قطعات الکترونیک و نحوه محاسبه مقاومت پایه بیس در ترانزیستورهای BJT

ترانزیستورها، یکی از قطعات پرکاربرد در مدارات الکترونیک دیجیتال به شمار می‌روند. این قطعه در بسیاری از مدارت دیجیتال، نقش حساس و مهمی را ایفا می نماید. این نقش به قدری جدی است که گاهی حیات یک مدار، به این قطعه وابسته می شود. مهم ترین کاربرد ترانزیستور، تقویت جریان است. همانطور که در اصل پاسکال، به یک نیروی کم، می توان نیروی بسیار بزرگتر را کنترل نمود؛ به کمک ترانزیستور می‌توان با یک جریان بسیار کم، جریان بسیار زیاد و قوی تر را کنترل نمود. قطعات الکترونیک جهت راه اندازی، نیاز به رعایت نکات و پیشنیاز است. ترانزیستور هم از این قاعده مستثنی نبوده و برای راه اندازی آن، نکاتی را می بایست در نظر داشت. در این آموزش، به نحوه صحیح راه اندازی ترانزیستور BJT در حالت سوییچ و تقویت کنندگی خواهیم پرداخت. در ادامه با مرجع تخصصی آردوینو به زبان فارسی ،دیجی اسپارک همراه باشید.

شناخت ترانزیستور و کاربرد آن

ترانزیستور یک قطعه سه پایه، با یک ورودی و دو خروجی است. در حقیقت ترانزیستور را می توان مشابه یک شیر آب در نظر گرفت. هر ترانزیستور BJT، دارای سه پایه به نام های امیتر، بیس و کلکتور است. تا زمانیکه ولتاژ بین بیس و امیتر از میزان مشخصی کمتر باشد، جریانی از کلکتور به سمت امیتر، جاری نخواهد شد. با افزایش هر چه بیشتر ولتاژ بین بیس و امیتر، جریان بین کلکتور و امیتر افزایش خواهد یافت. این موضوع را می توان دقیقا مثل یک شیر آب فرض کرد. همانطور که با پیچاندن هر چه بیشتر شیر، میزان فشار آب افزایش می یابد، با افزایش ولتاژ بیس ترانزیستور، جریان بیشتر در کلکتور آن ظاهر خواهد شد.

از ترانزیستور در مدارها و سیستم های مختلفی می توان استفاده نمود. یکی از مهم ترین کاربرد ترانزیستور BJT، سوییچ الکترونیک است. همانطور که اطلاع دارید، یک کلید مکانیکی، دارای دو پایه است که با قرار گرفتن در مسیر جریان برق، چنانچه دکمه فشار داده شود، جریان الکتریکی در مدار جاری خواهد شد. ترانزیستور می تواند به عنوان یک سوییچ الکترونیک، با تنظیم ولتاژ پایه بیس نسبت به امیتر، روشن شده و جریان الکتریکی را از کلکتور به امیتر، جاری می سازد. همانطور که بیان شد، یکی از مهم ترین کاربردهای ترانزیستور، کنترل جریان های بالا با جریان ضعیف است. پایه های میکروکنترلرها، نظیر برد آردویینو، در خروجی جریان محدودی در حدود ۳۰ میلی آمپر دارند. فرض کنید یک موتور الکتریکی با جریان ۴۰۰ میلی آمپر دارید. طبیعتا نمی توانید با پایه خروجی آردویینو، این موتور را کنترل نمایید. اینجاست که به کمک یک ترانزیستور، می توانیم با جریان کم آردویینو، یک جریان بزرگتر را کنترل نماییم. در رابطه با نحوه و چگونگی انجام این کار، در بخش های بعدی به طور کامل صحبت خواهیم نمود.

معرفی ترانزیستور های BJT و FET

در دسته بندی ترانزیستورها، دو نوع کلی ترانزیستور BJT و ترانزیستور FET وجود دارد. تفاوت عمده این ترانزیستور ها در مد کاری، معمولا به دلیل تفاوت جریان و ولتاژی است که این ترانزیستور ها می توانند از خود گذر داده و تحمل نمایند. ترانزیستور های FET که عموما تحت عنوان MOSFET در بازار عرضه می شوند، جریان و ولتاژ به مراتب بسیار بیشتری را می توانند از  ترانزیستور های BJT از خود عبور دهند. به عنوان نمونه، ترانزیستور ماسفت IRF840 می تواند تا ۵۰۰ ولت و ۸ آمپر از خود عبور دهد. این در حالیست که یک ترانزیستور BJT، به عنوان مثال ۲N2222 می تواند ۶۰۰ میلی آمپر و نهایتا ۴۰ ولت را از خود عبور دهد.

ترانزیستورهای ماسفت دارای سه پایه به نام های گیت، درین و سورس هستند. در این ترانزیستور، زمانیکه ولتاژ بین گیت و سورس از حد آستانه بیشتر شود، ترانزیستور روشن شده و جریان از درین به سمت سورس جاری خواهد شد. ترانزیستورهای ماسفت، به دو نوع N و P دسته بندی می شوند. در نوع N، ولتاژ گیت-سورس معمولا بین ۲ الی ۵ ولت خواهد بود. در نوع P، این ولتاژ منفی شده و بین -۲ الی -۵ خواهد بود.

در مقابل ترانزیستورهای ماسفت، ترانزیستور های BJT، دارای سه پایه به نام های امیتر، بیس و کلکتور هستند. ترانزیستور های BJT همانند ترانزیستورهای ماسفت، دو نوع PNP و NPN دارند. در نوع NPN، معمولا زمانیکه ولتاژ بیس-امیتر از ۰٫۶ بیشتر شود، ترانزیستور روشن شده و جریان بین کلکتور و امیتر جاری خواهد شد. در نوع PNP این مقدار معمولا از ۰٫۶- می بایست کمتر شده تا ترانزیستور روشن شود.

نحوه کار با ترانزیستور BJT به عنوان سوییچ در مدار

در قسمت های پیشین راجع به ترانزیستور، انواع و پایه های آن صحبت کردیم. در این قسمت، از یک ترانزیستور BJT با نوع NPN به عنوان سوییچ استفاده خواهیم نمود. همانطور که پیشتر بیان شد، از ترانزیستور می توان به عنوان یک سویچ الکترونیکی، در مدارها استفاده نمود. به عنوان مثال، فرض کنید یک موتور فن دارید که می خواهید تحت شرایطی خاص، مثلا با افزایش دما از یک حد خاص، از طریق یکی از GPIO ها که به صورت خروجی تعریف شده، فن شروع به کار نماید. با توجه به اینکه بیشینه جریان خروجی از پایه های آردویینو نهایتا ۳۰ میلی امپر است، بنابراین نمی توان این موتور را از طریق پایه GPIO، تغذیه نماییم. برای این منظور، از ترانزیستور، به عنوان یک سوییچ الکترونیکی، به صورت سری با تغذیه موتور، استفاده کرده و با اتصال پایه بیس آن به آردویینو، می توانیم موتور را به سادگی خاموش و یا روشن نماییم. برای روشن تر شدن این موضوع، لطفا به تصویر زیر، توجه نمایید.

مطابق شکل فوق، ترانزیستور مشابه یک کلید، به صورت سری در راه تغذیه موتور قرار گرفته است. یک پایه موتور به تغذیه ۵ ولت و پایه دیگر به کلکتور ترانزیستور متصل شده است. پایه امیتر نیز به زمین متصل شده و هرگاه ترانزیستور فعال شود، اتصال بین کلکتور و امیتر برقرار شده و در نتیجه موتور، به زمین مدار متصل شده و روشن خواهد شد. از طرفی دیگر، زمانی اتصال بین کلکتور و امیتر برقرار می شود که ولتاژ بین پایه بیس و امیتر، از یک حد مشخص، مثلا ۰٫۶ نیز بیشتر شود. بنابراین، تا زمانیکه این ولتاژ کمتر از ۰٫۶ است، ترانزیستور خاموش خواهد بود. با افزایش این ولتاژ، ترازیستور روشن شده و هرچه این ولتاژ بیشتر شود، جریان بیشتر در کلکتور جاری خواهد شد. این روند تا یک جا ادامه داشته و از یک ولتاژ خاص به بعد، هر چه ولتاژ بیس-امیتر افزایش یابد، تاثیری در جریان کلکتور نخواهد داشت. بنابراین، یک ترانزیستور دارای سه ناحیه کاری زیر خواهد بود:

۱-قطع: زمانی که ولتاژ بیس-امیتر از میزان ولتاژ آستانه کمتر است.

۲-خطی: زمانی که ولتاژ بیس امیتر از آستانه بیشتر شود. در این قسمت، هرچه ولتاژ بیس-امیتر افزایش یابد، جریان بیشتری از کلکتور عبور خواهد کرد.

۳-اشباع: زمانیکه ولتاژ بیس-امیتر از یک حد بیشتر شده و در این ناحیه، هرچه ولتاژ را افزایش دهیم، تاثیری در جریان کلکتور نداشته و جریان آن ثابت می ماند.

برای راه اندازی ترانزیستور، همواره لازم است که در پایه آن، یک مقاومت با ولتاژی که قرار است به بیس متصل شود، سری گردد. در قسمت بعدی دلیل این موضوع و بعد از آن، نحوه محاسبه این مقاومت را خواهیم دید.

دلیل قرار گیری مقاومت در بیس ترانزیستور

همانطور که گفته شد، هر ترانزیستور BJT، دارای سه پایه به نام های امیتر، کلکتور و بیس است. زمانیکه ولتاژ بین پایه بیس و امیتر از یک حد مشخصی بیشتر شود، ترانزیستور روشن شده و جریان بین امیتر و کلکتور جاری خواهد شد. بین قسمت بیس و ترانزیستور، مشخصا ترانزیستور NPN یک دیود وجود داشته که به دیود بیس امیتر معروف است. همانطور که اطلاع دارید، هر دیود برای راه اندازی، یک ولتاژ آستانه مشخصی داشته که جهت روشن شدن آن، می بایست ولتاژی بیش از ولتاژ آستانه، یه دیود اعمال نماییم. پس از روشن شدن دیود، این قطعه دقیقا مثل یک کلید روشن عمل کرده و جریان را از خود عبور خواهد داد. زمانیکه پایه آردویینو یک منطقی شود، ولتاژ پایه ۵ ولت (بسته به آردویینو مورد استفاده) شده و به دیود بیس-امیتر(در اینجا ترانزیستور را نوع NPN در نظر بگیرید) این ولتاژ متصل می گردد. در این حالت، یک پایه از این دیود به پایه GPIO(که اکنون ۵ ولت دارد) متصل شده و پایه دیگر این دیود به زمین متصل می شود. در این قسمت، با توجه به اینکه دیود در حالت روشن قرار گرفته، پایه ۵ ولت آردویینو به گراند متصل می گردد. در حقیقت، پایه آردویینو اتصال کووتاه شده و سبب آسیب دیدگی آردویینو و دیود خواهد شد. برای روشن تر شدن موضوع، به تصویر زیر توجه نمایید.

مطابق تصویر فوق، زمانیکه ولتاژ آند از کاند بیشتر شود، دیود روشن شده و جریان الکتریکی را از خود عبور می دهد. روشن شدن دیود در مدار فوق، سبب ایجاد اتصال کوتاه شده(چون دیود پس از روشن شدن دقیقا مثل یک سیم عمل می نماید!) و منبع تغذیه و دیود آسیب خواهند دید. این دقیقا مشابه اتصال دیود بیس ترانزیستور به پایه GPOIO خواهد بود. برای غلبه بر این مشکل می بایست از یک مقاومت به صورت سری در مدار استفاده نماییم. همانطور که اطلاع دارید، مقاومت ها زمانیکه به صورت سری در مدار قرار می گیرند، جریان را محدود خواهند کرد. به عبارت دیگر، مقاومت همانند یک مصرف کننده، به عنوان مثال لامپ، در مسیر مدار قرار گرفته و مانع از ایجاد اتصال کوتاه می گردد.

نحوه محاسبه مقاومت بیس ترانزیستور

در قسمت پیشین در رابطه با ضرورت وجود مقاومت در پایه بیس ترانزیستور، صحبت کردیم. در این قسمت به نحوه محاسبه مقدار این مقاومت صحبت خواهیم نمود. در رابطه با محاسبه این مقدار می بایست دقت لازم صورت گیرد،  چراکه این موضوع اهمیت بالایی در عملکرد صحیح قطعه خواهد داشت. برای محاسبه این مقدار، ابتدا باید به معرفی پارامتر ضریب تقویت ترانزیستور بپردازیم. در ادامه به معرفی این پارامتر می پردازیم.

همانطور که پیشتر بیان شد، یکی از وظایف اصلی هر ترانزیستور، تقویت جریان است. به عبارت دیگر، یک ترانزیستور می تواند جریان ضعیف پایه بیس را تقویت کرده و جریان قوی جاری شده بین کلکتور و امیتر را کنترل نماید. به پارامتر تقویت کنندگی ترانزیستور در اصطلاح ضریب تقویت، بهره، گین و یا HFE گفته می شود. ضریب تقویت، بیانگر میزان قدرت یک ترانزیستور در تقویت جریان ورودی در بیس آن به شمار می رود. به عنوان مثال فرض کنید ضریب تقویت یک ترانزیستور، ۳۵ باشد. این عدد به معنای تقویت ۳۵ برابری جریان بیس در کلکتور خواهد بود. به عبارت دیگر، این ترانزیستور می تواند تا ۳۵ برابر جریان بیس را از کلکتور عبور دهد. به عنوان مثال، فرض کنید جریانی که در بیس قرار گرفته، ۱۰۰ میلی آمپر و ضریب تقویت ۳۵ باشد، آنگاه جریان کلکتور می تواند تا ۳۵ برابر، یعنی ۳۵۰۰ میلی آمپر باشد.

میزان ضریب تقویت هر ترانزیستور با ترانزیستور دیگر متفاوت است، این مقدار تحت عنوان HFE، درون دیتاشیت هر ترانزیستور ذکر می گردد. به عنوان مثال، دیتاشیت ترانزیستور ۲N2222، این مقدار را بین ۳۵ الی ۷۵(بسته به شرایط مختلف) ذکر می نماید. ضریب تقویت ترانزیستور، در محاسبه مقاومت لازم برای پایه بیس ترانزیستور، پارامتری مهم به شمار می رود. این ضریب که در محاسبات تحت عنوان بتا(b) شناخته می شود، به صورت زیر، رابطه بین جریان بیس و کلکتور را مشخص می سازد.

bIB=IC

در رابطه فوق، b ضریب تقویت ترانزیستور، IB جریانی که به بیس ترانزیستور می رسد و در نهایت IC جریانی است که از کلکتور عبور خواهد نمود. در رابطه فوق، با محاسبه جریان بیس، می توانیم مقاومت مورد نیاز پایه آن را محاسبه نماییم. برای روشن تر شدن موضوع، فرض کنید می خواهیم یک موتور با بیشینه جریان ۳۰۰ میلی آمپر را با ترانزیستور ۲n2222  از نوع NPN را به کمک برد آردویینو کنترل نماییم. بدین ترتیب، جریان کلکتور ۳۰۰ میلی آمپر(IC=0.3) خواهد بود. فرض کنید ضریب تقویت ترانزیستور نیز، عدد ۳۵ (b=35)باشد. بنابراین، مطابق رابطه فوق، جریان بیس به صورت زیر محاسبه می شود.

bIB=IC

۰٫۳=۳۵*IB

با تقسیم عدد ۰٫۳ بر ۳۵، مقدار IB برابر با ۰٫۰۰۸ یا ۸ میلی آمپر خواهد شد. همانطور که پیشتر نیز گفته شد، قصد داریم تا موتور مورد نظر را از طریق برد آردویینو کنترل نماییم. مطابق شماتیکی که در قسمت های قبلی مشاهده شد، پایه GPIO آردویینو به بیس ترانزیستور، جهت کنترل موتور متصل می شود. فرض کنید پایه GPIO آردویینو، در حالت یک منطقی، ولتاژ ۵ ولت تولید می نماید. از آنجاییکه جریان پایه بیس، با محاسبه در قسمت قبل، برابر با ۸ میلی آمپر(۰٫۰۰۸ آمپر) شده است، بنابراین می توانیم طبق قانون اهم، مقاومت مورد نظر را حساب کنیم. همانطور که اطلاع دارید، قانون اهم، رابطه بین جریان، ولتاژ و مقاومت را به صورت زیر بیان می نماید.

V= I * R

مطابق رابطه فوق، با توجه به اینکه ولتاژ پایه GPIO اردویینو ولت و جریان بیس ۰٫۰۰۸ آمپر است، بنابراین، مقاومت، خیلی ساده از تقسیم ولتاژ به جریان به دست می آید.

R = 5/0.008=625

طبق محاسبه فوق، جهت راه اندازی ترانزیستور، نیاز به یک مقاومت ۶۲۵ اهمی خواهیم داشت. بنابراین، جهت محاسبه مقاومت مورد نیاز برای بیس، می بایست جریان عبوری از کلکتور را در نظر بگیرید. سپس با مطالعه دیتاشیت ترانزیستور، می بایست پارامتر ضریب تقویت و یا همان HFE را مطالعه کرده و طبق رابطه گفته شده در بالا، جریان بیس را محاسبه کنید. در نهایت، با توجه به ولتاژی که قرار است به پایه بیس اعمال شود، طبق قانون اهم، از تقسیم این ولتاژ بر جریان بیس، مقاومت مورد نیاز خود را محاسبه کرده و در مدار قرار دهید.

قطعات مورد نیاز

ترانزیستور

مقاومت

جمع بندی

در این آموزش، به بررسی نقش ترانزیستور به عنوان سوییچ و نحوه راه اندازی صحیح آن پرداختیم. ترانزیستور یک قطعه سه پایه بوده که در مدارهای الکترونیکی بسیار پرکاربرد است. اما این قطعه، همانند هر قطعه دیگری، نیازمند رعایت نکاتی جهت راه اندازی است. یکی از نکات مهم در راه اندازی ترانزیستور، استفاده از مقاومت مناسب در بیس آن است. وجود این مقاومت بسیار ضروری بوده و در صورت عدم قرارگیری، موجب آسیب به سایر واحدها خواهد شد. همچنین، در صورتیکه مقاومت به درستی در بیس قرار نگیرد، ترانزیستور عملکرد لازم را نخواهد داشت. در این آموزش، به طور کامل در رابطه با این مقاومت و نحوه محاسبه مقدار آن، به طور کامل صحبت کرده و مدار مناسب و لازم آن را تشریح نموده ایم.

چنانچه در مراحل راه اندازی و انجام این پروژه با مشکل مواجه شدید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی در کدها و یا مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید