ترانزيستورها

اولين نمونه ترانزيستور بدنه فلزي
در اوليــن ماههــاي سـال ۱۹۴۸ نخسـتين نمـونـه از يـک ترانزيـسـتـور (Transistor) که بدنه فلزي داشت در مجموعه آزمايشگاه هاي Bell ساخته شد. اين ترانزيستور که قرار بود جايگزين لامپهاي خلاء – الکترونيک – شود Type A نام گرفت. اين ترانزيستور که کاربرد عمومي داشت و بسيار خوب کار مي کرد يکسال بعد به تعداد ۳۷۰۰ عدد توليد انبوه شد تا در اختيار دانشگاه ها، مراکز نظامي، آزمايشگاه ها و شرکت ها براي آزمايش قرار گيرد.
جالب آنکه اين اختراع در زمان خود آنقدر مهم بود که هر عدد از اين ترانزيستورها در بسته بندي جداگانه با شماره سريال و مشخصات کامل نگهداري مي شد. همانطور که در شکل مشاهده مي شود اين ترانزيستور تنها داراي دو پايه بود. Collector و Emitter و پايه Base به بدنه فلزي آن متصل بود.

اولين نمونه ترانزيستور بدنه پلاستيکي
نمونه اصلاح شده بدنه پلاستيکي
توليد ترانزيستورهاي بدنه فلزي تا سال ۱۹۵۰ ادامه داشت تا اينکه در اين سال در آزمايشگاه هاي Bell اولين ترانزيستور با بدنه پلاستيکي ساخته شد. طبيعي بود که در اينحالت ترانزيستور مي بايست سه پايه داشته باشد. اما به دليل مشکلاتي که در ساخت اين ترانزيستور وجود داشت توليد آن به حالت انبوه نرسيد و در همان سال ترانزيستور هاي جديد ديگري با پوشش پلاستيکي جايگزين هميشگي آن شدند.

لازم به ذکر است که به عقيده بسياري از دانشمندان، ترانزيستور بزرگترين اختراع بشر در قرن نوزدهم بوده که بدون آن هيچ يک از پيشرفت هاي امروزي در علوم مختلف امکان پذير نبوده است. تمامي پيشرفت هاي بشر که در مخابرات، صنعت حمل و نقل هوايي، اينترنت، تجهيزات کامپيوتري، مهندسي پزشکي و … روي داده است همگي مرهون اين اختراع ميباشد.

ترانزيستور وسيله اي است که جايگزين لامپهاي خلاء – الکترونيک – شد و توانست همان خاصيت لامپها را با ولتاژهاي کاري پايين تر داشته باشد. ترانزيستورها عموما” براي تقويت جريان الکتريکي و يا براي عمل کردن در حالت سوييچ بکار برده مي شوند. ساختمان داخلي آنها از پيوندهايي از عناصر نيمه هادي مانند سيليکون و ژرمانيوم تشکيل شده است.

ترانزيستور چگونه کار مي کند
اگر ساده بخواهيم به موضوع نگاه کنيم عملکرد يک ترانزيستور را مي توان تقويت جريان دانست. مدار منطقي کوچکي را در نظر بگيريد که تحت شرايط خاص در خروجي خود جريان بسيار کمي را ايجاد مي کند. شما بوسيله يک ترانزيستور مي توانيد اين جريان را تقويت کنيد و سپس از اين جريان قوي براي قطع و وصل کردن يک رله برقي استفاده کنيد.

موارد بسياري هم وجود دارد که شما از يک ترانزيستور براي تقويت ولتاژ استفاده مي کنيد. بديهي است که اين خصيصه مستقيما” از خصيصه تقويت جريان اين وسيله به ارث مي رسد کافي است که جريان وردي و خروجي تقويت شده را روي يک مقاومت بيندازيم تا ولتاژ کم ورودي به ولتاژ تقويت شده خروجي تبديل شود.

جريان ورودي اي که که يک ترانزيستور مي تواند آنرا تقويت کند بايد حداقل داشته باشد. چنانچه اين جريان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزيستور در خروجي خود هيچ جرياني را نشان نمي دهد. اما به محض آنکه شما جريان ورودي يک ترانزيستور را به بيش از حداقل مذکور ببريد در خروجي جريان تقويت شده خواهيد ديد. از اين خاصيت ترانزيستور معمولا” براي ساخت سوييچ هاي الکترونيکي استفاده مي شود.

از لحاظ ساختاري مي توان يک ترانزيستور را با دو ديود مدل کرد.
همانطور که در مطلب قبل (اولين ترانزيستورها) اشاره کرديم ترانزستورهاي اوليه از دو پيوند نيمه هادي تشکيل شده اند و بر حسب آنکه چگونه اين پيوند ها به يکديگر متصل شده باشند مي توان آنها را به دو نوع اصلي PNP يا NPN تقسيم کرد. براي درک نحوه عملکرد يک ترانزيستور ابتدا بايد بدانيم که يک پيوند (Junction) نيمه هادي چگونه کار مي کند.

در شکل اول شما يک پيوند نيمه هادي از نوع PN را مشاهده مي کنيد. که از اتصال دادن دو قطعه نيمه هادي P و N به يکديگر درست شده است. نيمه هادي هاي نوع N داراي الکترونهاي آزاد و نيمه هادي نوع P داراي تعداد زيادي حفره (Hole) آزاد مي باشند. بطور ساده مي توان منظور از حفره آزاد را فضايي دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به اين تکه نيمه هادي از خارج ولتاژي بصورت آنچه در شکل نمايش داده مي شود اعمال کنيم در مدار جرياني برقرار مي شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغيير دهيم جرياني از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟

اين پيوند نيمه هادي عملکرد ساده يک ديود را مدل مي کند. همانطور که مي دانيد يکي از کاربردهاي ديود يکسوسازي جريان هاي متناوب مي باشد. از آنجايي که در محل اتصال نيمه هادي نوع N به P معمولآ يک خازن تشکيل مي شود پاسخ فرکانسي يک پيوند PN کاملآ به کيفيت ساخت و اندازه خازن پيوند بستگي دارد. به همين دليل اولين ديودهاي ساخته شده توانايي کار در فرکانسهاي راديويي – مثلآ براي آشکار سازي – را نداشتند.

معمولآ براي کاهش اين خازن ناخاسته، سطح پيوند را کاهش داده و آنرا به حد يک نقطه مي رسانند

براي درک دقيق نحوه کارکرد يک ترانزيستور بايد با نحوه کار ديود آشنا شويم، بايد اشاره کنيم که قصد نداريم تا به تفضيل وارد بحث فيزيک الکترونيک شويم و فقط سعي خواهيم کرد با بيان نتايج حاصل از اين شاخه علمي ابتدا عملکرد ديود و سپس ترانزيستور را بررسي کنيم.
همانطور که مي دانيد ديود ها جريان الکتريکي را در يک جهت از خود عبور مي دهند و در جهت ديگر در مقابل عبور جريان از خود مقاومت بالايي نشان مي دهند. اين خاصيت آنها باعث شده بود تا در سالهاي اوليه ساخت اين وسيله الکترونيکي، به آن دريچه يا Valve هم اطلاق شود.

از لحاظ الکتريکي يک ديود هنگامي عبور جريان را از خود ممکن مي سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و – به کاتد) آنرا آماده کار کنيد. مقدار ولتاژي که باعث ميشود تا ديود شروع به هدايت جريان الکتريکي نمايد ولتاژ آستانه يا (forward voltage drop) ناميده مي شود که چيزي حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت مي باشد. به شکل اول توجه کنيد که چگونه براي ولتاژهاي مثبت – منظور جهت درست مي باشد – تا قبل از ۰٫۷ ولت ديود از خود مقاومت نشان مي دهد و سپس به يکباره مقاومت خود را از دست مي دهد و جريان را از خود عبور مي دهد.

نماد فني و دو نمونه از انواع ديويد
اما هنگامي که شما ولتاژ معکوس به ديود متصل مي کنيد (+ به کاتد و – به آند) جرياني از ديود عبور نمي کند، مگر جريان بسيار کمي که به جريان نشتي يا Leakage معرف است که در حدود چند µA يا حتي کمتر مي باشد. اين مقدار جريان معمولآ در اغلب مدار هاي الکترونيکي قابل صرفنظر کردن بوده و تاثير در رفتار ساير المانهاي مدار نميگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام ديود ها يک آستانه براي حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بيش از آن شود ديويد مي سوزد و جريان را در جهت معکوس هم عبور مي دهد. به اين ولتاژ آستانه شکست يا Breakdown گفته مي شود.

در دسته بندي اصلي، ديودها را به سه قسمت اصلي تقسيم مي کنند، ديودهاي سيگنال (Signal) که براي آشکار سازي در راديو بکار مي روند و جرياني در حد ميلي آمپر از خود عبور مي دهند، ديودهاي يکسوکننده (Rectifiers) که براي يکسوسازي جريانهاي متناوب بکاربرده مي شوند و توانايي عبور جريانهاي زياد را دارند و بالآخره ديود هاي زنر (Zener) که براي تثبيت ولتاژ از آنها استفاده مي شود.
ترانزيستور چگونه کار ميکند – ۳

استفاده از ديود سيگنار در مدار رله براي جلوگيري از ايجاد ولتاژ هاي ناخواسته زياد
در ادامه بحث نحوه کارکرد يک ترانزيستور لازم است قدري راجع به انواع ديود که در مطلب قبل به آنها اشاره کرديم داشته باشيم.

ديودهاي سيگنال
اين نوع از انواع ديودها براي پردازش سيگنالهاي ضعيف – معمولا” راديويي – و کم جريان تا حداکثر حدود ۱۰۰mA کاربرد دارند. معروفترين و پر استفاده ترين آنها که ممکن است با آن آشنا باشيد ديود ۱N4148 است که از سيليکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقيم آن ۰٫۷ ولت است.

اما برخي از ديود هاي سيگنال از ژرمانيم هم ساخته مي شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقيم پايينتري دارد، حدود ۰٫۲ ولت. به همين دليل از اين نوع ديود بيشتر براي آشکار سازي امواج مدوله شده راديويي استفاده مي شود.

بصورت يک قانون کلي هنگامي که ولتاژ شکست مستقيم ديويد خيلي مهم نباشد، از ديودهاي سيليکون استفاده مي شود. دليل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محيط يا حرارت هنگام لحيم کاري و نيز مقاومت الکتريکي کمتر در ولتاژ مستقيم است. همچنين ديود هاي سيليکوني سيگنال معمولا” در ولتاژ معکوس جريان نشتي بسيار کمتري نسبت به نوع ژرمانيم دارند.

از کاربرد ديگري که براي ديودهاي سيگنال وجود دارد مي توان به استفاده از آنها براي حفاظت مدار هنگامي که رله در يک مدار الکترونيکي قرار دارد نام برد. هنگامي که رله خاموش مي شود تغيير جريان در سيم پيچ آن ميتواند در دوسر آن ولتاژ بسيار زيادي القا کند که قرار دادن يک ديود در جهت مناسب ميتواند اين ولتاژ را خنثي کند. به شکل اول توجه کنيد.

استفاده از ديود زنر براي تهيه ولتاژ ثابت

ديودهاي زنر
همانطور که قبلا” اشاره کرديم از اين ديودها براي تثبيت ولتاژ استفاده مي شود. اين نوع از ديود ها براي شکسته شدن با اطمينان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراين بدون ترس مي توان آنها را در جهت معکوس باياس کرد و از آنها براي تثبيت ولتاژ استفاده نمود. به هنگام استفاده از آنها معمولا” از يک مقاومت براي محدود کردن جريان بطور سري نيز استفاده مي شود. به شکل نگاه کنيد به اين طريق شما يک ولتاژ رفرنس دقيق بدست آورده ايد.

ديودهاي زنر معمولا” با حروفي که در آنها Z وجود دارد نامگذاري مي شوند مانند BZX يا BZY و … و ولتاژ شکست آنها نيز معمولا” روي ديود نوشته مي شود، مانند ۴V7 که به معني ۴٫۷ ولت است. همچنين توان تحمل اين ديود ها نيز معمولا” مشخص است و شما هنگام خريد بايد آنرا به فروشنده بگوييد، در بازار نوع ۴۰۰mW و ۱٫۳W آن بسيار رايج است.

يکسو ساز نيم موج با استفاده از يک ديود.
در مطلب قبل راجع به ديودهاي زنر و سيگنال صحبت کرديم و ضمن آوردن مثال، توضيح داديم که اين ديودها چگونه کار ميکنند. حال در ادامه اين مجموعه مطالب ابتدا به تشريح مختصر ديود هاي يکسو کننده ميپردازيم.
ديود هاي يکسوساز عموما” در مدارهاي جريان متناوب بکار برده مي شوند تا با کمک آنها بتوان جريان متناوب (AC) را به مستقيم (DC) تبديل کرد. اين عمليات يکسوسازي يا Rectification ناميده مي شود.

از مشهورترين اين ديودها مي توان به انواع ديودهاي ۱N400x و يا ۱N540x اشاره کرد که داراي ولتاژ کاري بين ۵۰ تا بيش از ۱۰۰۰ ولت هستند و مي توانند جريان هاي بالا را يکسو کنند. اين ولتاژ، ولتاژي است که ديود مي تواند بدون شکسته شدن – سوختن – در جهت معکوس آنرا تحمل کند.
ديودهاي يکسوساز معمولآ از سيليکون ساخته مي شوند و ولتاژ باياس مستقيم آنها حدود ۰٫۷ ولت مي باشد.

يکسو سازي جريان متناوب با يک ديود
شما مي توانيد با قرار دادن فقط يک ديود در مسير جريان متناوب مانع از گذر سيکل منفي جريان در جهت مورد نظر در مدار باشيد به شکل اول دقت کنيد که چگونه قرار دادن يک ديود در جهت موافق، فقط به نيم سيکل هاي مثبت اجاز خروج به سمت بار را مي دهد. به اين روش يکسوسازي نيم موج يا Half Wave گفته مي شود.

بديهي است براي بالابردن کيفيت موج خروجي و نزديک کردن آن به يک ولتاژ مستقيم بايد در خروجي از خازن هايي با ظرفيت بالا استفاده کرد. اين خازن در نيم سيکل مثبت شارژ مي شود و در نيم سيکل منفي در غياب منبع تغذيه، وظيفه تغذيه بار را بعهده خواهد داشت.

يکسو ساز تمام موج با استفاده از پل ديود.
پل ديود يا Bridge Rectifiers
اما براي آنکه بتوانيم از نيمه منفي موج ورودي که در نيمي از سيکل جريان امکان عبور به خروجي را ندارد، استفاده کنيم بايد از مداري بعتوان پل ديود استفاده کنيم. پل ديود همانطور که از شکل دوم مشخص است متشکل از چهار ديود به يکديگر متصل مي باشد. جريان متناوب به قسمتي که دو جفت آند و کاتد به يکديگر متصل هستند وصل مي شود و خروجي از يک جف آند و يک جفت کاتد به يکديگر متصل شده گرفته مي شود.
روش کار به اينصورت است که در سيکل مثبت مدار ديودهاي ۱ و ۲ عمل کرده و خروجي را تامين ميکنند و در سيکل منفي مدار ديودهاي ۳ و ۴ عمل مي کند و باز خروجي را در همان وضعيت تامين مي کند.