پیکربندی امیتر مشترک
در یک مدار تک مرحله‌ای امیتر مشترک، یک مقاومت بین ترمینال کلکتور و سر مثبت منبع تغذیه (VCC) قرار گرفته سیگنال ورودی بین بیس و امیتر اعمال و ترمینال امیتر به زمین متصل می‌شود. از آن جایی که سیگنال ورودی بین بیس و امیتر اعمال و سیگنال خروجی از کلکتور و زمین ( ترمینال امیتر) گرفته می‌شود، این پیکربندی امیتر مشترک نام دارد (پایه امیتر بین ورودی و خروجی مشترک است)
جریان بایاس Ib که ترانزیستور برای روشن شدن به آن نیاز دارد، از طریق مقاومت RB به بیس ترانزیستور NPN اعمال می‌شود و خروجی که با ورودی ۱۸۰ درجه اختلاف فاز دارد از ترمینال کلکتور و امیتر گرفته می‌شود. این پیکربندی، جریان کلکتور را کنترل می‌کند و جریان کلکتور می‌تواند از صفر ( ناحیه قطع ) تا ماکزیمم جریان (ناحیه اشباع) تغییر کند.
در این حالت ترانزیستور می‌تواند یا به عنوان تقویت کننده کلاس A بایاس شود و یا به عنوان سوییچ دیجیتال عمل کند.
اما مشکلی که وجود دارد این است که ترانزیستور و مقاومت بار کلکتور هر دو به یک منبع تغذیه متصل هستند از مقاومت کلکتور RC برای ایجاد تغییرات ولتاژ کلکتور در پاسخ به سیگنال ورودی که به ترمینال بیس اعمال می‌شود، استفاده می‌شود و ترانزیستور به این طریق می‌تواند سیگنال خروجی را تقویت کند. به عبارتی دیگر بدون RC ولتاژ ترمینال کلکتور همواره برابر با ولتاژ منبع تغذیه خواهد بود.
همان‌طور که پیش تر به آن اشاره شد، یک ترانزیستور BJT می‌تواند بین ناحیه قطع و ناحیه اشباع راه اندازی شود. هنگامی که VBE فوق‌العاده کمتر از ۰/۷ ولت است جریانی از بیس عبور نمی‌کند و ترانزیستور در ناحیه قطع قرار دارد اما هنگامی که ولتاژ بیس ــ امیتر به مقادیری فوق‌العاده بیشتر از ۰/۷ می‌رسد (حداکثر جریان قابل تحمل برای بیس) ترانزیستور به حالت اشباع می‌رود در چنین شرایطی می‌توان از ترانزیستور BJT به منزله یک سوییچ الکترونیک معکوس استفاده نمود این سوییچ به این دلیل معکوس می‌باشد که هنگامی که ترانزیستور خاموش است ولتاژ VCE برابر با VCC می‌شود و به حالت سطح بالا می‌رود اما هنگامی که ترانزیستور روشن است، عبور جریان باعث افت ولتاژ مقاومت کلکتور می‌شود و در نتیجه VCE در سطح پایین قرار می‌گیرد.
البته شاید شما نخواهید که از کلید معکوس در مدارتان استفاده کنید اگر بخواهید سوییچ ترانزیستوری معکوس را به مستقیم تبدیل کنید ، باید مقاومت کلکتور را از مدار خارج و کلکتور را مستقیماً به بار متصل کنید این شیوه پیکربندی، خروجی کلکتور باز نام دارد.
مدار خروجی کلکتور باز NPN
هنگامی که یک ترانزیستور NPN در پیکربندی مدار خروجی کلکتور باز یا OC قرار می‌گیرد در دو ناحیه قطع یا اشباع راه اندازی می‌شود و بنابراین مانند یک سوییچ حالت جامد عمل می‌کند. در چنین شرایطی ترانزیستور به عنوان تقویت کننده عمل نمی‌کند (برای استفاده از ترانزیستور به عنوان تقویت کننده باید آن را در ناحیه فعال قرار داد)
پیکربندی OC مدار سوییچینگ را قادر می‌کند ولتاژ و جریان بیشتری را نسبت به پیکربندی امیتر مشترک برای بارها فراهم کند در این پیکربندی تنها محدودیت برای اعمال حداکثر جریان یا ولتاژ ناحیه شکست ترانزیستور می‌باشد.
یکی از مزایای پیکربندی OC این است که ولتاژ خروجی دلخواه به راحتی می‌تواند توسط Pull-Up کردن ترمینال کلکتور به دست بیاید. به عنوان مثال فرض کنید قصد دارید یک لامپ جریان پایین یا رله ۱۲ ولت را از طریق فرمان ۵ ولت یک گیت منطقی راه‌اندازی کنید.
اما این پیکربندی، نقاط ضعفی نیز دارد از جمله اینکه در هنگام استفاده برای سیگنال‌های دیجیتال، گیت‌ها یا ورودی‌های مدارات الکترونیک، استفاده از یک مقاومت pull-up الزامی می‌باشد چرا که ترمینال کلکتور نمی‌تواند سطح بالای خروجی را به سمت خود بکشد (ترانزیستور NPN تنها قادر است سطح پایین خروجی را به سمت زمین بکشد و از رساندن دوباره آن به سطح بالا عاجز است)
بنابراین خروجی پس از دشارژ باید به وسیله یک مقاومت pull-up دوباره به سطح بالا بازگردد. این مقاومت بین ترمینال کلکتور و منبع تغذیه قرار می‌گیرد تا از نوسان ترمینال کلکتور بین سطح بالا و پایین ولتاژ در هنگام خاموش بودن ترانزیستور جلوگیری کند. مقدار مقاومت پول آپ وابسته به جریان مورد نیاز برای راه اندازی بار می‌باشد، بنابراین نتیجه می‌گیریم که پیکربندی خروجی کلکتور باز برای ترانزیستور دو قطبی npn در خروجی تنها، موجب نزول مقدار جریان است.
مدار ترانزیستور کلکتور باز
شکل بالا یک مدار سوییچینگ کلکتور باز را نشان می‌دهد که برای راه اندازی المان‌های الکتورمکانیکی ایده‌آل می‌باشد. در این مدار، کلکتور به بار و امیتر به زمین متصل می‌شود.
برای یک مدار کلکتور باز NPN ، اعمال سیگنال کنترلی به بیس ترانزیستور، آن را روشن می‌کند و خروجی که به ترمینال کلکتور متصل شده توسط پیوندهای ترانزیستور که هم‌اکنون در حالت هدایت قرار گرفته‌اند به زمین اتصال پیدا می‌کند و با شارژ کردن بار آن را روشن می‌کند. در این حالت جریان IL از بار می‌گذرد که با استفاده از قانون اهم به صورت زیر قابل محاسبه خواهد بود:
اگر بایاس پیوند بیس ــ امیتر کمتر از ۰/۷+ شود ترانزیستور خاموش خواهد شد و متعاقباً بار که می‌تواند موتور، رله و یا لامپ باشد، خاموش می‌شود. در این حالت از خروجی ترانزیستور می‌توان برای کنترل یک بار دیگر استفاده کرد چرا که عمل‌کرد سوییچینگ کشنده جریان پیکربندی کلکتور باز NPN مانند مدار باز یا اتصال کوتاه خواهد بود.
در چنین شرایطی لزومی برای اتصال بار کلکتور به منبع تغذیه مشترک با مدار ترانزیستوری وجود ندارد و بار می‌تواند به صورت مستقل به ولتاژ بالا یا پایین‌تری متصل شود، در ضمن از مدارات دیجیتال یا آنالوگ مشابه می‌توان برای خاموش و روشن کردن بارهای گوناگون استفاده نمود تنها برای نیل به این منظور باید خروجی ترانزیستور را تغییر دهیم به عنوان مثال می‌توانیم با استفاده از ترانزیستور 2N39046 ولت DC را با جریان 10mA تامین کنیم یا می‌توان از پیکربندی کلکتور باز زوج دارلینگتون استفاده نمود.
مثال (۱)
سیگنال فرمان یک برد آردوینو ۵ ولت است و قصد داریم به وسیله این ولتاژ یک رله الکترومکانیکی را راه اندازی کنیم. ولتاژ مورد نیاز برای راه‌اندازی رله ۱۲ ولت DC و مقاومت داخلی آن ۱۰۰Ω می‌باشد، در ضمن یک مدار کلکتور باز NPN با بهره جریان 50 به عنوان رابط بین برد آردوینو و رله قرار دارد. مقدار مقاومت بیس برای راه‌اندازی رله را محاسبه کنید.
جریانی که از رله می‌گذرد از طریق قانون اهم قابل محاسبه می‌باشد: I=V/R
بنابراین برای یک ترانزیستور NPN با بهره جریان ۵۰، با نادیده گرفتن ولتاژ اشباع کلکتور ــ امیتر (VCE(sat)) که تقریباً حدود ۰/۲ ولت است، جریان بیس ۲/۴mA نیاز است تا بار را روشن کند. افت ولتاژ در طول پیوند بیس ــ امیتر (VBE) در حالتی که ترانزیستور روشن است، ۰/۷ ولت می‌باشد. بنابراین مقاومت بیس RB به صورت زیر قابل محاسبه خواهد بود:
و مدار ترانزیستوری کلکتور باز به صورت زیر در خواهد بود:
مدار کلکتور باز
مدار کلکتور باز NPN یک خروجی کاهنده جریان تولید می‌کند، به این طریق که ترمینال کلکتور باز جریان را به سمت زمین هدایت می‌کند. در پیکربندی کلکتور باز می‌توان از ترانزیستور PNP نیز استفاده نمود. در این صورت، ترمینال کلکتور خروجی، منبع جریان خواهد شد.
مدار خروجی کلکتور باز PNP
طبق آنچه که گفته شد، متوجه شدیم اگر در پیکربندی از ترانزیستور NPN استفاده شود، سیگنال بار با روشن شدن ترانزیستور به سمت زمین کشیده خواهد شد و در نتیجه سطح ولتاژ بار پایین خواهد آمد. اما اگر ترانزیستور خاموش باشد، جریان از منبع تغذیه به بار می‌رسد و سطح ولتاژ آن بالا خواهد رفت. حال می‌توانیم در این پیکربندی، یک ترانزیستور PNP را به جای NPN جایگزین کنیم و از یک مقاومت pull-down برای بردن خروجی به سطح پایین در زمان خاموش بودن ترانزیستور استفاده کنیم.
در یک مدار کلکتور باز PNP ترانزیستور تنها می‌تواند خروجی را به سطح بالا سوییچ کند، بنابراین ترمینال خروجی باید توسط یک مقاومت pull-down دوباره به سطح پایین بازگردد.
مدار کلکتور باز با ترانزیستور PNP
همان‌طور که می‌بینید، مدار خروجی کلکتور باز، بسته به نوع ترانزیستوری که مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌تواند جریان خروجی را به زمین هدایت کند و سطح آن را پایین ببرد یا در حالت روشن سطح آن را بالا ببرد. اما به هر حال استفاده از مقاومت pull-up یا pull-down در صورت عدم توانایی بار برای بالا یا پایین بردن سطح مدار ضروری خواهد بود. مدار بسته به نوع ترانزیستور و سوییچینگ یا کشنده جریان و یا منبع جریان خواهد بود.
علاوه بر ترانزیستورهای دوقطبی می‌توان از ماسفت‌های افزایشی یا IGBT ها نیز در پیکربندی خروجی مدار باز استفاده نمود. غالباً حالت سورس مشترک برای پیکربندی خروجی مدار مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این حالت، بر خلاف ترانزیستورهای BJT که به جریان بیس برای بردن ترانزیستور به ناحیه اشباع نیاز دارند باید به ماسفت افزایشی ولتاژ گیت مناسبی اعمال شود. ترمینال سورس ماسفت مستقیماً به زمین یا منبع تغذیه متصل می شود درین مدار باز نیز به یک بار خارجی متصل می‌شود.
استفاده از ماسفت‌ها یا IGBT ها به عنوان مدار خروجی درین باز (OD) تا حد زیادی شبیه به مدار روجی کلکتور باز می‌باشد و استفاده از مقاومت pull-up یا pull-down در برخی مواقع ضروری به نظر می‌رسد. تنها تفاوت در توان تلفاتی کانال ماسفت‌ها و شیوه محافظت از ترانزیستور در برابر الکتریسیته ساکن خواهد بود.
پیکربندی ماسفت افزایشی درین باز
خلاصه
متوجه شدیم که بسته به نوع ترانزیستوری که در مدار مورد استفاده قرار می‌گیرد، خروجی می‌تواند کشنده یا منبع جریان باشد.
اگر از یک ترانزیستور PNP در پیکربندی استفاده شود، در حالت روشن جریان را به سمت زمین خواهد کشید و در حالت خاموش ترمینال خروجی، در صورت عدم استفاده از مقاومت pull-up در خروجی معلق خواهد شد اما عکس این مطلب در مورد ترانزیستور PNP صدق می‌کند این ترانزیستور در حالت روشن مسیری به منبع تغذیه را به وجود می‌آورد و با خاموش شدن ترانزیستور خروجی مدار معلق می‌شود مگر اینکه خروجی از طریق یک مقاومت pull-down به زمین متصل شود.
مزیت استفاده از مدار خروجی کلکتور باز یا خروجی درین باز، قابلیت آن برای اتصال بار به یک منبع تغذیه مستقل می‌باشد که از طریق یک مدار کنترل کننده میسر خواهد شد. تنها محدودیت ولتاژ و جریان این پیکربندی، ناحیه شکست ترانزیستور دو قطبی یا ماسفت می‌باشد.
