ترانزیستورها که در اواسط قرن بیستم توسعه یافتند، مبنایی برای توسعه سریع الکترونیک شدند. آنها با جایگزینی لوله های الکترونی، عصر کوچک سازی وسایل و وسایل الکترونیکی را آغاز کردند که تا امروز ادامه دارد. مانند هر قطعه دیگری، ترانزیستور نیز ممکن است خراب شود یا آسیب ببیند. در این مقاله نحوه بررسی عملکرد صحیح این قطعات الکترونیکی و همچنین انواع آن ها را به شما نشان خواهیم داد.
ترانزیستور چیست؟
ترانزیستور یک وسیله نیمه هادی است که معمولاً در تقویت کننده ها یا کلیدهای کنترل الکترونیکی استفاده می شود. این قطعه اساسی، همانند بلوک ساختمان است که عملکرد رایانه ها، تلفن های همراه و سایر مدارهای الکترونیکی مدرن را تنظیم می کند. با توجه به زمان پاسخ سریع و دقت بالا، ترانزیستورها را می توان برای انواع عملکردهای دیجیتال و آنالوگ از جمله تقویت، سوئیچینگ، تنظیم ولتاژ، مدولاسیون سیگنال و نوسان ساز استفاده کرد.
اجزای ترانزیستور
یک ترانزیستور معمولی از سه لایه مواد نیمه هادی یا به طور خاص ترمینال ها تشکیل شده است که به اتصال به مدار خارجی و انتقال جریان کمک می کند. ولتاژ یا جریانی که به هر یک از جفت ترمینال های ترانزیستور اعمال می شود، جریان را از طریق جفت پایانه های دیگر کنترل می کند.
سه ترمینال برای ترانزیستور وجود دارد. آن ها به عبارت زیر هستند:
- بیس: برای فعال کردن ترانزیستور استفاده می شود.
- کلکتور: سر مثبت ترانزیستور است.
- امیتر: سر منفی ترانزیستور است.
انواع ترانزیستور
بر اساس نحوه استفاده از آنها در یک مدار، عمدتاً دو نوع ترانزیستور وجود دارد.
ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT)
سه پایانه BJT سورس، امیتر و کلکتور هستند. جریان بسیار کمی که بین سورس و امیتر جریان دارد می تواند جریان بزرگتری را بین کلکتور و پایانه امیتر کنترل کند.
علاوه بر این، دو نوع BJT وجود دارد. این شامل؛
ترانزیستور P-N-P: نوعی BJT است که در آن یک ماده از نوع n وارد شده یا بین دو ماده از نوع p قرار می گیرد. در چنین پیکربندی، دستگاه جریان جاری شده را کنترل می کند. ترانزیستور PNP از 2 دیود کریستالی تشکیل شده است که به صورت سری به هم متصل می شوند. سمت راست و سمت چپ دیودها به ترتیب به دیود پایه کلکتور و دیود پایه امیتر معروف هستند.
ترانزیستورN-P-N: در این ترانزیستور یک ماده از نوع p را پیدا می کنیم که بین دو ماده نوع n وجود دارد. ترانزیستور N-P-N اساساً برای تقویت سیگنال های ضعیف به سیگنال های قوی استفاده می شود. در ترانزیستور NPN، الکترون ها از امیتر به ناحیه کلکتور حرکت می کند و در نتیجه جریان در ترانزیستور تشکیل می شود. این ترانزیستور به طور گسترده در مدار استفاده می شود.
سه نوع پیکربندی به عنوان سورس مشترک (CB)، کلکتور مشترک (CC) و امیتر مشترک (CE) وجود دارد. در پیکربندی سورس مشترک(CB)، ترمینال سورس ترانزیستور بین پایانه های ورودی و خروجی مشترک است.
در پیکربندی کلکتور مشترک (CC)، پایانه کلکتور بین ترمینال های ورودی و خروجی مشترک هستند.
در پیکربندی امیتر مشترک (CE)، ترمینال امیتر بین پایانه های ورودی و خروجی مشترک است.
ترانزیستور اثر میدانی (FET)
ترانزیستورهای FET دارای سه پایانه هستند که عبارتند از گیت (Gate)، سورس (Source) و درین (Drain). ولتاژ در ترمینال گیت می تواند جریان بین سورس و درین را کنترل کند. FET یک ترانزیستور تک قطبی است که در آن از FET کانال N یا FET کانال P برای هدایت استفاده می شود. کاربردهای اصلی FET ها در تقویت کننده کم نویز، تقویت کننده بافر و کلید آنالوگ است.
انواع دیگر ترانزیستورها
جدای از اینها، انواع دیگری از ترانزیستورها نیز وجود دارد که شامل ماسفت (MOSFET)، 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)، ترانزیستور انتشار و غیره می شود.
نحوه عملکرد ترانزیستور
بیایید کار ترانزیستورها را بررسی کنیم. می دانیم که BJT از سه ترمینال سوررس، امیتر و کلکتور تشکیل شده است. در واقع، این یک دستگاه جریان محور است که در آن دو اتصال P-N در یک BJT وجود دارد.
یک اتصال P-N بین امیتر و ناحیه سورس و اتصال دوم بین کلکتور و ناحیه سورس وجود دارد. مقدار بسیار کمی شار جریان از طریق امیتر به پایه می تواند مقدار قابل قبولی شار جریان را از طریق دستگاه از امیتر به کلکتور کنترل کند.
در عملکرد معمول BJT، اتصال بیس-امیتر بایاس رو به جلو و اتصال بیس-کلکتور بایاس معکوس است. به عبارت دیگر، هنگامی که جریانی از اتصال بیس-امیتر می گذرد، جریانی در مدار کلکتور جریان می یابد.
برای توضیح عملکرد ترانزیستور، اجازه دهید یک نمونه از ترانزیستور NPN را مثال بزنیم. از همان اصول برای ترانزیستور PNP استفاده می شود با این تفاوت که حامل های جریان حفره هستند و ولتاژها معکوس می باشند.
عملکرد ترانزیستور NPN
امیتر ترانزیستور NPN توسط مواد نوع n ساخته شده است، از این رو اکثر حامل ها الکترون ها هستند. هنگامی که اتصال سورس-امیتر بایاس به جلو باشد، الکترون ها از ناحیه نوع n به سمت ناحیه نوع p و حفره های حامل اقلیت به سمت ناحیه نوع n حرکت می کنند.
هنگامی که آنها یکدیگر را ملاقات می کنند، ترکیب می شوند و جریان را قادر می سازند در سراسر اتصال جریان یابد. هنگامی که اتصال معکوس بایاس می شود، حفره ها و الکترون ها از محل اتصال دور می شوند، و اکنون منطقه تخلیه بین دو ناحیه تشکیل می شود و هیچ جریانی از آن عبور نمی کند.
هنگامی که جریانی بین سورس و امیتر جریان می یابد، الکترون ها امیتر را ترک می کنند و همانطور که در بالا نشان داده شده است به سمت سورس جریان می یابند. معمولاً وقتی الکترون ها به منطقه تخلیه می رسند با هم ترکیب می شوند.
اما میزان دوپینگ در این منطقه بسیار پایین است و سورس نیز بسیار نازک است. این بدان معناست که بیشتر الکترون ها می توانند در سراسر منطقه بدون ترکیب مجدد با حفره ها حرکت کنند. در نتیجه، الکترون ها به سمت کلکتور حرکت می کنند. به این ترتیب، آنها می‌توانند از طریق اتصال با بایاس معکوس و جریان در مدار کلکتور جریان پیدا کنند.
مزایای ترانزیستور
- هزینه کمتر و اندازه کوچکتر.
- حساسیت مکانیکی کمتر
- ولتاژ کار پایین.
- عمر بسیار طولانی.
- بدون مصرف برق
- سوئیچینگ سریع
- مدارهای بازده بهتری را می توان توسعه داد.
- برای توسعه یک مدار مجتمع استفاده می شود.
معایب ترانزیستور
ترانزیستورها نیز محدودیت های کمی دارند. آنها به شرح زیر است:
- ترانزیستورها فاقد تحرک الکترون بالاتر هستند.
- ترانزیستورها می توانند به راحتی در هنگام وقوع رویدادهای الکتریکی و حرارتی آسیب ببینند. به عنوان مثال، تخلیه الکترواستاتیک در حمل و نقل.
- ترانزیستورها تحت تأثیر پرتوهای کیهانی و تابش هستند.
نحوه تست ترانزیستور
به منظور بررسی عملکرد صحیح ترانزیستور، می توان از یکی از دو روش رایج استفاده کرد: بررسی آن با یک مولتی متر کلاسیک یا استفاده از تسترهای طراحی شده ویژه برای آزمایش قطعات مختلف الکترونیکی از جمله ترانزیستورها. با استفاده از این روش ها، ترانزیستور باید از مدار لحیم شده و از برد مدار خارج شود، اگرچه همانطور که در ادامه خواهیم گفت، آزمایش این قطعات بدون این مرحله نیز امکان پذیر است.
نحوه تست ترانزیستور با مولتی متر
چنین آزمایش ترانزیستور دو قطبی را می توان با تغییر مولتی متر به حالت اهم متر (تست مقاومت) یا با تغییر به تست دیود انجام داد. در حالت اول، سلکتور باید روی 2 کیلو اهم تنظیم شود. گام بعدی تعیین این است که آیا با ترانزیستور npn یا pnp سر و کار دارید – مستندات فنی می تواند در این مورد کمک کند. با فرض اینکه با یک نوع pnp سر و کار داریم و تصمیم داریم در حالت اهم متر تست کنیم، به صورت زیر عمل می کنیم:
- پراب منفی مولتی متر را به خروجی پایه (معمولاً پروب سیاه رنگ) و مثبت (قرمز) را ابتدا به کلکتور و سپس به امیتر وصل کنید. بدست آوردن مقداری در محدوده ~500 -1500 اهم کارکرد صحیح ترانزیستور را تایید می کند.
- پروب قرمز را به پایه و پروب مشکی را ابتدا به کلکتور و سپس به امیتر وصل کنید. برای یک ترانزیستور که به درستی کار می کند، مولتی متر باید نشان دهد که مقدار اندازه گیری شده خارج از محدوده مشخص شده است.
- هر دو پروب مثبت و منفی، پین های ترانزیستور را که معادل کلکتور و امیتر هستند، لمس می کنند. نتیجه اندازه گیری شده باید 1 باشد، صرف نظر از اینکه ما یک پروب مثبت یا منفی را اعمال کرده ایم.
- مقاومت را در هر دو جهت تست می کنیم. به دست آوردن نتیجه 1 در هر دو جهت (مقاومت به بی نهایت میل می کند) نشان دهنده معیوب بودن ترانزیستور است. قرائت صفر یا نزدیک به صفر به طور یکسان تفسیر می شود.
با فرض اینکه ترانزیستور ما از نوع npn است و تصمیم به آزمایش دیود داریم (چون این نوع ترانزیستور شبیه سیستمی با دو دیود موازی است)، ابتدا باید مولتی متر را به حالت مناسب تغییر دهیم، سپس دیود قرمز را به پایه وصل کنیم و سیاه را به امیتر. پس از این روش، مولتی متر باید یک مقدار ولتاژ DC خاص را بر روی صفحه نمایش خود نشان دهد، که باید با داده های موجود در اسناد فنی ترانزیستور آزمایش شده مقایسه شود. این برای تأیید این است که اندازه گیری به دست آمده بین حداقل و حداکثر تعیین شده توسط سازنده قطعه است. اگر چنین است، ترانزیستور به درستی کار می کند.
جدای از آزمایش های فوق برای عملکرد صحیح ترانزیستور، می توان بهره جریان را که با h21 نشان می دهد نیز اندازه گیری کرد، اما برای این منظور مولتی متر باید به یک سوکت مخصوص برای آزمایش چنین عناصری مجهز شود. در این صورت، دستگاه را به حالت hFE تغییر دهید، سپس پایانه های ترانزیستور را به سوکت های مناسبی که با علامت های B، E و C مشخص شده اند (پایه، امیتر، کلکتور) وصل کنید و مقدار بهره DC اندازه گیری شده را از صفحه LCD بخوانید.
تست ترانزیستورها با استفاده از تسترهای قطعات الکترونیکی
تستر قطعات الکترونیکی چند منظوره دستگاه های کوچکی شبیه مولتی مترهای کلاسیک هستند که برای آزمایش ترانزیستورها، مقاومت ها، خازن ها، دیودها و بسیاری از عناصر دیگر مورد استفاده در الکترونیک معمولی استفاده می شوند. آنها می توانند ولتاژ، مقاومت و چندین پارامتر دیگر را اندازه گیری کنند و پارامترهای اندازه گیری شده را روی نمایشگر خود ارائه دهند. آنها معمولاً با باتری (معمولاً 9 ولت یا 12 ولت) کار می کنند، عملکرد خودکار بالایی دارند، سوکت های خاصی در جلو دارند و بنابراین استفاده از آنها بسیار آسان است.
برخی به جای سوکت، پروب های کلاسیک دارند، اما حتی با این ها همه چیز خودکار است. به سادگی هر پروب را روی هر پایه ای نگه دارید و تستر به طور خودکار همه پایه ها را شناسایی می کند، نوع اتصال نیمه هادی را تشخیص می دهد، نوع ترانزیستور را تعیین می کند و ولتاژ هدایت، ولتاژ قطع (برای ماسفت ها)، جریان نشتی، ولتاژ آستانه، مقاومت یا تست می کند. همچنین می توانید بهره فعلی را اندازه گیری کنید.
چگونه یک ترانزیستور را بدون لحیم کاری تست کنیم ؟
آزمایش کارایی ترانزیستور بدون جدا کردن آن از مدار بسیار مشکل ساز است و خطر خطای بالایی دارد، زیرا نتایج اندازه گیری ممکن است تحت تأثیر سایر عناصر مدار قرار گیرد. برای معتبر بودن چنین آزمونی، دانستن طرح سیستم و ویژگی های اجزای منفرد آن و تعاملات آنها مهم است.
با این حال، دستگاه هایی در بازار وجود دارند که عملکردی دارند که به ما امکان می‌دهد عملکرد صحیح ترانزیستورها را بدون نیاز به لحیم کاری بررسی کنیم. اینها ممکن است شامل اسیلوسکوپ‌هایی با عملکرد تست قطعه باشند. نکته مهم، مستندات فنی این کنتورها شامل نمودارهایی است که عملکرد صحیح اجزای انتخاب شده را نشان می دهد.
