامتو بزرگي لايه Collector به مراتب از Emitter بزرگتر است و اين عملا" باعث مي شود کهاين دو لايه با وجود تشابه پلاريته اي که دارند با يکديگر تفاوت داشته باشند. باوجود اين معمولا" در شکل ها براي سهولت اين دو لايه را بصورت يکسان در نظرميگيردند.
بدون آنکه در اين مطلب قصد بررسي دقيق نحوه کار يکترانزيستور را داشته باشيم، قصد داريم ساده ترين مداري که مي توان با يک ترانزيستورتهيه کرد را به شما معرفي کرده و کاربرد آنرا براي شما شرح دهيم. به شکل زير نگاهکنيد.

مدار ساده براي آشنايي با طرز کار يک ترانزيستور
بطور جداگانه بين E و C و همچنين بين E و B منابع تغذيه اي قرارداده ايم. مقاومت ها يي که در مسير هريک از اين منابع ولتاژ قرار داديم صرفا" برايمحدود کردن جريان بوده و نه چيز ديگر. چرا که در صورت نبود آنها، پيوندها بر اثرکشيده شدن جريان زياد خواهند سوخت.
طرز کار ترانزيستور به اينصورتاست، چنانچه پيوند BE را بصورت مستقيم باياس)Bias به معني اعمال ولتاژ و تحريکاست( کنيم بطوري که اين پيوند PN روشن شود (براي اينکار کافي است که به اين پيوندحدود 0.6 تا 0.7 ولت با توجه به نوع ترانزيستور ولتاژ اعمال شود)، در آنصورت ازمدار بسته شده ميان E و C مي توان جريان بسيار بالايي کشيد. اگر به شکل دوم دقتکنيد بوضوح خواهيد فهميد که اين عمل چگونه امکان پذير است. در حالت عادي ميان E و C هيچ مدار بازي وجود ندارد اما به محض آنکه شما پيوند BE را با پلاريته موافق باياسکنيد، با توجه به آنچه قبلا" راجع به يک پيوند PN توضيح داديم، اين پيوند تقريبا" بصورت اتصال کوتاه عمل مي کند و شما عملا" خواهيد توانست از پايه هاي E و C جريانقابل ملاحظه اي بکشيد. (در واقع در اينحالت مي توان فرض کرد که در شکل دوم عملا" لايه PN مربوط به BE از بين مي رود و بين EC يک اتصال کوتاه رخ مي دهد.)