کلید ترانزیستوری از صفر تا صد

کلید ترانزیستوری برای خاموش یا روشن کردن یک وسیله (مانند LED، لامپ و موتورهای الکتریکی) با اعمال ولتاژ DC ثابت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این کلیدهای الکترونیکی با استفاده از یک ترانزیستور در حالت اشباع یا قطع ساخته می‌شوند. در این مطلب قصد داریم به بررسی نحوه کار کلیدهای

ترانزیستوری بپردازیم و انواع مختلف آن را همراه با اصول کاری هر یک شرح دهیم.

نواحی عملکرد کلید ترانزیستوری

زمانی‌ که ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) به عنوان یک تقویت‌کننده سیگنال AC مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولتاژ بایاس بیس (Base) ترانزیستور به

نحوی اعمال می‌شود، که همیشه در ناحیه فعال خود عمل کنند. در نتیجه همیشه از ناحیه خطی منحنی مشخصه خروجی استفاده می‌شود. هر

دو نوع ترانزیستور دوقطبی NPN و PNP می‌توانند به عنوان کلید حالت جامد نوع قطع و وصل عمل کنند. این‌ کار از طریق بایاس ترمینال بیس

ترانزیستور به یک طریق متفاوت از بایاس تقویت‌کننده‌های سیگنال امکان‌پذیر است.

کلیدهای حالت جامد، یکی از مهم‌ترین کاربردهای ترانزیستورها هستند، که برای تغییر خروجی DC به حالت خاموش یا روشن مورد استفاده قرار

می‌گیرند. بعضی ادوات خروجی (بارها) مانند LED برای روشن شدن فقط به یک ولتاژ DC جریان پایین احتیاج دارند و بنابراین می‌توانند مستقیما

توسط خروجی یک گیت منطقی راه اندازی شوند. اما ادوات ولتاژ بالا مانند موتورها، سلونوئیدها و لامپ‌ها معمولا به توان بیشتری نسبت به آن‌چه

توسط یک گیت منطقی معمولی تامین می‌شود، نیاز دارند، بنابراین کلیدهای ترانزیستوری در راه‌اندازی بارهای جریان بالا یک گزینه ایده‌آل هستند.

اگر مدار از ترانزیستور دوقطبی به عنوان کلید استفاده کند، بایاس ترانزیستور (هم NPN و هم PNP) به نحوی انجام می‌گیرد که ترانزیستور قادر باشد

در هر دو سمت منحنی مشخصه جریان-ولتاژ عمل کند. نواحی عملکرد برای یک کلید ترانزیستوری با عناوین ناحیه اشباع (Saturation) و ناحیه قطع

(Cut-off) شناخته می‌شوند. این بدین معنی است که می‌توان از مدار بایاس نقطه کار و مدار مقسم ولتاژ مورد استفاده در تقویت‌کننده‌ها صرف‌نظر

کرد و ترانزیستور را همانند شکل زیر به عنوان یک کلید که بین ناحیه قطع و اشباع خود تغییر موقعیت می‌دهد، در نظر گرفت. در ناحیه قطع، جریان

بیس ترانزیستور صفر می‌شود. برای این هدف، ولتاژ صفر منطقی (در حد صفر ولت) به بیس تراتزیستور اعمال می‌شود. در ناحیه اشباع، تغییرات

جریان کلکتور نسبت به ولتاژ کلکتور-امیتر حساسیت بالایی دارد و تغییرات اندک در ولتاژ کلکتور-امتیر منجر به تغییرات زیادی در جریان کلکتور می‌شود.

با این حال در این ناحیه فرض می‌شود که ولتاژ کلکتور-امیتر تقریبا ثابت است.

ناحیه قطع

شرایط عملکرد ترانزیستور در این ناحیه به صورت زیر است:

جریان بیس ورودی مقدار ($$I_B$$) صفر، جریان کلکتور ($$I_C$$) صفر و ولتاژ کلکتور ($$V_{CE}$$) مقدار بیشینه خود را دارد.

این شرایط منجر به ایجاد ناحیه تخلیه بزرگی می‌شود که اجازه عبور جریان را نخواهد داد. در نتجه ترانزیستور در ناحیه قطع خواهد بود. شکل زیر

ترانزیستور را در ناحیه قطع نشان می‌دهد.

                                                              

مشخصه‌های حالت قطع به صورت زیر است.

• ورودی و بیس به زمین متصل می‌شوند.
  • ولتاژ بیس-امیتر از ۰٫۷ ولت کمتر است.
  • پیوند بیس-امیتر در بایاس معکوس قرار دارد.
  • ترانزیستور در ناحیه قطع قرار دارد.
  • جریان کلکتور برابر با صفر است.
  • $$V_{OUT}=V_{CE}=V_{CC}=1$$
• ترانزیستور مانند یک کلید باز عمل می‌کند.
• بنابراین می‌توان ناحیه قطع یا حالت خاموش را در ترانزیستور دوقطبی به عنوان یک کلید تعریف کرد که هم پیوندها در بایاس معکوس هستند
• و هم ولتاژ بیس-امیتر از ۰٫۷ کوچک‌تر و جریان کلکتور برابر با صفر است. برای یک ترانزیستور PNP، پتانسیل امیتر نسبت به بیس باید کوچکتر
• از 0٫7 ولت شود تا تزانزیستور هم خاموش شود.

ناحیه اشباع

در این ناحیه ترانزیستور به نحوی بایاس می‌شود که بیشترین مقدار جریان بیس اعمال شود. این عمل منجر به بیشترین جریان کلکتور و در نتیجه

کمترین افت ولتاژ کلکتور امیتر می‌شود. بنابراین عرض ناحیه تخلیه تا حد امکان کوچک می‌شود و بیشینه جریان در ترانزیستور برقرار می‌شود. در این

حالت، ترانزیستور به مد روشن تغییر وضعیت می‌دهد. منحنی اشباع در شکل زیر نشان داده شده است.