1taksin

الکترونیک علم مطالعه ی عبور جریان الکتریکی از مواد مختلف - مانند نیمه هادی‌ها, مقاومت‌ها, القاگرها و خازن‌ها - و آثار آن است. الکترونیک همچنین به عنوان شاخه‌ای از فیزیک نظری شناخته می‌شود. طراحی و ساخت مدارهای الکترونیکی برای حل مشکلات عملی, قسمتی از مباحث موجود در مهندسی الکترونیک و را تشکیل می‌دهد.

در برخی موارد مطالعه المان‌های جدید نیمه‌هادی و فن‌آوری‌‌ها نزدیک به آن, شاخه‌ای از فیزیک در نظر گرفته می‌شود. این مقاله بیشتر به مفاهیم مهندسی الکترونیک می‌پردازد.

مختصری بر سیستم‌ها و مدارهای الکترونیکی2

مدارهای الکترونیکی برای ایفا کردن وظایف مختلفی استفاده می‌شوند. کاربردهای اصلی مدارهای الکترونیکی عبارتند از:

1) کنترل و پردازش داده‌ها

2) تبدیل و توزیع توان الکتریکی

هر ردی این کاربردها با ایجاد و آشکارسازی میدان الکترومغناطیسی و جریان الکتریکی سرو کار دارند. گرچه از انرژی الکتریکی در سال‌های انتهایی قرن 19 برای انتقال پیام به وسیله تلگراف و تلفن استفاده می‌شد اما بیشتر پیشرفت‌های مربوط به علم الکترونیک پس از ساخت رادیو شکل گرفت. در یک نگاه ساده, یک سیستم الکترونیکی را می‌توان به سه بخش تقسیم کرد:
2
    * ورودی‌: حسگرهای الکترونیکی و مکانیکی (یا مبدل‌های انرژی) . این تجهیزات سیگنال‌ها یا اطلاعات را از محیط خارج دریافت کرده و سپس آنها را به جریان, ولتاژ یا سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند.

    * پردازشگر سیگنال: این مدارها در واقع وظیفه اداره کردن, تفسیر کردن و تبدیل سیگنال‌های ورودی برای استفاده آنها در کاربرد مناسب را بر عهده دارند. معمولاً در این بخش پردازش سیگنال‌های مرکب بر عهده پردازشگر سیگنال‌های دیجیتال است.
    * خروجی: فعال کننده‌ها یا دیگر تجهیزات (مانند مبدل‌های انرژی) که سیگنال‌های ولتاژ یا جریان را به صورت خروجی مناسب در خواهند آورد (برای مثال با ایفای یک وظیفه فیزیکی مانند چرخاندن یک موتور).

برای مثال یک تلويزيون دارای هر سه بخش بالا است. ورودی تلویزیون سیگنال‌های پراکنده شده را دریافت کرده (به وسیله یک آنتن یا کابل) و آنها را به ولتاژ و جریان مناسب برای کار دیگر تجهیزات تبدیل می‌کند. پردازشگر سیگنال پس از دریافت داده‌ها از ورودی اطلاعات مورد نیاز مانند میزان روشنایی, رنگ و صدا را از آن استخراج می‌کند. در نهایت قسمت خروجی این اطلاعات را دویاره به صورت فیزیکی در خواهد آورد این کار به وسیله یک لامپ اشعه کاتدیک و یک بلندگوی آهنربایی انجام خواهد شد.

انواع مدارها

مدارهای آنالوگ

بیشتر دستگاه‌های الکترونیکی آنالوگ مانند رادیو از تعدادی مدار اساسی تشکیل شده‌اند. مدارهای آنالوگ بر خلاف مدارهای دیجیتال از یک دامنه مداوم ولتاژ استفاده می‌کنند. تعداد مدارهای مختلف آنالوگ بسیار زیاد است به دلیل که یک مدار آنالوگ می‌تواند از یك مدار تشکیل شده از یک قطعه تا یک مدار متشکل از هزاران قطعه مختلف باشد.

مدارهای آنالوگ مدارهای خطی نیز می‌نامند گرچه از بسیاری از عوامل غیر خطی مانند آشکارسازها, تلفیق‌کننده‌ها و ... در آنها استفاده می‌شود. به عنوان مثال‌های خوب برای مدارهای آنالوگ می‌توان از تقویت کننده‌های ترانزیستوری یا لامپ خلاء, تقویت کننده‌های عملیاتی و نوسان‌سازها نام برد.

امروزه برخی از مدارهای آنالوگ از المان‌های دیجیتال و یا حتی ریزپردازنده‌ها برای بهبود عملکرد مدار استفاده می‌کنند. این مدارهای معمولا مدارهای «سیگنال مرکب» می‌نامند. برخی موارد ممکن است تشخیص مدارهای آنالوگ از دیجیتال سخت باشد چراکه در برخی از مدارها از هر دو نوع عناصر خطی و غیر خطی استفاده شده است.

 مدارهای دیجیتال

مدارهای دیجیتال مدارهایی هستند که بر پایه چند سطح ولتاژ مجزا طراحی شده‌اند. مدارهای دیجیتال رایج‌ترین مثال برای معرفی سیستم‌های جبر بول هستند و اصول پایه همه رایانه‌های دیجیتال را تشکیل می‌دهند. در بیشتر موارد تعداد حالت‌های ولتاژ در یک مدار دیجیتال دوتا هستند که با بالا (High) و پایین (Low) نمایش داده می‌شوند. که در این حالت ولتاژ پایین ولتاژی نزدیک به صفر و ولتاژ بالا ولتاژی غیر صفر است که با توجه به نوع تغذیه متفاوت است.

رایانه‌ها, ساعت‌های الکترونیکی و کنترل کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) بر پایه مدارهای دیجیتال ساخته می‌شوند.

اجزای اصلی:

• درگاه‌‌های منطقی
• جمع کننده‌ها
• ضرب کننده‌های باینری
• فلیپ فلاپ‌ها
• شمارنده‌ها
• ثبات‌ها
• مالتی پلکسرها(تسهیم کننده)
• دیکدر(رمزگشا)
• رهاساز اشميت‌

و به عنوان تجهیزات جامع‌تر:

• ریزپردازنده‌ها( ميکروپروسسور)
• ریزکنترلگرها(میکروکنترلر)
• پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP)

ويكي پديا

جریان الکتریکی به صورت نرخ تغییر بار الکتریکی نسبت به زمان تعریف شده و با نماد I نشان داده می‌شود. این رابطه را با مشتقات جزیی (کلی‌ترین حالت) به صورت زیر نشان می‌دهیم:

در این رابطه، جریان می‌تواند نسبت به زمان تغییر کند. جریان الکتریکی برای تعریف شدن (یا اندازه گیری) باید از سطح معینی عبور کند (مثلاً از سطح مقطع یک رسانا) از این رو تابعی نقطه‌ای به شمار می‌آید. مقدارهای لحظه‌ای، متوسط و موثر برای جریان الکتریکی تعریف شده و به صورت ساده شده‌ای در سیم‌های رسانا قابل محاسبه‌اند.

جهت قراردادی جریان از ابتدا در جهت عبور بارهای مثبت تعریف شده است. هرچند می‌دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی، جریان الکتریسته، ناشی از عبور بارهای منفی، یعنی الکترون‌ها، (در خلاف جهت جریان) است.

مشخصات جریان الکتریکی

از نظر تاریخی نماد جریان I، از واژه آلمانی Intensität که به معنی شدت است، گرفته شده است. واحد جریان الکتریکی در دستگاه SI، آمپر است. به همین علت بعضی اوقات جریان الکتریکی بطور غیر رسمی و به دلیل همانندی با واژه ولتاژ، آمپراژ خوانده می‌شود.

شدت جریان در نقاط گوناگون یک رسانا

شدت جریان در هر سطح مقطع از رسانا مقدار ثابتی است و بستگی به مساحت مقطع ندارد. مانند این که مقدار آبی که در هر سطح مقطع از لوله عبور می‌کند، همواره در واحد زمان همه جا مساوی است، حتی اگر سطح مقطع‌ها مختلف باشد. ثابت بودن جریان الکتریسیته از این امر ناشی می‌شود که بار الکتریکی در هادی حفظ می‌شود. در هیچ نقطه‌ای بار الکتریکی نمی‌تواند روی هم متراکم شود و یا از رسانا بیرون ریخته شود. به عبارت دیگر در هادی چشمه یا چاهی برای بار الکتریکی وجود ندارد.

سرعت رانش

میدان الکتریکی که بر روی الکترون‌های هادی اثر می‌کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی‌کند. چون الکترون‌ها پیوسته با یون‌های هادی برخورد می‌کنند. لذا انرژی حاصل از شتاب الکترون‌ها به انرژی نوسانی شبکه تبدیل می‌شود و الکترون‌ها سرعت جریان متوسط ثابتی (سرعت رانش) در راستای خلاف جهت میدان الکتریکی به‌دست می‌آورند. پیوستگی جریان الکتریکی در مدارهای الکتریکی،قانون جریان کیرشهف نامیده می‌شود.

اشکال مختلف جریان الکتریکی

در رساناهای فلزی، مانند سیم‌ها، جریان ناشی از عبور الکترون‌ها است، اما این امر در مورد اکثر رساناهای غیرفلزی صادق نیست. جریان الکتریکی در الکترولیت‌ها، عبور ات‌مهای باردار شده به صورت الکتریکی (یون‌ها) است، که در هر دو نوع مثبت و منفی وجود دارند. برای مثال، یک پیل الکتروشیمیایی ممکن است با آب نمک (محلولی از کلرید سدیم) در یک طرف غشا و آب خالص در طرف دیگر ساخته شود. غشا به یون‌های مثبت سدیم اجازه عبور می‌دهد، اما به یو‌ن‌های منفی کلر این اجازه را نمی‌دهد. بنابراین یک جریان خالص ایجاد می‌شود.

جریان الکتریکی در پلاسما عبور الکترون‌ها، مانند یون‌های مثبت و منفی است. در آب یخ زده و در برخی از الکترولیت‌های جامد، عبور پروتون‌ها، جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. نمونه‌هایی هم وجود دارد که علیرغم اینکه در آن‌ها، الکترون‌ها بارهایی هستند که از نظر فیزیکی حرکت می‌کنند، اما تصور جریان مانند «حفره»‌های مثبت متحرک (نقاطی که برای خنثی شدن از نظر الکتریکی نیاز به یک الکترون دارند)، قابل فهم‌تر است. این شرایطی است که در یک نیم‌رسانای نوع p وجود دارد.

 اندازه گیری جریان الکتریکی

شدت جریان الکتریکی را می‌توان مستقیماً با گالوانومتر اندازه‌گیری کرد. اما این روش نیاز به قطع مدار دارد که گاهی مشکل یا نامطلوب است. جریان را می‌توان بدون قطع مدار و با اندازه گیری میدان مغناطیسی که جریان تولید می‌کند، محاسبه کرد. ابزارهای مورد نیاز برای این کار شامل حسگرهای اثر هال، کلمپ گیره‌های جریان و سیم پیچهای روگووسکی است.

چگالی جریان

جریان I مشخصه هر رسانای بخصوصی است و این جریان یک کمیت ماکروسکوپی مانند جرم یا حجم جسم است. کمیت میکروسکوپی مربوط،چگالی جریان J است. J یک کمیت برداری است و بیشتر مشخصه نقطه‌ای در داخل رسانا است تا تمامی آن. هر گاه جریان در سرتاسر رسانایی با سطح مقطع A به طور یکنواخت توزیع شده باشد، بزرگی چگالی جریان برای تمام نقاط واقع بر روی مقطع عبارت است از: J = I/A. چگالی جریان الکتریکی توسط قانون اهم به میدان الکتریکی مربوط می شود:

وسيله اي كه در لحيم كاري مورد استفاده واقع مي شود را هويه مي گويند . هويه در اثر عبور جريان الكتريسته از يك المنت حرارت توليد شده و اين حرارت به نوك هويه منتقل مي شود . در بازار دو نوع هويه بيشتر به چشم مي خورد .

يكي از ابزارهاي مهم در صنعت برق و الكترونيك لحيم كاري است .ماده اتصال دهنده ، كه آلياژي از فلز قلع و سرب است را لحيم مي نامند . در عمل لحيم كاري توسط يك وسيله گرما دهنده مثل هويه صورت مي پذيرد يعني بوسيله هويه ، محل اتصال دو فلز را گرم كرده تا به نقطه ذوب لحيم برسد و لحيم به محل اتصال اعمال شده و پس از سرد شدن ، دو قطعه به هم محكم مي شوند.
آشنايي به فن لحيم كاري براي متخصصين امور برقي و تكنسينهاي الكترونيكي بسيار حائز اهميت است لذا در اين جا نكات مهم را مورد بحث قرار مي گيرد .
لحيم :
همانگونه كه گفته شد لحيم آلياژي از قلع و سرب است كه بر حسب درصد آنها در آلياژ درنظر گرفته مي شود . چنانچه بر روي قرقره لحيم نگاه كنيد دو عدد بر روي آن نوشته شده است بطور مثال 60/40 اين به ان معنا است كه لحيم فوق داراي 60 درصد قلع و 40 درصد سرب مي باشد.
اصولا براي لحيم كاري در الكترونيك بايد از لحيمي استفاده شود كه در صد قلع آن 40 باشد . دليل آن اين است كه نقطه ذوب قلع كمتر است. بنابراين هرچه درصد قله بيشتر باشد لحيم در درجه كمتري ذوب مي شود . درجه حرارت چنانچه بالا باشد سبب معيوب شدن نيمه هاديها مثل ديود ، …. مي شود بخصوص آنكه باعث خرابي مدار چاپي نيز مي شود . درمجموع در كارهاي الكترونيكي از در صد قلع بيشتر استفاده نمائيد . بهترين نوع لحيم ، لحيم 63 درصد است كه در بازار به همين نام يافت مي شود .
هويه :
وسيله اي كه در لحيم كاري مورد استفاده واقع مي شود را هويه مي گويند . هويه در اثر عبور جريان الكتريسته از يك المنت حرارت توليد شده و اين حرارت به نوك هويه منتقل مي شود . در بازار دو نوع هويه بيشتر به چشم مي خورد .
هويه قلمي
هويه هفت تيري
اين دو چه تفاوتي با هم دارند ؟
اصولا هويه هفت تيري براي توان هاي بالا مورد استفاده است و براي لحيم كاري در برق و يا مدارهاي الكترونيكي لامپي بكار گرفته مي شود .
در هويه قلمي براي توانهاي كم بنابراين براي كارهاي الكترونيكي در مدارهاي جديد و مونتاژ مورد بهره برداري واقع مي شود . لذا براي كارهاي مختلف الكترونيكي از هويه قلمي با توان 16 الي 30 وات استفاده نمائيد .
روغن لحيم :
هرگاه دو قطعه را بخواهند بوسيله لحيم ، اتصال دهند بايستي كاملا تميز و از هرگونه چربي ، رنگ و اكسيد پاك گردند . بنابراين در زمان لحيم چون درجه حرارت بالا است سبب مي شود در سطح خود لايه اي اكسد بوجود آيد و پس از لحيم كاري ممكن است اين لايه اكسيد مانع از تماس الكتريكي بين آن دو شود . براي جلوگيري از اين كار از روغن لحيم استفاده مي كنند . اين روغن از ماده اي به نام كلوفون تشكيل شده و حل كننده اكسيد و هر مواد زائد است .
طرز كار با روغن لحيم :
قبل از لحيم كاري بايد محل اتصال به اين روغن آغشته شود و بعد عمل لحيم كاري صورت گيرد . با انجام اين كار روغن ، مواد زايد بر روي اتصال را در خود حل كرده و هنگامي كه هويه داغ به محل اتصال نزديك مي شود ، روغن را كنار زده و محل اتصال را از ماده هاي خارجي خالي مي نمايد . امروزه لحيمهاي در الكترونيك مورد استفاده مي گردد كه در داخل خود روغن لحيم دارند لذا نيازي به روغن لحيم جداگانه ندارند . اصطلاحا به اين نوع لحيم ، سيم لحيم با مغزي روغن مي گويند . بهر صورت در هنگام لحيم كاري بايستي از تميز بودن محل اتصال ، اطمينان حاصل شود .


عمل لحيم كاري :
ابتدا براي اينكه دو قطعه را بوسيله حليم ، اتصال داد بايد نوك هويه داغ را به محل اتصال تكيه داده تا قبل از عمل لحيم در دو فلز بقدر كافي گرم شوند. سيم لحيم را به محل اتصال نزديك نموده تا ذوب شود و اطراف اتصال را در بر گيرد . لحيم را برداشته و صبر مي كنيد تا لحيم كاملا در اطراف اتصال پخش شود و در نهايت هويه را از محل اتصال دور كنيد .

نكاتي كه بايستي مورد توجه قرار گيرد عبارتند از

   1.
   2. زمان اتصال نوك هويه به محل اتصال بايستي حدود 2 الي 3 ثانيه باشد چرا كه در صورت طولاني بودن اين زمان باعث خرابي قطعه مورد لحيم مي شود . همچنين حرارت زياد باعث خرابي مدارچاپي و بر امدن مس روي اين مدار مي شود .

   3. سيم لحيم را مستقيما به نوك هويه اتصال ندهيد بلكه در جهت مقابل آن به محل تماس دهيد.

   4. مشخصه يك لحيم خوب اين است كه سطحي براق ، يكنواخت و لحيم در اطراف اتصال بصورت يكنواخت پخش شده باشد .

اما اگر دو قطعه به اندازه كافي گرم نشده باشد و يا هويه را زود از محل اتصال دور نمود ، لحيم در محل اتصال بطور يكنواخت پخش نشده لذا با آن اتصال سرد مي گويند .
بنظر مي رسد كه قلع به ميزان خوبي قرار دارد ليكن در زير آن هوا بوجود آمده و مانع اتصال شده است. لحيم سرد مي تواند علل ديگري داشته باشد مثل حركت دادن المان قبل از سرد شدن ، بيش از حد گرم شدن محل اتصال لذا باعث اكسيد شدن دو فلز شود و يا كثيف بودن سطح اتصال و حتي اگر هويه در محل اتصال تماس داده نشود نيز بوجود مي آيد .
اما بيشترين علت در گرم نبودن هويه براي اتصال در لحيم كاري باعث لحيم سرد مي شود . هماهنگونه كه قبلا نيز گفته يك لحيم كاري خوب داراي سطحي صاف ، براق و يك لحيم سرد داراي سطحي سخت ، ناصاف و كدر مي باشد .
بيشتر قطعات الكترونيكي مثل ديود ، آي سي ها و … در مقابل حرارت مقاوم نيستند و در صورت حرارت بيش از اندازه سبب خرابي مي شوند . لذا زمان اتصال آن براي لحيم كاري نبايستي بيش از 3 ثانيه باشد . بهتر است براي اين قطعات از رادياتور يا اصطلاحا هيت سيتك استفاده شود. ابزاري ديگر مثل پنس ، دم باريك ، گيره سوسماري و ... براي اينكار مناسب است.
بوسيله پنس المان را گرفته لذا حرارت پايه را به خود انتقال داده و از نفوذ حرارت به قطعه جلوگيري بعمل مي آورد . روش ديگر استفاده از اسپري خنك كننده است . مايعي كه در اين اسپري بكار رفته خيلي سريع تبخير شده و سبب خنكي المان مي شود. روش كار آن به اين صورت است كه قبل از لحيم و حتي در حين كار ، اين اسپري خنك كننده را به المان زده تا در زمان لحيم كاري موجب خرابي نگردد .ارائه نكاتي در مورد هويه :

   1.
   2. نوك خود هويه بعلت فلزي بودن زياد اكسيده مي شود لذا از بين مي رود . همچين پس از اكسيد شدن حرارت به طور كامل به نوك هويه منتقل نمي گردد . لذا باعث لحيم سرد مي شود. براي تميز نمودن ابتدا صبر كرده تا نوك هويه خنك سپس بوسيله يك برس نرم نوك را تميز نمائيد .

   3. براي اكسيد نشدن نوك هويه بهتر است قبل از لحيم كاري آن را قلع اندود نمائيد.

   4. در صورت استفاده نكردن از هويه از روسن گذاشتن آن خودداري نمائيد .

   5. در بعضي از هويه ها ، داراي ولوم تنظيم حرارت است لذا متناسب با نوع لحيم كاري آن ار تنظيم نمائيد.

   6. بعضي از هويه ها نيز داراي كليدي هستند كه در حالت عادي باعث گرم شدن هويه مي گردد و با فشردن كليد حرارت بيشتري براي لحيم كاري توليد مي كند .

   7. در موقع تميز نمودن نوك هويه دقت شود تا نوك آن به جلو و عقب كشيده نشود چرا كه باعث قطعي المنت داخل آن مي گردد .

   8. دقت شود كه در موقع لحيم كاري و زمان داغ بودن هويه ، نوك آن به سيم برق و يا
      … برخورد نكند .

امروزه هويه هايي با نوك هاي نسوز بكار گرفته مي شود كه باعث اسكيد نشدن نوك هويه مي شوند لذا بايستي توجه نمود در موقع تميز نمودن آن باعث آسيب به قسمت نسوز آن نشود . براي تميز نمودن آن ابتدا صبر كرده تا هويه سرد سپس با ابر خيس ان را تميز نمائيد.

سیگنال دیجیتال، سیگنالی است که هم از نظر زمان رخداد و هم از نظر مقدار در بازهٔ خاصی محدود شده باشد. سیگنال دیجیتال در مقابل سیگنال آنالوگ تعریف می‌شود، که در آن حدودی برای پارامترهای فوق الذکر تعریف نمی‌شود. سیگنال دیجیتال از نظر ریاضی سیگنالی است که فقط از صفرها و یک‌های منطقی تشکیل شده باشد. این یک و صفرها ممکن است به شیوه‌های مختلفی نشان داده شوند که به این شیوه، کدینگ سیگنال گویند.

نمونه‌برداری

با استفاده از تبدیل فوریه می‌توان نشان داد که اگر از یک سیگنال آنالوگ با بسامد 2 برابر حداکثر بسامد موجود در آن نمونه‌برداری کنیم، می‌توان با استفاده از مقادیر به دست آمده، سیگنال اصلی دقیقاً بازسازی کرد. به بسامد دو برابر مزبور بسامد نایکویست گفته می‌شود و در سیستم‌های عملی جهت ملاحظات خاصی 2.2 در نظر گرفته می‌شود. حاصل نمونه‌برداری از سیگنال آنالوگ را سیگنال گسسته گویند.

کوانتیزه‌سازی

سیگنال گسسته را جهت دیجیتال‌سازی باید به مقادیر خاصی محدود کرد، به این عملیات، کوانتیزه‌سازی گویند. یک دلیل کوانتیزه سازی آن است که دستگاه‌های کنونی قدرت تشخیص صد در صد یک سیگنال و ذخیره سازی آن را ندارند.

 دیجیتال سازی

سیگنال کوانتیزه را به صورتهای مختلف می‌توان دیجیتال (یعنی به رشتهٔ صفر و یک) تبدیل کرد، که این خود اساس پیدایش دانش کدینگ است. هر سطح کوانتیزه را به صورتهای مختلف می‌توان دیجیتال کرد. این شیوه مربوط به علوم تازه کشف شده توسط بشر بنام داشاقینگ است که بیشتر مورداسفاده دانشجویان است.

ويكي پديا

در اولیــن ماههــای سـال 1948 نخسـتین نمـونـه از یـک ترانزیـسـتـور (Transistor) که بدنه فلزی داشت در مجموعه آزمایشگاه های Bell ساخته شد.

اولین ترانزیستورها

 

 

اولین نمونه ترانزیستور بدنه فلزی

در اولیــن ماههــای سـال 1948 نخسـتین نمـونـه از یـک ترانزیـسـتـور (Transistor) که بدنه فلزی داشت در مجموعه آزمایشگاه های Bell ساخته شد. این ترانزیستور که قرار بود جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شود Type A نام گرفت. این ترانزیستور که کاربرد عمومی داشت و بسیار خوب کار می کرد یکسال بعد به تعداد 3700 عدد تولید انبوه شد تا در اختیار دانشگاه ها، مراکز نظامی، آزمایشگاه ها و شرکت ها برای آزمایش قرار گیرد.

جالب آنکه این اختراع در زمان خود آنقدر مهم بود که هر عدد از این ترانزیستورها در بسته بندی جداگانه با شماره سریال و مشخصات کامل نگهداری می شد. همانطور که در شکل مشاهده می شود این ترانزیستور تنها دارای دو پایه بود. Collector و Emitter و پایه Base به بدنه فلزی آن متصل بود.

 

اولین نمونه ترانزیستور بدنه پلاستیکی

نمونه اصلاح شده بدنه پلاستیکی

تولید ترانزیستورهای بدنه فلزی تا سال 1950 ادامه داشت تا اینکه در این سال در آزمایشگاه های Bell اولین ترانزیستور با بدنه پلاستیکی ساخته شد. طبیعی بود که در اینحالت ترانزیستور می بایست سه پایه داشته باشد. اما به دلیل مشکلاتی که در ساخت این ترانزیستور وجود داشت تولید آن به حالت انبوه نرسید و در همان سال ترانزیستور های جدید دیگری با پوشش پلاستیکی جایگزین همیشگی آن شدند.

لازم به ذکر است که به عقیده بسیاری از دانشمندان، ترانزیستور بزرگترین اختراع بشر در قرن نوزدهم بوده که بدون آن هیچ یک از پیشرفت های امروزی در علوم مختلف امکان پذیر نبوده است. تمامی پیشرفت های بشر که در مخابرات، صنعت حمل و نقل هوایی، اینترنت، تجهیزات کامپیوتری، مهندسی پزشکی و ... روی داده است همگی مرهون این اختراع میباشد.

ترانزیستور وسیله ای است که جایگزین لامپهای خلاء - الکترونیک - شد و توانست همان خاصیت لامپها را با ولتاژهای کاری پایین تر داشته باشد. ترانزیستورها عموما" برای تقویت جریان الکتریکی و یا برای عمل کردن در حالت سوییچ بکار برده می شوند. ساختمان داخلی آنها از پیوندهایی از عناصر نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم تشکیل شده است.

ترانزیستور چگونه کار می کند - ۱

 

 

اعمال ولتاژ با پلاریته موافق باعث عبور جریان از یک پیوند PN می شود و چنانچه پلاریته ولتاژتغییر کند جریانی از مدار عبور نخواهد کرد .

اگر ساده بخواهیم به موضوع نگاه کنیم عملکرد یک ترانزیستور را می توان تقویت جریان دانست. مدار منطقی کوچکی را در نظر بگیرید که تحت شرایط خاص در خروجی خود جریان بسیار کمی را ایجاد می کند. شما بوسیله یک ترانزیستور می توانید این جریان را تقویت کنید و سپس از این جریان قوی برای قطع و وصل کردن یک رله برقی استفاده کنید.

موارد بسیاری هم وجود دارد که شما از یک ترانزیستور برای تقویت ولتاژ استفاده می کنید. بدیهی است که این خصیصه مستقیما" از خصیصه تقویت جریان این وسیله به ارث می رسد کافی است که جریان وردی و خروجی تقویت شده را روی یک مقاومت بیندازیم تا ولتاژ کم ورودی به ولتاژ تقویت شده خروجی تبدیل شود.

جریان ورودی ای که که یک ترانزیستور می تواند آنرا تقویت کند باید حداقل داشته باشد. چنانچه این جریان کمتر از حداقل نامبرده باشد ترانزیستور در خروجی خود هیچ جریانی را نشان نمی دهد. اما به محض آنکه شما جریان ورودی یک ترانزیستور را به بیش از حداقل مذکور ببرید در خروجی جریان تقویت شده خواهید دید. از این خاصیت ترانزیستور معمولا" برای ساخت سوییچ های الکترونیکی استفاده می شود.

 

از لحاظ ساختاری می توان یک ترانزیستور را با دو دیود مدل کرد.

همانطور که در مطلب قبل اشاره کردیم ترانزستورهای اولیه از دو پیوند نیمه هادی تشکیل شده اند و بر حسب آنکه چگونه این پیوند ها به یکدیگر متصل شده باشند می توان آنها را به دو نوع اصلی PNP یا NPN تقسیم کرد. برای درک نحوه عملکرد یک ترانزیستور ابتدا باید بدانیم که یک پیوند (Junction) نیمه هادی چگونه کار می کند.

در شکل اول شما یک پیوند نیمه هادی از نوع PN را مشاهده می کنید. که از اتصال دادن دو قطعه نیمه هادی P و N به یکدیگر درست شده است. نیمه هادی های نوع N دارای الکترونهای آزاد و نیمه هادی نوع P دارای تعداد زیادی حفره (Hole) آزاد می باشند. بطور ساده می توان منظور از حفره آزاد را فضایی دانست که در آن کمبود الکترون وجود دارد.

اگر به این تکه نیمه هادی از خارج ولتاژی بصورت آنچه در شکل نمایش داده می شود اعمال کنیم در مدار جریانی برقرار می شود و چنانچه جهت ولتاژ اعمال شده را تغییر دهیم جریانی از مدار عبور نخواهد کرد (چرا؟).

این پیوند نیمه هادی عملکرد ساده یک دیود را مدل می کند. همانطور که می دانید یکی از کاربردهای دیود یکسوسازی جریان های متناوب می باشد. از آنجایی که در محل اتصال نیمه هادی نوع N به P معمولآ یک خازن تشکیل می شود پاسخ فرکانسی یک پیوند PN کاملآ به کیفیت ساخت و اندازه خازن پیوند بستگی دارد. به همین دلیل اولین دیودهای ساخته شده توانایی کار در فرکانسهای رادیویی - مثلآ برای آشکار سازی - را نداشتند.

معمولآ برای کاهش این خازن ناخاسته، سطح پیوند را کاهش داده و آنرا به حد یک نقطه می رسانند.

ترانزیستور چگونه کار می کند - ۲

 

 

منحنی رفتار یک دیود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت

تا اینجا کلیاتی راجع به ترانزیستور بیان کردیم همچنین گفتیم که اگر به یک پیوند PN ولتاژ با پلاریته موافق متصل کنیم جریان از این پیوند عبور کرده و اگر ولتاژ را معکوس کنیم در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهد. برای درک دقیق نحوه کارکرد یک ترانزیستور باید با نحوه کار دیود آشنا شویم، باید اشاره کنیم که قصد نداریم تا به تفضیل وارد بحث فیزیک الکترونیک شویم و فقط سعی خواهیم کرد با بیان نتایج حاصل از این شاخه علمی ابتدا عملکرد دیود و سپس ترانزیستور را بررسی کنیم.

همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود.

از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می باشد. به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت - منظور جهت درست می باشد - تا قبل از 0.7 ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد.

 

نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید

اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.

در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.

ترانزیستور چگونه کار میکند - ۳

 

 

استفاده از دیود سیگنار در مدار رله برای جلوگیری از ایجاد ولتاژ های ناخواسته زیاد

در ادامه بحث نحوه کارکرد یک ترانزیستور لازم است قدری راجع به انواع دیود که در مطلب قبل به آنها اشاره کردیم داشته باشیم.

دیودهای سیگنال
این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنالهای ضعیف - معمولا" رادیویی - و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقیم آن 0.7 ولت است.

اما برخی از دیود های سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.

بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیوید خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.

از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد. هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن میتواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب میتواند این ولتاژ را خنثی کند. به شکل اول توجه کنید.

 

استفاده از دیود زنر برای تهیه ولتاژ ثابت

دیودهای زنر
همانطور که قبلا" اشاره کردیم از این دیودها برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود. این نوع از دیود ها برای شکسته شدن با اطمینان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراین بدون ترس می توان آنها را در جهت معکوس بایاس کرد و از آنها برای تثبیت ولتاژ استفاده نمود. به هنگام استفاده از آنها معمولا" از یک مقاومت برای محدود کردن جریان بطور سری نیز استفاده می شود. به شکل نگاه کنید به این طریق شما یک ولتاژ رفرنس دقیق بدست آورده اید.

دیودهای زنر معمولا" با حروفی که در آنها Z وجود دارد نامگذاری می شوند مانند BZX یا BZY و ... و ولتاژ شکست آنها نیز معمولا" روی دیود نوشته می شود، مانند 4V7 که به معنی 4.7 ولت است. همچنین توان تحمل این دیود ها نیز معمولا" مشخص است و شما هنگام خرید باید آنرا به فروشنده بگویید، در بازار نوع 400mW و 1.3W آن بسیار رایج است.

ترانزيستور چگونه کار میکند؟ - ۴

 

 

یکسو ساز نیم موج با استفاده از یک دیود.

در مطلب قبل راجع به دیودهای زنر و سیگنال صحبت کردیم و ضمن آوردن مثال، توضیح دادیم که این دیودها چگونه کار میکنند. حال در ادامه این مجموعه مطالب ابتدا به تشریح مختصر دیود های یکسو کننده میپردازیم.

دیود های یکسوساز عموما" در مدارهای جریان متناوب بکار برده می شوند تا با کمک آنها بتوان جریان متناوب (AC) را به مستقیم (DC) تبدیل کرد. این عملیات یکسوسازی یا Rectification نامیده می شود.

از مشهورترین این دیودها می توان به انواع دیودهای 1N400x و یا 1N540x اشاره کرد که دارای ولتاژ کاری بین 50 تا بیش از 1000 ولت هستند و می توانند جریان های بالا را یکسو کنند. این ولتاژ، ولتاژی است که دیود می تواند بدون شکسته شدن - سوختن - در جهت معکوس آنرا تحمل کند.

دیودهای یکسوساز معمولآ از سیلیکون ساخته می شوند و ولتاژ بایاس مستقیم آنها حدود 0.7 ولت می باشد.

یکسو سازی جریان متناوب با یک دیود
شما می توانید با قرار دادن فقط یک دیود در مسیر جریان متناوب مانع از گذر سیکل منفی جریان در جهت مورد نظر در مدار باشید به شکل اول دقت کنید که چگونه قرار دادن یک دیود در جهت موافق، فقط به نیم سیکل های مثبت اجاز خروج به سمت بار را می دهد. به این روش یکسوسازی نیم موج یا Half Wave گفته می شود.

بدیهی است برای بالابردن کیفیت موج خروجی و نزدیک کردن آن به یک ولتاژ مستقیم باید در خروجی از خازن هایی با ظرفیت بالا استفاده کرد. این خازن در نیم سیکل مثبت شارژ می شود و در نیم سیکل منفی در غیاب منبع تغذیه، وظیفه تغذیه بار را بعهده خواهد داشت.

 

یکسو ساز تمام موج با استفاده از پل دیود.

پل دیود یا Bridge Rectifiers
اما برای آنکه بتوانیم از نیمه منفی موج ورودی که در نیمی از سیکل جریان امکان عبور به خروجی را ندارد، استفاده کنیم باید از مداری بعتوان پل دیود استفاده کنیم. پل دیود همانطور که از شکل دوم مشخص است متشکل از چهار دیود به یکدیگر متصل می باشد. جریان متناوب به قسمتی که دو جفت آند و کاتد به یکدیگر متصل هستند وصل می شود و خروجی از یک جف آند و یک جفت کاتد به یکدیگر متصل شده گرفته می شود.

روش کار به اینصورت است که در سیکل مثبت مدار دیودهای 1 و 2 عمل کرده و خروجی را تامین میکنند و در سیکل منفی مدار دیودهای 3 و 4 عمل می کند و باز خروجی را در همان وضعیت تامین می کند.

ترانزيستور چگونه کار میکند؟ - ۵

 

 

نماد و شماتیک پیوندها در ترانزیستورها

در مطالب قبل بطور خلاصه راجع به دیودها و ترانزیستورها و پیوندهای PN صحبت کرده مثالهایی از کاربرد اصلی انواع دیود ارائه کردیم. در این قسمت راجع به گونه های ساده اولین ترانزیستورها که از سه لایه نیمه هادی تشکیل شده اند صحبت خواهیم کرد.

بصورت استاندارد دو نوع ترانزیستور بصورت PNP و NPN داریم. انتخاب نامه آنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن لایه های نیمه هادی و پلاریته آنها بستگی دارد. هر چند در اوایل ساخت این وسیله الکترونیکی و جایگزینی آن با لامپهای خلاء، ترانزستورها اغلب از جنس ژرمانیم و بصورت PNP ساخته می شدند اما محدودیت های ساخت و فن آوری از یکطرف و تفاوت بهره دریافتی از طرف دیگر، سازندگان را مجبور کرد که بعدها بیشتر از نیمه هادیی از جنس سیلیکون و با پلاریته NPN برای ساخت ترانزیستور استفاده کنند. تفاوت خاصی در عملکرد این دو نمونه وجود ندارد و این بدان معنی نیست که ترانزیستور ژرمانیم با پلاریته NPN یا سیلیکون با پلاریته PNP وجود ندارد.

 

نمای واقعی تری از پیوندها در یک ترانزیستور که تفاوت کلکتور و امیتر را بوضوح نشان می دهد.

برای هریک از لایه های نیمه هادی که در یک ترانزیستور وجود دارد یک پایه در نظر گرفته شده است که ارتباط مدار بیرونی را به نیمه هادی ها میسر می سازد. این پایه ها به نامهای Base (پایه) ، Collector (جمع کننده) و Emitter (منتشر کننده) مشخص می شوند. اگر به ساختار لایه ای یک ترانزیستور دقت کنیم بنظر تفاوت خاصی میان Collector و Emitter دیده نمی شود اما واقعیت اینگونه نیست. چرا که ضخامت و بزرگی لایه Collector به مراتب از Emitter بزرگتر است و این عملا" باعث می شود که این دو لایه با وجود تشابه پلاریته ای که دارند با یکدیگر تفاوت داشته باشند. با وجود این معمولا" در شکل ها برای سهولت این دو لایه را بصورت یکسان در نظر میگیردند.

بدون آنکه در این مطلب قصد بررسی دقیق نحوه کار یک ترانزیستور را داشته باشیم، قصد داریم ساده ترین مداری که می توان با یک ترانزیستور تهیه کرد را به شما معرفی کرده و کاربرد آنرا برای شما شرح دهیم. به شکل زیر نگاه کنید.

 

مدار ساده برای آشنایی با طرز کار یک ترانزیستور

بطور جداگانه بین E و C و همچنین بین E و B منابع تغذیه ای قرار داده ایم. مقاومت ها یی که در مسیر هریک از این منابع ولتاژ قرار دادیم صرفا" برای محدود کردن جریان بوده و نه چیز دیگر. چرا که در صورت نبود آنها، پیوندها بر اثر کشیده شدن جریان زیاد خواهند سوخت.

طرز کار ترانزیستور به اینصورت است، چنانچه پیوند BE را بصورت مستقیم بایاس (Bias به معنی اعمال ولتاژ و تحریک است) کنیم بطوری که این پیوند PN روشن شود (برای اینکار کافی است که به این پیوند حدود 0.6 تا 0.7 ولت با توجه به نوع ترانزیستور ولتاژ اعمال شود)، در آنصورت از مدار بسته شده میان E و C می توان جریان بسیار بالایی کشید. اگر به شکل دوم دقت کنید بوضوح خواهید فهمید که این عمل چگونه امکان پذیر است. در حالت عادی میان E و C هیچ مدار بازی وجود ندارد اما به محض آنکه شما پیوند BE را با پلاریته موافق بایاس کنید، با توجه به آنچه قبلا" راجع به یک پیوند PN توضیح دادیم، این پیوند تقریبا" بصورت اتصال کوتاه عمل می کند و شما عملا" خواهید توانست از پایه های E و C جریان قابل ملاحظه ای بکشید. (در واقع در اینحالت می توان فرض کرد که در شکل دوم عملا" لایه PN مربوط به BE از بین می رود و بین EC یک اتصال کوتاه رخ می دهد.)

بنابراین مشاهده می کنید که با برقراری یک جریان کوچک I_b شما می توانید یک جریان بزرگ I_c را داشته باشید. این مدار اساس سوئیچ های الکترونیک در مدارهای الکترونیکی است. بعنوان مثال شما می توانید در مدار کلکتور یک رله قرار دهید که با جریان مثلا" چند آمپری کار می کند و در عوض با اعمال یک جریان بسیار ضعیف در حد میلی آمپر - حتی کمتر - در مدار بیس که ممکن است از طریق یک مدار دیجیتال تهیه شود، به رله فرمان روشن یا خاموش شدن بدهید