دانشجویان کنترل دانشگاه علامه فیض کاشان

برتریهای ترانزیستور بر لامپ های الکترونی

بعد از اختراع ترانزیستور ، برتریهای این المان نسبت به لامپهای الکترونی ، به زودی آشکار گشت . به طوری که در رادیو و تلویزیون و هم همچنین مدارات الکترونی ترانزیستوری ، بلافاصله ساخته شدند . در زیر به برخی از برتریهای ترانزیستود نسبت به لامپ های الکترونی اشاره شده است .

الف: کوچک تر و سبک تر بودن

ب : احتیاج نداشتن به فیلامان و در نتیجه ، نداشتن تلفات حرارتی تاشی از گرم کردن فیلامان

ج : احتیاج نداشتن به مدت زمان جهت گرم شدن فیلامان

د : کار کردن در ولتاژ های بسیار کم

و : استحکام زیاد و داشتن عمر طولانی

ز : ساده بودن سیم کشی طراحی های ترانزیستوری

باید توجه داشت که لامپها نیز نسبت به ترانزیستور ها از برتری هایی برخوردارند ، از جمله : قدرت بسیار بالا ، تغییر نکردن نقطه کار بر اثر گرما و ... ولی ترانزیستور با داشتن برتریهای فوق در قدرتهای کم و متوسط جانشین لامپها شده است .

ساختمان ترانزیستور

ترانزیستور معمولی ، یک المان سه قطبی است که از سه کریستال نیمه هادی نوع n و p که در کنار یک دیگر قرار میگیرند تشکیل شده است . ترتیب قرار گرفتن نیمه هادی ها در کنار هم ، می تواند به دو صورت انجام پذیرد :

الف : دو قطعه نیمه هادی نوع n در دو طرف و نیمه هادی نوع p در وسط .

ب: دو قطعه نیمه هادی نوع p در دو طرف و نیمه هادی نوع n در وسط .

در حالت (الف) ترانزیستور npn و در حالت (ب) تورانزیستور pnp می نامند .

پایه های خروجی ترانزیستور را به ترتیب امیتر ( منتشر کننده ) ، بیس ( پایه ) و کلکتور ( جمع کننده ) نامگذاری کرده اند . امیتر را با حرف E ، بیس را با حرف B و کلکتور را با حرف C نشان می دهند . پایه های ترانزیستور را می توان با پایه های لامپ تریود از نظر نوع عملکرد به شرح زیر مقایسه نمود :

الف : امیتر با کاتد E=K

ب : بیس با شبکه فرمان B=G

ج : کلکتور با آند C=A

نیمه هادی نوع N یا P به عنوان امیتر ، كه اين لايه نسبت به لایه بيس و کلکتور دارای ناخالصی بیشتری می باشد .

ضخامت این لایه حدود چند ده میکرون است . و سطح تماس آن نیز بستگی به میزان فرکانسی و قدرت ترانزیستور دارد .

لایه بیس نسبت به کلکتور دارای ناخالصی کمتری است و ضخامت آن نیز به مراتب کمتر از امیتر و کلکتور می باشد و عملا از چند میکرون تجاوز نمی کند .

ناخالصی لایه کلکتور از امیتر کمتر و از بیس بیشتر است . ضخامت این لایه به مراتب بزرگتر از امیتر می باشد ، زیرا تقریبا تمامی تلفات حرارتی ترانزیستور در کلکتور ایجاد می شود .

این نوع ترانزیستورها را به اختصار   bjt (Bipolar Junction Transistor ) می نامند .

باياس ترانزيستور

براي اينكه بتوانيم از ترانزيستور به عنوان تقويت كننده و سوئيچ و.. استفاده كنيم بايد ابتدا ترانزيستور را مورد تغذيه DCقرار دهيم .اين تغذيه را باياس ترانزيستور گويند .براي اينكه ترانزيستوري شروع به كار كند بايد به صورتي درمدار قرار گيرد كه ديود بيس اميتر آن درباياس مستقيم و ديود بيس كلكتور در باياس معكوس باشد .در غير اين صورت ترانزيستور معكوس است.

چون پیوند بیس – امیتر ، در بایاس مستقیم است ناحیه تخلیه پیوند بیس – امیتر از بین می رود و الکترونهای قطب منفی منبع تغذیه V1 پس از عبور از مقاومت R1 که به منظور کنترل جریان مورد استفاده قرار گرفته ، وارد لایه امیتر می شوند و پس از عبور از لایه امیتر خود را به لایه بیس می رسانند . اما در این زمان با توجه به اینکه پیوند بیس – کلکتور در بایاس معکوس است و عرض ناحیه تخلیه این پیوند زیاد است انتظار می رود که تمامی الکترونهای موجود در لایه بیس از طریق پایه بیس خود را به قطب مثبت منبع تغذیه V1 برسانند و هیچ الکترونی از لایه بیس وارد لایه کلکتور نشود اما در عمل چنین اتفاقی نمی افتد بلکه قسمت اعظم الکترونهای موجود در لایه بیس وارد لایه کلکتور می شوند و پس از عبور از این لایه و مقاومت R2 خود را به قطب مثبت منبع تغذیه V2 می رسانند و فقط تعداد کمی از الکترونهای موجود در لایه بیس ، خود را از طریق پایه بیس به قطب مثبت منبع تغذیه V1 می رسانند . علت این عمل این است که اولاً ولتاژ پایه کلکتور بیشتر از ولتاژ پایه بیس است و این ولتاژ قادر است الکترونهای موجود در لایه بیس را به طرف خود جذب کند . ثانیاً لایه بیس بسیار نازک است و الکترونها به محض وارد شدن به لایه بیس ، جذب کلکتور می شوند . ثالثاً سطح کلکتور حدود 9 برابر بزرگتر از سطح امیتر است لذا احاطه کامل بر ورود الکترونهای وارد شده به بیس داشته و تقریباً تمامی آنها را جذب می کند. رابعاً ناخالصی بیس کم است و در نتیجه الکترونهای وارد شده به بیس ، کمتر با حفره ها ترکیب می شوند و تعداد زیادی از آنها به صورت الکترون آزاد باقی می مانند . با توجه به مطالب فوق تقریباً بیش از %90 الکترونهایی که وارد بیس می شوند مدار خود را از طریق کلکتور می بندند . در شکل زیر نسبت تقریبی تقسیم الکترونها بین امیتر ، کلکتور و بیس نمایش داده شده است .  

چند عملكرد معمول ترانزيستور

1)  سوئیچ یا کلید: اولین کاربرد و ساده ترین کاربرد ترانزیستور می باشد به عنوان مثال وقتی یک تایمر می سازیم برای قسمت کلید مداری آن از ترانزیستور می توان استفاده کرد.

2)  تقویت کننده : برای تقویت سیگنال ناشی از سنسورها یا تقویت سیگنال در گیرنده ها می توان از ترانزیستور استفاده نمود. مانند کاربرد در مدار رادیو یا ...

3) ایزولاتور یا جدا کننده: در مواردی که نمی خواهیم مدارمان مستقیما به مدار کنترلی متصل باشد می توان از ترانزیستور یا اپتوکوپلر(بعدا توضیح داده می شود)  استفاده کرد. مثلا اگر مداری ساختیم که جریان بالایی می کشد (مانند موتور ها ) اگر این مدار را مستقیما به یک میکرو کنترلر متصل نماییم میکرو کنترلر دچار مشکلاتی شده و ممکن است بسوزد در این حالت نیز از ترانزیستور می توان استفاده نمود.

جهت جریان در ترانزیستور :

جریانی را که از کلکتور عبور می کند با IC و جریانی را که از بیس عبور می کند با IB و جریانی را که از امیتر عبور می کند با IE نمایش می دهند . همانطور که قبلاً گفته شد جریانی که از امیتر عبور می کند به دو انشعاب تقسیم می شود . قسمت بسیار کمی از جریان امیتر از بیس و قسمت اعظم آن از کلکتور عبور می کند و لذا جریان امیتر برابر است با جریان بیس به علاوه جریان کلتکور یعنی داریم :

برای سادگی و درک جهت جریان ، معمولاً جهت قراردادی جریان را در نظر می گیرند . در جهت قراردادی ، جریان از قطب مثبت منبع تغذیه خارج شده و پس از عبور از مدار خارجی به قطب منفی آن وارد می شود . در شکل اول جهت قراردادی جریان در ترانزیستور NPN و در شکل دوم جهت قراردادی جریان در ترانزیستور PNP نمایش داده شده است .

تأثیر درجه حرارت بر ترانزیستور :

افزایش درجه حرارت بیشتر بر روی جریان معکوس پیوند بیس – کلکتور نسبت به جریان های دیگر اثر می گذارد . با توجه به اینکه پیوند بیس – کلکتور در بایاس مخالف قرار دارد جریان بسیار ضعیفی که عامل آن حامل های اقلیت هستند از کلکتور به طرف بیس جاری می شود و افزایش درجه حرارت باعث می شود که تعداد بیشتری از پیوندها شکسته شده و الکترون های بیشتری آزاد گردند و در نتیجه جریان معکوس پیوند بیس – کلکتور افزایش می یابد . این جریان را جریان قطع کلکتور نامیده و آن را با ICO یا ICBO نمایش می دهند .

ترانزیستورهای خانواده BJT:

این ترانزیستورها همان ترانزیستورهای معمول هستند که به دو نوع  npn  و pnp  تقسیم می شوند.

پر کاربرد ترین و عمومی ترین شماره های این گروه 2N2222 ,BC107 , C945  و ... هستند.  از این ترانزسیتورها برای تقویت کننده ها استفاده می شود.

ترانزیستورهای خانواده FET:

این نوع ترانزیستورها بر خلاف نوع قبلی تلفات کمتری دارند ولی کلید زنی آنها به نسبت به نوع قبلی کمتر است.

این ترانزیستورها اکثرا در مداراتی که نیاز به کنترل مدارهای جریان بالا می باشد استفاده می شوند (مانند موتورهای الکتریکی بزرگ حتی بعضی از این ترانزیستورها قابلیت تحمل ولتاژ های بالاتر از 800 ولت و جریانهای 100 آمپر را دارند ) و در الکترونیک صنعتی کاربرد زیادی دارند.