جلسه سوم آموزش ترانزیستور – بررسی حالت های کاری ترانزیستور

مقدمه

سلام خدمت شما دوستان گرامی. قبلا دو جلسه در مورد ترانزیستور منتشر کرده بودیم. در این جلسه میخوایم نحوه عملکرد ترانزیستور و مدهای کاری اون رو با همدیگه بررسی کنیم .

لینک جلسات قبلی ترانزیستور جهت مطالعه:

• آموزش ترانزیستور بخش اول
• آموزش ترانزیستور بخش دوم

توضیح حالت های کاری ترانزیستورها با استفاده از شیر آب

اگه قبلا مطالب ما رو پیگیری کرده باشید ما در جلسه مربوط به ولتاژ و جریان و قانون اهم یک بار از این مثال استفاده کردیم. در اونجا گفتیم که جریان الکتریکی مشابه “جریان آب” ولتاژ مشابه “فشار آب” هست و مقاومت هم شبیه به “پهنای لوله”. شکل زیر رو ببینید:

حالا میخوایم  از همین مثال برای توضیح نحوه عملکرد ترانزیستور هم استفاده کنیم.

ترانزیستورمثل شیر آب هست. ما با شیر آب میزان جریان آب رو کنترل میکنیم و با ترانزیستور هم میزان جریان الکتریکی رو.
میخوایم مدهای کاری ترانزیستور (همراه با مثال شیرآب)  رو به صورت کلی بررسی کنیم.

[post_shop]

این حالت مشابه وقتی هست که شیرفلکه کامل باز هست و آب خیلی راحت جریان پیدا میکنه. انگار که اصلا شیرفلکه ای وجود نداره. شکل زیر رو ببینید.

در ترانزیستور هم مشابه این حالت وجود داره. در واقع در این حالت جریان از کلکتور وارد میشه و آزادنه حرکت میکنه و در نهایت از امیتر خارج میشه. انگار که بین امیتر و کلکتور اتصال کوتاه صورت گرفته.

این حالت وقتی پیش میاد که شیرفلکه آب کاملا بسته هست و جریان آب به صورت کامل قطع هست.

در ترانزیستورهم  مشابه این حالت وجود داره. در این حالت انگار که بین کلکتور و امیتر یه حالت مدارباز وجود داره.

این حالت هم خیلی تابلو هست دیگه. وقتیه که شیرآب یه مقدار باز هست و مقداری هم آب داره میاد ولی  این مقدار قابل تنظیم هست.

در ترانزیستور هم مشابه این حالت وجود داره و یه چیزی بین ترانزیستور در حالت روشن و ترانزیستور در حالت خاموش هست و میشه در این حالت جریان عبوری رو به صورت خطی کنترل کرد.

در مثال شبیه سازی ترانزیستور با شیر آب، پهنای لوله مشابه مقاومت مدار بود. شیرآب میتونه پهنای لوله رو کنترل کنه و در واقع جریان آب رو از این طریق کنترل میکنه و  به تبع اون  ترانزیستورها هم میتونه مقاومت بین کلکتور و امیتر رو کنترل کنه و از این طریق جریان الکتریکی رو کنترل کنه. به عبارت دقیق تر ترانزیستورها یه مقاومت متغیر قابل تنظیم هست.

توضیح دقیق حالت های کاری ترانزیستورها

مقاومت های قطعات خطی بودند و بین ولتاژ و جریان یه رابطه ی خطی برقرار میکردند.  ترانزیستورها قطعات غیر خطی هستند و دارای 4 مدکاری مختلف هستند که کنترل جریان از طریق این مدها قابل توصیف هست.

4 مد کاری ترانزیستور عبارتند از:

1-saturation ( اشباع) : در این حالت انگار بین کلکتور و امیتر اتصال کوتاه شده و جریان آزادنه از کلکتور به سمت امیتر حرکت میکنه.

2- Cut-off ( قطع) : در این حالت هیچ جریانی از کلکتور به سمت امیتر نمیره و انگار بین کلکتور و امیتر اتصالی وجود نداره.

3-Active (فعال) : در این حالت جریانی که بین کلکتور و امیتر جاری میشه متناسب با جریانی هست که از بیس میگذره.

4- reverse active ( معکوس فعال): مشابه حالت active هست ولی در این حالت جریان از امیتر به سمت کلکتور جاری میشه.

برای این که تشخیص بدیم ترانزیستور در چه حالتی هست باید ولتاژ هر سه پایه ترانزیستور بدونیم . اختلاف ولتاژ بین پایه های بیس و امیتر (V_BE) و بیس و کلکتور تعیین کننده مد کاری ترانزیستور هست. 

شکل زیر دید خوبی  در مورد مدهای کاری ترانزیستور به ما میده:

البته نمودار بالا یه خورده ساده شده است و در عمل مقداری این قضیه پیچیده تر هست ولی در کل این نمودار به ما یه دورنمای خوبی به آدم میده.

حالا اجازه بدید که مدهای کاری ترانزیستور رو  به صورت دقیق تر بررسی کنیم و ببینیم که چجور میشه ترانزیستور رو به هر کدوم از این مدها برد و هر کدوم از این مدها چه تاثیری روی جریان عبوری میذارن.

حالت اشباع حالت روشن بودن ترانزیستور هست . در این حالت انگار بین کلکتور و امیتر اتصال کوتاه شده و جریان به صورت کامل از کلکتور به امیتر منتقل میشه.

در حالت اشباع هر دو دیود موجود در ترانزیستور در حالت Forward bias هستند و این یعنی ولتاژ بیس امیتر(V_BE) و بیس کلکتور(V_BC) هر دوتاشون از صفر بزگتر هستند. به عبارت دیگه ولتاژ بیس از ولتاژ های کلکتور و امیتر بیشتره.

چون پیوند بین بیس و امیتر مشابه یک دیود هست V_BE در عمل باید از یه حدی بیشتر باشه تا ترانزیستور وارد این مد بشه. به این ولتاژ میگن ولتاژ آستانه (threshold voltage) و با نمادهای متفاوتی مثل V_th, V_γ ، V_d و … نشون داده میشه و این مقدار بین ترانزیستورهای مختلف هم متفاوته ( حتی گاهی به دما هم بستگی داره) ولی برای اکثر ترانزیستورها ( در دمای اتاق) میتونیم بگیم این ولتاژ چیزی در حدود 0.6 ولت هست.

این حالت دقیقا در تضاد با حالت saturation هست. در این حالت انگار هیچ اتصالی بین کلکتور و امیتر وجود نداره. پس از در این حالت جریانی از کلکتور و به تبع اون جریانی از امیتر نمیگذره.

برای این که ترانزیستور رو به این حالت ببرید باید ولتاژ بیس از ولتاژ کلکتور و از ولتاژ امیتر کمتر باشه. به عبارت دیگه ولتاژ بیس امیتر و بیس کلکتور باید منفی باشه.

البته اگه ولتاژ بیس امیتر بین 0 تا حدود 0.6 ولت هم باشه باز ترانزیستور در حالت خاموش خواهد بود.

در این حالت باید ولتاژ بیس امیتر مثبت و ولتاژ بیس کلکتور منفی  باشه. بنابراین ولتاژ بیس از ولتاژ کلکتور کمتر و از ولتاژ امیتر بیشتر هست. طبیعتا ولتاژ کلکتور از امیتر بیشتر هست.

در واقعیت ولتاژ  بیس امیتر باید از یه حدی بیشتر باشه تا ترانزیستور روشن بشه. معمولا این ولتاژ چیزی در حدود 0.6 ولت هست. این حداقل ولتاژ رو با  V_th, V_γ ، V_d یا V_BE نشون میدن.

بررسی خاصیت تقویت کنندگی ترانزیستورها در حالت فعال:

حالت فعال ترانزیستورها قوی ترین حالت در ترانزیستور هست چون ترانزیستور رو تبدیل به یه تقویت کننده میکنه. جریان ورودی به بیس، جریان ورودی به کلکتور و جریان خروجی از امیتر رو تقویت میکنه. نماد بهره(gain) که برای ترانزیستورها استفاده میشه β هست ( البته گاهی با β_F یا h_FE) هم نشون داده میشه. مقدار β بین جریان کلکتور و جریان امیتر یک رابطه ی خطی برقرار میکنه.

مقدار β برای ترانزیستورهای مختلف متفاوت هست. معمولا مقدار β چیزی در حدود 100 هست. ولی رنج حدودی اون بسته به نوع ترانزیستور و جریان عبوری از اون  از 50 تا 200 و یا حتی 2000 میتونه باشه. به عنوان مثال اگه یه ترانزیستوری β برابر 100 داشته باشه در این صورت جریان 1mA در بیس ترانزیستور میتونه جریان 100mA در کلکتور ترانزیستور تولید کنه.

حالا در حالت فعال جریان امیتر به نظر شما چقدره؟
جریان کلکتور و بیس وارد ترانزیستور میشن و جریان امیتر از ترانزیستور خارج میشه. برای ارتباط بین جریان کلکتور و جریان امیتر از ثابت α استفاده میکنیم . رابطه بین جریان کلکتور و جریان امیتر مطابق شکل زیر هست:

مقدار α معمولا نزدیک به 1 هست ولی از 1 کمتره. این یعنی جریان کلکتور و امیتر در حالت فعال تقریبا برابر هستند. رابطه بین α و β مطابق شکل زیر هست. آیا میتونید این رابطه رو اثبات کنید؟

به عنوان مثال اگه β برابر 100 باشه α میشه 0.99 . در این صورت اگه جریان کلکتور برابر 100 میلی آمپر باشه جریان امیتر برابر 101 میلی آمپر خواهد بود.

همونطور که حالت Cut off عکس  حالت saturation  بود. حالت reverse active  هم عکس حالت active هست. در این حالت ترانزیستور خاصیت هدایت جریان رو داره و حتی عمل تقویت رو هم انجام میده ولی در این حالت جریان در جهت عکس جاری میشه یعنی از امیتر میره به سمت کلکتور.

[/ihc-hide-content]

برای این که ترانزیستورها رو به این حالت ببریم باید ولتاژ امیتر از ولتاژ بیس و ولتاژ بیس از ولتاژ کلکتور بزرگتر باشه.

[/post_shop]

البته باید توجه داشته باشید که حالت معکوس فعال حالتی نیست که شما بخواید از ترانزیستورها در اون حالت استفاده کنید. ولی برای این که به صورت کامل مدهای ترانزیستورها رو بحث کرده باشیم اینجا آوردیم و ترانزیستورها هم به ندرت برای کار کردن در این مد طراحی شده اند.

خوب دوستان  فکر میکنم برای این جلسه کافی باشه چون جلسه داره طولانی میشه. در مورد PNP ها  هم همونطور که گفتم  اگه سوالی پیش اومد بفرمایید تا به صورت کامل در مورد PNP ها هم صحبت کنیم. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید: