پس از ورود به دنیای الکترونیک لازم است شما با قطعات پر کاربرد و مهمی مانند ” ترانزیستور دو قطبی ” یا ” BJT ” آشنا شوید و بدانید که ترانزیستور دو قطبی چیست و چه کاربردی هایی دارد؟ با این کار شما میتوانید از این قطعه در طراحی مدارهایتان استفاده کنید.

ترانزیستور چیست

ترانزیستور ها نیمه هادی های سه پایه ای هستند که یک ولتاژ یا جریان بسیار کوچک در یکی از پایه های آنها، عبور جریان بسیار بزرگتری از دو پایه دیگر را کنترل میکند. بنابراین ما میتوانیم از ترانزیستور به عنوان “کلید” یا “تقویت کننده” استفاده کنیم.

ترانزیستور دو قطبی و ترانزیستور اثر میدانی، معروف ترین مدل های ترانزیستور هستند، در همین راستا ما قصد داریم در این جلسه با “ترانزیستور دو قطبی” آشنا شویم.

ترانزیستور دوقطبی چیست

با اضافه کردن یک پیوند دیگر به یک دیود پیوندی PN، یک مجموعه سیلیکونی سه لایه خواهید داشت. این مجموعه میتواند بصورت NPN یا PNP باشد و لایه های آن عبارتند از : امیتر (E)، بیس (B) و کلکتور (C) .

ترانزیستور های دو قطبی بسته به نحوه قرار گرفتن کریستال های نیمه هادی نوع P و N ، به دو دسته تقسیم میشوند:

ترانزیستور PNP

به ترانزیستور که از دو قطعه نیمه هادی نوع P و یک قطعه نیمه هادی نوعN ساخته میشود “ترانزیستور PNP” گفته می شود.

ترانزیستور NPN

به ترانزیستور که از دو قطعه نیمه هادی نوع N و یک قطعه نیمه هادی نوعP ساخته میشود “ترانزیستور PNP”گفته می شود.

بطور کلی هر اتصال p-nمعادل یک دیود است، بنابراین ما میتوانیم ترانزستور را با دو دیود معادل سازی کنیم.
در ترانزیستور دو قطبی لایه وسطی شبیه یک دروازه (گیت) یا شیر عمل کرده و حرکت جریان از میان سه لایه را کنترل خواهد کرد.
به عبارت دیگر بیس بسیار نازک بوده و اتم های اضافی بیشتری از امیتر و کلکتور را در خود جای داده است. لذا، یک جریان بسیار کوچک در امیتر- بیس قادر به کنترل جریان بسیار زیادی در امیتر – کلکتور می شود.

پیوند بیس-امیتر که در اصل یک دیود است، هیچ جریانی را از خود عبور نمیدهد مگر اینکه ولتاژ موافق از حد 0.6 ولت تجاوز کند.

عبور جریان خیلی زیاد از ترانزیستور باعث گرم شدن آن شده و عملکرد آن را مختل میکند، بنابراین اگر به ترانزیستور دست زدید و گرمای آن را احساس کردید، بلافاصله تغذیه ی آن را قطع کنید.

اعمال جریان یا ولتاژ اضافی به تراشه ای که یک ترانزیستور را تشکیل میدهد، میتواند باعث وارد آمدن خسارت یا از کارافتادگی کامل آن گردد.

اگر بیس در بایاس موافق قرار گیرد، با اعمال یک جریان جزئی به بیس، جریان بزرگ امیتر- کلکتور به سادگی تحت کنترل خواهد بود. در این صورت ترانزیستور دو قطبی به عنوان یک تقویت کننده، انجام وظیفه میکند.

وقتی بیس یک ترانزیستورNPN به زمین (0 ولت) وصل شود، در واقع ترانزیستور خاموش بوده و هیچ جریانی از امیتر به کلکتور جاری نمی گردد. اگر با اعمال حداقل 0.6 ولت، بیس در بایاس موافق قرار گیرد، ترانزستور فعال شده و جریانی از امیتر به کلکتور جاری میشود! وقتی عملکرد فقط به این دو حالت محدود شود، ترانزیستور مانند یک “کلید” عمل میکند.

در این حالت فقط اعمال دو ورودی ممکن است، زمین ( 0 ولت ) و ولتاژ مثبت باتری (+V) بنابر این ترانزیستور یا روشن است یا خاموش.

مقاومتی که معمولا در بیس به کار برده میشود بین 5K تا 10K است.

ما در اینجا ترانزیستور دو قطبی را در حالت امیتر مشترک بررسی کردیم.

انواع ترانزیستور دو قطبی

ترانزیستور های سیگنال کوچک و سوئچینگ

از این ترانزیستورها برای تقویت سیگنال های ضعیف (سیگنال هایی که دامنه ولتاژ و جریان آنها کم است) استفاده می کنند! ترانزیستورهای سوئچینگ به این منظور طراحی شده اند کاملا روشن یا خاموش باشند.
بدنه ترانزیستور های سیگنال کوچک و سوئچینگ معمولا پلاستیکی یا فلزی است .
حداکثر توان مجاز ترانزیستور های سیگنال کوچک و سوئچینگ معمولا ۵۰۰ میلی وات است.

ترانزیستور های قدرت

از این ترانزیستورها در تقویت کننده های قوی و منابع تغذیه استفاده میشود. اندازه بزرگ و سطوح فلزی در تماس آنها با هو، باعث خنک شدن این ترانزیستور ها می گردد.
توان مجاز این ترانزیستور ها از ۵۰۰ میلی وات تا چند ده وات است.
بدنه آن ها فلزی است و به کلکتور اتصال دارد تا بتواند با محیط تبادل گرما کند و در توان بالا نیز بدنه آنها به گرماگیر یا هیت سینگ متصل میگردد.

ترانزیستور های فرکانس بالا

از این ترانزیستور ها در رادیو، تلویزیون و فرکانس های میکروویو استفاده می شود، لایه بیس آنها خیلی نازک است .

سرعت پاسخ دهی این ترانزیستور ها بسیار بالاست و به سرعت نسبت به تغییر ولتاژ و شدت جریان ورودی از خود واکنش نشان میدهند..
مقدار فرکانس قطع آنها چندین مگاهرتز تا گیگاهرتز است.

فوتو ترانزیستور

فوتو ترانزیستورها، ترانزیستورهایی هستند که عملکرد آنها به نور وابسته است. در اصل یک فوتو ترانزیستور ساده چیزی نیست جز یک ترانزیستور دوقطبی که به جای ترمینال بیس، دارای ناحیه حساس به نور است. پس فوتو ترانزیستورها به جای 3 ترمینال( در BJT) فقط 2 ترمینال دارند، بنابراین :

هنگامی که ناحیه حساس به نور تاریک است، هیچ جریانی از ترانزیستور عبور نمیکند، پس ترانزیستور در حالت خاموش است.
اما زمانی که ناحیه حساس به نور در معرض نور قرار می گیرد، مقدار کمی جریان در ترمینال بیس ایجاد می شود و باعث می شود جریان زیادی از کلکتور به امیتر عبور کند.

در ادامه قصد داریم نحوه بایاس ترانزیستور را بررسی کنیم اما پیش از آن لازم است با ترکیب‌های مختلف بایاس بیس آشنا شویم. این پیکربندی‌ها عبارتند از :

بیس مشترک (CB)
کلکتور مشترک (CC)
امیتر مشترک (CE)

انواع آرایش ترانزیستور

در ترانزیستور دو قطبی همیشه سیگنال ورودی به دو پایه از سه پایه ترانزیستور داده میشود و سیگنال خروجی از دو پایه آن گرفته میشود . به طوری که یکی از پایه ها بین ورودی و خروجی مشترک میباشد. لذا با توجه به پایه مشترک نام آرایش انتخاب میشود .

نسبت جریان ورودی ترانزیستور به خروجی آن را بهره تقویت ترانزیستور مینامند و آن را با حروف بتا (B) نشان میدهند .

بیس مشترک(C.B)

در تقویت کننده بیس مشترک، مدار بیس_امیتر ورودی و خروجی آن کلکتور_بیس میباشد . بیشترین کاربرد این مدار در مدارهای تقویت ولتاژ است، زیرا :

ضریب بهره ولتاژ تقویت کننده بیس مشترک زیاد است
امپدانس ورودی حالت بیس مشترک کم است
بین ورودی و خروجی نیز اختلاف فاز وجود ندارند

امیتر مشترک (C.E)

در این نوع آرایش پایه امیتر بین ورودی و خروجی به طور مشترک قرار میگیرد، در بین تقویت کننده های ترانزیستوری، این تقویت کننده بیشترین کاربرد را دارد، زیرا :

تقویت کننده امیتر مشترک چون دارایی امپدانس ورودی و خروجی متوسطی میباشد ، بنابر این هم به عنوان تقویت کننده ولتاژ و هم جریان به کاربرد دارد.
در این آرایش بین ورودی و خروجی مدار 180 درجه اختلاف فاز به وجود دارد.

کلکتور مشترک (C.C)

اگر ورودی مدار تقویت کننده بین بیس_لکتور و خروجی بین امیتر _کلکتور باشد، این مدار را کلکتور مشترک مینامند. ویژگی های این آرایش عبارتند از:

این تقویت کننده دارای بهره ولتاژ کم و بهره جریان زیاد میباشد
امپدانس ورودی این تقویت کننده زیاد و امپدانس خروجی آنها کم است
از تقویت کننده کلکتور مشترک به عنوان تقویت کننده جریان در رگولاتور ها استفاده میشود.

حال که با انواع آرایش ترانزیستور دو قطبی آشنا شده ایم، می توانیم بایاس ترانزیستور در حالات مختلف را بررسی کنیم. میدانیم که ترانزيستور داراي سه پايه ي مجزاست، بنابراین همانطور که در مبحث “انواع آرایش ترانزیستور” اشاره کردیم، ما میتوانیم يكــي از پايه ها را پايه ي مشــترك و دو پايه ي ديگــر را ورودي و خروجي آن در نظــر بگيريم.

در این حالت بسته به اینکه ولتاژ dc به کدام یک از پايه هاي ترانزيستور اعمال شده، نحوه ي كار آن تغییر ميکند. بنابراین در اين قســمت ما به شرح انواع اتصال ولتاژ dc به ترانزيســتور ميپردازيم.

انواع بایاس ترانزیستور

قبل از اینکه بتوانیم از اتصال PNP یا NPN ترانزیستور دوقطبی، به‌عنوان یک کلید یا تقویت کننده و … استفاده کنیم. ابتدا باید ترانزیستور را بایاس کنیم، بایاس صحیح ترانزیستور نتیجه تغذیه پایه های آن ولتاژ dc است . حالات بایاس ترانزیستور عبارتند از :

با این حال، همه این مدارها بر اساس اصل ارائه مقدار مناسب جریان پایه، IB، و به نوبه خود، جریان کلکتور، IC از ولتاژ تغذیه، VCC زمانی که هیچ سیگنالی در ورودی وجود ندارد، است.

علاوه بر این، مقاومت کلکتور RC باید طوری انتخاب شود که ولتاژ کلکتور-امیتر، VCE، بیشتر از 0.5 ولت برای ترانزیستورهای ساخته شده از ژرمانیوم و بیشتر از 1 ولت برای ترانزیستورهای ساخته شده از سیلیکون باقی بماند. تعدادی از مدارهای بایاس فراوان در زیر توضیح داده شده است.

بتا، ضریب تقویت جریان ترانزیستور است!

انواع بایاس ترانزیستور دو قطبی عبارتند از:

بایاس ثابت

مدار ” بایاس ثابت ” شکل زیر دارای مقاومتی به نام بین بیس و VCC است. این مقاومت با ایجاد یک افت ولتاژ در دو سر پیوند بیس_امیتر ترانزیستور، باعث جاری شدن جریان در ترانزیستور میشود!

در مدار ” بایاس ثابت ” مقادیر VCC و VBE ثابت هستند، اما مقدار بسته به طراحی مدار متفاوت خواهد.
این منجر به یک مقدار ثابت برای IB می شود که در نتیجه یک نقطه عملیاتی ثابت ایجاد می شود که به دلیل آن مدار بایاس پایه ثابت نامیده می شود. این نوع سوگیری منجر به ضریب پایداری
لازم به ذکر است که ” بایاس ثابت ” بسیار ساده است و از اجزای کمتری استفاده می کند.
در بایاس ترانزیستور با روش ” بایاس ثابت ” میتوان با تغییر مقدار نقطه عملیاتی ترانزیستور را در محدوده منطقه فعال ترانزیستور تغییر داد.
از این نوع بایاس در کاربردهای سوئیچینگ و دستیابی به کنترل بهره خودکار در ترانزیستورها استفاده می شود.

بایاس با فیدبک کلکتور

در ” بایاس با فیدبک کلکتور” که در تصویر زیر نشان داده شده، ( مقاومت بیس ) به کلکتور و پایه بیس ترانزیستور متصل می شود. بنابراین ( ولتاژ بیس ) و ( ولتاژ کلکتور ) به یکدیگر وابسته هستند .

در این مدار افزایش باعث کاهش می شود که منجر به کاهش می شود و به طور خودکار را کاهش می دهد. زیرا در این مدار ( مقاومت بایاس بیس ( ‌، به جای منبع تغذیه (Vcc) به کلکتور ترانزیستور وصل می‌شود. بنابراین اگر جریان کلکتور زیاد شود، ولتاژ کلکتور افت می‌کند و این افت، به صورت خودکار جریان کلکتور را کاهش می‌دهد تا نقطه کار ترانزیستور را ثابت نگه دارد. بنابراین، این روش بایاس فیدبک کلکتور، از طریق مقاومت یک فیدبک از خروجی به ورودی می‌فرستد.
فیدبک کلکتور به بیس، تضمین می‌کند که ترانزیستور بدون توجه به مقدار بتا همواره در ناحیه فعال بایاس باشد. دلیل این امر این است که ( ولتاژ بایاس بیس ) از ( ولتاژ کلکتور ( که پایداری مناسبی دارد، گرفته می‌شود.
برای این نوع شبکه بایاس، نقطه Q (نقطه عملیاتی) بدون توجه به تغییرات در جریان بار ثابت می ماند و باعث می شود ترانزیستور همیشه بدون توجه به مقدار β در منطقه فعال خود باشد.
عمل کاهش جریان کلکتور از طریق جریان بیس در ” بایاس فیدبک کلکتور” منجر به کاهش بهره تقویت کننده می شود.

بایاس با فیدبک دوگانه

اگر به مدار ” بایاس با فیدبک کلکتور” یک مقاومت برای بایاس بیس اضافه کننیم، از طریق افزایش جریان مقاومت بایاس،‌ پایداری مدار نسبت به تغییرات بتا افزایش می یابد.

این به این دلیل است که افزایش جریان از طریق مقاومت های پایه منجر به ایجاد یک شبکه مقاوم در برابر تغییرات مقادیر β می شود.

بایاس امیتر ثابت

این مدار بایاس چیزی نیست جز یک شبکه بایاس ثابت با یک مقاومت امیتر اضافی

در اینجا، اگر به دلیل افزایش دما افزایش یابد، IE نیز افزایش می یابد و افت ولتاژ در افزایش می یابد. این منجر به کاهش می شود و باعث کاهش می شود و را به مقدار طبیعی خود باز می گرداند. بنابراین، این نوع شبکه بایاس پایداری بهتری را در مقایسه با شبکه بایاس پایه ثابت ارائه می‌دهد.
وجود افزایش ولتاژ تقویت کننده را کاهش می دهد زیرا منجر به بازخورد AC ناخواسته می شود. در این مدار معادلات ریاضی برای ولتاژها و جریان های مختلف به صورت آورده شده است.

بایاس مقسم ولتاژ

در ” بایاس تقسیم کننده ولتاژ” از یک تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده توسط مقاومت های R1 و R2 برای بایاس ترانزیستور استفاده می کند.

” بایاس مقسم ولتاژ ” متداولترین نوع بایاس ترانزیستور است.
در ” بایاس مقسم ولتاژ ” مدار مقسم ولتاژ، ترانزیستور را مستقل از تغییرات بتا می‌کند، زیرا ولتاژ بیس، امیتر و کلکتور وابسته به مقادیر خارجی مدار هستند.
در این نوع بایاسینگ، در برابر تغییرات β و مقاوم است، همین امر نیز منجر به ضریب پایداری 1 یا حداکثر پایداری حرارتی ممکن می‌شود.
با افزایش IC به دلیل افزایش دما، افزایش می یابد و باعث افزایش ولتاژ امیتر و کاهش ولتاژ پایه-امیتر می شود. این منجر به کاهش جریان پایه می شود که را به مقدار اولیه خود باز می گرداند.

بایاس با فیدبک امیتر

در اینجا، اتصال امیتر-بیس توسط افت ولتاژی که در مقاومت امیتر )، به دلیل جریان امیتر، رخ می دهد، بایاس می شود.این نوع بایاس ترانزیستور که بایاس “خودامیتر” نامیده می‌شود، از دو فیدبک امیتر و بیس-کلکتور برای تثبیت جریان کلکتور در مدار استفاده می‌کند. مشکل پیکربندی فیدبک امیتر، این است که بهره خروجی به دلیل اتصال مقاومت بیس کاهش می‌یابد، زیرا ولتاژ کلکتور جریان گذرنده از مقاومت را تعیین می‌کند.

جریان امیتر که برابر با مجموع جریان بیس و کلکتور است،‌ سبب افت ولتاژ دو سر مقاومت در جهتی می‌شود که پیوند بیس-امیتر را بایاس معکوس کند.
اگر جریان امیتر افزایش یابد، ولتاژ‌ I*نیز زیاد می‌شود. از آنجایی که پلاریته این ولتاژ، پیوند بیس-امیتر را بایاس معکوس می‌کند، جریان به صورت خودکار کاهش می‌یابد. از همین رو، جریان امیتر، کمتر از آن مقداری افزایش می‌یابد که در حالت بدون مقاومت خود بایاس زیاد شده است.
مقادیر مقاومت معمولاً به گونه‌ای تعیین می‌شوند که افت ولتاژ مقاومت امیترتقریباً 10درصد ولتاژ تغذیه VCC و جریان مقاومت نیز 10 درصد جریان کلکتور باشد.
“بایاس با فیدبک امیتر” ، بهترین عملکرد را در ولتاژهای تغذیه کم دارد.

در یک ترانزیستور دو قطبی بایاسی که به پیوند‌های کلکتور و امیتر داده می‌شود، می‌تواند مستقیم یا معکوس باشد؛ بنابراین ترانزیستور می‌تواند با ترکیب مختلف این حالات، چهار ناحیه کاری جداگانه داشته باشد. این ناحیه های کاری عبارتند از :

ناحیه قطع : ناحيه اي است كه در آن جريان بيس صفر است و ترانزيســتور هنوز به آستانه ي هدايت نرسيده است.

ناحیه فعال : در ايــن ناحيــه، ترانزيســتور در حال هدايت است و با تغييرات زياد تغييرات جريان كلكتور كم اســت. (ثابت = IB)

ناحیه اشباع : ناحيــه اي اســت كه ترانزيســتور در حال هدايت است ولي با تغيير جزئي ) كســري ازولت) تغييرات بســيار زيادي در جريان كلكتور مشاهده ميشود.

نتیجه گیری

تست ترانزیستور

برا تست هر ترانزیستور دو قطبی مولتی متر را در تست دیود قرار میدهیم.
همان طور که در شکل زیر مشاهده مینمایید برای تشخیص پایه اول، کابل مثبت مولتی متر را به یکی از پایه ها زده و به عنوان پایه مشترک در نظر میگیرم و کابل منفی مولتی متر را با دو پایه دیگر تست میکنیم.

3.اگر مقدار عددی که مولتی متر نشان میدهد بیشتر از پایه دیگری باشد پایه مشتر ک بیس و پایه منفی پراپ امیتر و آن پایه ای که اعداد کمتر نمایش داده است کلکتور است این روش تست برای NPN است.

برای PNP کافیست جای پراپ مثبت و منفی را عوض نماییم و روش بالا را دنبال نمایید.