خلاصه ۳ خطی
فهرست مطالب14 بخش
- ترانزیستور چیست؟
- ترانزیستور چگونه کار میکند؟
- انواع ترانزیستور و کاربرد هرکدام
- فرق ترانزیستور NPN و PNP
- تفاوت ترانزیستور BJT و ماسفت
- پایههای ترانزیستور و روش تشخیص آن‌ها
- پکیج‌های رایج ترانزیستور
- مشخصات چند ترانزیستور پرکاربرد
- چطور ترانزیستور مناسب انتخاب کنیم؟
- مثال: روشن کردن یک بار ۵۰ میلی‌آمپری با آردوینو
- ترانزیستور در پروژه‌های رباتیک
- تست ترانزیستور با مولتیمتر
- آیا می‌توان هر ترانزیستوری را جایگزین دیگری کرد؟
- سؤالات متداول
- ترانزیستور چیست و چه کاری انجام میدهد؟
- فرق ترانزیستور NPN و PNP چیست؟
- آیا ترتیب پایههای همهی ترانزیستورهای TO-92 یکی است؟
- BJT بهتر است یا ماسفت؟
- چطور ترانزیستور را با مولتیمتر تست کنیم؟
- جمع‌بندی
- ترانزیستور قطعه‌ای نیمههادی با سه پایه است که با یک جریان یا ولتاژ کوچک، جریان بزرگتری را کنترل میکند؛ پس هم کلید الکترونیکی است و هم تقویت‌کننده.
- دو خانواده‌ی اصلی BJT (NPN و PNP، کنترل با جریان بیس) و ماسفت (N و P، کنترل با ولتاژ گیت) هستند؛ IGBT و دارلینگتون برای توان و بهره‌ی بیشتر به کار می‌روند.
- هنگام خرید به VCEO یا VDS، جریان، توان، پکیج و ترتیب پایهها نگاه کنید؛ ترتیب پایهها بین مدل‌ها فرق دارد و فقط دیتاشیت همان قطعه ملاک است.
ترانزیستور پایه‌ی تقریباً همهی مدارهای امروزی است؛ از روشن کردن یک LED با آردوینو تا منبع تغذیه‌ی سوئیچینگ، آمپلی‌فایر صوتی و درایور موتور ربات. در این راهنمای ایکانو می‌بینیم ترانزیستور چیست و چطور کار میکند، انواع ترانزیستور چه فرقی دارند، پایهها را چطور تشخیص دهیم و برای پروژه‌ی خود کدام مدل را بخریم. اعداد جدول‌ها از دیتاشیت رسمی همان قطعه یا صفحه‌ی محصول در ایکانو آمده است.
ترانزیستور چیست؟
ترانزیستور (Transistor) یک قطعهی نیمههادی، معمولاً از جنس سیلیکون، با سه پایه است. یک سیگنال کوچک روی یکی از پایهها، جریان اصلی بین دو پایه‌ی دیگر را کنترل میکند. به همین دلیل ترانزیستور دو کار اصلی دارد:
- کلید (سوئیچ): بار را کاملاً روشن یا خاموش میکند؛ مثل روشن کردن رله، موتور، فن یا نوار LED با خروجی ضعیف میکروکنترلر.
- تقویت‌کننده: تغییرات کوچک ورودی را به تغییرات بزرگ‌تر خروجی تبدیل میکند؛ مثل طبقه‌ی تقویت در مدار صوتی یا گیرنده‌ی رادیویی.
ترانزیستور قطعهی متحرک ندارد، بسیار سریع است و اگر در محدوده‌ی مجاز دیتاشیت کار کند عمر طولانی دارد. داخل هر آی‌سی و میکروکنترلر هم هزاران تا میلیاردها ترانزیستور کوچک ساخته شده است.
ترانزیستور چگونه کار میکند؟
در ترانزیستور دوقطبی (BJT) یک جریان کوچک که از بیس به امیتر می‌رود، اجازه‌ی عبور جریانی بزرگ‌تر از کلکتور به امیتر را میدهد. نسبت این دو جریان را بهره‌ی جریان (hFE یا β) می‌گویند. مثلاً در دیتاشیت onsemi برای BC547 مقدار hFE بسته به کلاس A، B یا C بین ۱۱۰ تا ۸۰۰ است. BJT سه حالت کاری دارد:
- قطع (Cut-off): جریان بیس صفر است و تقریباً جریانی از کلکتور عبور نمی‌کند. کلید خاموش است.
- فعال (Active): جریان کلکتور تقریباً hFE برابر جریان بیس است. این حالت برای تقویت سیگنال استفاده میشود.
- اشباع (Saturation): جریان بیس آن‌قدر زیاد است که ترانزیستور کاملاً روشن میشود و فقط ولتاژ کمی به نام VCE(sat) روی آن می‌افتد. کلید روشن است.
در ماسفت کنترل با ولتاژ گیت نسبت به سورس (VGS) انجام میشود و در حالت پایدار تقریباً جریانی وارد گیت نمی‌شود. توضیح کامل ساختار و پارامترهای ماسفت را در مقاله‌ی ماسفت چیست آورده‌ایم.
انواع ترانزیستور و کاربرد هرکدام
| نوع | کنترل با | پایهها | کاربرد رایج | نمونه در ایکانو |
|---|---|---|---|---|
| BJT نوع NPN | جریان بیس | B، C، E | کلید سمت زمین (Low-Side)، تقویت سیگنال | BC547، C945، TIP31C |
| BJT نوع PNP | جریان بیس (خروج از بیس) | B، C، E | کلید سمت مثبت (High-Side)، طبقه‌ی مکمل آمپلی‌فایر | 2N3906، BC556، BD138 |
| دارلینگتون | جریان بیس (دو BJT پشت هم) | B، C، E | بهره‌ی بسیار بالا برای بار پرجریان با جریان ورودی کم | BDX34C، آرایه‌ی ULN2003 |
| ماسفت N-Channel | ولتاژ گیت | G، D، S | سوئیچ سریع و پرجریان، PWM موتور و LED، منبع تغذیه‌ی سوئیچینگ | IRFZ44N، IRF3205، IRLML2803 |
| ماسفت P-Channel | ولتاژ گیت (منفی نسبت به سورس) | G، D، S | کلید سمت مثبت تغذیه، حفاظت در برابر اتصال معکوس باتری | IRF9540، IRLML6402، Si2301 |
| IGBT | ولتاژ گیت | G، C، E | ولتاژ و توان بالا: اجاق القایی، اینورتر، دستگاه جوش | FGA25N120، FGH30N60 |
همهی این قطعات را در دسته‌ی ترانزیستور ایکانو پیدا می‌کنید؛ ترانزیستورهای دوقطبی در زیردسته‌ی BJT و ماسفت‌ها در زیردسته‌ی ماسفت هستند. ترانزیستور JFET فعلاً در فروشگاه نیست.
فرق ترانزیستور NPN و PNP
در علامت مداری، فلش روی پایه‌ی امیتر جهت جریان را نشان میدهد. در NPN فلش به بیرون است و در PNP به داخل. نتیجه‌ی عملی این است:
- NPN: امیتر به زمین وصل میشود و بار بین کلکتور و مثبت تغذیه قرار می‌گیرد. با مثبت شدن بیس (حدود ۰٫۷ ولت بالاتر از امیتر در سیلیکون) روشن میشود. برای کار با آردوینو و ESP سادهترین انتخاب است.
- PNP: امیتر به مثبت تغذیه وصل میشود و بار بین کلکتور و زمین قرار می‌گیرد. وقتی بیس حدود ۰٫۷ ولت پایینتر از امیتر برود، روشن میشود. وقتی زمین بار باید ثابت بماند، از PNP استفاده میشود.
در دیتاشیت PNPها ولتاژها و جریان‌ها با علامت منفی نوشته می‌شوند؛ مثلاً برای 2N3906 در دیتاشیت ST مقدار VCEO برابر −۴۰ ولت و IC برابر −۲۰۰ میلی‌آمپر است. این علامت فقط جهت را نشان میدهد.
تفاوت ترانزیستور BJT و ماسفت
| ویژگی | BJT | ماسفت |
|---|---|---|
| کنترل | با جریان بیس؛ همیشه مقداری جریان از ورودی کشیده میشود | با ولتاژ گیت؛ جریان DC گیت تقریباً صفر است، ولی شارژ و دشارژ خازن گیت جریان لحظه‌ای می‌خواهد |
| افت ولتاژ در حالت روشن | VCE(sat)، معمولاً چند دهم ولت تا حدود ۱ ولت | جریان × RDS(on)؛ در ماسفت‌های قدرت مناسب می‌تواند خیلی کم باشد |
| کاربرد قوی | تقویت سیگنال آنالوگ، بارهای کم‌جریان، مدارهای ساده و ارزان | سوئیچینگ پرجریان و سریع، PWM، منابع تغذیه و درایور موتور |
| نکته‌ی آردوینو | با یک مقاومت بیس به‌راحتی روشن میشود | مدل لاجیکلول لازم است؛ IRFZ44N و IRF540 برای ۱۰ ولت گیت مشخص شده‌اند |
پایههای ترانزیستور و روش تشخیص آن‌ها
مهم‌ترین اشتباه این است که فکر کنیم ترتیب پایهها در همهی ترانزیستورهای هم‌شکل یکی است. چند نمونه از دیتاشیت‌ها (پایهها از چپ به راست، وقتی نوشته‌ی روی قطعه رو به شماست):
| قطعه | پکیج | پایه ۱ | پایه ۲ | پایه ۳ | منبع |
|---|---|---|---|---|---|
| BC547 | TO-92 | کلکتور (C) | بیس (B) | امیتر (E) | دیتاشیت onsemi |
| TIP31C | TO-220 | بیس (B) | کلکتور (C) + زبانه | امیتر (E) | صفحه‌ی محصول (دیتاشیت onsemi) |
| S9018 و SS8550 | SOT-23 | بیس (B) | امیتر (E) | کلکتور (C) | دیتاشیت SeCoS و EVVO |
| IRFZ44N | TO-220 | گیت (G) | درین (D) + زبانه | سورس (S) | دیتاشیت Infineon |
اگر شماره‌ی قطعه را دارید، همیشه پیناوت را از دیتاشیت همان سازنده بخوانید؛ روش خواندن دیتاشیت را در راهنمای دیتاشیت ایکانو ببینید. اگر نوشته‌ی قطعه پاک شده، با مولتیمتر می‌توانید بیس و نوع آن را پیدا کنید (بخش تست در پایین).
پکیج‌های رایج ترانزیستور
| پکیج | ویژگی | نمونه |
|---|---|---|
| TO-92 | پلاستیکی کوچک سهپایه برای سیگنال و جریان کم؛ مناسب بردبورد | BC547، BC546، 2N3906، C945 |
| SOT-23 | SMD بسیار کوچک برای بردهای فشرده | S9018، SS8550، MMBT2222A، MMBT5551 |
| TO-126 | توان متوسط با سوراخ پیچ برای هیت‌سینک کوچک | BD135، BD138 |
| TO-220 | پرکاربردترین پکیج قدرت؛ زبانه‌ی فلزی برای هیت‌سینک | TIP31C، MJE13005، IRFZ44N |
| TO-247 و TO-3P | توان بالا در منابع تغذیه، اینورتر و جوشکاری | FGA25N120، FGH30N60 |
| TO-3 (فلزی) | پکیج قدیمی و مقاوم برای آمپلی‌فایر و منبع خطی | 2N3055 |
مشخصات چند ترانزیستور پرکاربرد
این جدول برای مقایسه‌ی سریع است. حداکثر توان معمولاً در دمای بدنه‌ی ۲۵ درجه (TC) و با خنک‌کاری ایده‌آل داده میشود؛ بدون هیت‌سینک توان قابل‌استفاده خیلی کمتر است.
| مدل | نوع | VCEO | IC پیوسته | توان | منبع عدد |
|---|---|---|---|---|---|
| BC547 | NPN، TO-92 | ۴۵ V | ۱۰۰ mA | ۶۲۵ mW (TA=25°C) | دیتاشیت onsemi |
| 2N3906 | PNP، TO-92 | −۴۰ V | −۲۰۰ mA | ۶۲۵ mW | دیتاشیت ST |
| S9018 | NPN فرکانس بالا، SOT-23 | ۱۸ V | ۵۰ mA | ۲۰۰ mW | دیتاشیت SeCoS (fT حداقل ۶۰۰ MHz) |
| SS8550 | PNP، SOT-23 | −۲۵ V | −۱٫۵ A | ۲۰۰ mW | دیتاشیت EVVO |
| BD135 | NPN، TO-126 | ۴۵ V | ۱٫۵ A | ۱۲٫۵ W (TC=25°C) | صفحه‌ی محصول |
| TIP31C | NPN، TO-220 | ۱۰۰ V | ۳ A | ۴۰ W (TC=25°C) | صفحه‌ی محصول (دیتاشیت onsemi) |
| MJE13005 | NPN ولتاژ بالا، TO-220 | ۴۰۰ V | ۴ A | ۷۵ W (TC=25°C) | صفحه‌ی محصول |
| 2N3055 | NPN، TO-3 | ۶۰ V | ۱۵ A | ۱۱۵ W | صفحه‌ی محصول |
چطور ترانزیستور مناسب انتخاب کنیم؟
- ولتاژ: VCEO (یا VDS در ماسفت) باید با حاشیه از بیشترین ولتاژ مدار بالاتر باشد. در بار سلفی مثل رله و موتور، ضربه‌ی ولتاژ هنگام خاموش شدن را هم در نظر بگیرید.
- جریان: جریان بار باید زیر IC پیوسته باشد. مثلاً BC547 با ۱۰۰ میلی‌آمپر برای LED و رله‌ی کوچک کافی است، ولی برای موتور ربات نه.
- توان و گرما: توان تلفاتی تقریباً برابر افت ولتاژ روی ترانزیستور × جریان است. اگر این عدد از چند دهم وات بیشتر شد، پکیج بزرگ‌تر و هیت‌سینک لازم است.
- بهره و جریان بیس: برای کلید کردن، طراحان معمولاً جریان بیس را خیلی بیشتر از IC/hFE می‌گیرند تا ترانزیستور حتماً اشباع شود. یک قاعده‌ی رایج، جریان بیس حدود یک‌دهم جریان کلکتور است.
- سرعت: برای RF و فرکانس بالا به fT نگاه کنید؛ مثلاً S9018 برای همین کار ساخته شده است. برای PWM پرجریان معمولاً ماسفت بهتر است.
- پکیج و پایهها: با برد و روش مونتاژ شما جور باشد. TO-92 و TO-220 برای بردبورد و برد سوراخ‌دار راحت‌ترند.
مثال: روشن کردن یک بار ۵۰ میلی‌آمپری با آردوینو
فرض کنید یک بار ۵۰ میلی‌آمپری (مثلاً چند LED موازی) را با پایه‌ی ۵ ولتی آردوینو و BC547 کنترل می‌کنید. با قاعده‌ی یک‌دهم، جریان بیس حدود ۵ میلی‌آمپر میشود. مقاومت بیس تقریباً برابر است با (۵ − ۰٫۷) ÷ ۰٫۰۰۵ ≈ ۸۶۰ اهم. نزدیک‌ترین مقدار استاندارد، مقاومت ۱ کیلواهم است که حدود ۴٫۳ میلی‌آمپر جریان بیس میدهد و برای اشباع کافی است. اگر بار شما رله یا موتور است، یک دیود 1N4007 را برعکس و موازی با سیم‌پیچ ببندید تا ضربه‌ی ولتاژ به ترانزیستور آسیب نزند.
اگر جریان بار از حدود ۱۰۰ میلی‌آمپر بیشتر است، سراغ TIP31C یا BD135 بروید، یا از ماسفت لاجیکلول کوچک مثل Si2302 یا IRLML2803 استفاده کنید. برای چند رله یا یک استپر کوچک، تراشه‌ی ULN2003 هفت کانال دارلینگتون با دیود داخلی دارد.
ترانزیستور در پروژه‌های رباتیک
در ربات‌ها ترانزیستور و ماسفت بین میکروکنترلر و بارهای پرمصرف قرار می‌گیرند: موتورها، فن، LED پرنور، بازر و رله. برای کنترل جهت موتور DC به چهار کلید در آرایش پل H نیاز دارید. ساخت آن با ترانزیستور گسسته آموزنده است، ولی در عمل یک ماژول درایور موتور یا شیلد L293D آردوینو ساده‌تر و مطمئن‌تر است. انتخاب ماژول‌ها را در راهنمای ماژول‌های رباتیک توضیح داده‌ایم.
تست ترانزیستور با مولتیمتر
با حالت تست دیود یک مولتیمتر می‌توانید ترانزیستور BJT را تقریبی بررسی کنید. BJT را مثل دو دیود ببینید که در بیس به هم رسیده‌اند:
- NPN: سیم قرمز روی بیس و سیم مشکی یک بار روی کلکتور و یک بار روی امیتر. در هر دو حالت باید عددی حدود چند صد میلی‌ولت ببینید (برای سیلیکون معمولاً حدود ۰٫۵ تا ۰٫۸ ولت). با جابهجا کردن سیمها نمایشگر باید OL نشان دهد.
- PNP: همین آزمایش با سیم مشکی روی بیس.
- کلکتور به امیتر: در هر دو جهت باید OL باشد. عدد نزدیک صفر یعنی اتصال کوتاه و خرابی.
معمولاً عدد پیوند بیس-امیتر کمی بزرگ‌تر از بیس-کلکتور است و از همین تفاوت کوچک میشود امیتر را حدس زد. تست داخل مدار ممکن است به‌خاطر قطعات موازی گمراه‌کننده باشد. برای نتیجه‌ی مطمئن، ترانزیستور را از برد جدا کنید. این روش برای ماسفت جواب نمی‌دهد. ماسفت را باید با روش خودش تست کرد که در مقاله‌ی ماسفت آمده است.
روش کار با حالت تست دیود و ترمینال‌های مولتیمتر در آموزش کار با مولتیمتر آمده است.
آیا می‌توان هر ترانزیستوری را جایگزین دیگری کرد؟
خیر. برای جایگزینی باید نوع (NPN/PNP یا N/P)، ولتاژ، جریان، توان، بهره، سرعت و ترتیب پایهها را با دیتاشیت قطعهی اصلی مقایسه کنید. دو قطعهی TO-92 ممکن است ظاهر یکسان ولی پایههای متفاوت داشته باشند. اگر جایگزین مطمئنی پیدا نکردید، کد قطعه و ولتاژ مدار را برای پشتیبانی ایکانو بفرستید تا در انتخاب کمکتان کنیم.
سؤالات متداول
ترانزیستور چیست و چه کاری انجام میدهد؟
ترانزیستور یک قطعهی نیمههادی سهپایه است که با یک جریان یا ولتاژ کوچک، جریان بزرگتری را کنترل میکند. دو کاربرد اصلی آن کلیدزنی (روشن و خاموش کردن رله، موتور، LED و بار) و تقویت سیگنال است.
فرق ترانزیستور NPN و PNP چیست؟
در NPN امیتر به زمین وصل میشود و با مثبت شدن بیس حدود ۰٫۷ ولت نسبت به امیتر روشن میشود. در PNP امیتر به مثبت تغذیه وصل است و وقتی بیس حدود ۰٫۷ ولت پایینتر از امیتر برود روشن میشود. برای کار با آردوینو، NPN سادهترین انتخاب است.
آیا ترتیب پایههای همهی ترانزیستورهای TO-92 یکی است؟
خیر. مثلاً در BC547 طبق دیتاشیت onsemi ترتیب پایهها کلکتور، بیس، امیتر است، ولی ترانزیستورهای دیگر با همین پکیج ممکن است ترتیب متفاوتی داشته باشند. همیشه پیناوت را از دیتاشیت همان قطعه بخوانید.
BJT بهتر است یا ماسفت؟
بستگی به کار دارد. BJT با جریان بیس کنترل میشود و برای سیگنال کوچک و کلیدزنی بارهای کم ساده و ارزان است. ماسفت با ولتاژ گیت کنترل میشود و برای کلیدزنی جریانهای بالا و فرکانس بالا مناسبتر است. برای کار مستقیم با ۵ یا ۳٫۳ ولت میکروکنترلر، ماسفت لاجیکلول لازم است.
چطور ترانزیستور را با مولتیمتر تست کنیم؟
مولتیمتر را روی حالت تست دیود بگذارید. در NPN با سیم قرمز روی بیس و سیم مشکی روی کلکتور و بعد امیتر، باید حدود ۰٫۵ تا ۰٫۸ ولت ببینید و با جابهجا کردن سیمها OL. بین کلکتور و امیتر در هر دو جهت باید OL باشد. در PNP همین آزمایش را با سیم مشکی روی بیس انجام دهید.
جمع‌بندی
ترانزیستور کلید و تقویت‌کننده‌ی الکترونیک است. برای بارهای کوچک و تقویت سیگنال، BJTهایی مثل BC547 و 2N3906 کافی و ارزان‌اند. برای جریان بیشتر، ترانزیستور قدرت TO-220 یا ماسفت لاجیکلول بهتر است و برای ولتاژ و توان خیلی بالا، IGBT. قبل از هر خرید، ولتاژ، جریان، توان و ترتیب پایهها را از دیتاشیت چک کنید.
انواع ترانزیستور NPN، PNP، ماسفت و IGBT را در دسته‌ی ترانزیستور ایکانو ببینید. برای آشنایی با بقیه‌ی قطعات پایه هم مقاله‌ی قطعات الکترونیکی چیست و مقاله‌ی انواع دیود را بخوانید.
ایکانو در اصفهان امکان تحویل حضوری سفارش را هم دارد. اگر در اصفهان هستید، می‌توانید سفارش خود را حضوری تحویل بگیرید.
