ترانزیستور NPN چیست؟ عملکرد سوئیچ و تقویت کننده ترانزیستور

اولین ترانزیستور اتصال دو قطبی در سال 1947 در آزمایشگاه های بل اختراع شد. BJT یک دستگاه سه پایه با کلکتور (C)، بیس (B) و امیتر (E) است. شناسایی پایه های ترانزیستور به دیاگرام پین یک قسمت BJT خاص نیاز دارد که در دیتاشیت موجود خواهد بود. دو نوع ترانزیستور BJT وجود دارد: NPN و PNP. در این آموزش در مورد ترانزیستور های NPN صحبت خواهیم کرد. بیایید دو نمونه از ترانزیستور های NPN – BC547A و PN2222A را که در تصاویر بالا نشان داده شده است، در نظر بگیریم.

پیشنهاد میکنم قبل از خواندن این مطلب، نگاهی به مقاله ترانزیستور چیست بیاندازید. همچنین مقاله ترانزیستور PNP را نیز بخوانید.

بر اساس فرآیند ساخت، پیکربندی پین تغییر خواهد کرد و جزئیات در دیتاشیت مربوطه در دسترس خواهد بود. همانطور که میزان قدرت ترانزیستور افزایش می یابد، لازم است که گرماگیر لازم به بدنه ترانزیستور متصل شود. یک ترانزیستور بی طرف یا یک ترانزیستور بدون ولتاژ اعمال شده در پایه ها مانند دو دیود است که پشت به پشت بهم متصل شده اند که در شکل زیر نشان داده شده است.

دیود D1 خاصیت هدایت معکوس بر اساس هدایت دیود D2 دارد. هنگامی که یک جریان از طریق دیود D2 عبور می کند، دیود D1 جریان را حس می کند و به یک جریان متناسب اجازه داده می شود تا در جهت معکوس از پایه کلکتور به پایه امیتر جریان یابد در صورتی که ولتاژ بالا در پایه کلکتور اعمال شود. ثابت متناسب بهره (β) است.

کار با ترانزیستور های NPN

همانطور که در بالا گفته شد، ترانزیستور یک دستگاه کنترل کننده جریان است که دارای دو لایه تخلیه با ولتاژ سد خاص است که برای انتشار لایه تخلیه مورد نیاز است. ولتاژ سد برای ترانزیستور سیلیکون 0.7 ولت در 25 درجه سانتیگراد و 0.3 ولت در 25 درجه سانتیگراد برای ترانزیستور ژرمانیم است. عمدتا نوع رایج ترانزیستور مورد استفاده از نوع سیلیکون است زیرا سیلیسیم بعد از اکسیژن فراوان ترین عنصر روی زمین است.

عملکرد داخلی:

ساخت ترانزیستور npn بدین صورت است که کلکتور و امیتر از نوع n و بیس از نوع p می باشد. ناحیه امیتر در مقایسه با ناحیه کلکتور به شدت دچار ناخالصی می شود. این سه ناحیه دو اتصال را تشکیل می دهند: اتصال کلکتور-بیس (CB) و اتصال بیس-امیتر (BE).

هنگامی که یک ولتاژ VBE به اتصال بیس-امیتر اعمال می شود و از 0V افزایش می یابد، الکترون ها و حفره ها شروع به جمع شدن در منطقه تخلیه می کنند. وقتی ولتاژ بیشتر از 0.7 ولت شود، به ولتاژ سد رسیده و انتشار رخ می دهد. از این رو، الکترون ها به سمت پایه مثبت جریان می یابند و جریان های جاری در بیس (IB) مخالف جریان الکترون است. علاوه بر این، جریان از کلکتور به امیتر جاری می شود، به شرطی که ولتاژ VCE در پایه کلکتور اعمال شود. ترانزیستور می تواند مانند یک سوئیچ و یک تقویت کننده عمل کند.

ناحیه عملکردی در مقابل نحوه عملکرد:

1. ناحیه فعال، IC = β × IB – عملکرد تقویت کننده
2. ناحیه اشباع، IC = جریان اشباع – عملکرد سوئیچ (کاملاً روشن)
3. ناحیه قطع، IC = 0 – عملکرد سوئیچ (کاملاً خاموش)

ترانزیستور NPN به عنوان سوئیچ

برای توضیح با PSPICE مدل BC547A انتخاب شده است. اولین نکته مهمی که باید به خاطر داشته باشید استفاده از مقاومت محدود کننده جریان در بیس است. جریان های بیس با مقدار بالا به BJT آسیب می رساند. باتوجه به دیتاشیت حداکثر جریان کلکتور 100mA است و بهره مربوطه (hFE یا β) داده می شود.

مراحل انتخاب مولفه ها

1. جريان کلکتور مصرفي توسط بار خود را پيدا كنيد. در این حالت 60 میلی آمپر (سیم پیچ رله یا LED های موازی) و مقاومت برابر 200 اهم خواهد بود.
2. برای هدایت ترانزیستور در شرایط اشباع، باید جریان بیس کافی تأمین شود تا ترانزیستور کاملاً روشن باشد. محاسبه جریان بیس و مقاومت متناظر برای استفاده بصورت زیر است:

برای اشباع کامل، جریان بیس تقریباً 0.6 میلی آمپر است (خیلی زیاد یا خیلی کم نیست). بنابراین در زیر مدار با ولتاژ 0 ولت به بیس متصل است که در طی آن سوئیچ حالت خاموش است.

الف) شبیه سازی در نرم افزار PSPICE ترانزیستور BJT به عنوان سوئیچ، و ب) معادل شرایط سوئیچ

از نظر تئوری کلید کاملاً باز است اما عملاً می توان جریان جاری نشتی را مشاهده کرد. این جریان بسیار ناچیز است زیرا آنها در pA یا nA هستند. برای درک بهتر کنترل جریان، می توان در ترانزیستور یک مقاومت متغیر در کلکتور (C) و امیتر (E) در نظر گرفت که مقاومت آن ها بر اساس جریان عبوری از بیس (B) متفاوت است.

در ابتدا وقتی هیچ جریانی از بیس عبور نمی کند، مقاومت در برابر CE بسیار زیاد است و هیچ جریانی از آن عبور نمی کند. وقتی ولتاژ 0.7 ولت یا بالاتر از آن در پایه بیس اعمال می شود، اتصال BE پراکنده می شود و باعث می شود اتصال CB پراکنده شود. اکنون جریان بر اساس بهره از کلکتور به امیتر جریان می یابد.

الف) PSPICE شبیه سازی BJT به عنوان سوئیچ، و ب) معادل سوئیچ شرایط

حال بیایید ببینیم چگونه می توان با کنترل جریان بیس جریان خروجی را کنترل کرد. با در نظر گرفتن IC = 42mA و پیروی از همان فرمول بالا IB = 0.35mA بدست می آوریم. RB = 14.28kOhms ≈ 15kOhms.

الف) PSPICE شبیه سازی BJT به عنوان سوئیچ، و ب) معادل شرایط سوئیچ

تغییر مقدار عملی از مقدار محاسبه شده به دلیل افت ولتاژ در ترانزیستور و بار مقاومتی است که استفاده می شود.

ترانزیستور به عنوان آمپلی فایر

تقویت یعنی تبدیل سیگنال ضعیف به فرم قابل استفاده است. روند تقویت در بسیاری از کاربرد ها مانند سیگنال های بی سیم منتقل شده، سیگنال های دریافت شده بی سیم، پخش کننده های Mp3، تلفن های همراه و… یک گام مهم بوده است. ترانزیستور می تواند نیرو، ولتاژ و جریان را در تنظیمات مختلف تقویت کند.

برخی از تنظیمات مورد استفاده در مدار های تقویت کننده عبارتند از:

1. تقویت کننده امیتر مشترک
2. تقویت کننده کلکتور مشترک
3. تقویت کننده بیس مشترک

از انواع فوق نوع امیتر مشترک، پیکربندی محبوبی است و بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. این عملکرد در ناحیه فعال رخ می دهد، مدار تقویت کننده امیتر مشترک یک مرحله ای نمونه ای از آن است. یک نقطه بایاس ثابت و یک افزایش پایدار AC در طراحی یک تقویت کننده مهم است. هنگامی که فقط از یک ترانزیستور استفاده می شود، نام تقویت کننده تک مرحله ای است.

در بالا مدار تقویت کننده تک مرحله ای وجود دارد که در آن یک سیگنال ضعیف اعمال شده در پایه بیس به β برابر سیگنال واقعی در پایه کلکتور تبدیل می شود.

بخش هدف ترانزیستور NPN

CIN یک خازن کوپلینگ است که سیگنال ورودی را به پایه ترانزیستور متصل می کند. بنابراین این خازن منبع را از ترانزیستور جدا می کند و اجازه می دهد فقط سیگنال ac از آن عبور کند. CE خازن بای پس است که به عنوان مسیر مقاومت کم برای سیگنال تقویت شده عمل می کند. COUT خازن کوپلینگ است که سیگنال خروجی از کلکتور ترانزیستور را جفت می کند. بنابراین این خازن خروجی از ترانزیستور را جدا می کند و اجازه می دهد فقط سیگنال ac از آن عبور کند. R2 و RE پایداری تقویت کننده را فراهم می کند در حالی که R1 و R2 با هم عملکرد پایداری را در نقطه بایاس DC تضمین می کنند.

عملکرد:

مدار برای هر بازه زمانی بلافاصله عمل می کند. به راحتی می توان فهمید، وقتی ولتاژ AC در پایه بیس باعث افزایش جریان های جاری از طریق مقاومت امیترمی شود. بنابراین، این افزایش جریان امیتر جریان کلکتور را برای عبور از ترانزیستور افزایش می دهد که باعث کاهش ولتاژ کلکتور امیتر VCE می شود. به طور مشابه وقتی ولتاژ ورودی AC به صورت نمایی کاهش می یابد، ولتاژ VCE به دلیل کاهش جریان امیتر شروع به افزایش می کند.
تمام این تغییرات ولتاژ بلافاصله در خروجی منعکس می شوند که معکوس شکل موج ورودی خواهد بود، اما آن را تقویت می کند.

بر اساس جدول فوق، می توان از پیکربندی مربوطه استفاده کرد.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید