آموزش الکترونیکالکترونیک

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.

ساختار داخلی ترانزیستور NPN

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.

برای یادگیری کامل آردوینو ، روی دوره آموزش آردوینو و برای یادگیری کامل الکترونیک، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

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.

مطلب پیشنهادی:  مخترع برق و لامپ چه کسی بود؟ (تسلا یا ادیسون)

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.

ترانزیستور NPN به عنوان سوئیچ

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:

محاسبه جریان و بیس ترانزیستور های NPN

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.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

استفاده از ترانزیستور NPN مشابه سوئیچ

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.

آموزش کامل ترانزیستور NPN

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.

ترانزیستور NPN در نرم افزار pspice

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
مطلب پیشنهادی:  مدار دیمر چیست؟ تحلیل انواع مدار دیمر AC و...

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.

ترانزیستور NPN به عنوان آمپلی فایر

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.

نمودار سیگنال ترانزیستور برای تقویت

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.

مشخصات Base مشترک Emitter مشترک Collector مشترک
بهره ولتاژ زیاد معمولی کم
بهره جریان کم معمولی زیاد
بهره توان کم خیلی زیاد معمولی

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

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

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

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *