ترانزیستور چیست ؟ | تعریف، نماد و کار به زبان ساده

به گزارش گروه بازار خبرگزاری آنا، ترانزیستور نوعی قطعه نیمه‌هادی است که در صنایع برقی و در بخش‌های مختلف زندگی ما کاربردهای فراوانی دارد. در واقع ترانزیستور مانند یک کلید گاهی مسدود کننده جریان و ولتاژ الکتریکی و گاهی هم رسانا است. عملکرد اصلی ترانزیستور تقویت‌کنندگی و سوئیچینگ است. در این مطلب می‌توانید اطلاعات کاملی درباره این قطعه‌ی پرکاربرد در وسایل الکترونیکی بدست آورید.

ترانزیستور چیست؟

Transistor به زبان ساده قطعه کوچکی برای تنظیم یا کنترل سیگنال‌های الکترونیکی است. ترانزیستور توسط سه فیزیکدان مطرح آمریکایی به نام‌های جان باردین (John Bardeen)، والتر براتین (Valter Brattain) و ویلیام شاکلی (William Shockley) اختراع شده است. این قطعه کوچک و کاربردی، یک قطعه نیمه‌هادی برای کنترل سیگنال و جریان الکتریکی در مدارهای وسایل برقی است.

وقتی در مدارهای تقویت‌کننده از ترانزیستور استفاده می‌کنیم، لازم است شکل موج ورودی و خروجی را بررسی کنیم تا مطمئن شویم قطعه درست کار می‌کند. در این شرایط استفاده از ابزارهای اندازه‌گیری مثل اسیلوسکوپ ضروری است. اگر به دنبال ابزار دقیق برای تست مدارها هستید، گزینه‌های مختلفی برای خرید اسیلوسکوپ در بازار وجود دارد که می‌تواند کار آزمایش و عیب‌یابی مدارهای ترانزیستوری را بسیار ساده‌تر کند.

اجزای ترانزیستور چیست؟ | ترانزیستور از چه بخش هایی تشکیل شده است؟

ترانزیستور معمولی از سه پایه با مواد نیمه‌هادی تشکیل می‌شود. به هر یک از جفت پایه‌های ترانزیستور ولتاژ یا جریانی اعمال می‌شود که وظیفه‌ی کنترل جریان عبوری از جفت‌پایه‌های دیگر را برعهده دارد. ترانزیستور شامل 3 پایه می‌شوند که عبارتند از:

• بیس (Base): برای فعال کردن ترانزیستور استفاده می‌شود.
• کلکتور (Collector): سر مثبت ترانزیستور است.
• امیتر (Emitter): سر منفی ترانزیستور است.

انواع ترانزیستور چیست؟

ترانزیستورها به طور کلی در دو گروه اصلی BJT (ترانزیستور اتصال دوقطبی) و FET (ترانزیستور اثر میدان) قرار می‌گیرند. BJTها بیشتر در مدارهای تقویت‌کننده استفاده می‌شوند، در حالی که FETها به دلیل مقاومت ورودی بالا و توان مصرفی کمتر، گزینه‌ای ایده‌آل برای مدارات دیجیتال و سوئیچینگ هستند. در میان FETها، MOSFETها کاربرد گسترده‌تری در منابع تغذیه سوئیچینگ و مدارهای برق قدرت دارند.

برای آزمایش هر یک از این ترانزیستورها، لازم است شرایط ولتاژ و جریان دقیق آن‌ها فراهم شود. به همین دلیل استفاده از منبع تغذیه‌ی مناسب اهمیت زیادی دارد. انتخاب یک منبع تغذیه مطمئن کمک می‌کند عملکرد ترانزیستورها در حالت‌های مختلف بررسی شود و از آسیب‌دیدگی آن‌ها جلوگیری گردد.

اگر قصد دارید مدارهای آزمایشگاهی یا صنعتی خود را راه‌اندازی کنید، بهتر است هنگام بررسی و مقایسه قیمت منبع تغذیه علاوه بر هزینه، به کیفیت، پایداری و قابلیت تنظیم ولتاژ و جریان نیز توجه داشته باشید. منابع تغذیه علاوه بر تامین انرژی انواع ترانزیستورها ، نقش مهمی در دقت و کارایی مدار نیز ایفا می کنند. انواع ترانزیستورها بر اسا س کاربرد و نوع ساخت با نام های زیر شناخته می شوند.

• ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT)
• ترانزیستور P-N-P
• ترانزیستورN-P-N
• ترانزیستور اثر میدانی (FET)
• JFET
• ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق
• ترانزیستور لایه نازک
• ترانزیستور با تحرک الکترون بالا
• ترانزیستور اثر میدان T معکوس (ITFET)
• ترانزیستور اثر میدانی همپایه معکوس سریع (FREDFET)
• ترانزیستور شاتکی
• ترانزیستور اثر میدان تونلی
• ترانزیستور اثر میدان آلی (OFET)
• ماسفت (MOSFET)

مزایای ترانزیستور در مقایسه با لامپ های خلاء

استفاده از ترانزیستور مزایای مختلفی در مقایسه با لامپ خلاء دارد که در ادامه فهرست شده اند.

• هزینه کمتر و اندازه کوچکتر
• حساسیت مکانیکی کمتر
• ولتاژ کار پایین
• عمر بسیار طولانی
• بدون مصرف برق
• سوئیچینگ سریع
• مدارهای بازده بهتری را می‌توان توسعه داد
• برای توسعه یک مدار مجتمع استفاده می‌شود

معایب ترانزیستور

ترانزیستورها معایبی نیز دارند که در لیست زیر اسامی آنها را مشاهده می‌کنید:

• فاقد تحرک الکترون بالاتر هستند.
• به راحتی در هنگام وقوع رویدادهای الکتریکی و حرارتی آسیب می‌بینند.
• تحت تأثیر پرتوهای کیهانی و تابش هستند.

نحوه عملکرد ترانزیستور

ترانزیستورها چگونه عمل می‌کنند؟ به طور کلی ترانزیستور می‌تواند دو نقش اساسی داشته باشد؛ یکی به عنوان کلید و دیگری به عنوان تقویت‌کننده!

برای درک بهتر عملکرد ترانزیستور، می‌توان از آمپرمتر استفاده کرد. وقتی جریان بیس را تغییر می‌دهیم، مقدار جریان عبوری از کلکتور نیز تغییر می‌کند. اگر این تغییرات را با آمپرمتر اندازه‌گیری کنیم، به‌وضوح مشاهده می‌کنیم که ترانزیستور چگونه یک جریان کوچک را به جریانی بزرگ‌تر تبدیل کرده و نقش تقویت‌کننده را ایفا می‌کند. همین ویژگی است که باعث شده ترانزیستور به یکی از پرکاربردترین قطعات در مدارهای الکترونیکی تبدیل شود.

نحوه عملکرد ترانزیستور به عنوان کلید (Switch)

زمانی که سیگنال کنترلی مشخص به پایه ورودی داده می‌شود، مدار به کمک ترانزیستور روشن یا خاموش خواهد شد. با کمک این قابلیت، ترانزیستور در ریزکترل‌گرها، مدارهای دیجیتال و پردازنده‌های کامپیوتر به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند.

نحوه عملکرد ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده (Amplifier)

ترانزیستور در مدارهای آنالوگ یک سیگنال ضعیف را در پایه بیس دریافت کرده و آن را تقویت می‌کند. با استفاده از این قابلیت می‌توان از ترانزیستور در مدارهای صوتی، رادیویی و مخابراتی استفاده کرد.

حالت‌های عملکرد ترانزیستور

عملکرد ترانزیستور با توجه به شرایط بایاس (مستقیم یا معکوس) به سه حالت تقسیم می‌شود که عبارتند از: ناحیه قطع، ناحیه فعال و ناحیه اشباع.

حالت فعال (Active Mode)

همانطور که گفتیم ترانزیستور به عنوان یک تقویت‌کننده‌ی جریان استفاده می‌شود که در حالت فعال این قابلیت مورد استفاده قرار می‌گیرد و دو پیوند بایاس متفاوتی دارند. در واقع پیوند کلکتور-بیس بایاس معکوس و پیوند امیتر-بیس بایاس مستقیم است. در این حالت جریان عبور بین امیتر و کلکتور متناسب با جریان بیس است.

حالت قطع (Cutoff Mode)

هر دو پیوند ترانزیستور در حالت قطع بایاس معکوس هستند. به همین دلیل هم هیچ جریان عبوری به جز نشت اندکی از جریان‌ها وجود ندارد. از حالت قطع در مدارهای منطقی دیجیتال و سوئیچینگ استفاده می‌شود.

حالت اشباع (Saturation Mode)

در حالت اشباع ترانزیستورها، هر دو پیوند امیتر-بیس و کلکتور-بیس بایاس مستقیم هستند و به همین دلیل جریان با مقاومت تقریبا صفر به صورت آزادانه از کلکتور به امیتر عبور می‌کند. در حالت اشباع مدار بسته و ترانزیستور کاملا روشن است که باعث می‌شود این ناحیه هم در مدارهای منطقی دیجیتال و سوئیچینگ به کار گرفته شود.

کاربردهای ترانزیستور در دنیای واقعی

ترانزیستور در دنیای واقعی کاربردهای فراوانی دارد. همین قطعه کوچک نیمه‌هادی در پردازنده‌های کامپیوتر نقش مهمی ایفا می‌کند و حتی در سیستم‌های قدرت صنعتی کاربردهای فراوانی دارد. در ادامه کاربردهای ترانزیستور را بیان می‌کنیم.

پردازنده‌ها و مدارهای دیجیتال

ترانزیستورها به‌عنوان واحدهای پایه‌ای پردازنده‌ها عمل می‌کنند و امکان اجرای محاسبات پیچیده را فراهم می‌سازند. بدون ترانزیستور، ساخت رایانه‌ها و تلفن‌های هوشمند امروزی غیرممکن بود.

• طراحی CPU و GPU
• ساخت حافظه‌های RAM و فلش
• مدارهای منطقی و گیت‌های دیجیتال
• مدارهای کنترلرهای میکروپروسسور

تقویت‌کننده‌های صوتی و مخابراتی

یکی از اصلی‌ترین نقش‌های ترانزیستور، تقویت سیگنال‌های ضعیف برای استفاده در سیستم‌های صوتی و مخابراتی است. این ویژگی کیفیت و وضوح صدا و داده را افزایش می‌دهد.

• آمپلی‌فایرهای خانگی و حرفه‌ای
• رادیو و تلویزیون
• سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم
• تجهیزات کنسرت و استودیو

سوئیچینگ و کنترل در مدارهای الکترونیکی

ترانزیستورها به‌عنوان سوئیچ‌های سریع و دقیق، کنترل روشن و خاموش شدن جریان را در مدارها بر عهده دارند. این عملکرد برای مدارهای منطقی و دیجیتال ضروری است.

• منبع تغذیه سوئیچینگ
• رله‌های حالت جامد (Solid State Relay)
• سیستم‌های روشنایی LED
• کنترل مصرف انرژی در مدارها

کنترل موتور و اتوماسیون صنعتی

ترانزیستورها در صنعت برای کنترل سرعت، جهت و افزایش یا کاهش توان موتورهای الکتریکی استفاده می‌شوند. این موضوع در اتوماسیون و رباتیک اهمیت ویژه‌ای دارد.

• درایور موتورهای DC و AC
• ربات‌های صنعتی
• نوار نقاله‌های اتوماتیک
• سیستم‌های CNC

منابع تغذیه و تبدیل توان

ترانزیستورها در منابع تغذیه وظیفه تنظیم ولتاژ و جریان را بر عهده دارند. همچنین در مبدل‌های توان، انرژی الکتریکی را به شکل‌های قابل استفاده تبدیل می‌کنند.

• پاور کامپیوترها
• شارژرهای موبایل
• مبدل‌های DC به DC
• اینورترهای خورشیدی

سنسورها و تجهیزات پزشکی

ترانزیستورها در ساخت حسگرهای دقیق و تجهیزات پزشکی نقش مهمی دارند، زیرا می‌توانند سیگنال‌های ضعیف بدن را تقویت و پردازش کنند.

• دستگاه نوار قلب (ECG)
• حسگرهای دما و فشار
• سمعک‌ها
• تجهیزات تصویربرداری پزشکی

خودروهای الکتریکی و سیستم‌های حمل و نقل

ترانزیستورها برای مدیریت توان بالا در خودروهای برقی استفاده می‌شوند و کنترل موتور و سیستم‌های هوشمند را ممکن می‌سازند.

• کنترل باتری و شارژ سریع
• سیستم مدیریت موتور الکتریکی
• کنترل هوشمند ترمز (ABS)
• سیستم‌های خودران

تجهیزات فضایی و ماهواره‌ها

در فناوری فضایی، ترانزیستورها به دلیل کوچک بودن و قابلیت اطمینان بالا، در سیستم‌های حیاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• مدارهای کنترل ماهواره
• تجهیزات مخابراتی فضایی
• سنسورهای فضاپیما
• سیستم‌های ناوبری GPS

نتیجه گیری نهایی درباره ترانزیستور و کاربردهای آن

ترانزیستور به‌عنوان قلب تپنده‌ی سیستم های الکترونیکی ، نقشی اساسی در دنیای امروز ایفا می‌کند. از گوشی‌های هوشمند و رایانه‌ها گرفته تا تجهیزات پزشکی، خودروهای الکتریکی و حتی ماهواره‌ها، همه و همه بدون ترانزیستور عملاً امکان‌پذیر نبودند.

این قطعه کوچک نیمه‌هادی، هم به‌عنوان تقویت‌کننده و هم به‌عنوان سوئیچ در مدارها عمل می‌کند و همین ویژگی باعث شده تا پیشرفت فناوری به سرعتی بی‌سابقه ادامه پیدا کند. به بیان ساده، اگر ترانزیستور نبود، زندگی ما به شکلی که امروز می‌شناسیم شکل نمی‌گرفت.

انتهای رپورتاژ آگهی