کاربرد ترانزیستورها – بخش اول { ترانزیستور در نقش یک کلید}

مقدمه

با سلام خدمت همه شما دوستان. در این جلسه و جلسه بعد میخوایم وارد بحث کاربرد ترانزیستورها بشیم و دو کاربرد اصلی ترانزیستورها یعنی سوییچینگ و تقویت کنندگی رو با هم دیگه بررسی کنیم ولی قبل از اون حتما لازمه که جلسات قبلی رو خونده باشید تا بتونید تحلیل های این جلسه رو به صورت کامل بفهمید. در زیر لینک جلسات قبلی آورده شده است:

جلسه اول: مقدمه و معرفی

جلسه دوم:بررسی ساختار و نحوه کار ترانزیستور

جلسه سوم: بررسی دقیق حالات کاری ترانزیستورها

ولی قبلش یه نکته خیلی مهم وجود داره که باید گفته بشه:

نکته مهم: در هنگام استفاده از ترانزیستور به عنوان یک سوییچ ، ترانزیستور در یکی از دو حالت Cut-off  و یا Saturation کار میکنه و در هنگام استفاده از ترانزیستور به عنوان یک تقویت کننده ترانزیستور در مدکاری Active فعالیت خواهد کرد. شکل زیر گویای همه چیزی هست:

[post_shop]

یکی ازکاربردهای اساسی ترانزیستورها اینه که رسیدن تغذیه به بخشی از مدار رو کنترل کنند. دقیقا مثل کاری که یه کلید انجام میده. کلید هم همین کار رو میکنه. یعنی اتصال تغذیه به بخشی از مدار رو قطع میکنه. ترانزیستور هم یه همینجور کاری میکنه. در واقع ترانزیستور یک کلید الکتریکی هست. اگه ترانزیستور رو در یکی از دو مد Cutoff و یا saturation راه اندازی کنیم ترانزیستور میتونه مثل یک کلید در حالت On/Off کار کنه.

از این کاربرد ترانزیستور در ساخت گیت های منطقی بسیار استفاده میشه که همونطور که میتونید میکروکنترلرها و آیسی ها هم از گیت های منطقی تشکیل شده اند و فکر میکنم حالا دیگه یه احساسی بدست آوردید که چرا این قدر این ترانزیستور مهمه.چون همه پردازنده ها هم از گیت های منطقی تشکیل شده اند. یعنی همه پردازنده ها از تعداد زیادی ترانزیستور تشکیل شده اند. به همین علت هست که گاهی میشنویم مثلا اینتل یک میلیارد ترانزیستور رو در فلان پردازنده اش استفاده کرده.

در زیر ابتدا توضیح خواهیم داد که چرا ترانزیستور میتونه نقش یک کلید رو بازی کنه و سپس چند مثال معروف در مورد این خاصیت ترانزیستور رو با همدیگه بررسی خواهیم کرد.

کاربرد ترانزیستور به عنوان کلید

شکل زیر رو نگاه کنید. در شکل زیر برای کنترل روشن یا خاموش بودن LED از یک ترانزیستوربه عنوان یک سوییچ استفاده کردیم.

در شکل بالا منبع تغذیه ورودی  به پایه بیس وصل شده. درشکل همه چیز وابسته به امیتری هست که زمین وصل شده و ولتاژش ثابت هست.

قبل از این که به طور دقیق عملکرد مدار بالا رو توضیح بدیم ذکر این نکته خالی از لطف نیست که در مدار بالا به پایه بیس میتونه یکی از پایه های میکروکنترلر و یا یکی از پایه های دیجیتال برد آردوینو وصل بشه. پس میتونه ورودی ما صفر ولت یا 5 ولت باشه و حضور یک منبع تغذیه هم الزامی نداره. پس با کدنویسی میشه LED بالا رو کنترل کرد. حالا این خاصیت به چه دردی میخوره؟ یک کلید فیزیکی و یک منبع تغذیه 5 ولت  هم که برای ما همین کار رو انجام میده.

جواب اینجاست که برای این که یک کلید فیزیکی این کار رو به صورت هوشمندانه انجام بده حتما به حضور ما نیاز هست در حالی که اگه ورودی به یک پایه میکروکنترلر وصل بشه و ما فقط کدنویسی رو انجام بدیم و مدار رو به حال خودش رها کنیم در موارد مورد نیاز LED خاموش و یا روشن میشه. بدون این که ما بالای سر مدارمون باشیم.

همونطور که گفته شد ترانزیستور در هنگام استفاده به عنوان یک سوییچ در یکی از دو حالت saturation و  یا cut-off کار میکند و اگه در این حالت ولتاژ بیس- امیتر از 0.6 ولت بیشتر بشه ترانزیستور در مد saturation و اگه این ولتاژ کمتر از 0.6 ولت باشه ترانزیستور در مد cut-off خواهد بود. 
حالا برگردیم به مدار بالا. همونطور گه گفته شده  در مدار بالا اگه ولتاژ بیس از 0.6 ولت بیشتر بشه ترانزیستور وارد مد اشباع میشه و انگار که بین کلکتور و امیتر اتصال کوتاه انجام شده. در این حالت LED روشن خواهد شد. اما  اگه این ولتاژ  از 0.6 ولت کمتر بشه ترانزیستور وارد مد Cut-off میشه و در این حالت انگار بین کلکتور و امیتر مدار باز هست و جریانی از کلکتور به امیتر نمیگذره پس LED خاموش خواهد شد. میبینید که این نحوه کارکرد دقیقا مثل یک سوییچ خواهد بود.

پس همونطور که دیدیم در اینجا ترانزیستور نقش یک کلید رو ایفا خواهد کرد.

به اینچنین مدارهایی که که در اون سوییچ ( در اینجا ترانزیستور) در سمت زمین (GND ) قرار گرفته مدارهای Low Side switch گفته میشه. مدارهای High Side Switch رو میشه با استفاده از ترانزیستور PNP ساخت. در شکل زیر استفاده از یک ترانزیستورPNP  به عنوان Swtich در یک مدار High Side Swtich نشون داده شده:

مشابه مدار NPN ، در اینجا پایه بیس نقش ورودی رو ایفا میکنه و پایه امیتر به یک ولتاژ ثابت ( در اینجا 12 ولت)متصل شده. . در این مدار هم با این که امیتر به ولتاژ 12 ولت وصل شده باز هم بار ما ( که در اینجا یک موتور هست) در سمتی از ترانزیستور قرار گرفته که اون سمت به زمین متصل شده. این مدار هم درست مثل مدار NPN کار میکنه. اما در اینجا یک تفاوت بزرگ وجود داره :

نکته ای که در مورد این مدار وجود دارد این است که اگر پایه بیس به یک پایه میکروکنترلر یا مثلا یکی از پایه های خروجی دیجیتال برد آردوینو متصل شود ، آنگاه این موتور همیشه روشن خواهد بود و ما هیچ کنترلی بر روی آن نخواهیم داشت. اما علت چیست؟ خروجی دیجیتال برد آردوینو (در برد UNO ) یا 5 ولت است و یا 0 ولت. در هر دوی این حالت ها اختلاف ولتاژ امیتر و بیس از 0.6 ولت بیشتر است. بنابراین ترانزیستور همواره در مد اشباع قرار میگیرد و بنابراین موتور همواره روشن خواهد بود.

نکته مهم در مورد مقاومت بیس:

در دو مدار بالا اگه دقت کرده باشید ما از یک مقاومت سری بیس ولتاژ ورودی و پایه بیس ترانزیستور استفاده کردیم. توجه داشته باشید که حتما باید این مقاومت باشه. یک ترانزیستور بدون مقاومت بیس مثل یک LED هست که سر راهش یک مقاومت ( برای محدود کردن جریان )  نباشه. ( در مورد نقش یک مقاومت در محدود کردن جریان یک ترانزیستور میتونید این مطلب رو بخونید)

یادتون باشه ترانزیستور مثل دو تا دیود هستند که از دو سر به همدیگه وصل شده اند. ما برای این که LED مون ( در مدار اول ) یا موتورمون ( در مدار دوم) روشن بشه باید دیود موجود در بیس امیتر رو در حالت Forward bias قرار بدیم و این دیود برای قرار گرفتن در این حالت فقط به 0.6 ولت نیازه داره و اگه ولتاژ بیشتر بهشون برسه جریان بیشتری هم مصرف میکنن و بعضی از ترانزیستورها ماکزیمم جریان عبوری از اون ها در یک رنج مثل 10 تا 100 میلی آمپر هست و اگه جریان بیشتری ازشون عبور کنه ، آسیب میبینن و میسوزن.

مقاومت سری که بین ورودی و بیس قرار میگیره ، جریان ورودی به بیس رو محدود میکنه.  پس در این حالت ولتاژ بیس امیتر ترانزیستور در همون رنج 0.6 ولت قرار میگیره و باقی ولتاژ در دو سر مقاومت قرار میگیره. مقدار مقاومت و ولتاژ دو سر مقاومت ، جریان عبوری رو تعیین میکنن.

شکل زیر کل توضیحات بالا رو در یک مدار به طور خلاصه نشون داده.

توجه داشته باشید که مقدار مقاومت باید به اندازه کافی بزرگ باشه که بتونه جریان رو محدود کنه  و از طرفی هم نباید اونقدر بزرگ باشه که به بیس هیچ جریانی نرسه و در واقع باید به بیس یه حداقل جریانی برسه. حداقل جریان ممکن  1 تا 10 میلی آمپر می باشد که در شکل بالا این عدد 4.3 میلی آمپر هست. اما برای اطمینان حتما دیتاشیت مربوط به ترانزیستورتون رو چک کنید.

در مورد نحوه محاسبه  دقیق این مقاومت ها حتما یک جلسه رو خواهیم گذاشت و دقیق بررسی خواهیم کرد که این مقادیر باید چه مقداری داشته باشن.

ساخت گیت های منطقی با استفاده از ترانزیستورها

ترکیب ترانزیستورها با همدیگه میتونه گیت های منطقی اساسی مثل AND و OR و NOT رو برای ما بسازه.

تذکر: امروزه از MOSFET ها برای ساخت گیت های منطقی استفاده میشه و کمتر از BJT ها استفاده میکنن . MOSFET ها کارآمدی بیشتری دارند و به همین دلیل گزینه بهتری هستند.

ساخت گیت منطقی معکوس ساز (NOT) :

در مدار زیر ترانزیستور نقش یک معکوس ساز رو ایفا میکنه:

در مدار بالا اگه ولتاژ بیس در حدی باشه که ولتاژ بیس – امیتر بیشتر از 0.6 ولت بشه (مثلا 5 ولت)، آنگاه ترانزیستور در مد Saturation قرار میگیره و بنابراین بین کلکتور و امیتر اتصال کوتاه میشه و چون امیتر به زمین وصل میشه  پس ولتاژ کلکتور میشه 0  ( البته به طور دقیق تر اگه بخوایم بحث کنیم این ولتاژ که با نام V_CE(sat) نشون داده میشه چیزی در حدود 0.05 ولت تا 0.2 ولت میشه که البته این مقدار اگه بخوایم به لحاظ منطقی حسابشم کنیم میشه 0 منطقی)

همچنین اگه به بیس صفر ولت بدیم( یا ولتاژی اعمال بشه که ولتاژ بیس- امیتر درحد 0.6 ولت نشه) در این حالت ترانزیستور در مد Cut-off قرار میگیره و ولتاژ کلکتور برابر VCC میشه

(این ساختار در واقع یکی از ساختارهای اساسی ترانزیستورهاست که با نام Common-emitter شناخته میشه که در جلسه آینده در موردش صحبت خواهیم کرد)

ساخت گیت AND دو ورودی :

در مدار زیر با استفاده از دو ترانزیستور یک گیت AND دو ورودی ساخته شده است:

تحلیل این مدار واقعا ساده است ولی با این حال برای کامل شدن بحث در اینجا اون رو توضیح میدیم.

قبل از اینکه توضیح بدیم میدونیم که خروجی گیت AND دو ورودی تنها در حالتی یک است که هر دو ورودی یک باشد و در غیر این صورت خروجی صفر است.

در مدار بالا اگه یکی از دو ورودی و یا  هر دوتاشون  صفر ولت باشن آنگاه یکی از ترانزیستورها خاموش خواهد شد و بنابراین خروجی برابر صفر میشه و اگه هر دو ورودی برابر 5 ولت باشن ( یا در حدی باشن که بتونن دو ترانزیستور رو به حالت saturation ببرن) آگاه ولتاژ VCC مستقیما به خروجی ما میره و بنابراین خروجی برای 1 میشه.

ساخت گیت OR دو ورودی:

در مدار زیر یک گیت OR دو ورودی نشون داده شده.

میدوینم در یک گیت OR دو ورودی،خروجی فقط در حالتی صفر است که هر دو ورودی صفر باشه و در بقیه حالات خروجی برابر 1 است.

در مدار بالا اگه هر کدوم از ورودی ها و یا هر دوتاشون برابر 5 ولت باشن ( و یا در حدی باشن که ولتاژ بیس امیتر از 0.6 ولت بیشتر بشه و ترانزیستور رو به مد saturation ببره) آنگاه  بین کلکتور و امیتر ترانزیستوری که روشن شده اتصال کوتاه رخ میده و بنابراین خروجی برابر VCC یا همون 1 منطقی میشه و اگه هر دو ورودی هم برابر صفر باشن در این صورت دو ترانزیستور در مد Cut-off قرار میگیرن و بنابراین خروجی برابر صفر میشه.

پل H

مدار پل H ( به انگلیسی H-Bridge ) مداری هست که با استفاده از ترانزیستورها ساخته میشه و قابلیت راه اندازی یک موتور و چرخش اون در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت رو داره. این مدار فوق العاده مدار معروفی هست و در ربات ها کاربرد فراوانی داره و کمک میکنه که ربات به عقب و یا جلو حرکت کنه. ( البته طبیعتا باید به ازای هر یک موتور یک دونه از این مدارها باشه)

در حالت پایه یک مدار پل H از 4 ترانزیستور تشکیل شده و دارای دو ورودی و دو خروجی هست. شکل این مدار در زیر آورده شده:

تذکر: البته در عمل مدار واقعی یه خورده تفاوت داره و در اونجا از دیودهای flyback ، مقاومت در بیس و اشمیت تریگر استفاده میشه.

در مورد کاربردهای دیودها و دیود flyback قبلا صحبت کردیم که از این لینک در دسترس هست.

اگه هر دو ورودی ولتاژ یکسانی رو داشته باشند. آنگاه دو خروجی هم که به موتور وصل شده اند ولتاژ یکسانی خواهند داشت و در نتیجه موتور نمیتونه چرخشی رو انجام بده. اما اگه دو ورودی ولتاژ های محختلفی رو داشته باشند ( یعنی یکی زمین باشه و دیگری مثلا 5 ولت) آنگاه موتور خواهد چرخید.

این مدار یک جدول درستی داره که در شکل زیر نشون داده شده.

تحلیل:

در مدار بالا اگه ورودی 1 ولتاژ داشته باشه و به ورودی 2  صفر ولت وصل بشه آنگاه ترانزیستور 1 در مد Cut-off و ترانزیستور 2 در مد Saturation قرار میگیره و بنابراین طرف مثبت موتور به زمین وصل میشه.(Out A برابر صفر میشه)  از اون ور هم ترانزیستور 3 وارد مد Saturation میشه و ترانزیستور 4 هم وارد مد Cut-off میشه و بنابراین طرف منفی موتور به VCC وصل میشه ( Out A برابر VCC میشه) و باعث میشه مدار در خلاف جهت عقربه های ساعت حرکت کنه.

در حالتی هم ورودی 1 صفر ولت هم و ورودی 2 ولتاژ داره تحلیل مشابهی وجود داره که به عنوان تمرین به خودتون واگذار میشه. ( اگه واقعا میخواید این بحث رو خود باید بگیرید این تمرین ها رو انجام بدید)

مداراسیلاتور ( نوسان ساز)

اسیلاتور( نوسان ساز) مداری است که یک سیگنال متناوب تولید میکنه. از اسیلاتورها در همه نوع مداری استفاده میشه. از مدارهای ساده LED چشمک زن تا در میکروکنترلرها . راه های مختلفی برای ساخت این مدارهای اسیلاتوری وجود داره از جمله استفاده از کریستال کوارتز، آپ امپ ها و البته ترانزیستورها.

در مدار زیر یک مدار نوسان ساز نشون داده شده که به این مدار مولتی ویبراتور  Astable گفته میشه. با استفاده از فیدبک و یک جفت ترانزیستور ما میتونیم یک مدار نوسان ساز کامل بسازیم.

در کنار دو ترانزیستور ، دو خازن هم در این مدار نقشی کلیدی رو ایفا میکنند. این خازن ها پیوسته شارژ و دشارژ میشن که همین باعث میشه ترانزیستورها به طور پیوسته روشن و خاموش بشن.

تحلیل این مدار یک تمرین بسیار خوب برای فهمیدن دقیق خازن و ترانزیستور هست. که البته ما اینجا این تحلیل رو انجام میدیم. برای شروع فرض کنید خازن C1 به صورت کامل شارژ شده. (ولتاژی در حدود VCC رو در خودش ذخیره کرده) و C2 دشارژ هست ،همچنین ترانزیستور Q1 روشن و Q2 خاموش هست. در زیر گام به گام بررسی کردیم که چه اتفاقی میفته:

[/ihc-hide-content]

• اگه Q1 روشن باشه ( یعنی در مد Saturation باشه) آنگاه طرف مثبت خازن C1 ( در مدار بالا) به زمین وصل میشه و این به خازن C1 اجازه میده که از طریق کلکتور خودش رو دشارژ کنه.
• درحالی که C1 دشارژ میشه ، خازن C2 به خاطر پایین بودن مقدار مقاومت R4 خیلی سریع شارژ میشه.
• وقتی که C1 کامل دشارژ شد، طرف راست این خازن ولتاژی در حدود 0.6 ولت خواهد داشت که این باعث روشن شدن ترانزیستور Q2 خواهد شد.
• در این مرحله شرایط کاملا بر عکس میشه. C1 دشارژ شده. C1 شارژ شده .ترانزیستور Q1 خاموش هست و ترانزیستور Q2 هم روشن هست.
• سپس ترانزیستور Q2 به خازن C2 اجازه میده که از طریق کلکتور Q2 خودش رو تخلیه کنه
• در حالی که Q1 خاموش هست C1 میتونه از طریق مقاومت R1 شارژ بشه.
• وقتی که C2 به صورت کامل دشارژ شد، ترانزیستور Q1 برمیگرده به حالت روشن و در واقع مدار به حالت اولیه برمیگرده.

با استفاده از مقادیر مشخصی که به C1 و C2 و R2 و R3 بدیم ( و همچنان R1 و R4 را کوچک نگه داریم) ما میتونیم فرکانس موج خروجی رو از رابطه ی زیر بدست بیاریم:

[/post_shop]

بنابراین اگه مقدار دو تا خازن برابر 10uF و مقدار دو مقاومت R2 و R3 برابر 47 کیلواهم باشه آنگاه فرکانس موج خروجی چیزی در حدود 1.5 هزتر خواهد بود که LED ما در هر ثانیه حدود 1.5بار چشمک میزنه.

در مورد تحلیل این مدار اگه براتون سوالی پیش اومد یا نیاز به توضیح بیشتری بود بفرمایید تا توضیحات لازم داده بشه.

ترانزیستورها در جاهای مختلفی کاربرد دارند و ما فقط تعداد کمی از این مدارها رو با یکدیگه بررسی کردیم. در جلسه بعد وارد یه سری دیگه از این مدارها رو بررسی خواهیم کرد که اون مدارات کاربرد ترانزیستور رو در زمینه تقویت کنندگی نشون میدن. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید: