نحوه عملکرد کلید ترانزیستوری- بخش دوم

مدار کلید ترانزیستوری NPN

آسان‌ترین راه تغییر وضعیت از توان متوسط به توان بالا، استفاده از ترانزیستور با خروجی کلکتور باز است که در آن ترمینال امیتر ترانزیستور مستقیما به زمین متصل باشد. زمانی که ترانزیستور به این روش مورد استفاده قرار گیرد، به عنوان یک چاله (Sink) جریان عمل میکند. زیرا بعد از این‌که ترانزیستور روشن شود، جریان برقرار شده بین منبع تغذیه VCC و زمین (امیتر ترانزیستور) وارد ترانزیستور می‌شود.

اگر بار ترانزیستور سلفی باشد، مانند رله‌ها و سلونوئیدها، برای از بین بردن نیروی محرکه بازگشتی، یک دیود هرزگرد به موازات آن قرار می‌گیرد. دلیل این امر این است که بار‌های سلفی تمایل به حفظ جریان دارند و زمانی که ترانزیستور تغییر وضعیت می‌دهد، جریان بار آن جهش پیدا می‌کند. این امر باعث تولید ولتاژ القایی بزرگی در دو سر بار می‌شود. توجه کنید که اگر دیود هرزگرد مورد استفاده قرار نگیرد، باعث خسارت به مدار می‌شود. اما اگر دیود هرزگرد در مدار وجود داشته باشد، در هنگام تغییر وضعیت ترانزیستور دیود روشن شده و باعث می‌شود ولتاژ دو سر ترانزیستور محدود بماند و در نتیجه باعث سالم ماندن آن خواهد شد.

همچنین دقت کنید که اگر بار دارای جریان یا ولتاژ بسیار بزرگی باشد، مانند موتور یا هیتر (Heater)، جریان بار از طریق یک رله کنترل می‌شود. نمایی از این مدار در شکل زیر نشان داده شده است. در این شرایط ترانزیستور یک رله جریان پایین را کنترل می‌کند و رله هم بار جریان بالا را کنترل خواهد کرد.

مدار کلید ترانزیستوری NPN

مدار بالا، شبیه یک مدار تقویت‌کننده ولتاژ امیتر مشترک است. اما تفاوت بزرگ آن‌ها در این است که برای عملکرد ترانزیستور به عنوان یک کلید، باید ترانزیستور قادر باشد در هر دو حالت قطع کامل و اشباع کامل عمل کند. یک کلید ترانزیستوری ایده‌آل زمانی که در حالت قطع است، دارای مقاومت بی‌نهایت بین کلکتور و امیتر است که منجر به جریان صفر در آن می‌شود. علاوه بر این، زمانی که ترانزیستور در حالت وصل باشد، مقاومت صفر بین کلکتور و امیتر وجود دارد که منجر به جریان بیشینه می‌شود.

در عمل زمانی که ترانزیستور خاموش باشد، جریان نشتی بسیار کوچکی از آن می‌گذرد و زمانی که ترانزیستور روشن باشد، مقدار مقاومت پایینی دارد و منجر به ولتاٰژ اشباع (VCE) کوچکی در طول آن می‌شود. اگرچه ترانزیستور یک کلید ایده‌آل نیست، اما در هر دو ناحیه قطع و اشباع توان اتلافی توسط ترانزیستور کمترین مقدار ممکن را دارد.

به منظور گردش یافتن جریان بیس، باید ولتاژ بیس نسبت به امیتر، با استفاده از منبع ولتاژ Vin، بیشتر از ۰ ٫ ۷ ولت شود. با تغییر منبع ولتاژ، جریان کلکتور تغییر کرده و منجر به کنترل جریان بار خواهد شد.

زمانی که بیشینه جریان کلکتور از ترانزیستور بگذرد، اصطلاحا گفته می‌شود که ترانزیستور اشباع شده است. مقدار مقاومت بیس مشخص می‌کند که چه مقدار ولتاژ ورودی و جریان بیس متناظر برای روشن کردن ترانزیستور مورد نیاز است.

مثال ۱یک ترانزیستور با مقادیر β=۲۰۰، IC=۴mA و Ib=۲۰μAموجود است. مقدار مقاومت بیس مورد نیاز برای روشن کردن کامل یک بار، هنگامی‌که ولتاژ ورودی از ۲٫۵ ولت بیشتر شود، چقدر است؟

حل:

مقدار مقاومت با استفاده از فرمول زیر به دست می‌آید:



نزدیک‌ترین مقدار مقاومت برابر با ۸۲ کیلو اهم است. این مقدار مقاومت تضمین می‌کند که کلید ترانزیستور همیشه در حالت اشباع باشد.

مثال ۲

ترانزیستور با مقادیر برابر با مثال ۱ را در نظر بگیرید. ولتاژ ورودی را به ۵ ولت افزایش می‌دهیم. کمینه جریان بیس مورد نیاز برای روشن کردن کامل ترانزیستور (اشباع)، برای باری که به جریان ۲۰۰ میلی آمپر نیاز دارد، چقدر است؟

حل:

جریان بیس ترانزیستور به صورت زیر به دست می‌آید:


مقاومت بیس برابر است با:


کلید‌های ترانزیستوری برای بازه وسیعی از کاربردها، به عنوان رابط بین ادوات جریان بالا یا ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان نمونه‌ای از این ادوات می‌توان به موتورها، رله‌ها یا لامپ‌ها یا آی‌سی‌های دیجیتال ولتاژ پایین و گیت‌های منطقی مانند گیت AND یا گیت OR اشاره کرد. ولتاژ خروجی یک گیت منطقی دیجیتال ۵ ولت است، اما وسیله‌ای که باید کنترل شود، ممکن است به تغذیه ۱۲ ولت و یا ۲۴ ولت نیاز داشته باشد. همچنین ممکن است، باری مانند یک موتور DC برای کنترل سرعت به رشته‌ای از پالس‌ها (PWM) نیاز داشته باشد. کلید‌های ترانزیستوری امکان انجام این عمل را به صورت سریع‌تر و آسان‌تر از کلید‌های مکانیکی سنتی فراهم می‌کنند. شکل زیر نمایی از یک کلید ترانزیستوری منطقی دیجیتالی را نشان می‌دهد.

کلید ترانزیستوری منطق دیجیتال

مقاومت بیس، برای محدود کردن جریان خروجی از گیت منطقی مورد نیاز است.