ترانزیستور چگونه کار می کند ؟
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 Ib شما می توانید یک جریان بزرگ Ic 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.
•ریشه واژه ربات
لغت ربات در اکثر زبان‌های دنیا با همین تلفظ دارای معنای واحدی می‌باشد. این لغت اولین‌بار در خلال سال‌های 1920 تا 1930 در نمایشنامه‌ای با نام "RUR (Rossmuse Universal Robot)" نوشته "کارل کاپک" نویسنده چک‌اسلواکی به‌‌کار برده شد. در این نمایشنامه بازیگران نقش موجوداتی مصنوعی و کوچک شبیه انسان را بازی می‌کردند، که به‌طور مطلق تحت فرمان صاحب خود قرار داشته و دستوراتش را مو‌به‌مو اجرا می‌کردند. این موجودات ربات نامیده می‌شدند که ریشه آن از لغت اسلاو (یعنی اسلواکی‌یایی!) Robota به معنای "کارگر اجباری" است.
•قوانین ربوتیک
در سال 1940،Issac Assimov سه قانون Roobtics را به شرح زیر تبیین کرد:
1. یک ربات موجودی است که نباید به انسان آزار برساند و اجازه ندهد به چیزی ضرر برسد.
2. باید از انسان اطاعت کند، مگر این که با قانون اول مغایرت داشته باشد.
3. باید خودش را در برابر خطر و ضرر محافظت نماید، مگر اینکه با قانون اول و دوم مغایرت داشته باشد.
ترانسفورماتورها را با توجه به کاربرد و خصوصیات آنها به سه دسته کوچک متوسط و بزرگ دسته بندی کرد. ساختن ترانسفورماتورهای بزرگ و متوسط به دلیل مسایل حفاظتی و عایق بندی و امکانات موجود ، کار ساده ای نیست ولی ترانسفورماتورهای کوچک را می توان بررسی و یا ساخت. برای ساختن ترانسفورماتورهای کوچک ، اجزای آن مانند ورقه آهن ، سیم و قرقره را به سادگی می توان تهیه نمود.
اجزای تشکیل دهنده یک ترانسفورماتور به شرح زیر است؛
هسته ترانسفورماتور:
هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقه های نازک است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه می شود. برای کم کردن تلفات آهنی هسته ترانسفورماتور را نمی توان به طور یکپارچه ساخت. بلکه معمولا آنها را از ورقه های نازک فلزی که نسبت به یکدیگر عایق‌اند، می سازند. این ورقه ها از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیم (حداکثر 4.5 درصد) که دارای قابلیت هدایت الکتریکی و قابلیت هدایت مغناطیسی زیاد است ساخته می شوند.
در اثر زیاد شدن مقدار سیلیسیم ، ورقه‌های دینام شکننده می شود. برای عایق کردن ورقهای ترانسفورماتور ، قبلا از یک کاغذ نازک مخصوص که در یک سمت این ورقه چسبانده می شود، استفاده می کردند اما امروزه بدین منظور در هنگام ساختن و نورد این ورقه ها یک لایه نازک اکسید فسفات یا سیلیکات به ضخامت 2 تا 20 میکرون به عنوان عایق در روی آنها می مالند و با آنها روی ورقه ها را می پوشانند. علاوه بر این ، از لاک مخصوص نیز برای عایق کردن یک طرف ورقه ها استفاده می شود. ورقه های ترانسفورماتور دارای یک لایه عایق هستند.
بنابراین ، در مواقع محاسبه سطح مقطع هسته باید سطح آهن خالص را منظور کرد. ورقه‌های ترانسفورماتورها را به ضخامت های 0.35 و 0.5 میلی متر و در اندازه های استاندارد می سازند. باید دقت کرد که سطح عایق شده ى ورقه های ترانسفورماتور همگی در یک جهت باشند (مثلا همه به طرف بالا) علاوه بر این تا حد امکان نباید در داخل قرقره فضای خالی باقی بماند. لازم به ذکر است ورقه ها با فشار داخل قرقره جای بگیرند تا از ارتعاش و صدا کردن آنها نیز جلوگیری شود.
• سیم پیچ
• عمل موتوری
• عمل ژنراتوری
• شارژ و دشارژ
سیم پیچ :
سیم پیچ به طور ساده یک سیم هادی معمولی است که پیچانده شده است . مقاومت اهمی سیم پیچ را در اغلب موارد می توان صفر فرض نمود و بنابر این با عبور جریان dc سیم پیچ مانند یک هادی عمل کرده و عکس العملی ندارد) . ولتاژ دو سر آن صفر است) اما چنانچه جریان عبوری بخواهد تغییر نماید . سیم پیچ با تغییر جریان مخالفت نموده و این مخالفت به صورت ایجاد ولتاژی به نام ولتاژ القائی بروز نماید. و اصولاَ این خاصیت خودالقائی سیم پیچ می نامیم.
هرگاه از سیمی جریان عبور کند اطراف سیم میدان مغناطیسی ایجاد می شود . در سال 1824 دانشمندی به نام اورستد دریافت که هرگاه قطب نمائی به سیم حامل جریان نزدیک شود عقربه منحرف می شود . و اثبات این موضوع است که اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی وجود دارد . تجمع براده ها در نزدیکی سیم بیشتر بوده به این معنی که شدت میدان مغناطیسی ایجاد شده در نزدیکی سیم بیشتر است . و هر چه از سیم دورتر شویم میدان مغناطیسی ضعیف تر می شود
شاید شما نیز از دیدن این اشیاء ریز و رنگی ، داخل رادیو و وسایل دیگر شگفت‌زده شده باشید و بخواهید بدانید از چه جنسی هستند و به چه دردی می‌خورند؟
مقاومت ، یکی از المان‌های الکتریکی است که برای این طراحی شده است که در مدار یک مقاومت الکتریکی ( electrical resistance ) بوجود آورد . مقاومتها به گونه‌ای ساخته می‌شوند که بتوانند جریان عبوری از مدار را در حد مورد نیاز محدود کنند. دو نوع مقاومت وجود دارد:
مقاومت های ثابت و متغیر .
جریان الکتریکی در الکتریسته ، جریان سرعت عبور الکترونها در یک سیم مسی یا جسم رسانا است. جریان قراردادی در تاریخ علم الکتریسته ابتدا به صورت عبور بارهای مثبت تعریف شد. هر چند امروزه می‌دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی ، جریان الکتریسته ناشی از عبور بارهای منفی ، الکترون ، در جهت مخالف است. علیرغم این درک اشتباه ، کماکان تعریف قراردادی جریان تغییری نکرده است. نمادی که عموما برای نشان دادن جریان الکتریکی (میزان باری که در ثانیه از مقطع هادی عبور میکند) در مدار بکار می‌رود، I است.
مقدمه
در یک هادی عایق شده مانند قطعه‌ای سیم مسی ، الکترونهای آزاد شبیه مولکولهای گازی که در ظرفی محبوس شده‌اند، حرکات کاتوره‌ای انجام می‌دهند و مجموعه حرکات آنها در طول سیم هیچ گونه جهت مشخصی ندارد. تعداد الکترونهایی که به چپ حرکت می‌کنند با تعداد الکترونهایی که به راست حرکت می‌کنند، یکی است و برآیند آنها صفر می‌باشد. ولی اگر دو سر سیم را به باتری وصل کنیم، این برآیند دیگر صفر نیست.
منبع تغذیه Power Supply
منبع تغذیه، یک دستگاه الکتریکی است که مسئول تأمین و تنظیم جریان الکتریکی در رایانه می باشد. این قطعه به صورت جعبه ای بزرگ و مستقل در جعبه رایانه قرار دارد و بیشتر خرابی ها را در رایانه به وجود می آورد. فعالیت سایر عناصر به عملکرد منبع تغذیه بستگی دارد. منبع فوق تامین کننده جریان الکتریسیته مورد نیاز هر یک از عناصر سخت افزازی است . بدون وجود منبع تغذیه ، کامپیوتر مشابه جعبه ای مملو از فلز و پلاستیک خواهد بود.
کار منبع تغذیه این است که ولتاژ متناوب (ای سی، Alternate Current) را تبدیل به ولتاژ مستقیم (دی سی، Direct Current) می کند.
Switching power supplies
منبع تغذیه را Switching power supplies نیز می گویند. با استفاده از نکنولوژی سوئیچینگ می توان ورودی AC را به ولتاژهای پایین تر DC تبدیل کرد. ولتاژهای 3/3 ، 5 و 12 ولتاژهای رایج می باشند. ولتاژهای 3/3 و پنج ولت عمدتا" توسط مدارات دیجیتال استفاده شده و ولتاژ دوازده ولت برای حرکت موتورهائی نظیر درایو دیسک ها و یا خنک کننده ها استفاده می گردد. شاخص اصلی یک منبع تغذیه " وات " است. وات معادل حاضلرب ولتاژ ( بر حسب ولت ) در جریان ( بر حسب آمپر ) است .
تکنولوژی سوئیچ کننده Switching
تا قبل از سال 1980 منبع تغذیه ها سنگین و در انها از ترانزیستور و خازن های بزرگ و سنگین استفاده می گردید. این نوع از منبع تغذیه ها ولتاژ ورودی 120 ولت و 60 هرتز را به جریان DC با 12 و 5 ولت تبدیل می کردند. امروزه از تکنولوژی سوئیچ کننده ها استفاده می گردد. بکمک تکنولوژی فوق ، جریان با فرکانس 60 هرتز ( هرتز معادل تعداد سیکل در ثانیه است) به یک جریان با فرکانس بالاتر تبدیل می گردد. با استفاده از تبدیل فوق این امکان بوجود خواهد آمد که یک ترانسفورمر کوچک قادر به کاهش ولتاژ ورودی از 220 ( برخی کشورها 110 ) ولت به ولتاژ مورد نیار در یک عنصر خاص در کامپیوتر باشد.
ولتاژ و جریانی را که یک منبع تغذیه ارائه می نماید معمولا" بصورت یک " برچسب" برروی آن چسبانده می شود.
مدار الکتریکی ساده:
تشکیل شده از یک منبع تغذیه (مثل پیل یا باتری) یک مصرف کننده (مثل لامپ) کلید قطع و وصل و سیم رابط
مدار الکتریکی: مسیر بسته ای است که الکترونها در آن حرکت می‌کنند.
جریان الکتریکی I :
تعریف : نسبت با ر الکتریکی شارش شده از یک مقطع به واحد زمان شارش بار گویند . واحد شدت جریان در سیستم SI آمپر نامیده می شود و با A نشان می دهند.
q = با ر الکتریکی . واحد آن در سیستم SI کولن C است.
t= زمان . واحد آن در سیستم SI ثانیه S است
I= جریان . واحد شدت جریان در سیستم SI آمپر نامیده می شود.
I=Q/T
مسئله 1: دریک سیم برق جریان الکتریکی 1.5امپر ی عبورمیکند در مدت یک دقیقه کل بار الکتریکی عبوری از سیم را پیدا کرده وتعداد ان را بدست اورید؟
I=q/t
1.5=q/60 ==> q=90 c q=ne
90=n*1.6*10-19 ==> n=45*1020
مسئله2:دریک سیم رسانا در هر دقیقه 36 کولن الکتریسیته عبور می کند .شدت جریان الکتریکی رابدست آورید .
I=Q/T=36/60 .
نکته 1 : هر گاه به دو سر یک رسانا اختلاف پتانسیل اعمال نشود ، ( یعنی به باطری وصل نباشد ) ، بار الکتریکی خالص شارش شده ، از یک مقطع فرضی صفر می باشد . ولی به محض اینکه به دوسر رسانا اختلاف پتانسیل اعمال شود ، دیگر بار الکتریکی خالص شارش شده ، از یک مقطع فرضی صفر نمی باشد . یعنی در مدار جریان الکتریکی بر قرار می باشد . زیرا الکترونهای آزاد در درون رسانا حر کت کاتوره ای دارند .ولی به محض اینکه در داخل رسانا میدان الکتریکی توسط باطری ایجاد شود ، این الکترونهای آزاد ، در خلاف جهت میدان الکتریکی حرکت می کنند. مقایسه حرکت الکترونها در رسانا مانند حرکت ملکولهای هوا در یک اتاق است . که این ملکولها بطور کاتوره ای حرکت می کنند . به محض اینکه در اتاق یک پنکه با جهت ثابت روشن کنیم ، ملکولهای هوا در جهت مشخصی به حرکت در می آیند . یعنی جریان ثابتی از هوا بر قرار شده است .
الکترونیک مطالعه و استفاده از وسائل الکتریکی ای می باشد که با کنترل جریان الکترون ها یا ذرات باردار الکتریکی دیگر در اسبابی مانند لامپ خلا و نیمه هادی ها کار می کنند. مطالعه محض چنین وسائلی ، شاخه ای از فیزیک است، حال آن که طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی جزئی از رشته های مهندسی برق، الکترونیک و کامپیوتر می باشد.
سالهاست که واژه" الکترونیک" به طور مکرر در میان مردم استفاده می شود به طوریکه هر شخصی برداشت انفرادی خود را از این علم ویا موارد کاربردی آن مطرح می کند ، اما به صورت کلی عمدتا تعاریف و برداشتهایی که از این واژه عنوان می شود کامل نبوده و برداشتهای ظاهری عملا نمی تواند اهمیت و نفوذ روز افزون الکترونیک را در ارتباط باصنایع گوناگون بیان کند.
مقدمه
یک موتور الکتریکی ، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل میکند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است، توسط ژنراتور انجام می‌شود. این دو وسیله بجز در عملکرد ، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می‌کنند، هم وجود دارند.
ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر روی آن ماده از سوی میدان اعمال می‌شود. در یک موتور استوانه‌ای ، روتور به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله‌ای معین از محور روتور به روتور اعمال می‌شود، می‌گردد.
اغلب موتورهای الکتریکی دوارند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) روتور و بخش ثابت استاتور خوانده می‌شود. موتور شامل آهنرباهای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است. گر چه این قاب اغلب آرمیچر خوانده می‌شود، اما این واژه عموماً به غلط بکار برده می‌شود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودی اعمال می‌شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. با توجه به طراحی ماشین ، هر کدام از بخشهای روتور یا استاتور می‌توانند به عنوان آرمیچر باشند. برای ساختن موتورهایی بسیار ساده کیتهایی را در مدارس استفاده می‌کنند.