ترانزیستور BJT

ساختمان ترانزیستور:
ترانزیستور معمولی از سه کریستال نوع P و  N تشکیل یافته است. ترتیب قرار گرفتن کریستال های Pو N  در کنار هم به صورت شکل زیر می باشد:

سه پایه ی ترانزیستور نیز –امیتر یعنی منتشر کننده، بیس به معنی پایه و کلکتور یعنی جمع کننده نام گذاری شده اند. در شکل زیر هم ساختمان داخلی ترانزیستور نشان داده شده است:

کریستال P یا N که به صورت امیتر به کار می رود نسبت به لایه بیس  و کلکتور دارای ناخالصی بیش تر است. ضخامت لایه امیتر حدود 20 تا 2000 میکرومتر است. لایه ی بیس نسبت به کلکتور و امیتر دارای ناخالصی و ضخامت بسیار کم تر است. ناخالصی لایه ی کلکتور از امیتر کمتر است، اما از بیس به مراتب بیش تر است. ضخامت لایه کلکتور از امیتر بیش تر است، زیرا تمام تلفات حرارتی ترانزیستور در کلکتور ایجاد می شود. در شکل زیر نسبت تقریبی لایه های ترانزیستور و نمونه ای از یک ترانزیستور ساخته شده نشان داده شده است.

نمای مداری و معادل دیودی ترانزیستور:

نمای مداری ترانزیستورهای NPN و PNPدر شکل مشخص شده است:

بایاس کردن ترانزیستور:
برای این که بتوانیم از ترانزیستور به صورت تقویت کننده یا کلید و نظایر آن استفاده کنیم باید ابتدا ترانزیستور را با ولتاژ DC تغذیه کنیم. تغذیه نمودن پایه های ترانزیستور را بایاس کردن ترانزیستور گویند. برای بایاس کردن ترانزیستور به دو دیود امیتر بیس و کلکتور بیس ولتاژ DC اعمال شود. چون ترانزیستور سه پایه دارد یکی از پایه ها را مشترک و دو پایه ی دیگر را یکی ورودی و دیگری خروجی در نظر می گیریم.در شکل زیر این حالت برای دو ترانزیستور نشان داده شده است.

به سه حالت می توانیم به پایه های ترانزیستور ولتاژ اعمال کنیم.
حالت اول : دیود امیتر بیس در بایاس موافق و دیود کلکتور بیس در بایاس مخالف که در شکل زیر نشان داده شده برای یک ترانزیستور NPN و PNP این حالت بایاس نشان داده شده است.

حالت دوم : اتصال بیس امیتر در بایاس مخالف و اتصال بیس کلکتور در بایاس مخالف است که در شکل زیر یک ترانزیستور NPN را در این حالت نشان داده ایم.

حالت سوم : اتصال بیس امیتر در بایاس موافق و اتصال بیس کلکتور در بایاس موافق که در شکل زیر نیز این حالت نشان داده شده است. دو جریان IE و IC در پایه ی بیس با یک دیگر جمع می شوند و جریان زیادی را در بیس ایجاد می کنند.

جریان ها در ترانزیستور:
حامل های باری که از امیتر حرکت می کنند مقدار ناچیزی از آنها در بیس جریان بیس IB را می سازند و بقیه ی حامل ها به کلکتور رسیده، جریان کلکتور IC را تشکیل می دهند. از این رو می توان بیان نمود جریان IE برابر با مجموع  جریان بیس و جریان کلکتور است: یعنی IE= IC+IB در شکل زیر نیز جهت جریان ها در ترانزیستور مشخص گردیده است. با توجه به شکل پیکان روی امیتر معرف جهت قراردادی جریان است.

ولتاژها در ترانزیستور:
اعمال ولتاژ DC به ترانزیستور برای بایاس نمودن آن، روی پایه های ترانزیستور افت ولتاژی ایجاد می کند. ولتاژی که بین پایه های بیس و امیتر ترانزیستور قرار می گیرد با VBE نشان داده می شود. هم چنین ولتاژ بین کلکتور امیتر با VCE و ولتاژ بین کلکتور بیس با VCB مشخص می گردد. در شکل زیر این افت ولتاژ ها برای یک  ترانزیستور نشان داده شده است:

چگونگی عمل تقویت کنندگی در ترانزیستور:
برای عمل تقویت در ترانزیستور ضروری است ابتدا ترانزیستور را از نظر DC بایاس کنیم. هم چنین لازم دیود امیتر بیس بایاس موافق و دیود کلکتور بیس بایاس مخالف شود. شکل زیر این حالت بایاس را نشان می دهد. برای کنترل جریان امیتر مقاومت R1 با امیتر سری شده است. مقاومت R2  که با کلکتور سری شده است جریان کلکتور را کنترل می کند.

برای مثال، مطابق شکل زیر یک سیگنال سینوسی با دامنه ی 1/0 ولت به ورودی ترانزیستور اعمال می کنیم. البته ورودی، امیتر و خروجی، کلکتور در نظر گرفته شده است و پایه ی بیس بین ورودی و خروجی ما مشترک است.

اگر مقاومت دینامیکی دیود امیتربیس را به هنگام اعمال سیگنال معادل 20 اهم فرض کنیم در حلقه ی ورودی، جریان ناشی از سیگنال متناوب برابر است با:

همان گونه که بیان شد قسمت اعظم جریان امیتر از طریق کلکتور مسیر خود را می بندد. از این رو این جریان تقریباً از مقاومت R2=1Kohm که با کلکتور سری شده است عبور می کند و در دو سر مقاومت1Kohm افت ولتاژ متناوبی با دامنه ی UR=0.83Ma * 1Kohm = 0.83V ایجاد می کند. افت ولتاژ متناوب دو سر مقاومت R2 به مراتب بیشتر از ولتاژ متناوب ورودی بوده در نتیجه ورودی تقویت می شود. اگر ضریب تقویت ولتاژ را با Av نشان دهیم رابطه و مقدار آن برابر با:

پس سیگنال ورودی متناوب 8.3 مرتبه تقویت شده است. بدین ترتیب می توان گفت ترانزیستور عمل انتقال مقاومت را انجام داده است. نام ترانزیستور هم از همین عمل انتخاب شده است. Transistor از ترکیب دو کلمه ی Transfer of Resistor انتخاب شده است.

آرایش های ترانزیستور:
ترانزیستور ها در مدار به سه صورت امیتر مشترک ، بیس مشترک و کلکتور مشترک به کار می روند.

1.  آرایش امیتر مشترک C-E : در این آرایش سیگنال ورودی به بیس امیتر ترانزیستور اعمال می شود و سیگنال خروجی از کلکتور امیتر ترانزیستور دریافت می گردد. چون پایه ی امیتر بین ورودی و خروجی مشترک است این آرایش را امیتر مشترک می نامند. همچنین این آرایش می تواند جریان و ولتاژ را تقویت کند.

منحنی های مشخصه ی ترانزیستور در حالت امیتر مشترک: 
منحنی های مشخصه ی ترانزیستور بیانگر روابط بین جریان ها و ولتاژ ها در ترانزیستور است. این منحنی ها عبارتند از: 
منحنی مشخصه ی ورودی: در آرایش امیتر مشترک ورودی بیس امیتر ترانزیستور است. منحنی تغییرات جریان ورودی IB نسبت به تغییرات ولتاژ ورودی VBEبه ازای ثابت بودن VCEمنحنی مشخصه ی ورودی ترانزیستور نام دارد. این منحنی، منحنی مشخصه ی یک دیود معمولی ژرمانیم در بایاس موافق است.

منحنی مشخصه ی انتقالی: 
منحنی مشخصه ی بین جریان ورودی IB و جریان خروجیIC  به ازای ثابت بودن VCE منحنی مشخصه انتقالی نام دارد. مانند شکل زیر است:

ضریب تقویت جریان برابر نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است، بنابراین از روی منحنی مشخصه می توان ضریب تقویت جریان را به دست آورد:

منحنی مشخصه ی خروجی: 
این منحنی رابطه ی بین جریان و ولتاژ خروجی به ازای ثابت بودن جریان ورودی را نشان می دهد. در آرایش امیتر مشترک جریان خروجی، جریان کلکتور IC و ولتاژ خروجی ولتاژ کلکتور امیتر VCEاست از این رو ، منحنی مشخصه ی خروجی، منحنی تغییرات Ic نسبت به VCEبه ازای ثابت بودن Ib است .
در شکل زیر این منحنی مشخصه به ازای IB های مختلف نشان داده شده است.

این منحنی مشخصه شامل چند ناحیه ی مختلف است. 
ناحیه ی قطع: در ناحیه ی قطع جریان بیس صفر است. اگر از جریان ناچیز نشتی صرف نظر کنیم جریان کلکتور هم صفر است:

ناحیه ی فعال: ناحیه ی فعال محدوده ی کار عادی ترانزیستور است در این ناحیه معمولاً دیود امیتر بیس در بایاس موافق و دیود کلکتور بیس در بایاس مخالف قرار دارد، بنابراین، قسمت اعظم حامل های انتشار یافته از امیتر جذب کلکتور شده اند، در نتیجه تغییرات ولتاژ کلکتور امیتر تأثیر چندانی در جریان کلکتور ندارد.
ناحیه ی اشباع: در این ناحیه ترانزیستور در حال هدایت است و تغییرات جزیی در VCE تغییرات بسیار زیادی را در جریان کلکتور ایجاد می کند. در این ناحیه IB و IC تقریباً در حداکثر مقدار خود قرار دارند وVCE بسیار ناچیز و تقریباً نزدیک صفر است، شکل زیر ناحیه فعال و اشباع را روی منحنی مشخصه ی خروجی ترانزیستور نشان می دهد.

-2 آرایش بیس مشترک C-B : در این آرایش، پایه ی بیس بین ورودی و خروجی  مشترک است یعنی سیگنال ورودی به امیتر بیس اعمال می شود و سیگنال خروجی از کلکتور بیس دریافت می گردد. این آرایش جریان را تقویت نمی کند، اما ولتاژ را تقویت می کند.

-3 آرایش کلکتور مشترک C-C : در این آرایش پایه ی کلکتور بین ورودی و خروجی مشترک است. یعنی سیگنال ورودی به بیس کلکتور اعمال می شود و سیگنال  خروجی از امیتر کلکتور دریافت می گردد. این  آرایش ولتاژ را تقویت نمی کند، اما جریان را تقویت می کند.

ترانزیستور در حالت قطع: 
در شکل زیر یک ترانزیستور در حالت قطع نشان داده شده است. در این حالت بیس بایاس نشده است از این رو IB=0 بوده در نتیجه IC هم صفر است. در دو سر RC هیچ افت ولتاژ ی نداریم و همه ی ولتاژ منبع یعنی VCC در دو سر کلکتور – امیتر ترانزیستور افت می کند. در این حالت ترانزیستور مانند یک کلید باز است:

ترانزیستور در حالت اشباع: 
وقتی بیس امیتر ترانزیستور را بایاس موافق کنیم و IB را افزایش دهیم، IC هم افزایش می یابد، زیراIC=ßib است. هرگاه Ic به حداکثر مقدار خود برسد، Icmax ولتاژ کلکتور امیتر صفر و ترانزیستور در حالت اشباع است. ترانزیستور در حالت اشباع به طور ایده آل مانند یک کلید بسته عمل می کند:

کاربرد ساده ای ترانزیستور بعنوان کلید: 
در شکل زیر نیز یک کاربرد ساده ترانزیستور به منزله ی کلید نشان داده شده است. به بیس ترانزیستور موجی مربعی با پریود 2ثاتیه اعمال شده است. در نیم پریودی که موج ورودی صفر است و ترانزیستور قطع است از این رو جریان کلکتور صفر و LED خاموش است. زمانی که موج مربعی دارای ولتاژ زیاد است، ترانزیستور وصل و اشباع است و جریان کلکتور از  LED عبور نموده آن را روشن می کند بدین ترتیب LED یک ثانیه روشن و یک ثانیه خاموش بوده، چشمک می زند.

تعیین پایه و نوع ترانزیستور به کمک اهم متر: 
از مولتی متر دیجیتالی در وضعیت آزمایش دیود برای آزمایش ترانزیستور استفاده می کنند. مانند حالت آزمایش دیود، وقتی دیود بیس امیتر یا دیود بیس کلکتوردر بایاس موافق قرار گیرند ولتاژ بایاس موافق دیود روی صفحه نمایش نشان داده خواهد شد. در بایاس مخالف ولتاژ بایاس مخالف دیود روی صفحه ی نمایش ظاهر می شود. درشکل های زیر حالت های گوناگون را مشاهده می کنید:

در یک ترانزیستور معیوب اگر اتصال بیس امیتر یا اتصال بیس کلکتور آن قطع باشد در این صورت مولتی متر ولتاژ بایاس مخالف را نشان می دهد. مانند شکل های زیر:

در صورت اتصال کوتاه بودن بیس امیتر یا بیس کلکتور مولتی متر ولتاژ صفر را نشان خواهد داد. برای این حالت امکان دارد یک یا دو نیمه هادی ترانزیستور آسیب دیده باشد.

مقادیر حد در ترانزیستور و استفاده از برگه ی داده ها: 
هر ترانزیستور نیز برای مقادیر الکتریکی مشخص ساخته می شود. اگر مقادیر الکتریکی بیش از اندازه ای باشد که کارخانه ی سازنده تعیین کرده است ترانزیستور آسیب می بیند. برخی از این مقادیر الکتریکی که مقادیر حد نام دارند عبارت اند از:

1. VCE max : این پارامتر حداکثر ولتاژ مجاز بین کلکتور وو امیتر ترانزیستور را مشخص می کند.
2. VCB max: نشان دهنده ی حداکثر ولتاژ مجاز معکوس بین کلکتور و بیس ترانزیستور است.
3. VEB max : ولتاژ قابل تحمل دیود بیس امیتر ترانزیستور را در حالت معکوس بیان می کند.
4. Ic max : نشانگر حداکثر جریان مجاز کلکتور ترانزیستور است.
5. P max : حداکثر توان قابل تحمل برای ترانزیستور است که به صورت حرارت تلف می شود.
6. Tj : حداکثر درجه ی حرارتی است که در محل اتصال کلکتور بیس یک ترانزیستور می تواند تحمل کند.
7. Fg : فرکانس حد، فرکانسی است که بتا به ازای آن به اندازه ی 3dB کم تر از فرکانس صفر هرتز می شود.
8. Ft : فرکانس قطع، مقدار فرکانسی است که به ازای آن بتا برابر با یک خواهد شد.

تصویر زیر نمونه ای از جدول مشخصات حد یک ترانزیستور و سایر اطلاعات آن می باشد:

شکل ظاهری چند نمونه ترانزیستور و پایه های آنها

بایاس ترانزیستور در حالت تغذیه ی سرخود :

در شکل زیر نحوه این بایاس را مشاهده می کنید مقاومت های R1 و R2 مقسّم ولتاژ هستند و منبع VCC را تقسیم ولتاژ می کنند. هم چنین ولتاژ بیس ترانزیستور را تأمین می نمایند.

VB تقریباً از رابطه ی زیر به دست می آید.

RE ولتاژ امیتر ترانزیستور و VEرا تأمین می کند. VE از رابطه ی زیر محاسبه می شود.

با معلوم بودن VE می توان IE را از رابطه ی زیر نیز محاسبه نمود.

IE تقریب با IC برابر است با معلوم بودن ICولتاژ کلکتور ترانزیستور از رابطه ی زیر بدست می آید:

در این روابط VB پتانسیل بیس ترانزیستور نسبت به زمین و VC پتانسیل کلکتور نسبت به زمین هستند. در شکل این بایاس با مقادیر ولتاژ در نقاط مختلف آن نشان داده شده است.

تقویت کننده ی اولیه به صورت آرایش امیتر مشترک:
مدار تقویت کننده ی اولیه در تصویر زیر رسم شده است. این تقویت کننده دارای آرایش امیتر مشترک بوده تغذیه DC آن به صورت بایاس سرخود است. C1 و C3 خازن های کوپلاژ هستند. این خازن ها از عبور سیگنال DC جلوگیری نموده فقط سیگنال AC را عبور می دهند. C2 خازن بای پس نام دارد و مقاومت RE را از نظر سیگنال متناوب ورودی اتصال کوتاه می کند تا سیگنال متناوب ورودی در  RE افت ننماید و بهره ی ولتاژ مدار زیاد شود.

در پایان برای مشاهده نحوه تقویت سیگنال و همچنین ولتاژ توسط ترانزیستور ها بصورت عملی از مدار آزمایشی شبیه سازی شده با نرم افزار Proteus v7   استفاده نموده ایم می توانید آنها را از لینک زیر دانلود نمائید و اجرا کنید: 
لینک دانلود:
http://s1.picofile.com/file/7475834515/Circuit_Tranisitor_BJT.zip.html  
پسورد: 
www.Project-esisis.com

نسخه ی pdf قابل دانلود این صفحه:

لینک دانلود:

http://s1.picofile.com/file/7475864301/Electronic_Tranisitor_BJT_007_.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

راھنمای دانلودگزارش خرابی لینک