سوییچ ترانزیستوری

از ترانزیستورها می‌توانیم به عنوان کلید استفاده کنیم تا یک المان که با ولتاژ DC پایین کار می‌کند را خاموش یا روشن کنیم. برای اینکه ترانزیستور مانند کلید عمل کند باید آن را به حالت قطع یا اشباع ببریم .

هنگامی که ترانزیستور به عنوان یک تقویت‌کننده AC به کار برده می‌شود، در ناحیه فعال خود قرار دارد و در نتیجه مطابق بخش خطی منحنی مشخصه خروجی اش عمل می‌کند .

به هر حال هر دو نوع ترانزیستورهای دوقطبی ( PNP و NPN) می‌توانند به عنوان سوییچ حالت جامد مورد استفاده قرار بگیرند . برای نیل به این منظور، بیس ترانزیستور دو قطبی باید به گونه‌ای متفاوت از تقویت کننده های ترانزیستوری بایاس شود .

سوییچ های حالت جامد یکی از کاربردهای ترانزیستورها را به منظور قطع و وصل کردن جریان DC نشان می‌دهند. برخی المان‌های الکترونیکی مانند LED، برای روشن شدن تنها به چند میلی‌آمپر جریان نیاز دارند و با ولتاژ DC کم کار می‌کنند، بنابراین می‌توانند مستقیماً به خروجی گیت منطقی متصل شوند. اما المان‌های توان بالا مانند موتورها، سیم پیچ یا لامپ نیاز به توان فوق‌العاده بیشتری از آنچه که گیت منطقی تأمین می‌کند؛ دارند. بنابراین از سوییچ ترانزیستوری استفاده می‌کنند .

اگر یک مدار از ترانزیستورهای دو قطبی به عنوان سوییچ استفاده می‌کند، بایاس ترانزیستور صرف نظر از نوع آن باید طوری باشد که در دو طرف منحنی مشخصه I_V کار کند .

نواحی عمل‌کرد برای یک سوییچ ترانزیستوری ناحیه اشباع و ناحیه قطع می‌باشد و این بدان معناست که ما می‌توانیم نقطه Q و بخش‌هایی که برای حالت تقویت‌کنندگی ترانزیستور استفاده می‌شد را نادیده بگیریم. در چنین شرایطی با بردن ترانزیستور به ناحیه کاملاً روشن ( ناحیه اشباع ) یا ناحیه کاملاً خاموش ( ناحیه قطع ) از آن به عنوان یک کلید استفاده می‌کنیم .

نواحی عمل‌کرد

در شکل بخشی که با رنگ صورتی مشخص شده و در قسمت پایین منحنی قرار دارد ناحیه قطع را نشان می‌دهد قسمت آبی نیز که در سمت چپ مشخص شده وناحیه اشباع را نشان می‌دهد که در پاراگراف های بعدی در مورد این نواحی و ویژگی هایشان به طور کامل توضیح داده شده .

(۱) ناحیه قطع:

در این حالت جریان بیس و کلکتور صفر است .(IB=IC=0) و ولتاژ کلکتور (VCE) در ماکزیمم مقدار خود قرار دارد به همین دلیل عرض ناحیه تخلیه فوق‌العاده زیاد می‌شود و هیچ جریانی نمی‌تواند از ترانزیستور عبور کند بنابراین ترانزیستور در حالت قطع قرار دارند .

مشخصات ناحیه قطع

ــ ورودی و بیس به زمین متصل شده‌اند بنابراین ولتاژ آن‌ها مساوی صفر است .

ــ ولتاژ بیس ــ امیتر کمتر از ۰/۷ می‌باشد (VBE<۰.۷) .

ــ پیوند بیس ــ امیتر بایاس معکوس شده .

ــ پیوند بیس ــ کلکتور بایاس معکوس شده .

ــ ترانزیستور کاملاً خاموش است. (در ناحیه قطع قرار  دارد)

ــ هیچ جریان ی از کلکتور عبور نمی‌کند .(IC=۰)

ــ “”Vout=VCE=VCC=’’۱

ــ ترانزیستور به عنوان یک کلید مدار باز عمل میکند .

بر اساس اطلاعاتی که در جدول درج شده، می‌توان ناحیه قطع را تعریف نمود. در این حالت که ترانزیستور کاملاً خاموش است هر دو پیوند ترانزیستور بایاس معکوس شده‌اند. VB<0.7 و IC=0 برای یک ترانزیستور PNP اختلاف پتانسیل امیتر باید نسبت به بیس منفی باشد .

(۲) ناحیه اشباع

در این ناحیه ترانزیستور طوری بایاس می‌شود که جریان بیس به ماکزیمم مقدار خود برسد در نتیجه جریان کلکتور به حداکثر خواهد رسید و افت ولتاژ کلکتور ــ امیتر به حداقل می‌رسد متعاقباً عرض ناحیه تخلیه کاهش می‌یابد و به نازک ترین حد ممکن می‌رسد در نتیجه ماکزیمم جریان از ترانزیستور عبور میکند و ترانزیستور در حالت کاملاً روشن قرار می‌گیرد .

مشخصات ناحیه اشباع

ــ ورودی و بیس به VCC متصل شده‌اند .

ــ ولتاژ بیس ــ امیتر کمتر از ۰/۷ می‌باشد. (VBE>۰.۷)

ــ پیوند بیس ــ امیتر بایاس مستقیم شده .

ــ پیوند بیس ــ کلکتور بایاس مستقیم شده .

ــ ترانزیستور کاملاً روشن است ( در ناحیه اشباع قرار دارد .)

ــ ماکزیمم جریان از کلکتور عبور میکند .

ــ ( IC=VCC/RL )

بنابراین می‌توانیم ناحیه اشباع یا حالت روشن را در یک ترانزیستور دو قطبی به صورت زیر تعریف کنیم :

هر دو پیوند ترانزیستور بایاس مستقیم شده‌اند. VB>0.7v ، ماکزیمم جریان از کلکتور عبور می‌کند (IC=MAX). برای یک ترانزیستور PNP اختلاف پتانسیل امیتر باید نسبت به بیس مثبت باشد.

ترانزیستور در حالت قطع یا اشباع به منزله یک کلید تک پل تک حالته (SPST : Single Pole Single Throw) حالت جامد عمل میکند هنگامی که سیگنال با ولتاژ صفر به بیس اعمال می‌شود، ترانزیستور خاموش خواهد شد و مانند کلید معمولی در حالت مدار باز عمل می‌کند. اما با اعمال سیگنال جریان مثبت به بیس، ترانزیستور روشن می‌شود و مانند کلید در حالت مدار بسته عمل می‌کند. در این حالت ماکزیمم جریان از ترانزیستور عبور می‌کند .

راحت‌ترین راه برای افزایش توان مدار، استفاده از ترانزیستور با خروجی کلکتور باز و اتصال مستقیم امیتر به زمین می‌باشد. در این حالت کلکتور ترانزیستور ولتاژ‌های تغذیه خارجی را به سمت زمین مدار خواهد کشید .

 در زیر مثالی از یک ترانزیستور NPN نشان داده شده که قرار است به عنوان راه انداز یک رله به کار رود هنگامی که بارهای القایی همانند رله یا سیم پیچ در مدار وجود دارند، یک دیود هرزگرد موازی با بار در مدار قرار می‌گیرد تا نیرو محرکه مغناطیسی (EMF : Electro Motive Force) که توسط بار القایی در حالت خاموش ترانزیستور به وجود می‌آید را مصرف کند. در صورت عدم استفاده از دیود هرزگرد ترانزیستور آسیب خواهد دید.

اگر بار القایی فوق‌العاده توان بالا باشد ( همانند موتور ، هیتر یا …) جریان بار باید توسط یک رله به صورتی که در شکل زیر نشان داده شده کنترل شود.  

یک مدار ساده که در آن از ترانزیستور به عنوان سوییچ استفاده شده

همان‌طور که می‌بینید،  این مدار تا حد زیادی شبیه به مدار امیتر مشترک است. با این تفاوت که عملکرد ترانزیستور در این مدار به عنوان یک سوییچ است که باید به ناحیه قطع یا ناحیه اشباع برود. یک سوییچ ترانزیستوری ایده‌آل در حالت خاموش دارای مقاومت بی نهایت بین کلکتور و امیتر می‌باشد؛ که باعث می‌شود هیچ جریانی از آن عبور نکند و در حالت روشن مقاومت بین کلکتور و امیتر یک ترانزیستور ایده‌آل صفر خواهد بود که باعث عبور حداکثر جریان از ترانزیستور می‌شود .

اما در عمل ، هنگامی‌که ترانزیستور خاموش می‌شود، جریان نشتی کوچکی از ترانزیستور عبور می‌کند و در حالت کاملاً روشن مقاومت کمی بین کلکتور و امیتر وجود خواهد داشت که باعث افت ولتاژ کمی (VCE) در ناحیه پیوند کلکتور و امیتر می‌شود. حتی با وجود اینکه ترانزیستور یک سوییچ ایده‌آل نیست توان تلفاتی فوق‌العاده کمی دارد .

در ترانزیستور NPN برای اینکه جریان از بیس عبور کند ولتاژ بیس باید مثبت‌تر از ولتاژ امیتر باشد، اگر ترانزیستور از جنس سیلیکون باشد، اختلاف ولتاژ بین بیس و امیتر باید به ۰/۷ + برسد. با ایجاد تغییرات در VBE جریان بیس نیز تغییر می‌کند که تغییر جریان بیس به نوبه خود باعث تغییر جریان کلکتور خواهد شد.

هنگامی که ماکزیمم جریان از کلکتور عبور می‌کند گفته می‌شود که ترانزیستور به حالت اشباع رفته است. میزان مقاومت بیس تعیین می‌کند که چه میزان ولتاژ ورودی برای به حداکثر رساندن جریان بیس و متعاقباً کلکتور نیاز است تا ترانزیستور به حالت اشباع یا کاملاً روشن برود .

سوییچ های ترانزیستوری - مثال ۱

مقادیر یک مدار ترانزیستوری به صورت زیر می‌باشد. مقدار RB باید چقدر باشد تا ترانزیستور در حالتی که ولتاژ ترمینال ورودی از ۲/۵v تجاوز می‌کند، به حالت اشباع برود؟

β=200  ‚   Ic= 4 mA  ‚   IB= 20 µA

راه حل :

نزدیک‌ترین مقاومت استاندارد به مقدار برآورد شده 82KΩ می‌باشد که تضمین خواهد کرد ترانزیستور همواره در حالت اشباع باقی خواهد ماند.

سوییچ های ترانزیستوری - مثال ۲

مقادیر مدار ترانزیستوری در این مثال مشابه مثال (۱) می‌باشد.  با در نظر گرفتن این مسأله حداقل جریان بیس و مقاومت آن را در حالت اشباع و در حالی‌که ولتاژ ورودی به ۵ ولت می‌رسد محاسبه کنید.

 راه حل :

جریان بیس ترانزیستور :

مقاومت بیس ترانزیستور :

سوییچ‌های ترانزیستوری کاربردهای فراوانی در ساخت مدارهای توان بالای موتور، رله یا لامپ‌ها دارند. همچنین می‌توان از آن‌ها برای IC‌های دیجیتال یا گیت‌های منطقی مانند گیت AND یا OR استفاده نمود. در مدارات دیجیتال، خروجی از یک گیت منطقی تنها ۵ ولت است، اما شاید المانی که باید با این گیت کنترل شود نیاز به ولتاژ تغذیه بیشتری داشته باشد یا در برخی مواقع کنترل سرعت موتورهای DC توسط یک سری از پالس‌ها انجام می‌گیرد: (مدولاسیون پهنا باند )(PWM). در این حالات، سوییچ‌های ترانزیستوری ما را قادر می‌کنند تا سریع‌تر و راحت‌تر از سوییچ‌های مکانیکی به مقصود خود برسیم .

سوییچ های ترانزیستوری منطق دیجیتال

مقاومت بیس RB برای محدود کردن جریان خروجی از گیت منطقی به کار می‌رود .

سوییچ ترانزیستوری PNP

همچنین ما می‌توانیم از ترانزیستورهای PNP نیز به عنوان سوییچ استفاده کنیم. اما این بار تفاوت در این است که بار به زمین (V=0) متصل شده و ترانزیستور PNP قرار است منبع تغذیه را در حالت کاملاً روشن به بار متصل کند. به منظور بردن ترانزیستور به حالت کاملاً روشن، ترمینال بیس همان‌طور که در شکل نشان داده شده به زمین ( صفر ولت ) یا ( سطح پایین ولتاژ ) متصل شده‌است .

مدار سوییچینگ ترانزیستور PNP

معادلات برای محاسبه مقاومت بیس، جریان کلکتور و ولتاژها شبیه به سوییچ ترانزیستوری می‌باشد، تنها تفاوت در این است که ترانزیستور در حالت کاملاً روشن منبع تغذیه را سوییچ می‌کند ( سورس جریان خواهد بود ) اما ترانزیستور NPN، در حالت کاملاً روشن زمین را سوییچ می‌کند ( کشنده جریان ) .

سوییچ ترانزیستوری دارلینگتون (Darlington Transistor Switch)

گاهی اوقات بهره جریان DC یک ترانزیستور دو قطبی برای اینکه مستقیماً جریان یا ولتاژ بار را سوییچ کند فوق‌العاده پایین است. بنابراین از چند ترانزیستور به عنوان سوییچ استفاده می‌شود. در این شرایط یک ترانزیستور در ورودی مدار قرار می‌گیرد تا کنترل خاموش یا روشن کردن جریانی بزرگ‌تر که از ترانزیستور خروجی می‌گذرد را بر عهده بگیرد. برای به حداکثر رساندن بهره سیگنال، دو ترانزیستور در حالت مکمل یا دارلینگتون به یکدیگر متصل می‌شوند. در پیکر بندی دارلینگتون فاکتور تقویت‌کنندگی حاصل دو ترانزیستور مجزا می‌باشد .

در پیکر بندی دارلینگتون از دو ترانزیستور دو قطبی NPN یا PNP استفاده شده و این دو ترانزیستور به نحوی به یکدیگر متصل شده‌اند که بهره جریان اولین ترانزیستور در بهره جریان دومین ترانزیستور ضرب شود و هر دو در کنار هم مانند یک ترانزیستور با بهره فوق‌العاده بالای جریان عمل کنند. در  این حالت β یا مقدار hfe حاصل بهره دو ترانزیستور می‌باشد که به صورت زیر محاسبه خواهد شد.

ترانزیستورهای دارلینگتون یا مقادیر β و جریان کلکتور فوق‌العاده بالا می‌توانند به منزله یک مدار سوییچ یکپارچه در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال اگر بهره جریان ترانزیستوری که در ورودی مدار قرار گرفته ۱۰۰ باشد و بهره ترانزیستور دوم را ۵۰ در نظر بگیریم، بهره کل مدار به صورت ۱۰۰*۵۰=۵۰۰۰ محاسبه می‌شود. بنابراین اگر جریانی که از بار می‌گذرد ۲۰۰mA باشد جریان بیس دارلینگتون تنها ۲۰۰mA /۵۰۰۰ =۴۰µA بوده است.

یک مثال از مدل دو مدل پایه پیکربندی دارلینگتون در زیر آورده شده :

پیکربندی دارلینگتون

در پیکربندی دارلینگتونی که در شکل بالا نشان داده شده، کلکتور دو ترانزیستور به یکدیگر متصل شده و امیتر اولین ترانزیستور به ترمینال بیس دومین ترانزیستور اتصال دارد. بنابراین جریان امیتر اولین ترانزیستور، جریان بیس دومین ترازیستور خواهد بود و آن را روشن می‌کند.

اولین ترانزیستور که ترانزیستور ورودی نیز نام دارد، سیگنال ورودی را از بیس دریافت و سپس آن را تقویت می‌کند و از این جریان تقویت‌شده برای روشن کردن ترانزیستور دوم ( خروجی ) استفاده می‌شود. در این حالت جریان دوباره تقویت شده و بهره جریان به حد زیادی بالا می‌رود. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های پیکر‌بندی دارلینگتون، بهره جریان فوق‌العاده بالای آن نسبت به ترانزیستور تکی دو قطبی است.

علاوه بر افزایش خارق‌العاده جریان و بالا بردن قابلیت‌های سوییچینگ ، یکی دیگر از فواید پیکربندی دارلینگتون این است که سرعت سوییچ فوق‌العاده بالایی دارد که آن را برای استفاده در مدار اینورتر ، مدار روشنایی و موتور های DC یا کنترل استپ موتور ایده‌آل می‌کند .

نکته‌ای که در پیکربندی دارلینگتون باید مد نظر قرار گیرد، این است که ولتاژ امیتر ـ بیس ترانزیستور ورودی ( اگر ترانزیستورها از جنس سیلیکون باشند ) باید بالاتر از ۱/۴ ولت باشد (VBE >1.4 v ) تا هدایت آغاز گردد، چرا که دو پیوند PN با یکدیگر سری شده‌اند.

خلاصه مطالب سوییچ ترانزیستوری

ــ از سوییچ های ترانزیستوری می‌توان برای مدارات روشنایی، رله‌ها و روشن و خاموش کردن موتورها استفاده نمود .

ــ هنگامی که از یک ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوییچ استفاده می‌شود، ترانزیستور باید یا در ناحیه قطع یا در ناحیه اشباع باشد .

ــ ترانزیستوری کاملاً روشن است که به حالت اشباع رفته باشد .

ــ ترانزیستوری کاملاً خاموش است که در ناحیه قطع قرار داشته باشد .

ــ در حالت سوییچ، جریان بیس ، جریان بزرگ‌تری را در کلکتور کنترل می کند.

ــ هنگام استفاده از سوییچ های ترانزیستوری ، در هدایت جریان از بار القایی مانند رله یا سیم پیچ به دیود هرزگرد نیاز خواهد بود ( در غیر اینصورت ترانزیستور آسیب خواهد دید ).

ــ برای کنترل ولتاژ یا جریان خیلی زیاد، از ترانزیستورهای دارلینگتون استفاده می‌شود .

در مقاله ی بعدی به توضیح ترانزیستورهای JFET یا ( Junction Field Effect Transistors) خواهیم پرداخت. سپس منحنی مشخصه خروجی تقویت کننده JFET را به عنوان تابعی از ولتاژ سورس نسبت به ولتاژ گیت رسم می‌کنیم .