ترانزیستور NPN

بازدید: 2314

ترانزیستورهای NPN دارای ۳ پایه و ۳ لایه هستند که می‌توانند به عنوان سوییچ یا تقویت کننده عمل کنند .

در مقاله قبل، یک ترانزیستور استاندارد BJT مورد بررسی قرار گرفت و متوجه شدیم که این ترانزیستور به دو صورت موجود می‌باشد :

NPN (Negative_ Positive _ Negative)

PNP (Positive_ Negative _ Positive)

البته استفاده از ترانزیستورهای NPN، نسبت به ترانزیستورهای PNP مرسوم‌تر می‌باشد. در ضمن در مقاله قبلی سه شیوه پیکربندی برای ترانزیستورهای دو قطبی ( بیس مشترک ، امیتر مشترک و کلکتور مشترک ) شرح داده شد .

در این مقاله با جزئیات بیشتری به پیکربندی امیتر مشترک خواهیم پرداخت و ساختار ترانزیستور NPN و مشخصات جریان آن به طور کامل شرح داده می‌شود .

شماتیک و مدار داخلی ترانزیستور NPN

علامت فلش نشان دهنده امیتر ترانزیستور و جهت قراردادی جریان می‌باشد .

ساختار و ولتاژ ترمینال‌ها برای یک ترانزیستور NPN در شکل بالا شرح داده شده است. ولتاژ بین بیس و امیتر ( V_BE ) از بیس مثبت و از امیتر منفی می‌باشد چرا که در ترانزیستور NPN پلاریته بیس همواره نسبت به امیتر مثبت است. همچنین اختلاف پتانسیل کلکتور نسبت به امیتر (V_CE) همواره مثبت خواهد بود _.

در یک ترانزیستور دو قطبی NPN، اختلاف پتانسیل کلکتور همواره نسبت به امیتر و بیس مثبت است .

همان‌طور که می‌بینید ، منبع ولتاژ به صورت بالا به یک ترانزیستور NPN متصل شده کلکتور به وسیله یک مقاومت بار به منبع تغذیه‌ای با ولتاژ V_CCاتصال یافته R_L وظیفه محدود کردن جریانی را دارد که وارد ترانزیستور می‌شود ولتاژ تغذیه بیس V_B با یک مقاومت به نام R_B سری شده که کاربرد آن نیز همانند مقاومت R_L برای محدود کردن جریان ورودی به ترانزیستور می‌باشد .

بنابراین در یک ترانزیستور NPN حرکت حامل‌های جریان منفی ( الکترون ها ) از بیس باعث شروع فعالیت در ترانزیستور می‌شود، چرا که الکترون های آزاد ارتباطی بین کلکتور و امیتر ترانزیستور به وجود می‌آورند. این ارتباط بین ورودی و خروجی مدار اساس عمل‌کرد ترانزیستور را به وجود می‌آورد چرا که خصلت تقویت‌کنندگی ترانزیستور ناشی از کنترلی است که بیس می‌تواند روی جریان کلکتور به امیتر داشته باشد .

به همین ترتیب درمی‌یابیم که ترانزیستور المانی وابسته به جریان است و جریان با شدت زیاد می‌تواند از کلکتور عبور کند ( I_C) و به امیتر برسد البته برای نیل به این حالت ترانزیستور باید در حالت فعال باشد و رفتن به حالت فعال تنها در صورتی برای ترانزیستور امکان‌پذیر خواهد بود که جریان بایاس( I_b ) کمی از ترمینال بیس عبور کند تا بتواند به عنوان کنترل‌کننده جریان ورودی به ترانزیستور عمل کند .

جریان در یک ترانزیستور NPN به صورت I_C/I_b محاسبه می‌شود که به آن بهره جریان DC المان گفته می‌شود و به آن نماد β اختصاص یافته است .

مقدار بتا برای یک ترانزیستور استاندارد می‌تواند حتی به عدد ۲۰۰ نیز برسد. در‌واقع نسبت فوق‌العاده زیاد I_C به I_b ترانزیستور را تبدیل به المانی مناسب به عنوان تقویت کننده می‌کند ( البته برای اینکه ترانزیستور بتواند به عنوان تقویت کننده عمل کند باید در ناحیه فعال باشد و جریان بیس I_b جریان ورودی و جریان کلکتور I_C جریان خروجی مدار باشد. فراموش نکنید از آنجایی که β نرخ بهره می‌باشد هیچ واحد اندازه‌گیری به آن تخصیص نمی‌یابد .

به علاوه ضریب α ( جریان کلکتور I_C به جریان امیتر I_e تابعی از علمکرد ترانزیستور میباشد. چرا که جریان امیتر مجموع جریان فوق‌العاده کم بیس و جریان زیاد کلکتور می‌باشد.) برای یک ترانزیستور سیگنال توان پایین ، بین ۰/۹۵۰ تا ۰/۹۹۹ تغییر می کند.

رابطه α و β در یک ترانزیستور NPN

از طریق ترکیب دو پارامتر α و β معادله‌ای به دست می‌آید که ارتباط بین جریان‌های متفاوتی که از ترانزیستور عبور می‌کند را نشان می‌دهد .

مقادیر β می‌تواند از ۲۰ برای ترانزیستورهای توان بالا تا بالای ۱۰۰۰ برای ترانزیستورهای فرکانس بالا با توان کم تغییر کند .

مقدار β برای اغلب ترانزیستورهای استاندارد NPN در دیتاشیت کارخانه سازنده آن‌ها موجود می‌باشد اما معمولاً بازه آن بین ۵۰ تا ۲۰۰ می‌باشد .

معادله بالا برای محاسبه β می‌تواند به صورت دیگری نوشته شود اگر جریان بیس صفر است (I_b=0) جریان کلکتور نیز صفر خواهد بود (β*0) در ضمن هنگامی که شدت جریان بیس زیاد است جریان کلکتور نیز زیاد خواهد بود بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که جریان بیس ، جریان کلکتور را کنترل می‌کند یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های ترانزیستور BJT این است که نسبت جریان بسیار کمی که از بیس می‌گذرد شدت جریان تقریبا زیادی در کلکتور به وجود می آید به مثال زیر نگاه کنید .

ترانزیستور NPN مثال شماره ۱

یک ترانزیستور NPN دو قطبی دارای بهره جریان DC یا بتا ۲۰۰ می‌باشد. جریان بیس (I_b) باید چقدر باشد تا از مقاومت باری که با پایه کلکتور سری شده ۴ میلی آمپر جریان عبور کند ؟

بنابراین β=200 I_c=4 mA I_b=20µA می‌باشد .

یکی از نکاتی که باید در مورد ترانزیستور دو قطبیNPN به خاطر بسپارید این است که ولتاژ کلکتور V_C در حالت فعال باید همواره از ولتاژ امیتر V_Eبزرگ‌تر و مثبت تر باشد تا جریان الکتریکی بین کلکتور و امیتر وجود داشته باشد همچنین بین پایه‌های امیتر و بیس ترانزیستور سیلیکونی همواره ۰/۷ ولت ، افت ولتاژ وجود دارد که برابر با افت ولتاژ در دیود سیلیکونی در حالت بایاس مستقیم است به عبارتی دیگر مشخصات ورودی یک ترانزیستور NPN حالت یک دیود بایاس مستقیم را شبیه سازی می‌کند .

بنابراین افت ولتاژ بیس ، V_BE یک ترانزیستور NPN سیلیکونی باید بیشتر از ۰/۷ باشد چرا که در غیر اینصورت ترانزیستور در حالت فعال قرار نمی‌گیرد و جریان از بیس عبور نخواهد کرد. هنگامی که I_b جریان بیس ، V_bولتاژ بایاس بیس و V_BE افت ولتاژ بین بیس و امیتر باشد و R_b را به عنوان مقاومت ورودی ترانزیستور در نظر بگیریم با افزایش I_b، V_BEنیز به تدریج افزایش می‌یابد تا به ۰/۷ ولت برسد و پس از قرار گرفتن ترانزیستور در ناحیه فعال به ازای کوچک‌ترین تغییرات در جریان ورودی بیس ، جریان کلکتور به شدت کاهش یا افزایش می‌یابد .