کلید ترانزیستوری — از صفر تا صد

کلید ترانزیستوری برای خاموش یا روشن کردن یک وسیله (مانند LED، لامپ و موتورهای الکتریکی) با اعمال ولتاژ DC ثابت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کلیدهای الکترونیکی با استفاده از یک ترانزیستور در حالت اشباع یا قطع ساخته می‌شوند. در این مطلب قصد داریم به بررسی نحوه کار کلیدهای ترانزیستوری بپردازیم و انواع مختلف آن را همراه با اصول کاری هر یک شرح دهیم.

نواحی عملکرد کلید ترانزیستوری

زمانی‌ که ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) به عنوان یک تقویت‌کننده سیگنال AC مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولتاژ بایاس بیس (Base) ترانزیستور به نحوی اعمال می‌شود، که همیشه در ناحیه فعال خود عمل کنند. در نتیجه همیشه از ناحیه خطی منحنی مشخصه خروجی استفاده می‌شود. هر دو نوع ترانزیستور دوقطبی NPN و PNP می‌توانند به عنوان کلید حالت جامد نوع قطع و وصل عمل کنند. این‌ کار از طریق بایاس ترمینال بیس ترانزیستور به یک طریق متفاوت از بایاس تقویت‌کننده‌های سیگنال امکان‌پذیر است.

فیلم آموزش الکترونیک دیجیتال – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

کلیدهای حالت جامد، یکی از مهم‌ترین کاربردهای ترانزیستورها هستند، که برای تغییر خروجی DC به حالت خاموش یا روشن مورد استفاده قرار می‌گیرند. بعضی ادوات خروجی (بارها) مانند LED برای روشن شدن فقط به یک ولتاژ DC جریان پایین احتیاج دارند و بنابراین می‌توانند مستقیما توسط خروجی یک گیت منطقی راه اندازی شوند. اما ادوات ولتاژ بالا مانند موتورها، سلونوئیدها و لامپ‌ها معمولا به توان بیشتری نسبت به آن‌چه توسط یک گیت منطقی معمولی تامین می‌شود، نیاز دارند، بنابراین کلیدهای ترانزیستوری در راه‌اندازی بارهای جریان بالا یک گزینه ایده‌آل هستند.

اگر مدار از ترانزیستور دوقطبی به عنوان کلید استفاده کند، بایاس ترانزیستور (هم NPN و هم PNP) به نحوی انجام می‌گیرد که ترانزیستور قادر باشد در هر دو سمت منحنی مشخصه جریان-ولتاژ عمل کند. نواحی عملکرد برای یک کلید ترانزیستوری با عناوین ناحیه اشباع (Saturation) و ناحیه قطع (Cut-off) شناخته می‌شوند. این بدین معنی است که می‌توان از مدار بایاس نقطه کار و مدار مقسم ولتاژ مورد استفاده در تقویت‌کننده‌ها صرف‌نظر کرد و ترانزیستور را همانند شکل زیر به عنوان یک کلید که بین ناحیه قطع و اشباع خود تغییر موقعیت می‌دهد، در نظر گرفت. در ناحیه قطع، جریان بیس ترانزیستور صفر می‌شود. برای این هدف، ولتاژ صفر منطقی (در حد صفر ولت) به بیس تراتزیستور اعمال می‌شود. در ناحیه اشباع، تغییرات جریان کلکتور نسبت به ولتاژ کلکتور-امیتر حساسیت بالایی دارد و تغییرات اندک در ولتاژ کلکتور-امتیر منجر به تغییرات زیادی در جریان کلکتور می‌شود. با این حال در این ناحیه فرض می‌شود که ولتاژ کلکتور-امیتر تقریبا ثابت است.

ناحیه قطع

شرایط عملکرد ترانزیستور در این ناحیه به صورت زیر است:

جریان بیس ورودی مقدار ($$I_B$$) صفر، جریان کلکتور ($$I_C$$) صفر و ولتاژ کلکتور ($$V_{CE}$$) مقدار بیشینه خود را دارد.

این شرایط منجر به ایجاد ناحیه تخلیه بزرگی می‌شود که اجازه عبور جریان را نخواهد داد. در نتجه ترانزیستور در ناحیه قطع خواهد بود. شکل زیر ترانزیستور را در ناحیه قطع نشان می‌دهد.

مشخصه‌های حالت قطع به صورت زیر است.

• ورودی و بیس به زمین متصل می‌شوند.
• ولتاژ بیس-امیتر از ۰٫۷ ولت کمتر است.
• پیوند بیس-امیتر در بایاس معکوس قرار دارد.
• ترانزیستور در ناحیه قطع قرار دارد.
• جریان کلکتور برابر با صفر است.
• $$V_{OUT}=V_{CE}=V_{CC}=1$$
• ترانزیستور مانند یک کلید باز عمل می‌کند.

بنابراین می‌توان ناحیه قطع یا حالت خاموش را در ترانزیستور دوقطبی به عنوان یک کلید تعریف کرد که هم پیوندها در بایاس معکوس هستند و هم ولتاژ بیس-امیتر از ۰٫۷ کوچک‌تر و جریان کلکتور برابر با صفر است. برای یک ترانزیستور PNP، پتانسیل امیتر نسبت به بیس باید کوچکتر از 0٫7 ولت شود تا تزانزیستور هم خاموش شود.

ناحیه اشباع

در این ناحیه ترانزیستور به نحوی بایاس می‌شود که بیشترین مقدار جریان بیس اعمال شود. این عمل منجر به بیشترین جریان کلکتور و در نتیجه کمترین افت ولتاژ کلکتور امیتر می‌شود. بنابراین عرض ناحیه تخلیه تا حد امکان کوچک می‌شود و بیشینه جریان در ترانزیستور برقرار می‌شود. در این حالت، ترانزیستور به مد روشن تغییر وضعیت می‌دهد. منحنی اشباع در شکل زیر نشان داده شده است.

مشخصه‌های حالت اشباع به صورت زیر است.

• ورودی و بیس در این حالت به ولتاژ $$V_{CC}$$ متصل هستند.
• ولتاژ بیس-امیتر از ۰٫۷ ولت بزرگ‌تر است.
• پیوند بیس-امیتر در بایاس مستقیم قرار دارد.
• پیوند بیس-کلکتور در بایاس مستقیم است.
• ترانزیستور در ناحیه اشباع است و مانند کلید روشن عمل می‌کند.
• بیشینه جریان از کلکتور عبور می‌کند و مقدار آن برابر $$I_C=V_{CC}/R_L$$ است.
• در این حالت ولتاژ کلکتور-امیتر تقریبا برابر با صفر است و در اشباع ایده‌آل قرار دارد.
• $$V_{OUT}=V_{CE}=0$$ برقرار است.
• ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل می‌کند.

بنابراین می‌توان هنگام استفاده از یک ترانزیستور دو قطبی، ناحیه اشباع یا حالت روشن را به عنوان یک کلید تعریف کرد، که پیوندهای آن در بایاس مستقیم هستند و ولتاژ بیس آن از ۰٫۷ ولت بیشتر است و جریان کلکتور بیشینه مقدار را دارد. برای یک ترانزیستور PNP، پتانسیل امیتر باید نسبت به بیس مثبت باشد.

بنابراین ترانزیستور مانند یک کلید حالت تک زبانه تک قطبی (Single-pole Single-throw) حالت جامد است. با اعمال یک سیگنال صفر به بیس، ترانزیستور خاموش می‌شود و مانند یک کلید باز عمل می‌کند در نتیجه جریان کلکتور صفر می‌شود. اما زمانی که یک سیگنال مثبت به بیس ترانزیستور اعمال شود، روشن می‌شود و مانند یک کلید بسته عمل می‌کند و بیشینه جریان از مدار عبور می‌کند.

مدار کلید ترانزیستوری NPN

آسان‌ترین راه تغییر وضعیت از توان متوسط به توان بالا، استفاده از ترانزیستور با خروجی کلکتور باز است که در آن ترمینال امیتر ترانزیستور مستقیما به زمین متصل باشد. زمانی که ترانزیستور به این روش مورد استفاده قرار گیرد، به عنوان یک چاله (Sink) جریان عمل میکند. زیرا بعد از این‌که ترانزیستور روشن شود، جریان برقرار شده بین منبع تغذیه VCC و زمین (امیتر ترانزیستور) وارد ترانزیستور می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش دوم در فرادرس

کلیک کنید

اگر بار ترانزیستور سلفی باشد، مانند رله‌ها و سلونوئیدها، برای از بین بردن نیروی محرکه بازگشتی، یک دیود هرزگرد به موازات آن قرار می‌گیرد. دلیل این امر این است که بارهای سلفی تمایل به حفظ جریان دارند و زمانی که ترانزیستور تغییر وضعیت می‌دهد، جریان بار آن جهش پیدا می‌کند. این امر باعث تولید ولتاژ القایی بزرگی در دو سر بار می‌شود. توجه کنید که اگر دیود هرزگرد مورد استفاده قرار نگیرد، باعث خسارت به مدار می‌شود. اما اگر دیود هرزگرد در مدار وجود داشته باشد، در هنگام تغییر وضعیت ترانزیستور دیود روشن شده و باعث می‌شود ولتاژ دو سر ترانزیستور محدود بماند و در نتیجه باعث سالم ماندن آن خواهد شد.

همچنین دقت کنید که اگر بار دارای جریان یا ولتاژ بسیار بزرگی باشد، مانند موتور یا هیتر (Heater)، جریان بار از طریق یک رله کنترل می‌شود. نمایی از این مدار در شکل زیر نشان داده شده است. در این شرایط ترانزیستور یک رله جریان پایین را کنترل می‌کند و رله هم بار جریان بالا را کنترل خواهد کرد.

مدار بالا، شبیه یک مدار تقویت‌کننده ولتاژ امیتر مشترک است. اما تفاوت بزرگ آن‌ها در این است که برای عملکرد ترانزیستور به عنوان یک کلید، باید ترانزیستور قادر باشد در هر دو حالت قطع کامل و اشباع کامل عمل کند. یک کلید ترانزیستوری ایده‌آل زمانی‌ که در حالت قطع است، دارای مقاومت بی‌نهایت بین کلکتور و امیتر است که منجر به جریان صفر در آن می‌شود. علاوه بر این، زمانی که ترانزیستور در حالت وصل باشد، مقاومت صفر بین کلکتور و امیتر وجود دارد که منجر به جریان بیشینه می‌شود.

در عمل زمانی که ترانزیستور خاموش باشد، جریان نشتی بسیار کوچکی از آن می‌گذرد و زمانی که ترانزیستور روشن باشد، مقدار مقاومت پایینی دارد و منجر به ولتاٰژ اشباع ($$V_{CE}$$) کوچکی در طول آن می‌شود. اگرچه ترانزیستور یک کلید ایده‌آل نیست، اما در هر دو ناحیه قطع و اشباع توان اتلافی توسط ترانزیستور کمترین مقدار ممکن را دارد.

به منظور گردش یافتن جریان بیس، باید ولتاژ بیس نسبت به امیتر، با استفاده از منبع ولتاژ $$V_{in}$$، بیشتر از 0٫7 ولت شود. با تغییر منبع ولتاژ، جریان کلکتور تغییر کرده و منجر به کنترل جریان بار خواهد شد.

زمانی که بیشینه جریان کلکتور از ترانزیستور بگذرد، اصطلاحا گفته می‌شود که ترانزیستور اشباع شده است. مقدار مقاومت بیس مشخص می‌کند که چه مقدار ولتاژ ورودی و جریان بیس متناظر برای روشن کردن ترانزیستور مورد نیاز است.

مثال 1

یک ترانزیستور با مقادیر $$\beta=200$$، $$I_{C}=4mA$$ و $$I_{b} = 20 \mu A$$ موجود است. مقدار مقاومت بیس مورد نیاز برای روشن کردن کامل یک بار، هنگامی‌که ولتاژ ورودی از ۲٫۵ ولت بیشتر شود، چقدر است؟

حل:

مقدار مقاومت با استفاده از فرمول زیر به دست می‌آید:

$$R_{B}= \frac{V_{in} - V_{BE}}{I_{B}} = \frac{2.5V - 0.7V}{20 \times 10^{-6}} = 90K \Omega$$

نزدیک‌ترین مقدار مقاومت برابر با ۸۲ کیلو اهم است. این مقدار مقاومت تضمین می‌کند که کلید ترانزیستور همیشه در حالت اشباع باشد.

مثال ۲

ترانزیستور با مقادیر برابر با مثال ۱ را در نظر بگیرید. ولتاژ ورودی را به ۵ ولت افزایش می‌دهیم. کمینه جریان بیس مورد نیاز برای روشن کردن کامل ترانزیستور (اشباع)، برای باری که به جریان 200 میلی آمپر نیاز دارد، چقدر است؟

حل:

جریان بیس ترانزیستور به صورت زیر به دست می‌آید:

$$I_{B} = \frac{I_{C}}{\beta} =\frac{200mA}{200} = 1mA$$

مقاومت بیس برابر است با:

$$a_{b} = \frac{V_{in} - V_{BE}}{I_{B}} = \frac{5V - 0.7V}{1 \times 10^{-3}} = 4.3 K \Omega$$

کلیدهای ترانزیستوری برای بازه وسیعی از کاربردها، به عنوان رابط بین ادوات جریان بالا یا ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان نمونه‌ای از این ادوات می‌توان به موتورها، رله‌ها یا لامپ‌ها یا آی‌سی‌های دیجیتال ولتاژ پایین و گیت‌های منطقی مانند گیت AND یا گیت OR اشاره کرد. ولتاژ خروجی یک گیت منطقی دیجیتال 5 ولت است، اما وسیله‌ای که باید کنترل شود، ممکن است به تغذیه ۱۲ ولت و یا ۲۴ ولت نیاز داشته باشد. همچنین ممکن است، باری مانند یک موتور DC برای کنترل سرعت به رشته‌ای از پالس‌ها (PWM) نیاز داشته باشد. کلیدهای ترانزیستوری امکان انجام این عمل را به صورت سریع‌تر و آسان‌تر از کلیدهای مکانیکی سنتی فراهم می‌کنند. شکل زیر نمایی از یک کلید ترانزیستوری منطقی دیجیتالی را نشان می‌دهد.

مقاومت بیس، برای محدود کردن جریان خروجی از گیت منطقی مورد نیاز است.

مدار کلید ترانزیستوری PNP

از ترانزیستور PNP نیز می‌توان به عنوان کلید ترانزیستوری استفاده کرد. تفاوت بزرگی که ایجاد می‌شود در این است که بار از طریق کلکتور به زمین متصل می‌شود و ترانزیستور PNP به عنوان منبع تغذیه (Source)، جریان بار را فراهم می‌کند. امیتر به منبع تغذیه ثابت متصل خواهد شد و از طریق اعمال ولتاژ مناسب به بیس ترانزیستور جریان بار قطع و وصل خواهد شد. دقت کنید که برای روشن شدن ترانزیستور PNP‌، اختلاف ولتاژ امیتر نسبت به بیس باید بیشتر از 0٫7 ولت شود. در نتیجه، در مدار زیر اگر ولتاژ 5 ولت به صورت مستقیم به بیس ترانزیستور اعمال شود، باعث خاموش شدن ترانزیستور و اگر ولتاژ صفر ولت به صورت مستقیم به بیس ترانزیستور اعمال شود، باعث روشن شدن آن می‌شود. پس ترانزیستور PNP دارای منطق منفی است. برای تبدیل مدار به منطق مثبت ابتدا ولتاژ ورودی وارد یک گیت NOT‌ می شود و سپس خروجی گیت منطقی به بیس ترانزیستور اعمال می‌شود. در این شرایط، اعمال ولتاژ 5 ولت به ورودی گیت باعث ایجاد ولتاژ صفر منطقی در خروجی گیت، یعنی همان بیس ترانزیستور می‌شود و در نهایت ترانزیستور روشن خواهد شد.

کلید ترانزیستور دارلینگتون

گاهی اوقات ممکن است جریان بار، بیشتر از ماکزیمم جریان قابل تحمل ترانزیستور باشد. در این شرایط، به دلیل محدودیت در بهره جریان، ممکن است نتوان با استفاده از یک ترانزیستور تکی، بار با جریان بالا را کنترل کرد. برای رفع این مشکل می‌توان چندین ترانزیستور را بصورت سری با هم قرار داد. معمول‌ترین روش برای سری کردن ترانزیستورها آرایش دارلینگتون است.

فیلم آموزش تقویت کننده های ترانزیستوری چند طبقه در مبانی الکترونیک 1 (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

زوج دارلینگتون، شامل دو ترانزیستور دوقطبی PNP یا NPN است که به نحوی به یکدیگر متصل شده‌اند که بهره جریان حاصل از ترکیب دو ترانزیستور، تقریبا معادل حاصل ضرب بهره جریان ترانزیستورهای تکی باشد. بنابراین این آرایش می‌تواند جریان‌های بیس خیلی کوچک را به جریان‌های خیلی بزرگ در کلکتور ترانزیستور تبدیل کند. پس بهره کلی از رابطه زیر حاصل می‌شود:

$$\beta_{total} = \beta_{1} \times \beta_{2}$$

به عنوان مثال، اگر ترانزیستور ورودی اول دارای بهره جریان 100 و کلید ترانزیستوری دوم، دارای بهره جریان 50 باشند، بنابراین بهره جریان کلی برابر با 5000 خواهد بود. در نتیجه اگر جریان بار برابر با 200 میلی آمپر باشد، جریان بیس دارلینگتون فقط 40 میکرو آمپر است که مقداری بسیار کوچک‌تر نسبت به مقدار 1 میلی آمپر در ترانزیستور تکی است. شماتیکی از دو نوع اساسی آرایش دارلینگتون در شکل زیر نشان داده شده است.

همان‌طور که آرایش کلید ترانزیستوری دارلینگتون NPN بالا، نشان می‌دهد که کلکتورهای دو ترانزیستور به یکدیگر متصل و به منبع ولتاژ تغذیه ورودی وصل می‌شوند. امیتر ترانزیستور اولی به بیس ترانزیستور دوم متصل شده است. امیتر ترانزیستور دوم به زمین متصل است و سیگنال کنترلی نیز به بیس ترانزیستور اول اعمال می‌شود.

ترانزیستور اول یا ترانزیستور ورودی، سیگنال ورودی را در بیس خود دریافت می‌کند. این ترانزیستور، سیگنال دریافتی را به روش معمول تقویت کرده و سپس آن را به ترانزیستور دوم وارد می‌کند. ترانزیستور دوم یا ترانزیستور خروجی، دوباره سیگنال را تقویت می‌کند و منجر به یک بهره جریان بسیار بالا می‌شود. یکی از مهم‌ترین مشخصه‌های ترانزیستورهای دارلینگتون، بهره جریان بالای آن‌ها نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی تکی است. علاوه بر توانایی بالا در کلیدزنی ولتاژها و جریان‌های بزرگ، مزیت بزرگ دیگر کلیدهای ترانزیستوری دارلینگتون، سرعت بالای کلیدزنی است که آن‌ها را برای استفاده در مدارات اینورتر، مدرات روشنایی و کاربردهای کنترل موتور DC و پله‌ای مناسب ساخته است.

یک تفاوت مهم که هنگام استفاده از ترانزیستورهای دارلینگتون به عنوان کلید، به جای ترانزیستورهای دوقطبی معمولی وجود دارد. این تفاوت مهم در این است که به دلیل اتصال سری دو ترانزیستور، در مسیر بیس ترانزیستور ورودی تا امیتر ترانزیستور خروجی دو پیوند بیس-امیتر وجود دارد. در نتیجه برای روشن شدن ترانزیستور دارلینگتون ولتاژ ورودی باید طوری تنظیم شود که ولتاژ بیس ترانزیستور اول نسبت به امیتر ترانزیستور دوم به اندازه 1٫4 ولت (2×0٫۷) بالاتر باشد.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌ مهندسی الکترونیک
• آموزش الکترونیک 2
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی برق و الکترونیک
• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• تریستور چیست؟ — به زبان ساده
• دیود تونل — از صفر تا صد
• تقویت کننده‌ ها (Amplifiers) — به زبان ساده

^^