در این مقاله ترانزیستور npn رو بررسی میکنیم و اینکه چطور باید از این قطعه ی الکترونیکی به عنوان سوئیچ استفاده کرد.
فهرست
ترانزیستور NPN
ترانزیستور NPN سه پایه به نام های بیس ، امیتر و کلکتور داره. برای کاربرد هایی که قراره بررسی کنیم امیتر به زمین وصل میشه، بیس ورودی هست و کلکتور خروجی. با استفاده از جریان بیس و ولتاژ بیس-امیتر که ورودی هستند ، جریان کلکتور و ولتاژ کلکتور-امیتر که خروجی هست رو تنظیم میکنیم.
ترانزیستور NPN به عنوان سوئیچ
فرض کنید یک مصرف کننده (مثلا یک رله) داریم به نام Rl . برای فعال کردن مصرف کننده باید در دو طرف اون اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد کنیم تا جریان الکتریکی از مصرف کننده عبور کنه و مصرف کننده روشن بشه. برای این منظور یک طرف مصرف کننده باید به ولتاژ بالا یعنی VCC و طرف دیگه ی مصرف کننده به ولتاژ پایین یعنی GND متصل بشه.
اگر بخواهیم از یک ترانزیستور NPN برای کنترل این مصرف کننده ی الکتریکی استفاده کنیم. اولین نکته ای که باید بهش توجه بشه این هست که ترانزیستور NPN فقط میتونه به زمین وصل کنه و ما نمیتونیم از ترانزیستور NPN برای وصل کردن بار به VCC استفاده کنیم. ترانزیستور NPN یک ترانزیستور سینک کننده هست، یعنی جهت جریان هم در ورودی یعنی بیس و هم در خروجی یعنی کلکتور به سمت داخل ترانزیستور هست.
با استفاده از جریان بیس و ولتاژ بیس-امیتر که ورودی هستند باید جریان کلکتور و ولتاژ کلکتور که خروجی هستند رو کنترل کنیم. وقتی قراره از ترانزیستور NPN به عنوان یک سوئیچ استفاده کنیم، دو حالت رو باید در نظر بگیریم.
حالت کاری قطع یا Cut-off در ترانزیستورهای NPN
در حالتی که ترانزیستور مشابه یک کلید قطع عمل میکنه. جریانی از کلکتور عبور نمیکنه و ولتاژ کلکتور در ماکزیمم مقدار خودش یعنی VCC هست. در حالت کاری cut-off ولتاژ بیس-امیتر کمتر از 0.7 ولت هست ، پیوند بیس-امیتر در حالت بایاس مستقیم نیست، جریان بیس وجود نداره در نتیجه جریان کلکتور هم صفر هست. در این حالت ترانزیستور کاملا خاموشه.
حالت کاری کاملا وصل یا اشباع در ترانزیستور های NPN
در حالتی که ترانزیستور مشابه یک کلید وصل عمل میکنه. کلکتور به زمین وصل میشه و جریان مورد نیاز مصرف کننده از کلکتور به زمین میره. در این حالت ترانزیستور در حالت کاری اشباع هست. برای قرار دادن ترانزیستور در حالت اشباع جریان بیس باید بزرگتر از جریان کلکتور تقسیم بر بتا باشه. بتا ضریب تقویت کنندگی ترانزیستور هست که در دیتاشیت هر ترانزیستور نوشته شده و مقدار معمولش میتونه 100 باشه.
منحنی مشخصات خروجی ترانزیستور NPN
در شکل زیر منحنی مشخصات خروجی ترانزیستور NPN رو میبینید. محور افقی ولتاژ کلکتور-امیتر و محور عمودی جریان کلکتور هست.
ناحیه ی سفید رنگ منطقه عملکرد خطی ترانزیستور هست ، در این ناحیه جریان کلکتور بصورت خطی با جریان بیس افزایش پیدا میکنه. ضریب این افزایش بتا هست. هر کدوم از خط های آبی رنگ جریان کلکتور رو برای یک جریان بیس نشون میدن.
ناحیه ی هاشور بنفش منطقه ی قطع یا cut-off هست ، در این ناحیه جریان بیس و کلکتور هر دو صفر هستند.
در ناحیه هاشور آبی یا ناحیه ی اشباع ، جریان بیس بزرگتر از جریان کلکتور تقسیم بر بتا هست و ولتاژ کلکتور امیتر در حداقل مقدار خودش قرار داره.
ترانزیستور C1815 برای قطع و وصل رله 12 ولت
در ادامه مثال روشن کردن رله 12 ولت با ترانزیستور c1815 که یک ترانزیستور NPN هست رو بررسی میکنیم. یک دیود هرزگرد هم باید با رله موازی بشه که آند دیود به 12 ولت متصل میشه. با ولتاژ ورودی 0v یا 3.3v ، ولتاژ خروجی 12v رو قطع و وصل میکنیم.
برای بایاس کردن ترانزیستور یعنی تظیم حالت کاری ترانزیستور باید مقدار مقاومت بیس ، در مدار زیر مقاومت R2 رو محاسبه کنیم.
برای محاسبه ی مقاومت بیس باید جریان بیس رو بدونیم و برای محاسبه جریان بیس باید جریان کلکتور رو بدونیم. پس اولین قدم محاسبه جریان کلکتور هست.
1- محاسبه جریان کلکتور : برای محاسبه جریان کلکتور باید جریان مصرفی رله رو با مولتی متر اندازه گیری کنیم. مولتی متر رو در حالت اندازه گیری جریان بذارید. یک طرف رله رو به 12 ولت و طرف دیگه رو با مولتی متر به زمین وصل کنید و جریان رو بخونید. در مورد رله ای که من استفاده میکنم جریان مصرفی 28mA هست که من 30mA در نظر میگیرم.
2.2 – حداکثر جریان بیس : با توجه به اینکه منبع جریان بیس پایه ی خروجی میکروکنترلر STM32F103C8 هست ماکزیمم جریان نباید از 5mA بیشتر بشه ، بیشتر از این ولتاژ خروجی پایه ی میکرو افت میکنه.
2.1 – حداقل جریان بیس : برای اینکه مطمئن بشیم ترانزیستور در حالت اشباع هست، جریان بیس باید حدود دو یا سه برابر جریان کلکتور تقسیم بر بتا باشه. در دیتاشیت ترانزیستور C1815 در بخش electrical characteristics مقدار حداکثر بتا یا DC current gain هست 700 و حداقل بین 25 تا 70 . من مقدارش رو در محاسبه 25 در نظر میگیرم. با مقدار 25 برای بتا ، جریان بیس حداقل باید 2.4mA باشه.
3- محاسبه مقاومت بیس: برای محاسبه ی مقاومت بیس معادله ولتاژ رو در امتداد خط نقطه چین قرمز رنگ مینویسیم. همچنین مقدار ولتاژ بیس-امیتر در حالت اشباع رو هم باید از دیتاشیت بخونید.
اگر مقدار مقاومت رو به بالا گرد کنیم، جریان بیس کمتر میشه. اگر به پایین گرد کنیم ، جریان بیس بیشتر میشه و ترانزیستور بیشتر به حالت اشباع میره.
Great article and right to the point. I am not sure if this is in fact
the best place to ask but do you guys have any ideea where to employ some professional writers?
Thx 🙂 Escape room lista