ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ

ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ عنوان این مقاله است که در ادامه با هم به بررسی آن خواهیم پرداخت.

با استفاده از ترانزیستور در حالت اشباع یا قطع می توان از سوئیچ های ترانزیستور برای روشن یا خاموش کردن دستگاه DC ولتاژ پایین (به عنوان مثال LED) استفاده کرد.

هنگامی که به عنوان تقویت‌کننده‌سیگنال AC استفاده می‌شود‌،‌ولتاژ بایاس ترانزیستورها به گونه‌ای اعمال می‌شود که همیشه در‎منطقه “فعال” خود کار‌کند.

یعنی قسمت خطی منحنی ویژگی های خروجی استفاده شود.

با این حال ، می توان هر دو ترانزیستور دو قطبی نوع NPN و PNP را با سوگیری سوئیچ ترانزیستور پایه با ترانزیستور ترمینال پایه متفاوت از تقویت کننده سیگنال ، به عنوان سوئیچ حالت جامد “ON / OFF” کار کرد.

کلیدهای حالت جامد یکی از اصلی‌ترین کاربردها برای استفاده از ترانزیستور برای روشن کردن خروجی DC “روشن” یا “خاموش” است.

برخی از دستگاه های خروجی مانند LED فقط به چند میلی آمپر در سطح منطقی ولتاژ DC نیاز دارند.

بنابراین می توانند مستقیماً توسط خروجی دروازه منطقی هدایت شوند.

با این حال ، دستگاه های با قدرت بالا مانند موتورها ، سلونوئیدها یا لامپ ها ، اغلب به برق بیشتری نسبت به آنچه توسط یک دروازه منطقی معمولی تأمین می شود ، نیاز دارند تا سوئیچ های ترانزیستور استفاده شوند.

اگر مدار از ترانزیستور دو قطبی به عنوان کلید استفاده می کند ، بایاس ترانزیستور ، NPN یا PNP تنظیم شده است تا ترانزیستور را در دو طرف منحنی ویژگی های “I-V” که قبلاً دیده ایم ، کار کند.

نکته:

مناطق عملیاتی برای یک سوئیچ ترانزیستور به نام منطقه اشباع و منطقه قطع شده شناخته می شوند.

این بدان معنی است که ما می‌توانیم مدار تقسیم ولتاژ و تقسیم ولتاژ مورد نیاز برای تقویت را نادیده بگیریم.

از ترانزیستور به عنوان سوئیچ استفاده کنیم و آن را به عقب و جلو بین “کاملا خاموش” (قطع) و “کاملا” مناطق ”(اشباع) همانطور که در زیر نشان داده شده است.

مناطق عملیاتی

ناحیه سایه ‌دار صورتی‌رنگ در‌پایین منحنی‌ ها‌، منطقه‌”برش”‌را نشان می‌دهد در‌حالی که ناحیه آبی سمت چپ‌، ‌منطقه‌ “اشباع”‌ ترانزیستور است.

هر دو این مناطق ترانزیستور به صورت زیر تعریف می شوند:

1. منطقه قطع

در‌اینجا شرایط‌عملکرد ترانزیستور صفر جریان ورودی (IB)‌، جریان جمع کننده صفر خروجی (IC) و حداکثر ولتاژ جمع کننده (VCE) است.

که منجر به یک لایه تخلیه بزرگ می‌شود و هیچ‌جریانی از طریق دستگاه جریان نمی‌یابد. بنابراین ترانزیستور “کاملاً خاموش” است.

خصوصیات قطع

ورودی و پایه زمینی هستند (0v)

• ولتاژ پایه-امیتر VBE <0.7v
• اتصال Base-Emitter مغایرت معکوس دارد
• اتصال Base-Collector بایاس معکوس است
• ترانزیستور کاملاً خاموش است (منطقه قطع)
• جریان جریان جمع کننده وجود ندارد (IC = 0)
• VOUT = VCE = VCC = ”1
• ترانزیستور به عنوان “سوئیچ باز” عمل می کند

سپس می توانیم هنگام استفاده از ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ‌، “منطقه قطع” یا “حالت خاموش” را تعریف کنیم.

هر‌دو اتصال با یک جهت‌گیری معکوس‌،‌VB <0.7v و IC = 0. برای ترانزیستور PNP‌،‌پتانسیل امیتر باید نسبت‌به Base منفی باشید.

2. منطقه اشباع

در اینجا ترانزیستور بایاس خواهد بود به طوری که حداکثر مقدار جریان پایه اعمال می شود.

در نتیجه حداکثر جریان جمع کننده منجر به حداقل افت ولتاژ انتشار دهنده جمع کننده می شود.

که در نتیجه لایه تخلیه تا حد ممکن کم و حداکثر جریان از طریق ترانزیستور جریان می یابد.

بنابراین ترانزیستور “کاملاً روشن” است.

مشخصات اشباع

ورودی و پایه به VCC متصل می شوند

• ولتاژ پایه-امیتر VBE> 0.7v
• اتصال Base-Emitter بایاس به جلو است
• اتصال Base-Collector با تعصب رو به جلو است
• ترانزیستور کاملاً روشن است (منطقه اشباع)
• حداکثر جریانهای جمع کننده (IC = Vcc / RL)
• VCE = 0 (اشباع ایده آل)
• VOUT = VCE = ”0
• ترانزیستور به عنوان “سوئیچ بسته” عمل می کند

سپس می‌توانیم هنگام استفاده از ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ ، “منطقه اشباع” یا “حالت ON” را تعریف کنیم.

هر‌ دو محل ‌اتصال متمایل به جلو‌ ، ‌VB> 0.7v و IC = Maximum.

برای ترانزیستور PNP ، پتانسیل امیتر باید با توجه به پایه مثبت باشد.

سپس ترانزیستور به عنوان سوئیچ حالت جامد “یک قطب تک پل” (SPST) عمل می کند.

با استفاده از‌سیگنال‌صفر به پایه ترانزیستور‌،‌”خاموش” می شود که مانند یک سوئیچ‌باز عمل می‌کند و جریان جمع‌کننده صفر جریان می‌یابد.

با استفاده از یک سیگنال مثبت به پایه ترانزیستور ، آن “روشن” می شود که مانند یک سوئیچ بسته عمل می کند و حداکثر جریان مدار از طریق دستگاه جریان می یابد.

ساده‌ترین راه برای‌تغییر توان‌متوسط به زیاد‌،‌استفاده از ترانزیستور با خروجی کلکتور باز و‌ترمینال ترانسزیستور Emitter به‌طور مستقیم به زمین متصل‌است.

هنگامی که به این روش استفاده می شود ، ترانزیستورها می توانند خروجی جمع کننده باز را “غرق” کنند و ولتاژ خارجی را به زمین متصل کند و در نتیجه هر بار متصل شده را کنترل کند.

یک‌مثال از ترانزیستور NPN به‌عنوان یک سوئیچ که برای کار با یک رله استفاده می‌شود‌، در زیر آورده شده است.

با بارهای القایی مانند رله ها یا سلونوئیدها ، یک دیود چرخ دنده در سراسر بار قرار داده می شود تا EMF عقب تولید شده توسط بار القایی هنگام ترانزیستور خاموش شود و از ترانزیستور در برابر آسیب محافظت کند.

اگر بار از‌نوع جریان یا ولتاژ بسیار‌بالا است‌،‌مانند موتورها‌، بخاری‌ها و غیره‌، می‌توان جریان‌بار را از‌طریق یک‌ رله مناسب کنترل‌کرد.

همانطور که نشان داده شده است.

مدار سوئیچینگ ترانزیستور پایه NPN

این مدار شبیه مدار مشترک Emitter است که در آموزش های قبلی بررسی کردیم.

تفاوت این بار این‌است که برای کار با ترانزیستور به‌عنوان یک سوئیچ‌، ترانزیستور باید‌کاملاً “خاموش”‌(قطع) یا کاملا “روشن” (اشباع) شود.

یک سوئیچ ترانزیستوری ایده آل دارای مقاومت مدار بی نهایت بین کلکتور و امیتر هنگام خاموش شدن کاملاً خاموش است.

در نتیجه جریان صفر از آن عبور می کند و هنگامی که “کاملاً روشن” می شود مقاومت بین جمع کننده و امیتر صفر است و در نتیجه حداکثر جریان جریان می یابد.

در عمل وقتی ترانزیستور “خاموش” می شود ، جریان های نشتی کمی از طریق ترانزیستور جریان می یابند و هنگامی که دستگاه کاملاً روشن است ، مقدار مقاومت آن کم است و باعث می شود ولتاژ اشباع کوچک (VCE) در آن وجود داشته باشد.

حتی‌اگر ترانزیستور یک کلید کامل نباشد‌، در هر‌دو قسمت قطع و اشباع‌، توان تلف‌شده توسط ترانزیستور در کمترین حد خود‌است.

برای اینکه جریان Base جریان یابد‌، باید ترمینال‌ورودی Base با‌افزایش آن بیش از‌0.7 ولت مورد‌نیاز یک‌دستگاه سیلیکون‌،‌نسبت به‌Emitter مثبت شود.

با تغییر این ولتاژ Base-Emitter ولتاژ VBE ، جریان Base نیز تغییر می کند و به نوبه خود میزان جریان جمع کننده را از طریق ترانزیستور کنترل می کند همانطور که قبلاً بحث شد.

هنگامی که حداکثر جریان جمع کننده جریان می یابد ، گفته می شود ترانزیستور اشباع شده است.

مقدار‌مقاومت پایه تعیین می‌کند که چه‌مقدار ولتاژ ورودی و جریان پایه مربوطه برای روشن و خاموش‌شدن کامل ترانزیستور مورد‌نیاز است.

مثال شماره 1ترانزیستور به عنوان نمونه سوئیچ

با استفاده از مقادیر ترانزیستور از آموزشهای قبلی: β = 200 ، Ic = 4mA و Ib = 20uA ، مقدار مقاومت پایه (Rb) مورد نیاز برای روشن کردن بار کاملاً “روشن” را پیدا کنید وقتی که ولتاژ ترمینال ورودی از 2.5 ولت عبور کند.

کمترین مقدار ارجح بعدی: 82kΩ ، این تضمین می کند که سوئیچ ترانزیستور همیشه اشباع شده است.

مثال شماره 2ترانزیستور به عنوان نمونه سوئیچ

مجدداً با استفاده از همان مقادیر ، حداقل جریان پایه مورد نیاز برای روشن کردن ترانزیستور “کاملاً روشن” (اشباع شده) را برای یک بار که به 200 میلی آمپر جریان نیاز دارد ، هنگامی که ولتاژ ورودی به 5.0 ولت افزایش می یابد ، پیدا کنید.

همچنین مقدار جدید Rb را محاسبه کنید.

جریان پایه ترانزیستور:

مقاومت پایه ترانزیستور:

سوئیچ های ترانزیستور برای طیف گسترده ای از برنامه ها مانند ارتباط بین دستگاه های جریان بزرگ یا ولتاژ بالا مانند موتورها ، رله ها یا لامپ ها به IC دیجیتال ولتاژ پایین یا دروازه های منطقی مانند AND gates یا OR استفاده می شوند.

در اینجا ، خروجی از یک گیت منطقی دیجیتال فقط + 5 ولت است اما دستگاهی که کنترل می شود ممکن است به منبع 12 یا حتی 24 ولت نیاز داشته باشد.

یا ممکن است لازم باشد باری مانند موتور DC با استفاده از یک‌سری پالس ها سرعت خود را کنترل کند.

ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ به ما امکان می دهد این‌کار را سریعتر و راحت‌تر از سوئیچ های مکانیکی معمولی انجام دهیم.

سوئیچ ترانزیستور دیجیتال منطقی

مقاومت پایه ، Rb برای محدود کردن جریان خروجی از دروازه منطقی مورد نیاز است.

سوئیچ ترانزیستور PNP

ما همچنین می توانیم از ترانزیستورهای PNP به عنوان یک سوئیچ استفاده کنیم.

تفاوت این بار در اتصال بار به زمین (0v) است و ترانزیستور PNP برق را به آن سوئیچ می کند.

برای روشن کردن ترانزیستور PNP به عنوان “روشن” ، ترمینال پایه به زمین یا صفر ولت (LOW) متصل شده است.

مدار سوئیچینگ ترانزیستور PNP

معادلات محاسبه مقاومت پایه ، جریان جمع کننده و ولتاژها دقیقاً مشابه سوئیچ ترانزیستور NPN قبلی است.

تفاوت این بار این است که ما به جای اینکه با ترانزیستور NPN (جریان غرق شدن) زمین را تغییر دهیم ، با ترانزیستور PNP (برق منبع) برق را تغییر می دهیم.

سوئیچ ترانزیستور دارلینگتون

گاهی اوقات افزایش جریان DC ترانزیستور دو قطبی برای تغییر مستقیم جریان بار یا ولتاژ بسیار کم است.

بنابراین از ترانزیستورهای سوئیچینگ چندگانه استفاده می شود.

در‌اینجا ، از یک ترانزیستور ورودی کوچک برای روشن یا خاموش کردن ترانزیستور خروجی کنترل جریان بسیار بزرگتر استفاده می‌شود.

برای به حداکثر رساندن افزایش سیگنال ، این دو ترانزیستور در یک “پیکربندی ترکیب مکمل افزایش سود” متصل می شوند یا آنچه که بیشتر “تنظیمات دارلینگتون” نامیده می شود فاکتور تقویت محصول دو ترانزیستور منفرد است.

ترانزیستورهای Darlington به سادگی حاوی دو ترانزیستور دو قطبی جداگانه از نوع NPN یا PNP هستند که به هم متصل شده اند تا بهره فعلی ترانزیستور اول با سود فعلی ترانزیستور دوم ضرب شود تا دستگاهی تولید شود که مانند یک ترانزیستور منفرد با جریان بسیار بالا عمل می کند برای جریان پایه بسیار کوچکتر بهره مند شوید.

مقدار‌کلی جریان بتا‌(β) یا مقدار hfe دستگاه دارلینگتون محصول دو سود منفرد ترانزیستور است.

به صورت زیر ارائه می‌شود:

بنابراین ترانزیستورهای دارلینگتون با مقادیر β بسیار بالا و جریان جمع کننده زیاد در‌مقایسه با یک سوئیچ ترانزیستوری منفرد امکان‌پذیر‌است.

به عنوان مثال ، اگر ترانزیستور ورودی اول دارای افزایش جریان 100 و ترانزیستور سوئیچینگ دوم با افزایش 50 برابر باشد ، کل جریان فعلی 100 * 50 = 5000 خواهد بود.

بنابراین به‌عنوان مثال‌، اگر جریان بار ما از‌بالا 200mA باشد‌، پس جریان‌پایه darlington فقط 200mA / 5000 = 40uA است.

کاهش بسیار زیاد نسبت به 1mA قبلی برای یک ترانزیستور منفرد.

در زیر مثالی از دو نوع اساسی پیکربندی ترانزیستور Darlington آورده شده است.

تنظیمات ترانزیستور Darlington

پیکربندی سوئیچ ترانزیستور NPN دارلینگتون ، جمع کننده های دو ترانزیستور متصل به هم را با امیتر ترانزیستور اول متصل به ترمینال پایه ترانزیستور دوم نشان می دهد.

بنابراین ، جریان امیتر ترانزیستور اول به جریان پایه سوئیچینگ ترانزیستور دوم تبدیل می شود آن “روشن” است.

ترانزیستور اول یا “ورودی” سیگنال ورودی را به Base خود می گیرد.

این ترانزیستور آن‌را به روش معمول تقویت می کند و از آن برای هدایت دومین ترانزیستور بزرگتر “خروجی” استفاده می‌کند.

ترانزیستور دوم سیگنال را دوباره تقویت می کند و منجر به افزایش جریان بسیار زیاد می شود.

یکی از اصلی ترین مشخصات ترانزیستورهای دارلینگتون ، افزایش جریان بالای آنها در مقایسه با ترانزیستورهای تک قطبی است.

علاوه بر افزایش قابلیت سوئیچینگ جریان و ولتاژ بالا ، یکی دیگر از مزایای “سوئیچ ترانزیستور Darlington” سرعت بالای سوئیچینگ است که آنها را برای استفاده در مدارهای اینورتر ، مدارهای روشنایی و موتورهای DC یا موتور کنترل استپ ایده آل می کند.

یک تفاوت که هنگام استفاده از ترانزیستورهای دارلینگتون نسبت به انواع تک قطبی تک قطعه ای معمول هنگام استفاده از ترانزیستور به عنوان سوئیچ باید در نظر گرفته شود این است که ولتاژ ورودی Base-Emitter (VBE) به دلیل اتصال سری دو اتصال PN.

خلاصه ترانزیستور به عنوان سوئیچ

سپس برای جمع بندی هنگام استفاده از ترانزیستور به عنوان سوئیچ ، شرایط زیر اعمال می شود:

• از کلیدهای ترانزیستوری می توان برای تعویض و کنترل لامپ ها ، رله ها یا حتی موتورها استفاده کرد.
• هنگام استفاده از ترانزیستور دو قطبی به عنوان کلید ، آنها باید “کاملاً خاموش” یا “کاملاً روشن” باشند.
• گفته می شود که ترانزیستورهایی که کاملاً “روشن” هستند در منطقه اشباع خود قرار دارند.
• گفته می شود ترانزیستورهایی که کاملاً “خاموش” هستند در منطقه قطع خود قرار دارند.
• هنگام استفاده از ترانزیستور به‌عنوان سوئیچ‌، یک جریان پایه کوچک جریان بار جمع کننده بسیار بزرگتری را کنترل می‌کند.
• هنگام استفاده از ترانزیستور برای جابجایی بارهای القایی مانند رله ها و سلونوئیدها‌، از یک “دیود فلایویل” استفاده می‌شود.
• هنگامی که نیاز به کنترل جریان یا ولتاژهای بزرگ است ، می توان از ترانزیستورهای Darlington استفاده کرد.

در آموزش بعدی در‌مورد ترانزیستورها‌، ما عملکرد ترانزیستور اثر میدان اتصال را که معمولاً به‌عنوان JFET شناخته می‌شود‌، بررسی خواهیم‌کرد.

ما همچنین منحنی ویژگی های خروجی را که معمولاً با مدارهای تقویت کننده JFET مرتبط هستند به عنوان تابعی از ولتاژ منبع به ولتاژ دروازه ترسیم خواهیم کرد.