چجوری با ترانزیستور NPN یک سوئیچ بسازی.
ترانزیستور NPN در پیکربندی امیتر مشترک
ترانزیستور NPN سه پایه به نام های بیس ، امیتر و کلکتور داره. برای ساخت سوئیچ با ترانزیستور بایستی آنرا با پیکربندی امیتر مشترک ببندیم. در پیکربندی امیتر مشترک :
- پایه ی بیس ورودی.
- پایه ی کلکتور خروجی.
- پایه ی امیتر بسته شده به زمین و مشترک میان ورودی و خروجی .
ترانزیستور NPN در کاربری سوئیچ
پندارید یک بار الکتریکی داریم به نام RL . برای روشن کردن این بار بایستی در دو سر آن ناهمسانی ولتاژ پدید آوریم تا جریان الکتریکی از بار رد بشه و بار روشن بشه. برای پدید آوری ناهمسانی ولتاژ، یک سر بار به ولتاژ بالا ( VCC ) و سر دیگه به ولتاژ پایین یا زمین بسته میشه.
اگر بخواهیم یک ترانزیستور NPN رو برای روشن و خاموش کردن این بار بکاربگیریم، ناگزیر باید یک سوی بار به ولتاز بالا بسته بشه و سر دیگه بار رو کلکتور ترانزیستور NPN به زمین میبنده. چون که کلکتور ترانزیستور NPN تنها میتونه به زمین بسته بشه و نمیشه با ترانزیستور NPN بار رو به ولتاژ بالا ببندیم.
- ترانزیستور NPN مانند سوئیچ فروسو ( low side ) است و به ولتاژ پایین ( فرو ) میبندد .
- ترانزیستور NPN فروکش جریان (سینک کننده) است و جریان را به ولتاژ پایین ( فرو ) میکشد و سوی جریان هم در بیس و هم در کلکتور به درون ترانزیستور است .
با جریان بیس و ولتاژ بیس-امیتر، باید جریان کلکتور و ولتاژ کلکتور رو کنترل کنیم. میخواهیم با ترانزیستور NPN یک سوئیچ بسازیم. همه ی سوئیچ ها هم دو کارگون حالت کاری دارند، یا باز هستند و یا بسته در مورد ترانزیستور یا کلکتور به امیتر (زمین شده) بسته است یا از امیتر باز است .
حالت قطع یا Cut-off در ترانزیستورهای NPN
در حالت کاری قطع ، ترانزیستور همچون یک سوییچ باز است. برای رفتن به این حالت:
- ولتاژ بیس-امیتر بایستی کمتر از 0.7 ولت باشد.
ویژگی های حالت قطع:
- ترانزیستور خاموش است.
- پیوند بیس-امیتر در آرایش بایاس مستقیم نیست.
- جریانی از بیس رد نشده و جریان کلکتور هم صفر است.
- کلکتور به جایی وصل نیست و ولتاژ کلکتور در بیشینه خودش VCC هست.
حالت کاری اشباع در ترانزیستور های NPN
در حالت اشباع ، ترانزیستور همچون یک سوئیچ بسته است و کلکتور به امیتر متصل است. برای رفتن به حالت اشباع:
- ولتاژ بیس – امیتر بیشتر از 0.7 ولت باشد تا پیوند بیس – امیتر در بایاس مستقیم باشد.
- جریان بیس چند برابر بزرگتر از جریان کلکتور بخش بر بتا باشه .
ویژگی های حالت اشباع:
- کلکتور ( خروجی ترانزیستور ) به امیتر ( پایه ی مشترک در اینجا زمین ) بسته میشه و ولتاژ کلکتور-امیتر در کمینه خود است.
- ترانزیستور کاملا روشن.
بتا چیست؟ ضریب تقویت کنندگی جریان ترانزیستور هست که در دیتاشیت هر ترانزیستور نوشته شده و اندازه اش برای نمونه در حدود 100 است.
مدار ترانزیستور C1815 برای روشن و خاموش رله 12 ولت
مدار زیر برای روشن و خاموش کردن رله ی 12 ولت با بکارگیری ترانزیستور NPN C1815 است.
- یک سوی رله به ولتاژ بالا ( در اینجا 12 ولت) و سوی دیگر به کلکتور ترانزیستور NPN بسته شده.
- هنگامی که ترانزیستور در حالت قطع باشد، ولتاژ کلکتور 12 ولت است و رله خاموش است همانند سوئیچ باز.
- هنگامی که ترانزیستور در حالت اشباع باشد، کلکتور به امیتر وصل میشود و ولتاژ کلکتور کمینه است و رله روشن است همانند سوئیچ بسته.
- یک دیود هرزگرد با رله موازی شده که آند دیود به 12 ولت بسته شده.
- با ولتاژ بیس 0 یا 3.3 ولت ، ولتاژ کلکتور 12 ولت رو روشن و خاموش میکنیم.
بایاس ترانزیستور
بایاس ترانزیستور به این معنی است که مدار را جوری بچینیم که ترانزیستور را به حالت کاری دلخواهمان ببریم:
- هنگامی که ولتاژ بیس صفر ولت است، ترانزیستور در حالت کاری قطع باشد و رله خاموش.
- هنگامی که ولتاژ بیس 3.3 ولت است، ترانزیستور در حالت کاری اشباع و رله روشن باشد.
خب هنگامی که ولتاژ بیس صفر باشد، ترانزیستور خاموش است ، برای بایاس ترانزیستور تنها باید اندازه ی مقاومت را جوری براورد کنیم که هنگامی که ولتاژ بیس 3.3 ولت است، ترانزیستور به حالت اشباع برود. این کار سه گام دارد:
- اندازه گیری جریان کلکتور، این اندازه ی جریانی است که رله برای روشن شدن به آن نیازمند است.
- بدست آوری اندازه جریان بیس از روی اندازه ی جریان کلکتور با بکارگیری بتا ( ضریب تقویت جریان ).
- بدست آوری اندازه ی مقاومت بیس با نوشتن معادله ی ولتاژ .
1- اندازه گیری جریان کلکتور : برای دانستن جریان کلکتور باید جریانی که رله در هنگام روشن شدن میکشد رو با مولتی متر اندازه گیری کنیم. مولتی متر رو در شیوه ی اندازه گیری جریان بذارید. یک سوی رله رو به 12 ولت و سوی دیگه رو با مولتی متر به زمین ببندید و اندازه جریان رو بخونید. رله من هنگام روشن بودن نزدیک 30mA جریان میکشد.
2. بدست آوردن جریان بیس : باید بیشینه و کمینه ی اندازه ی این جریان را بدست آوریم:
بیشینه روانه بیس : جریان بیس از پایه ی خروجی میکروکنترلر STM32F103C8 میاد و این جریان نباید از 5mA بیشتر بشه. اگر بشه، ولتاژ روی پایه ی میکرو افت میکنه.
کمینه جریان بیس : برای اینکه مطمئن بشیم ترانزیستور در حالت اشباع هست، جریان بیس باید بیش از دو برابر جریان کلکتور بخش بر بتا باشه . در دیتاشیت ترانزیستور C1815 ، بیشینه اندازه بتا یا DC current gain هست 700 و کمینه بین 25 تا 70 . من اندازه 25 رو در براوردها بکار میگیرم. با اندازه 25 برای بتا ، کمینه جریان بیس میشه 2.4mA .
3- بدست آوری اندازه مقاومت بیس : برای بدست آوری اندازه ی مقاومت بیس بایستی معادله ی ولتاژ رو در راستای نقطه چین قرمز رنگ بنویسیم. همچنین اندازه ولتاژ بیس-امیتر در حالت اشباع رو هم باید از دیتاشیت بخونید.
اگر اندازه 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.
عالی بود مهندس دمت گرم