ترانزیستور NPN

ترانزیستورهای NPN دستگاههای سه ترمینال و سه لایه هستند که می‌توانند به عنوان تقویت کننده یا سوئیچ الکترونیکی کار کنند.

در آموزش قبلی دیدیم که ترانزیستور دو قطبی استاندارد یا BJT ، به دو شکل اساسی ارائه می شود.

یک نوع NPN (منفی-مثبت-منفی) و یک نوع PNP (مثبت-منفی-مثبت).

متداول ترین تنظیمات ترانزیستور ، ترانزیستور NPN است.

ما همچنین یاد گرفتیم که اتصالات ترانزیستور دو قطبی را می توان به یکی از سه روش مختلف تعمیم داد:

• پایگاه مشترک
• امیتر مشترک
• جمع کننده مشترک

در این آموزش در مورد ترانزیستورهای دو قطبی‌،‌ما با دقت‌بیشتری به پیکربندی‌”امیتر مشترک”‌با استفاده از ترانزیستور دو‌قطبی NPN نگاه خواهیم‌کرد.

نمونه ای از ساخت ترانزیستور NPN همراه با مشخصات جریان ترانزیستورها در زیر آورده شده است.

پیکربندی ترانزیستور دو قطبی NPN

(توجه: پیکان، جریان ساطع کننده و جریان متداول را تعریف می کند که برای ترانزیستور دو قطبی NPN “خارج” است.)

ولتاژ ساخت و ترمینال برای ترانزیستور دو قطبی NPN در بالا نشان داده شده است.

ولتاژ بین پایه و امیتر (VBE) در Base مثبت و در Emitter منفی است زیرا برای ترانزیستور NPN ، ترمینال Base همیشه با توجه به Emitter مثبت است.

همچنین ولتاژ تأمین کننده کلکتور با توجه به Emitter (VCE) مثبت است.

بنابراین برای یک ترانزیستور دو قطبی NPN ، کالکتور همیشه با توجه به Base و Emitter مثبت تر است.

شکل یک ترانزیستور NPN

سپس منابع ولتاژ همانطور که نشان داده شده است به یک ترانزیستور NPN متصل می شوند.

جمع‌کننده از‌طریق مقاومت‌بار‌،‌RL به ولتاژ منبع‌تغذیه VCC متصل شده‌است که همچنین برای محدود‌کردن حداکثر جریان در جریان دستگاه کار می‌کند.

ولتاژ تأمین ولتاژ VB به مقاومت Base RB متصل شده‌است که دوباره برای محدود کردن حداکثر جریان پایه استفاده می‌شود.

بنابراین در یک ترانزیستور NPN حرکت حامل های جریان منفی (الکترون ها) از طریق منطقه Base است که عمل ترانزیستور را تشکیل می دهد ، زیرا این الکترون های متحرک ارتباط بین مدارهای جمع کننده و امیتر را فراهم می کنند.

این پیوند بین مدارهای ورودی و خروجی ویژگی اصلی عمل ترانزیستور است.

زیرا خصوصیات تقویت‌کننده ترانزیستورها از کنترل بعدی ناشی می‌شود که Base بر جریان جمع کننده به انتشار دهنده اعمال می‌کند.

سپس می توانیم ببینیم که ترانزیستور یک دستگاه جریان دار است (مدل بتا) .

هنگامی که ترانزیستور‌”کاملاً روشن”‌است یک جریان بزرگ (Ic) آزادانه از طریق دستگاه بین کلکتور و ترمینال های ساطع‌کننده جریان می‌یابد.

با این‌حال‌، این تنها زمانی اتفاق می‌افتد که یک جریان بایاس کوچک (Ib) همزمان به ترمینال پایه ترانزیستور جریان داشته‌باشد.

بنابراین به Base اجازه می دهد تا به عنوان نوعی ورودی کنترل جریان عمل کند.

BETA!

جریان موجود در یک ترانزیستور دو قطبی NPN نسبت این دو جریان (Ic / Ib) است که گردش جریان DC دستگاه نامیده می شود و نماد hfe که امروزه Beta ، (β) نامیده می شود.

مقدار β می تواند برای ترانزیستورهای استاندارد تا 200 بزرگ باشد.

همین نسبت زیاد بین Ic و Ib است که باعث می شود ترانزیستور دو قطبی NPN هنگام تقویت در منطقه فعال خود ، وسیله تقویت کننده مفیدی باشد ، زیرا Ib ورودی و Ic را فراهم می کند.

توجه داشته باشید که بتا هیچ واحدی ندارد زیرا یک نسبت است.

همچنین‌،‌سود فعلی ترانزیستور از ترمینال کالکتور به ترمینال امیتر‌،‌Ic / Ie ،‌Alpha ،‌(α) نامیده می‌شود و تابعی از‌خود ترانزیستور است.

(الکترون ها از طریق محل اتصال پخش می‌شوند).

از آنجا که جریان ساطع کننده Ie مجموع یک جریان پایه بسیار کوچک به علاوه یک جریان جمع کننده بسیار بزرگ است ، مقدار آلفا (α) بسیار نزدیک به وحدت است ، و برای یک ترانزیستور سیگنال کم مصرف معمولی این مقدار از حدود 0.950 است تا 0.999 .

رابطه α و β در یک ترانزیستور NPN

با‌ترکیب دو‌پارامتر α و β می‌توانیم دو‌اصطلاح ریاضی تولید کنیم که رابطه بین جریانهای مختلف را در ترانزیستور جریان می‌دهد.

مقادیر Beta از حدود‌20 برای ترانزیستورهای قدرت‌جریان بالا تا بیش‌از 1000 برای ترانزیستورهای دو‌قطبی نوع کم‌توان با فرکانس‌بالا متفاوت است.

مقدار Beta را برای بیشتر ترانزیستورهای NPN استاندارد می توان در ورق های داده تولید کننده یافت اما به طور کلی بین 50 تا 200 است.

معادله بالا برای Beta همچنین می تواند مرتب شود تا Ic به عنوان موضوع در نظر گرفته شود ، و با یک جریان پایه صفر (Ib = 0) جریان جمع کننده حاصل Ic نیز صفر خواهد بود ، (β * 0).

همچنین وقتی جریان پایه زیاد باشد جریان جمع‌کننده مربوطه نیز زیاد خواهد‌بود و در‌نتیجه جریان پایه‌کنترل جریان جمع‌کننده‌را کنترل می‌کند.

یکی‌از مهمترین خصوصیات ترانزیستور اتصال دو‌قطبی این است که یک‌جریان پایه کوچک می‌تواند جریان جمع‌کننده بسیار بزرگتری را کنترل کند.

مثال زیر را در نظر بگیرید.

مثال شماره 1 ترانزیستور NPN

یک ترانزیستور دو قطبی NPN دارای یک افزایش جریان DC ، (Beta) از 200 است.

مقدار جریان اصلی Ib مورد نیاز برای تغییر بار مقاومتی 4mA را محاسبه کنید.

بنابراین ، β = 200 ، Ic = 4mA و Ib = 20μA.

نکته دیگری که باید در مورد ترانزیستورهای دو قطبی  NPN به خاطر بسپارید.

ولتاژ کلکتور‌،‌(Vc) باید با‌توجه به ولتاژ ساطع‌کننده‌،‌بزرگتر و مثبت باشد‌،‌(Ve) تا بتواند جریان را از‌‌طریق ترانزیستور بین اتصالات کلکتور-ساطع‌کننده جریان‌دهد.

همچنین ، یک افت ولتاژ بین پایه و ترمینال امیتر حدود 0.7 ولت (یک افت ولتاژ دیود) برای دستگاه های سیلیکونی وجود دارد زیرا مشخصات ورودی یک ترانزیستور NPN از یک دیود مغرضانه به جلو است.

سپس ولتاژ پایه ، (Vbe) یک ترانزیستور NPN باید بیشتر از این 0.7 ولت باشد در غیر این صورت ترانزیستور با جریان پایه ای که به صورت داده شده هدایت نمی شود.

در اینجا:

Ib جریان پایه است

Vb ولتاژ بایاس پایه است

Vbe افت ولتاژ پایه-امیتر (0.7 ولت) و

Rb مقاومت ورودی پایه است.

با افزایش Ib ، Vbe به آرامی به 0.7 ولت افزایش می یابد اما Ic به صورت نمایی افزایش می‌یابد.

مثال شماره 2 ترانزیستور NPN

ترانزیستور NPN دارای ولتاژ بایاس پایه DC ، Vb 10v و مقاومت پایه ورودی ، Rb 100kΩ است.

مقدار جریان پایه به داخل ترانزیستور چه مقدار خواهد بود.

بنابراین ، Ib = 93μA.

پیکربندی امیتر مشترک

علاوه بر این که به عنوان یک سوئیچ نیمه هادی برای روشن کردن جریان بار “روشن” یا “خاموش” با کنترل سیگنال پایه به ترانزیستور در هر دو بخش اشباع یا قطع استفاده می شود ،

ترانزیستورهای دو قطبی NPN همچنین می توانند در منطقه فعال آن استفاده شوند .

یک‌مدار تولید کنید که هر‌سیگنال AC کوچکی را که در ترمینال Base اعمال می شود با Emitter grounded تقویت کنید.

اگر یک ولتاژ مناسب “بایاس” مناسب برای پایانه اصلی ترانزیستورها اعمال شود،

بنابراین به آن اجازه می‌دهد که همیشه در محدوده فعال خطی خود عمل کند.

یک تقویت‌کننده معکوس کننده به نام تقویت‌کننده امیتر مشترک تولید می‌شود.

نتیجه این است که ترانزیستور همیشه بین نواحی برش و اشباع خود در نیمه راه کار می کند.

از این طریق به آمپلی فایر ترانزیستور اجازه می دهد تا نیمه های مثبت و منفی هر سیگنال ورودی AC را که بر روی این ولتاژ متمایل DC قرار گرفته است ، بطور دقیق تولید کند.

بدون این “ولتاژ بایاس” فقط نیمی از شکل موج ورودی تقویت می شود.

این پیکربندی تقویت کننده امیتر متداول با استفاده از ترانزیستور NPN کاربردهای زیادی دارد.

اما معمولاً در مدارهای صوتی مانند مراحل پیش تقویت کننده و تقویت کننده قدرت استفاده می شود.

با مراجعه به پیکربندی emitter معمولی که در زیر نشان داده شده است ، خانواده ای از منحنی ها که به عنوان منحنی های Output Characteristicsistics شناخته می شوند ، جریان جمع کننده خروجی ، (Ic) را به ولتاژ جمع کننده ، (Vce) با مقادیر مختلف جریان اصلی مرتبط می کنند ، (Ib). منحنی خصوصیات خروجی برای ترانزیستورهایی با همان مقدار β به ترانزیستور اعمال می شود.

یک “خط بار” DC نیز می تواند بر روی منحنی ویژگی های خروجی ترسیم شود تا هنگام اعمال مقادیر مختلف جریان پایه ، تمام نقاط کار ممکن را نشان دهد.

لازم است مقدار‌اولیه‌Vce را به درستی تنظیم کنید تا ولتاژ‌خروجی هنگام تقویت سیگنالهای ورودی AC به بالا و پایین تغییر‌کند.

به این کار تنظیم نقطه کار یا‌Quiescent Point‌،‌به‌طور خلاصه Q-point گفته می‌شود و این در زیر نشان داده شده‌است.

مدار تقویت کننده امیتر تک مرحله ای

منحنی ویژگی های خروجی یک ترانزیستور دو قطبی معمولی

مهمترین عاملی که باید توجه شود‌،‌تأثیر Vce بر جریان جمع‌کننده Ic است‌،‌درصورتی که Vce بیش از 1.0 ولت باشد.

می‌توانیم ببینیم که Ic تا حد زیادی تحت تأثیر تغییرات Vce بالای این مقدار قرار ندارد و در عوض تقریباً توسط جریان پایه کنترل می شود ، Ib.

وقتی این اتفاق می افتد می توان گفت که مدار خروجی نشان دهنده “منبع جریان ثابت” است.

همچنین از مدار امیتر مشترک بالا می توان دریافت که جریان ساطع کننده Ie مجموع جریان جمع کننده ، Ic و جریان پایه Ib است که با هم جمع شده اند بنابراین می توانیم بگوییم که Ie = Ic + Ib برای پیکربندی ساطع کننده مشترک ( CE) است.

با استفاده از منحنی های مشخصه خروجی در مثال بالا و همچنین قانون Ohm´s ، جریان عبوری از مقاومت بار (RL) برابر با جریان جمع کننده است ، Ic وارد ترانزیستور می شود که به نوبه خود با ولتاژ تغذیه مطابقت دارد ، ( Vcc) منهای افت ولتاژ بین کلکتور و پایانه های ساطع کننده ، (Vce) و به صورت زیر ارائه می شود:

فرمول محاسبه جریان کلکتور

همچنین ، یک خط مستقیم که نمایانگر خط بار پویا ترانزیستور است ، می تواند از نقطه “اشباع” (A) هنگامی که Vce = 0 تا نقطه “قطع” (B) است ، به طور مستقیم بر روی نمودار منحنی های بالا رسم شود. Ic = 0

بنابراین “عامل” یا نقطه Q ترانزیستور را به ما می دهد.

این دو‌نقطه با یک‌خط مستقیم به‌هم وصل می‌شوند و هر‌موقعیتی در امتداد این خط مستقیم نشان‌دهنده “منطقه فعال” ترانزیستور است.

موقعیت واقعی خط بار در منحنی ویژگی ها را می توان به شرح زیر محاسبه کرد:

سپس‌،‌می‌توان از منحنی ویژگی های جمع‌کننده یا خروجی برای ترانزیستورهای مشترک Emitter NPN برای پیش بینی جریان جمع‌کننده‌،‌Ic استفاده کرد.

در صورت داده شدن Vce و جریان پایه‌، Ib.‌یک خط بار نیز می تواند بر روی منحنی ها ساخته شود.

تا یک نقطه کار یا Q مناسب را تعیین کند که می تواند با تنظیم جریان پایه تنظیم شود.

شیب این خط بار برابر است با مقاومت متقابل بار که به این شرح است: -1 / RL

سپس می‌توانیم یک ترانزیستور NPN را به عنوان “خاموش” تعریف کنیم.

اما یک جریان‌ورودی کوچک و یک‌ولتاژ‌مثبت کوچک در پایگاه آن‌(B)نسبت به emitter (E)آن را‌”روشن”‌می‌کند که‌جریان‌زیادی به جمع‌کننده بزرگی جریان داشته‌باشد.

رفتار ترانزیستورهای NPN زمانی رخ می‌دهد که Vc بسیار بزرگ‌تر از Ve است

در آموزش بعدی در‌مورد ترانزیستورهای دو‌قطبی‌، ما به شکل مخالف یا مکمل ترانزیستور NPN به نام ترانزیستور PNP نگاه خواهیم‌کرد.

نشان خواهیم داد که ترانزیستور PNP ویژگی های بسیار مشابه ترانزیستور دو قطبی NPN دارد.

با این تفاوت که قطب ها  جهت جریان و ولتاژ معکوس می شود.