سلام دوستان امیدوارم حالتون عالی باشه. در این آموزش نگاهی به ترانزیستور به عنوان سوئیچ خواهیم داشت. ترانزیستور یک قطعه نیمه هادی 3 پایه است که به عنوان تقویت کننده ها و مدارهای سوییچینگ مختلف استفاده می شود. این قطعه الکترونیکی مهم توسط ویلیام شاکلی (که فیزیکدان ایالات متحده آمریکا بود) در سال 1947 ایجاد ساخته شد. همچنین در پروژه های مهندسی و مدارهای مختلف مورد استفاده قرار گرفت. بسته به سطح دوپینگ ترانزیستورها به 2 نوع طبقه بندی می شوند که اولی NPN و دومی ترانزیستور PNP است. بیشتر ترانزیستورها از سیلیکون و ژرمانیوم ساخته می شوند اما سایر مواد نیمه هادی نیز برای ساخت ترانزیستورها استفاده می شوند. در این مقاله به نحوه استفاده از ترانزیستور به عنوان سوئیچ و همچنین عملکردعملی آن در مدارهای مختلف خواهیم پرداخت. 

ترانزیستور به عنوان سوئیچ

  برای درک عملکرد یک ترانزیستور به عنوان سوئیچ، از ترانزیستور پیوند دوقطبی (BJT) استفاده می کنیم و منحنی جریان در برابر ولتاژ آن را ایجاد می کنیم.

سه ناحیه وجود دارد که ترانزیستور در آنها کار می کند، اولی ناحیه فعال، دومی ناحیه اشباع و سومی ناحیه قطع است.

در اولین ناحیه که ناحیه فعال است، ترانزیستور به عنوان تقویت کننده عمل می کند.

اما در 2 ناحیه دیگر که منطقه اشباع هستند که ترانزیستور در حالت روشن است و در منطقه قطع نیز ترانزیستور در آن خاموش است، به عنوان سوئیچ کار می کند.

اکنون این سه ناحیه را یک به یک با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار می دهیم.

منطقه عملیاتی ترانزیستور

در شکل داده شده منحنی مشخصات جریان و ولتاژ نشان داده شده است.

در این منحنی می بینید که قسمت زیر منحنی دارای رنگ صورتی است که به عنوان قسمت Cut-off و قسمت آبی رنگ به عنوان قسمت اشباع ترانزیستور شناخته می شود.

بیایید این دو منطقه ترانزیستور را با جزئیات مورد بحث قرار دهیم. 

منطقه قطع ترانزیستور

در این ناحیه عملیاتی ترانزیستور مقدار جریان در پایه صفر است (IB=0) بنابراین مقدار جریان در کلکتور نیز 0 خواهد بود.

مقدار ولتاژ در ترمینال های کلکتور و امیتر (VCE) بالاتر است که باعث می شود لایه تخلیه بزرگتر در ترانزیستور ایجاد شود و جریان کلکتور صفر باشد.

بنابراین ترانزیستور کاملاً خاموش است به این معنی که یک سوییچ باز است.

منطقه اشباع ترانزیستور

در این ناحیه، ترانزیستور به صورتی بایاس می شود که مقدار جریان در ترمینال بیس حداکثر است و باعث می شود جریان زیادی از کلکتور عبور کند.

مقدار ولتاژ در پایه های کلکتور و امیتر صفر خواهد بود بنابراین هیچ لایه تخلیه وجود نخواهد داشت و مقدار جریان زیادی از ترانزیستور عبور می کند و مانند یک کلید بسته عمل می کند.

به روشی ساده، می‌توانیم ناحیه اشباع زمانی رخ می‌دهد که جریان از کلکتور زیاد باشد و ولتاژ در پایه های بیس امیتر 0.7 ولت باشد که این مقادیر برای ترانزیستور NPN صادق است.

در مورد PNP، امیتر باید با ترمینال مثبت باتری وصل شود.

عملکرد ترانزیستور به عنوان سوئیچ

برای درک عملی ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ، مداری را که در شکل داده شده در زیر نشان داده شده است مورد بحث قرار می دهیم.

در این مدار از ترانزیستور NPN به عنوان کلید استفاده می شود بطوریکه کلکتور و امیتر آن به عنوان پایه های کلید عمل می کنند.

مداری که از لامپ به عنوان بار تشکیل شده است به پایانه های کلکتور و امیتر ترانزیستور متصل می شود.

بیس و امیتر ترانزیستور به عنوان یک کنترل کننده کار می کند که وضعیت باز و بسته سوئیچ را تعیین می کند.

 برای سوئیچ بسته، باتری بین بیس و پایه امیتر وصل می شود.

این منبع مقدار زیادی جریان بیس را به دلیل جریان کلکتور در مدار کلکتور و امیتر فراهم می کند.

اگر مقاومت بین کلکتور و امیتر تقریباً صفر باشد، مقدار جریان کلکتور بیشتر خواهد بود.

در شکل بالا می بینید که امیتر در پتانسیل زمین قرار دارد، بنابراین می توانیم فرض کنیم که کلکتور نیز پتانسیلش صفر است. بنابراین، در این مورد، مدار حاصل را می توان به صورت زیر داشت:

می توانید ببینید که ترمینال کلید که کلکتور و امیتر هستند بسته هستند و لامپ به دلیل جریان کلکتور زیادی که از آن عبور می کند روشن می شود.

برای باز کردن پایانه های کلید، جریان عبوری از بیس را حذف می کنیم.

با توجه به رابطه Ic=ßIb، به دلیل مقدار جریان بیس صفر، جریان کلکتور نیز صفر می شود و مانند یک کلید باز عمل می کند.

کاربردهای ترانزیستور به عنوان سوئیچ

ساختار ترانزیستور به گونه ای است که تا زمانی که منبع جریان در بیس وجود نداشته باشد، کلکتور نیز جریان نخواهد داشت.

با توجه به این ویژگی، بیشتر در مدارهای الکترونیکی مختلف به عنوان سوئیچ استفاده می شود.

بنابراین ما در مورد مدارهایی که از ترانزیستور به عنوان سوئیچ استفاده می کنند بحث می کنیم، برای توضیح چنین مدارهایی از ترانزیستور NPN استفاده می کنیم.

سوئیچ روشنایی

در مدار زیر از ترانزیستور به عنوان کلید روشن و خاموش لامپ استفاده می شود. این مدار از سنسور نوری LDR، ترانزیستور، لامپ و مدار تقسیم کننده ولتاژ تشکیل می شود.

این مدار در نور کار می کند و در تاریکی کار نمی کند.

هنگامی که فوتون های نور با مقاومت وابسته به نور برخورد می کنند، شروع به کار می کند و جریان از بیس عبور کرده و جریان کلکتور و در نتیجه روشنایی لامپ را ایجاد می کند.

سوئیچ حرارتی

در شکل زیر ترانزیستور به عنوان کلید حرارتی استفاده می شود که عنصر اصلی این مدار یک ترمیستور است.

ترمیستور نوعی مقاومت است که با تغییر دما عمل می کند.

مقاومت آن با کاهش دما افزایش می یابد و با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد (نوع NTC).

بنابراین در این مدار با افزایش دما مقاومت ترمیستور کاهش می یابد بنابراین جریان بیس شروع به افزایش می کند که باعث حرکت جریان در کلکتور مدار می شود.

سپس در خروجی، آلارم پس از دریافت سیگنال از ترانزیستور شروع به کار می کند.