ترانزیستور به عنوان سوئیچ
هنگامی که یک ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده مورد استفاده قرار می گیرد، ولتاژ بایاسینگ بیس آن در محدوده ای است که ترانزیستور همواره در ناحیه ی فعال(active) قرار گرفته، و در واقع بخش خطی از منحنی مشخصه ی خروجی مورد استفاده قرار می گیرد.
هر دو نوع ترانزیستورهای دو قطبی PNP و NPN به وسیله ی بایاس مناسب ترمینال بیس آن، به طور متفاوت با آنچه در حالت تقویت سیگنال بایاس می شوند، می توانند به عنوان یک سوئیچ ” روشن-خاومش” حالت جامد (solid state) مورد استفاده قرار گیرند.
سوئیچ های حالت جامد یکی از اصلی ترین کاربردهای ترانزیستورها جهت سوئیچ یک خروجی DC بین حالتهای روشن و خاموش هستند. برخی از قطعاتی که در خروجیها قرار می گیرند، مانند LED ها فقط به چند میلی آمپر جریان در سطح ولتاژهای DC منطقی نیاز دارند، از این رو می توانند به طور مستقیم توسط خروجی گیت های منطقی راه اندازی شوند. اما مصرف کننده های توان بالا مانند سلونوئیدها، موتورها یا لامپ ها اغلب به توان بالاتر از آنچه توسط گیت های منطقی معمولی و یا سوئیچ های ترانزیستوری تولید می شود نیاز دارند.
اگر در مداری از یک ترانزیستور دوقطبی به عنوان سوئیچ استفاده شود، بایاس ترانزیستور چه PNP باشد و چه NPN، بایستی به نحوی باشد که ترانزیستور درناحیه های کناری منحنی مشخصه ی “I-V” عمل کند.
نواحی عملکرد سوئیچ های ترانزیستوری به عنوان “ناحیه ی اشباع” و “ناحیه ی قطع” شناخته می شود. این بدین معناست که می توان بایاس نقطه ی عملکرد Q (منظور نقطه ی کار DC ترانزیستور) و مدار تقسیم کننده ی ولتاژ جهت تقویت، را فراموش نموده و با راه اندازی ترانزیستور در ناحیه ی کاملا خاموش (ناحیه ی قطع) و کاملا روشن (ناحیه ی اشباع) ، از آن به عنوان یک سوئیچ استفاده کرد.
نواحی عملکرد
ناحیه ای که با هاشور صورتی در قسمت پایین منحنی نشان داده شده، ناحیه ی قطع می باشد و ناحیه ای که با رنگ آبی در سمت چپ مشخص شده، ناحیه ی اشباع ترانزیستور است. هر دو ناحیه ی گفته شده در ادامه توضیح داده می شوند:
1- ناحیه ی قطع:
شرط این که ترانزیستور در ناحیه ی قطع باشد، صفر بودن جریان بیس (Ib)، همچنین صفر بودن جریان کلکتور (Ic) و صفر بودن ماکزیمم ولتاژ کلکتور (Vce) است، که باعث ایجاد یک فضای تخلیه ی بزرگ شده و هیچ جریانی در ترانزیستور وجود ندارد. در نتیجه ترانزیستور کاملا خاموش می شود.
مشخصات ترانزیستور در حالت خاموش
– ورودی و بیس زمین شده اند (صفر ولت است)
– ولتاژ بیس-امیتر کمتر از 0.7 ولت است (Vbe<0.7)
– پیوند بیس-امیتر به صورت معکوس بایاس شده است.
– پیوند بیس-کلکتور به صورت معکوس بایاس شده است.
– ترانزیستور کاملا خاموش است (در ناحیه ی قطع قرار دارد)
– جریان کلکتور صفر است (Ic=0)
-Vout = Vce = Vcc = 1
– ترانزیستور ماند یک سوئیچ باز عمل می کند.
پس می توان گفت که در ناحیه ی قطع یا حالت خاموش، وقتی از یک ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ استفاده می کنیم، هر دو دیود در ترانزیستور به صورت معکوس بایاس می شوند، Vbe<0.7 و Ic=0 . در ترانزیستور PNP ولتاژ امیتر نسبت به بایاس باید منفی باشد.
2- ناحیه ی اشباع
در این ناحیه ترانزیستور به نحوی بایاس می شود که حداکثر مقدار جریان به کار برده می شود، که در نتیجه حداکثر جریان کلکتور و به دنبال آن حداقل افت ولتاژ کلکتور-امیتر را خواهیم داشت، که باعث می شود ناحیه ی تخلیه به کوچکترین اندازه ی ممکن برسد و ماکزیمم جریان در ترانزیستور جاری می شود. بنابراین ترانزیستور کاملا روشن می شود.
مشخصات ترانزیستور در حالت روشن
– بیس و ورودی به VCC متصل می شود.
– ولتاژ بیس-امیتر بیشتر از 0.7 است(Vbe > 0.7)
– پیوند بیس – امیتر در بایاس مستقیم قرار دارد.
– پیوند بیس – کلکتور در بایاس مستقیم قرار دارد.
– ترانزیستور کاملا روشن است (در ناحیه ی اشباع قرار دارد)
– جریان کلکتور در ماکزیمم مقدار خود قرار دارد (Ic= VCC/Rl)
– Vce = 0 ( در حالت اشباع ایده آل)
– Vout = Vce = 0
– ترانزیستور ماند یک سوئیچ بسته عمل می کند.
پس می توان گفت که وقتی در ناحیه ی اشباع یا حالت روشن از یک ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ استفاده شود، هر دو دیود در ترانزیستور به صورت مستقیم بایاس می شوند، همچنین Vbe>0.7 و جریان کلکتور در ماکزیمم مقدار خود قرار دارد. در یک ترانزیستور PNP ولتاژ امیتر با توجه به بایاس باید مثبت باشد.
پس ترانزیستور ملنند یک سوئیچ حالت جامد تک پل و تک جهته (SPST) عمل می کند. با اعمال یک سیگنال صفر ولت در بیس، ترانزیستور خاموش شده ، جریان کلکتور صفر می شود و مشابه یک سوئیچ باز عمل میکند. با اعمال یک سیگنال مثبت در بیس ترانزیستور روشن شده، جریان کلکتور به حداکثر مقدار ممکن میرسد و ترانزیستور مانند یک سوئیچ باز عمل می کند.
ساده ترین راه برای سوئیچ توان از مقدار متوسط به بیشترین مقدار این است که از ترانزیستوری با خروجی کلکتور باز استفاده شود و ترمینال امیتر هم مستقیما به زمین وصل شود. با انجام این کار، بین خروجی کلکتور باز ترانزیستور و زمین اختلاف پتانسیل بسیار زیادی ایجاد می شود که می تواند هر باری که به خروجی متصل شود را کنترل نماید.
در ادامه به بیان یک مثال از یک ترانزیستور NPN می پردازیم که به عنوان سوئیچ جهت راه اندازی یک رله به کار رفته است. در اینجا یک بار القایی مانند رله یا سلونوئید داریم که یک دیود هرزگرد بصورت موازی با آن قرار می گیرد، تا EMF برگشتی تولید شده توسط بار القایی را زمانی که ترانزیستور خاموش است، مهار نماید و بدین ترتیب از ترانزیستور در مقابل خرابی محافظت می شود. اگر بار دارای ولتاژ یا جریان بسیار بالایی باشد، مانند موتورها یا هیترها و …، می توان از یک رله جهت کنترل جریان بار مانند شکل استفاده نمود.
یک مدار ابتدایی سوئیچینگ با استفاده از ترانزیستور NPN
این مدار مانند یک مدار تقویت کننده ی امیتر مشترک به نظر می رسد، با این تفاوت که در این مدار ترانزیستور مانند یک سوئیچ رفتار می کند، به این معنی که یا باید کاملا خاموش باشد (در ناحیه ی قطع باشد) و یا کاملا روشن باشد (در ناحیه ی اشباع باشد). یک سوئیچ ترانزیستور ایده آل زمانی که در حالت خاموش قرار دارد، دارای مقاومت بی نهایت بین کلکتور و امیترش می باشد که باعث می شود جریان صفر شود و هنگامی که در حالت روشن است مقاومت بین پایه های امیتر و کلکتورش صفر می شود، در نتیجه باعث عبور حداکثر جریان ممکن می شود.
در عمل هنگامی که ترانزیستور کاملا خاموش است، یک جریان نشتی بسیار کوچک در آن وجود دارد و هنگامی که ترانزیستور کاملا روشن است، بین پایه های امیتر و کلکتور یک مقاومت بسیار کوچک وجود دارد که باعث ایجاد ولتاژ اشباع کوچکی (Vce) در آن می شود. حتی اگر فرض کنیم که ترانزیستور یک سوئیچ کامل و ایده آل نیست، نباید فراموش کرد که توان تلف شده در هر دو ناحیه ی اشباع و قطع بسیار ناچیز است.
برای این که در بیس جریان داشته باشیم، در قطعات سیلیکونی ولتاژ بیس باید به اندازه ی 0.7 ولت نسبت به امیتر بالاتر باشد. با تغییر دادن ولتاژ بیس-امیتر، جریان بیس نیز تغییر می نماید و میزان جریان کلکتور را که در ترانزیستور جاری می شود، کنترل می کند.
هنگامی که حداکثر جریان را در کلکتور داریم، اصطلاحا گفته می شود ترانزیستور اشباع شده است. میزان مقاومت بیس، مقدار ولتاژ ورودی مورد نیاز و به دنبال آن میزان جریان لازم را برای اینکه ترانزیستور کاملا روشن شود، مشخص می کند.
مثال شماره 1 برای ترانزیستور به عنوان سوئیچ
فرض کنید در یک ترانزیستور این مشخصت را داشته باشیم :β=200 ، Ic= 4 mA ، Ib= 20µA
مقدار مقاومت بیس را جهت سوئیچ نمودن بار ترانزیستور به حالت کاملا روشن بیابید، در حالی که ولتاژ ورودی 2.5 ولت است.
مقدارمقاومت قابل قبول بعدی که تضمین می کند ترانزیستور همیشه در حالت اشباع باقی بماند، مقاومت 82 کیلو اهم می باشد.
مثال شماره 2 برای ترانزیستور به عنوان سوئیچ
مجددا مقادیر مثال قبلی را برای ترانزیستور در نظر بگیرید. اگر باری داشته باشیم که به 200 میلی آمپر جریان نیاز داشته باشد، و ولتاژ ورودی 5 ولت باشد، حداقل جریان لازم برای اینکه ترانزیستور در حالت اشباع قرار گیرد و همچنین میزان مقاومت بیس (Rb) را محاسبه کنید.
جریان بیس ترانزیستور به این نحو محاسبه می شود:
و مقاومت بیس نیز چنین بدست می آید:
سوئیچ های ترانزیستوری در محدوده ی وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرد، از جمله ارتباط بارهای با ولتاژ و جریان بالا مانند رله ها، موتورها و یا لامپ ها با آی سی ها و گیت های دیجیتال منطقی مانند گیت های AND و OR . در این مورد، خروجی یک گیت منطقی دیجیتال 5+ ولت است در حالی که باری که میخواهیم کنترل کنیم به 12 یا حتی 24 ولت تغذیه نیاز دارد. و در بارهایی مانند موتورهای DC با استفاده از دنباله ای از پالس ها (مدولاسیون عرض پالس) می خواهیم که سرعت موتور را کنترل کنیم، سوئیچ های ترانزیستوری به ما این امکان را می دهد که نسبت به سوئیچ های مکانیکی عادی این کار را سریع تر و راحت تر انجام دهیم.
سوئیچ ترانزیستوری منطقی دیجیتال
به مقاومت بیس (Rb) جهت محدود کردن جریان خروجی از گیت منطقی نیاز داریم.
سوئیچ ترانزیستوری PNP
میتوانیم از ترانزیستورهای PNP نیز به عنوان سوئیچ استفاده کنیم، اما با این تفاوت که در این حالت بار به زمین متصل شده (ولتاژ صفر) و ترانزیستور PNP ولتاژ را روی آن سوئیچ می کند. برای این که ترانزیستور PNP به عنوان یک سوئیچ روشن عمل کند باید پایه ی بیس آن به زمین یا ولتاژ صفر مانند شکل متصل شود.
مدار سوئیچینگ ترانزیستور PNP
معادله ی محاسبه ی مقاومت بیس، جریان و ولتاژ کلکتور دقیقا مساوی با همان چیزی ایت که در مورد سوئیچ ترانزیستور NPN قبلی گفته شد. تفاوت اصلی در این مورد این است که در این حالت ما به وسیله ی ترانزیستور PNP ولتاژ مثبت را سوئیچ می کنیم (Sourcing current) ولی در حالت قبل زمین را توسط ترانزیستور NPN سوئیچ می کردیم (Sinking current).
سوئیچ ترانزیستور دارلینگتون
گاهی مواقع بهره ی جریان DC ترانزیستورهای دوقطبی برای سوئیچ مستقیم جریان یا ولتاژ بار بسیار پائین است، به همین جهت ترکیبی از ترانزیستورهای سوئیچینگ استفاده می شود. در این جا یک ترانزیستور کوچک ورودی استفاده می شود تا جریان بسیار بزرگتری که ترانزیستور خروجی را راه اندازی میکند، به حالت خاموش یا روشن سوئیچ شود. برای بیشتر کردن بهره ی سیگنال دو ترانزیستور باید به فرم دارلینگتون به یکدیگر متصل شوند، که در این حالت بهره ی تقویت، حاصل ضرب بهره ی تک تک ترانزیستورها است.
ترانزیستورهای دارلینگتون به طور ساده، دو ترانزیستور NPN یا PNP هستند که به نحوی به یکدیگر متصل شده اند که بهره ی جریان ترانزیستور اول در بهره ی جریان ترانزیستور دوم ضرب شده و در نهایت ترکیبی را تولید می کند که مانند یک ترانزیستور منفرد با بهره ی جریان بسیار بالا به ازای جریان های بیس کوچک، عمل می کند. بهره ی جریان کلی (β) یا مقدار Hfe برای یک ترانزیستور دارلینگتون بصورت حاصل ضرب بهره ی تک تک ترانزیستورها است و بصورت زیر تعریف می شود:
بنابراین، ترانزیستورهای دارلینگتون با مقادیر β و جریان های بالای کلکتور می تواند به عنوان یک سوئیچ ترانزیستور منفرد در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، اگر بهره ی جریان ترانزیستور ورودی اول 100 باشد و بهره ی جریان ترانزیستور سوئیچینگ دوم 50 باشد، در نتیجه بهره ی جریان کلی حاصل ضرب این دو مقدار و برابر با 5000 می باشد. به عنوان نمونه ای دیگر، اگر جریان بار ما در مثال بالا مساوی با 200 میلی آمپر باشد، جریان بیس ترانزیستور دارلینگتون برابر با 200mA/5000 = 40µA خواهد بود. همان طور که می بینیم کاهش قابل توجهی از مقدار جریان بیس 1 میلی آمپری که در مورد یک ترانزیتور دوقطبی تنها داشتیم، به وجود آمده است.
در ادامه مثالی از دو نمونه ی ابتدایی از ترانزیستورهای دارلینگتون عنوان می شود:
تنظیمات ترانزیستورهای دارلینگتون
در تصویر بالا، تنظیمات ترانزیستور دارلینگتون NPN نشان می دهد که کلکتور دو ترانزیستور به یکدیگر و امیتر ترانزیستور اول به بیس ترانزیستور دوم اتصال یافته است، بنابراین جریان امیتر ترانزیستور اول همان جریان بیس ترانزیستور دوم است که باعث روشن شدن آن می شود.
ترانزیستور اول یا ورودی سیگنال ورودی را در پایه ی بیس خود دریافت می کند، به طور معمول آن را تقویت می کند و جهت راه اندازی ترانزیستور بزرگتر خروجی از آن استفاده می نماید. ترانزیستور دوم مجددا سیگنال دریافتی را تقویت می کند که باعث ایجاد بهره ی جریان بسیار زیادی می شود. یکی از ویژگی های اصلی ترانزیستورهای دوقطبی بهره ی جریان بسیار بالای آن ها در مقایسه با ترانزیستورهای دوقطبی عادی می باشد.
علاوه بر قابلیت سوئیچینگ جریان ها و ولتاژهای بالا ، مزیت دیگر ترانزیستورهای دارلینگتون سرعت بالای سویئچینگ آن ها می باشد که این ترانزیستورها را جهت استفاده در کاربردهایی مانند مدارات اینورتر، مدارات روشنایی، کنترل استپ موتورها یا موتورهای DC ، مناسب می سازد.
یک تفاوت اصلی بین ترانزیستورهای دارلینگتون و ترانزیستورهای عادی که حتما باید در نظر گرفته شود این است که هنگامی که این ترانزیستورها به عنوان سوئیچ مورد استفاده قرار می گیرند، ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور دارلینگتون نسبت به ترانزیستورهای عادی بالاتر و حدود 1.4 ولت است، که این به دلیل ترکیب سری دو پیوند PN پشت سر هم در ساختمان آن ها می باشد.
خلاصه و جمع بندی
پس به طور خلاصه هنگامی که یک ترانزیستور را به عنوان سوئیچ مورد استفاده قرار می دهیم شرایط زیر به کار برده می شود:
– سوئیچ های ترانزیستوری می توانند جهت کنترل و راه اندازی رله ها، لامپ ها و حتی موتورها به کار روند.
– زمانی که از یک ترانزیستور دوقطبی به عنوان سوئیچ استفاده می کنیم باید در حالت های کاملا خاموش یا کاملا روشن باشد.
– ترانزیستوری که کاملا روشن شده است در ناحیه ی اشباع قرار دارد.
– ترانزیستوری که کاملا خاموش است در ناحیه ی قطع قرار دارد.
– هنگامی که از یک ترانزیستور به عنوان سوئیچ استفاده می کنیم، یک جریان کوچک در بیس می تواند جریان های بار بزرگتر در کلکتور را کنترل نماید.
– هنگام استفاده از ترانزیستور برای راه اندازی بارهای القایی نظیر رله ها و سلونوئیدها، از یک دیود هرزگرد نیز استفاده می شود.
– وقتی که نیاز داریم جریان ها و ولتاژهای بزرگ را کنترل کنیم، می توان از ترانزیستورهای دارلینگتون استفاده کرد.
در مقاله ی آموزشی بعدی در مورد ترانزیستورها نگاهی به عملکرد ترانزیستورهای اثر میدان که به عنوان JFET شناخته می شوند، خواهیم داشت. همچنین منحنی های مشخصه ی خروجی مرتبط با مدارات تقویت کننده ی JFET که به عنوان تابعی از ولتاژ سورس بر حسب ولتاژ گیت هستند، ترسیم خواهد شد.