בחירת טרנזיסטור - איך בוחרים טרנזיסטור?


 

בחירת טרנזיסטור - איך בוחרים טרנזיסטור?

 

 

 

רקע כללי

 

בחירת טרנזיסטורים

טרנזיסטור (Transistor) הוא רכיב אלקטרוני הבנוי מחומר מוליך למחצה, בעל שלושה חיבורים הפועל כמעין מתג בקרה או זרם בקרה שבאמצעותו ניתן לשלוט על כמות הזרם הזורמת דרכו.

 

טרנזיסטורים משמשים במעגלים ספרתיים כמתגים חשמליים מהירים, בניית שערים לוגיים ועוד. במעגלים אנלוגיים הם משמשים כמגברים, מתנדים ואפנון.

 

 

 

בשרטוטים חשמליים מסמנים את הטרנזיסטור בסימונים הבאים (2 דוגמאות. קיימים סימונים נוספים):

 

 

לטרנזיסטור יש שלושה חיבורים:

 

בטרנזיסטורים BiPolar (יפורט בהמשך):

  • קולט (Collector)
  • פולט (Emitter)
  • בסיס (Base).

 

בטרנזיסטורים JFET (יפורט בהמשך):

  • מוצא (Source)
  • שפך (Drain)
  • שער (Gate)

 

 

עקרון פעולת טרנזיסטור (Transistor Operation Principle)

 

עיקרון פעולת הטרנזיסטור הוא שליטה בזרם העובר בין הקולט לפולט (בין המוצא לשפך) באמצעות הזרמת זרם קטן בבסיס (שער). הדבר דומה למעין ברז קטן ששולט כמות המים העוברים דרך הצינור.

 

טרנזיסטורים עשויים משלוש שכבות של חומרים מוליכים למחצה (P,N). סוג הטרנזיסטור מצביע על סדר השכבות.

 

מבנה פנימי של שכבות בטרנזיסטור

 

 

מבנה פנימי של שכבות בטרנזיסטור

 

 

עיקרון הפעולה של טרנזיסטורים דומה לעיקרון הפעולה של דיודות. ליתר דיוק, ניתן להניח כי טרנזיסטור הוא יישום של שתי דיודות שמחוברות אחת לשנייה:

 

מבנה סכמתי של טרנזיסטורים

 

כאמור באמצעות הזרמת זרם קטן בבסיס ניתן לשלוט על זרם יותר גדול מהקולט לפולט (או ההיפך). תכונה זו של טרנזיסטור נקראת הגבר (Gain).

קיים קשר פרופורציונאלי בין הזרם בבסיס לבין הזרם שעובר בין הקולט לפולט. ככל שמזרימים יותר זרם בבסיס (אנלוגיה: כאשר פותחים יותר את הברז) מתגברת הזרימה בין הקולט לפולט (אנלוגיה: השסתום שמונע את זרימת הזרם נפתח עוד יותר ומאפשר זרימה גדולה יותר).

 

עם זאת, קיים גבול לכמות הזרם שניתן להזרים בין הקולט לפולט. גם אם נגדיל את הזרם בבסיס נגיע לגבול כלשהו שבו הזרם בין הקולט לפולט יישאר קבוע. נקודה זו קרויה נקודת הרוויה (Saturation Point).

 

 

סוגי מבני טרנזיסטורים (Transistor Structure Types)

 

טרנזיסטורים מיוצרים בטכנולוגיות רבות, עשויים מחומרים שונים ומגוונים ובנויים בשיטות שונות. קיימים סוגים רבים של טרנזיסטורים אך במדריך זה נתמקד בשני הטרנזיסטורים הנפוצים ביותר:

 

  1. BJT – Bipolar Junction Transistor
  2. JFET – Junction Field Effect Transistor

 

למטה מופיע פירוט על כל סוג מבנה טרנזיסטור, עיקרון הפעולה שלו ומאפיינים חשובים:

 

 

טרנזיסטור ביפולרי (BJT – Bipolar Junction Transistor)

 

טרנזיסטור ביפולרי (Bipolar Junction Transistor) האו טרנזיסטור שמשנה את הזרם במוצא כפונקציה של שינוי זרם בכניסה. הטרנזיסטור הוא בעל שלושה חיבורים:

  • בסיס - B - Base
  • קולט - C - Collector
  • פולט - E - Emitter

 

את הזרם החשמלי בין הקולט לפולט מווסתים באמצעות זרם חשמלי המוזן לבסיס.

 

טרנזיסטור ביפולארי מורכב משני צמתי PN (שווה ערך לשתי דיודות). קיימים שני סוגי טרנזיסטורים ביפולאריים: NPN ו-PNP:

 

 

מבנה של טרנזיסטור ביפולרי PNPמבנה של טרנזיסטור ביפולרי NPN

 

 

 

אזורי פעולה בטרנזיסטור ביפולארי (Bipolar Transistor Regions)

 

לטרנזיסטור ביפולארי יש ארבעה אזורי פעולה:

  1. פעיל קדמי (Forward Active) – הטרנזיסטור משמש כמגבר ומקיים את הנוסחא: IC=β*IB. כלומר, הזרם שעובר בקולט שווה לזרם שעובר בבסיס כפול מקדם הגבר. הקשר ביניהם הוא כמעט ליניארי. במצב זה, המתח בקולט גדול מהבסיס והמתח בבסיס גדול מהפולט. קבוע הפרופורציה במקרה זה הוא βF (או hfe ) ולרב הוא בסדר גודל של 100.
  2.  

  3. פעיל אחורי (Reverse Active) – הטרנזיסטור משמש כמגבר ומקיים את הנוסחא: IC=β*IB. כלומר, הזרם שעובר בקולט שווה לזרם שעובר בבסיס כפול מקדם הגבר. הקשר ביניהם הוא כמעט ליניארי. במצב זה, המתח בבסיס קטן מהמתח בפולט והמתח בקולט קטן מהמתח בבסיס. כאן תפקידי הקולט והפולט מתהפכים והגבר הזרם βR קטן בהרבה מהגבר הזרם βF.
  4.  

  5. נתק (Cutoff) – הטרנזיסטור משמש כמפסק במצב סגור (OFF). הזרם שזורם בבסיס הוא קטן מאוד ולכן גם אין מעבר זרם בין הקולט לפולט. במצב זה IC=0.
  6.  

  7. רוויה (Saturation) – הטרנזיסטור משמש כמפסק במצב פתוח (ON). במצב זה הזרם בבסיס הוא גדול כל כך שהוא לא משפיע על הזרם שעובר בין הקולט לפולט. במצב זה IC=Isaturation.

 

הטבלה הבאה מציגה את הפרשי המתחים בין שלושת החיבורים בשני סוגי הטרנזיסטורים ואזורי הפעולה:

 

Applied Voltage Mode (NPN) Mode (PNP)
E < B < C Forward Active Reverse Active
E < B > C Saturation Cut Off
E > B < C Cut Off Saturation
E > B > C Reverse Active Forward Active

 

 

 

זרמים ומתחים בטרנזיסטור ביפולארי (Bipolar Transistor Voltages & Currents)

 

 

בטרנזיסטור ביפולארי PNP כיוון הזרם הוא מהפולט לקולט. בטרנזיסטור NPN כיוון הזרם הוא מהקולט לפולט.

 

זרמים ומתחים בטרנזיסטור ביפולארי

 

 

בסכמה הבאה ניתן לראות את הסימונים השונים לזרמים ומתחים בטרנזיסטורים ביפולאריים:

 

סימון זרמים ומתחים בטרנזיסטור ביפולארי

 

 

לפי חוק הזרמים של קירכהוף מתקיימת משוואת הזרמים הבאה:

 

נוסחה לחישוב זרמים בטרנזיסטור

 

ניתן להגדיר מספר מאפייני הגבר ביחסים בין הזרמים השונים:

 

נוסחה לחישוב מקדם אלפא של טרנזיסטורים

 

נוסחה לחישוב מקדם בתא של טרנזיסטורים

 

נוסחת המרה בין מקדמי אלפא ובתא בטרנזיסטורים

 

 

נוסחאות נוספות המציגות את הקשר בין הזרמים והמתחים השונים בטרנזיסטור ביפולארי:

 

נוסחה לחישוב זרם בקולקטור של טרנזיסטור

 

נוסחה לחישוב זרם בסיס של טרנזיסטור

 

נוסחה לחישוב זרם באמיטר של טרנזיסטור

כאשר:

IC זרם הקולט

IB זרם הבסיס

IE זרם הפולט

βF הגבר הזרם הקדמי (20 עד 500)

βR הגבר הזרם האחורי (0 עד 20)

IS זרם הרוויה האחורי (בסדר גודל של 10−15 עד 10−12 אמפר)

VBE המתח בין הבסיס לפולט

VBC המתח בין הבסיס לקולט

VT המתח התרמי (בקירוב mV‏26 בטמפרטורה של 300 קלווין, טמפרטורת החדר), המוגדר כך:

 

נוסחת מקדם טרמי בטרנזיסטורים

 

 

 

תצורות חיבור טרנזיסטור ביפולארי (Bipolar Transistor Configurations)

 

קיימות שלוש צורות חיבור של טרנזיסטורים במעגלים חשמליים. לכל צורת חיבור יש את המאפיינים שלהם, היתרונות והחסרונות. שלושת צורות החיבור הן:

  • תצורת בסיס משותף – Common Base (CB) Configuration
  • תצורת קולט משותף – Common Collector (CC) Configuration
  • תצורת פולט משותף – Common Emitter (CE) Configuration

 

תצורת בסיס משותף – Common Base (CB) Configuration

 

בתצורה זו, הבסיס (Base) מחובר להארקה או למתח ייחוס קבוע ומשותף גם לכניסה (Input) וגם ליציאה (Output).

מתח הכניסה מסופק בין הבסיס לבין הפולט ומתח היציאה מתקבל בין הבסיס לקולט.

 

מעגל חשמלי של תצורת בסיס משותף

 

 

הזרם שזורם דרך הפולט הוא יחסית גדול היות והוא הסכום של זרם הבסיס וזרם הקולט. הגבר הזרם (Current Gain) בתצורה זו הוא 1 או נמוך מ-1. במילים אחרות, תצורה זו גורמת להנחתה של הזרם.

 

לא קיים הגבר זרם בתצורה זו אך קיים הגבר של הזרם (Voltage Gain).

 

תצורה זו מגבירה את המתח בין הכניסה ליציאה ולא הופכת אותו (Non-Inverting Voltage Amplifier). כאשר מכניסים מתח AC לכניסה של המגבר מתקבל מתח AC מוגבר ביציאה ללא היסט בפאזה.

 

מגבר זה לא נפוץ בדרך כלל בגלל ההגברים הגבוהים של המתח. כמו כן, לתצורה זו יש יחס גבוה מאוד של התנגדות כניסה (Rin) לעומת התנגדות יציאה (RL).

 

הגבר המתח בתצורת Common Base נתונה בצורה הבאה:

 

נוסחת הגבר מתח בתצורת בסיס בטרנזיסטור

 

מקדם ההגבר α (או hFB) מחושב כך:

נוסחת חישוב מקדם ההגבר

 

 

במידה ונתון ה-β של הטרנזיסטור ניתן להשתמש בנוסחא הבאה:

נוסחה לחישוב מקדם אלפא בטרנזיסטור

 

 

למגבר זה יש תגובת תדר טובה מאוד ולכן משתמשים בו בתור קדם-מגבר (Pre-Amplifier) עבור מיקרופונים או מגברי רדיו RF.

 

 

 

תצורת קולט משותף – Common Collector (CC) Configuration

 

בתצורה זו, הקולט (Collector) מחובר למתח הזנה או למתח ייחוס קבוע ומשותף גם לכניסה (Input) וגם ליציאה (Output).

מתח הכניסה מסופק בין הפולט לבסיס ומתח היציאה הוא המתח בפולט.

 

מעגל חשמלי של תצורת קולט משותף

 

 

תצורה זו נקראת גם עוקב מתח (Voltage Follower). תצורה זו שימושית עבור יישומים בהם נדרש להתאים עכבה של מעגלים אלקטרוניים שונים (עכבה גבוה מאוד בכניסה לעומת עכבה נמוכה מאוד ביציאה).

לתצורה זו יש הגבר קרוב מאוד להגבר ה-β של הטרנזיסטור.

התנגדות העומס מחוברת בטור לפולט (Emitter) והזרם שזורם דרך העומס שווה לזרם שעובר בפולט. הגבר הזרם בתצורה זו נתון בנוסחא הבאה:

 

 

במידה וידוע נתון ה-β של הטרנזיסטור ניתן להשתמש בנוסחא הבאה:

 

 

במידה וידוע נתון ה-α של הטרנזיסטור ניתן להשתמש בנוסחא הבאה:

 

נוסחה לחישוב מקדם בטא בטרנזיסטור

 

 

תצורה זו מעבירה את המתח כמות שהוא ללא היפוך וללא היסט פאזה. הגבר המתח הוא תמיד קטן מ-"1".

 

 

תצורת פולט משותף – Common Emitter (CE) Configuration

 

בתצורה זו, הפולט (Emitter) מחובר להארקה או למתח ייחוס קבוע ומשותף גם לכניסה (Input) וגם ליציאה (Output).

מתח הכניסה מסופק בין הפולט לבסיס ומתח היציאה מתקבל בין הפולט לקולט.

 

מעגל חשמלי של תצורת פולט משותף

 

 

זוהי התצורה הנפוצה ביותר בחיבור טרנזיסטורים ביפולאריים. היא מספקת את הגבר הזרם וההספק הטוב ביותר מבין שלושת התצורות הקיימות. זאת מהסיבה שעכבת הכניסה היא נמוכה ועכבת היציאה היא גבוהה.

תצורה זו מקיימת את משוואת הזרמים IE = IB + IC. כמו כן, התנגדות העומס RL מחוברת בטור לקולט (Collector). היחס בין הזרמים IC/IB נתון במקדם β או hfe. היחס בין הזרמים IC/IE נתון במקדם α.

שינוי קטן זרם הבסיס יגרור שינוי גדול בזרם הקולט. הגברים מקובלים של hfe בתצורות אלה הן בתחום 20-200. תצורה זו מגבירה הן את הזרם והן את המתח.

הסיגנל המתקבל ביציאה הוא הופכי ובהיסט פאזה של 180° לסיגנל בכניסה.

 

הגבר הזרם נתון בנוסחא הבאה:

נוסחה לחישוב מקדם בטא בטרנזיסטור

 

הגבר המתח נתון בנוסחא הבאה:

 

הגבר ההספק נתון בנוסחא הבאה:

 

 

 

השוואה בין התצורות – Bipolar Transistor Configuration Comparison

 

הטבלה הבאה מציגה השוואה בין שלושת התצורות בחיבור טרנזיסטורים עבור מאפיינים שונים:

 

Characteristic Common Base Common Emitter Common Collector
Input Impedance Low (about 50R) Medium (about 5k) High (Several k)
Output Impedance Very High (About 1M) High (About 40k) Low (a Few Ohms)
Phase Angle 0o 180o 0o
Voltage Gain Medium (10-50) High (~100) Low (1)
Current Gain Low (<1) High (50-800) High (50-800)
Power Gain Low Very High Medium

 

 

גרף המתאר הגבר באמצעות מעגל אמיטר משותףגרף המתאר הגבר באמצעות מעגל בסיס משותףגרף המתאר הגבר באמצעות מעגל קולקטור משותף

 

 

 

טרנזיסטור אפקט שדה (JFET – Junction Field Effect Transistor)

 

 

טרנזיסטור אפקט שדה (Junction Field-Effect Transistor) הוא טרנזיסטור שמשנה את הזרם במוצא כפונקציה של שינוי מתח בכניסה. הטרנזיסטור הוא בעל שלושה חיבורים:

  • שער - G - Gate
  • שפך - D - Drain
  • מוצא - S - Source

 

הזרם החשמלי בין השפך למוצא מווסת באמצעות מתח חשמלי בשער. בניגוד לטרנזיסטור ביפולארי בו הגברה של הזרם בבסיס גורמת להגברה של הזרם בין הקולט לפולט, בטרנזיסטור JFET הקשר בין המתח לזרם הוא הפוך – הקטנה של המתח בשער גורמת להגדלה של הזרם בין המוצא לשפך.

 

טרנזיסטור JFET מורכב משני צמתי PN (שווה ערך לשתי דיודות). קיימים שני סוגי טרנזיסטורי JFET: n-Channel JFET, p-Channel JFET

 

סכימת זרמים ומתחים בטרנזיסטורים JFET

 

 

 

שרטוט סכמתי של טרנזיסטור JFET-Nשרטוט סכמתי של טרנזיסטור JFET-P

 

 

 

אזורי פעולה בטרנזיסטור אפקט שדה (JFET Transistor Regions)

 

לטרנזיסטור JFET יש ארבעה אזורי פעולה:

  1. התנגדותי (Ohamic) – כאשר המתח בשער שווה לאפס, הטרנזיסטור מתנהג כמו נגד. כלומר, הזרם בין המוצא לשפך תלוי במתח שבין המוצא לשפך.
  2.  

  3. קטעון (Cut-Off / Pinch-Off) – כאשר המתח בשער מספיק גדול, הטרנזיסטור מפסיק את הולכת הזרם בין המוצא לשפך לחלוטין. כיוון שההתנגדות היא מקסימלית הטרנזיסטור כמעט ולא יעביר זרם.
  4.  

  5. רוויה / פעיל (Saturation / Active) – הטרנזיסטור הופך למוליך ונשלט באמצעות המתח בשער. למתח שקיים בין המוצא לשפך כמעט ואין השפעה.
  6.  

  7. פריצה (Breakdown) – כאשר המתח בין המוצא לשפך גדול מספיק בשביל ליצור אפקט של פריצה ומעבר זרם מקסימלי שלא ניתן לשליטה באמצעות המתח בשער.

 

 

זרמים ומתחים בטרנזיסטור JFET (JFET Transistor Voltages & Currents)

 

בטרנזיסטור JFET מסוג n-Channel כיוון הזרם הוא מהשפך (Drain) למוצא (Source).

בטרנזיסטור JFET מסוג p-Channel כיוון הזרם הוא מהמוצא (Source) לשפך (Drain).

 

במצב רוויה, הזרם שזורם דרך השפך (Drain) נתון בנוסחא הבאה:

 

נוסחת חישוב זרמים ברוויה בטרנזיסטורים JFET

 

IDSS - maximum current

 

ניתן לחשב גם את ההתנגדות בין השפך למוצא באמצעות הנוסחא הבאה:

 

 

נוסחת חישוב זרמים ברוויה בטרנזיסטורים JFET

 

 

 

 

תצורות חיבור טרנזיסטור JFET (JFET Transistor Configurations)

 

קיימות שלוש צורות חיבור של טרנזיסטורי JFET במעגלים חשמליים. לכל צורת חיבור יש את המאפיינים שלהם, היתרונות והחסרונות. שלושת צורות החיבור הן:

  • תצורת שער משותף – Common Gate (CG) Configuration
  • תצורת שפך משותף – Common Drain (CD) Configuration
  • תצורת מוצא משותף – Common Source (CS) Configuration

 

תצורת שער משותף – Common Gate (CG) Configuration

תצורת שער משותף משמשת להפרדת זרמים בין מעגלים חשמליים (Current Buffer) או להגברת מתח (Voltage Amplifier). בתצורה זו, השער (Gate) מחובר להארקה או למתח ייחוס קבוע ומשותף גם לכניסה (input) וגם ליציאה (Output). מתח הכניסה מסופק להדק המוצא (Source) ומתח היציאה (Output) מתקבל בהדק השפך (Drain).

 

תצורה זו מאופיינת ברעש חשמלי נמוך ובעכבה גבוהה.

 

 

תצורת שפך משותף – Common Drain (CD) Configuration

תצורת שפך משותף משמשת לרב כחוצץ מתח (Voltage Buffer) המפריד בין מתח של שני מעגלים שונים. בתצורה זו, השער (Gate) מחובר למתח כניסה (Input), המוצא (Source) מספק את מתח היציאה (Output) והשפך (Drain) משותף גם לשער וגם למוצא.

 

הגבר המתח בתצורה זו מופיעה בנוסחא הבאה:

 

נוסחה לחישוב הגבר מתח בטרנזיסטור JFET

 

הגבר הזרם הוא כמעט אינסופי. עכבת הכניסה היא כמעט אינסופית.

 

 

 

תצורת מוצא משותף – Common Source (CS) Configuration

תצורת מוצא משותף היא התצורה הנפוצה ביותר ומשמשת לרב כמגבר מתח (Voltage Amplifier). בתצורה זו, השער (Gate) מחובר למתח כניסה (Input), השפך (Drain) מספק את מתח היציאה (Output) והמוצא (Source) משותף גם לשער וגם לשפך.

 

 

 

 

 

כיול של טרנזיסטורים (Transistor Biasing)

 

טרנזיסטורים מצריכים כיול מקדים על מנת לוודא כי הם פועלים כראוי. מטרת הכיול היא ליצור מצב בו המתח והזרם ביציאה של הטרנזיסטור ידועים כאשר לא מסופק מתח או זרם לכניסה של הטרנזיסטור.

 

לשם המחשה, טרנזיסטור שאינו מכויל כראוי יכול להציג שינויי זרם משמעותיים ביציאה כאשר אין מתח בכניסה כאשר מתרחשים שינויי טמפרטורה. הוספת נגד לכניסה של הטרנזיסטור מקטינה את השפעת השינויים הללו וקובעת את נקודת העבודה הרצויה של הטרנזיסטור – הנקודה שבה כאשר לא מספקים מתח בכניסה, הזרם או המתח ביציאה יהיה ידוע.

 

נקודת העבודה נקראת גם Bias Point או Quiescent Point או Q-Point. דוגמא לכיול היא הזנת Bias Voltage לנקודה מסוימת במעגל החשמלי על מנת לאפשר לטרנזיסטור לפעול בתחום עבודה מסוים.

 

האנימציה הבאה ממחישה את ההשפעה של מתח כיול על מתח היציאה של הטרנזיסטור עבור סוגי טרנזיסטורים שונים:

 

אנימציית השפעת מתח כיול בטרנזיסטורים

©williamson-labs.com

 

ניתן לראות באנימציה כי המתח הנכנס לכל טרנזיסטור הוא אותו מתח. מה שמשתנה הוא נקודת ההתחלה (מתח DC) שעליו "רוכב" המתח הנכנס. שינוי של נקודת העבודה ההתחלתית משפיע רבות על המתח המתקבל ביציאה מהטרנזיסטור.

 

כיול של טרנזיסטורים נעזר גם במקדם יציבות שמסומן באות S ומייצג את היחס בין הזרם בקולט (IC) לבין הזרם המקסימלי במצב רוויה IC0. העיקרון הוא שככל ש-S יותר קטן, כך הטרנזיסטור פחות רגיש לשינויי טמפרטורה ועיוות המתח ביציאה קטן.

 

קיימות שלוש שיטות לכיול טרנזיסטורים:

  • Base Current Bias (Fixed Bias)
  • Self Bias
  • Combination Bias

 

 

 

כיול טרנזיסטורים בשיטת Base Current Bias (Fixed Bias)

 

בשיטה זו, נגד מחובר בין מתח ההזנה לקולט (Collector) והבסיס (Base). שיטה זו היא פשוטה ביותר אך רגישה מאוד לשינויי טמפרטורה. בשיטה זו הזרם בבסיס IB הוא קבוע ולא קשור לזרם בקולט IC. במידה והטמפרטורה של הטרנזיסטור משתנה, תשתנה גם נקודת העבודה (Q-Point) של הטרנזיסטור. במקרה זה הגבר הזרם עלול להשתנות ומתח המוצא עלול להתעוות.

 

סכימה חשמלית של מעגל כיול טרנזיסטורים בשיטת Fixed Biasingסכימה חשמלית של מעגל כיול טרנזיסטורים בשיטת Fixed Biasing

 

 

 

המשוואה לחישוב מקדם יציבות S בשיטת Fixed Bias היא:

נוסחה לחישוב מקדם יציבות בטרנזיסטורים

 

לדוגמה, טרנזיסטור בעל מקדם הגבר hFE =50 ייתן מקדם יציבות של S=51. שהוא נתון גבוה.

 

 

 

כיול טרנזיסטורים בשיטת Self Bias

 

בשיטה זו ממוקם נגד בין הקולט (Collector) לבסיס (Base). מתח ייחוס שקיים בקולט מוזן על הבסיס דרך הנגד ויוצר מתח קדמי. זוהי שיטה יותר עמידה בפני שינויי טמפרטורה. שינוי טמפרטורה עלול לגרום לשינויי זרם בקולט וכתוצאה מכך המתח בקולט יורד (המתח על העומס RL עולה). כאשר המתח בקולט יורד, יירד גם המתח בבסיס ויגרום להפחתה בכמות הזרם שמוזרם לבסיס.

במצב זה, ההורדה בזרם הבסיס מתנגדת לעלייה בזרם הקולט (כתוצאה משינויי הטמפרטורה).

 

החיסרון בשיטה זו היא הפחתה בהגבר. הסיבה היא שהמתח בקולט משפיע על המתח בבסיס והיפוך הפאזה שלהם (180°) גורם לירידה ביכולת ההגבר.

 

 

 

 

סכימה חשמלית של מעגל כיול טרנזיסטורים בשיטת Self Biasingסכימה חשמלית של מעגל כיול טרנזיסטורים בשיטת Self Biasing

 

 

המשוואה לחישוב מקדם יציבות S בשיטת Self Bias היא:

 

נוסחה לחישוב מקדם יציבות

 

 

 

 

 

כיול טרנזיסטורים בשיטת Combination Bias

 

בשיטה זו משלבים את שתי שיטות הכיול הראשונות. ביצועי הטרנזיסטור משתפרים וכל שיטה מבטלת את החסרונות של השיטה השניה.

 

הכיול הקבוע (Fixes Bias) מיושם על ידי מחלק מתח שמבוסס על שני נגדים R1 ו-R2. הזרם שזורם דרך מחלק המתח מכייל את מתח הבסיס ביחס לפולט (Emitter).

הכיול העצמאי (Self Bias) מיושם באמצעות נגד R3 שמחובר בטור לפולט (Emitter). אם הזרם בפולט עולה אז המתח על נגד R3 יורד וכך המתח בבסיס ירד.

 

גם בשיטה זו יכולת ההגבר יורדת מעט אך ביצועי הטרנזיסטור משתפרים משמעותית. להגברת היציבות התרמית של המעגל החשמלי מוסיפים קבל עוקף (Bypass Capacitor) שמסומן באות CBP וממוקם במקביל לנגד R3. קבל זה הוא בעל ערך קיבול גבוה יחסית.

 

 

סכימה חשמלית של מעגל כיול טרנזיסטורים בשיטת Combination Biasingסכימה חשמלית של מעגל כיול טרנזיסטורים בשיטת Combination Biasing

 

 

המשוואה לחישוב מקדם יציבות S בשיטת Self Bias היא:

 

נוסחה לחישוב מקדם יציבות בטרנזיסטורים

 

 

 

 

איך לכייל טרנזיסטור(How to Bias a Transistor)

 

בכיול של תצורת Fixed Bias המעגל הסכמתי נראה כך:

 

סכימה חשמלית עם הדגמה לכיול טרנזיסטור

 

הנוסחאות למציאת ערך הנגד שמכייל את הטרנזיסטור RB הן:

 

 

 

דוגמה

מהו ערך הנגד שצריך לבחור על מנת לכייל טרנזיסטור בשיטת Fixed Bias כאשר ההגבר של הטרנזיסטור הוא 100, המתח בבסיס הוא 10V והזרם בפולט הוא 1mA?

 

 

בכיול של תצורת Self Bias המעגל הסכמתי נראה כך:

 

 

הנוסחאות למציאת ערך הנגד שמכייל את הטרנזיסטור RB הן:

 

 

 

דוגמה

מהו ערך הנגד שצריך לבחור על מנת לכייל טרנזיסטור בשיטת Self Bias כאשר ההגבר של הטרנזיסטור הוא 100, המתח בבסיס הוא 10V, ערך הנגד Rc הוא 4.7kΩ והזרם בפולט הוא 1mA?

 

 

הערך שהתקבל הוא התוצאה של החישוב אך בפועל לא קיימים נגדים בעלי ערך של 460kΩ. ערך ההתנגדות הקרוב ביותר הוא 470kΩ ולכן נבצע את החישובים מחדש ונמצא את הזרם בפולט:

 

 

 

 

 

בכיול של תצורת משולבת Combination Bias המעגל הסכמתי נראה כך:

 

 

 

הנוסחאות למציאת ערך הנגד שמכייל את הטרנזיסטור Rb הן:

 

 

כאשר משתמשים במחלק מתח אז הנוסחאות נראות כך:

 

 

 

דוגמה

מהו ערך הנגד שצריך לבחור על מנת לכייל טרנזיסטור בשיטת Combination Bias כאשר ההגבר של הטרנזיסטור הוא 100, המתח בבסיס הוא 10V, ערך הנגד Re הוא 470Ω והזרם בפולט הוא 1mA?

 

 

דוגמה

מהו ערך הנגדים שצריך לבחור על מנת לכייל טרנזיסטור בשיטת Combination Bias (Voltage Divider) כאשר ההגבר של הטרנזיסטור הוא 100, המתח בבסיס הוא 10V, ערך הנגד Re הוא 470Ω והזרם בפולט הוא 1mA?

 

 

כאשר מוסיפים קבל (Bypass Capacitor) במקביל לנגד Re במעגל כיול טרנזיסטור הבחירה של הקבל מתבצעת באמצעות הנוסחא הבאה:

 

 

ערך ה-Xc צריך להיות קטן פי 10 מההתנגדות של נגד Re. התדר f נקבע על פי התדר הצפוי של האות החשמלי:

 

דוגמה

מהו ערך הקבל שצריך לבחור על מנת לכייל טרנזיסטור כאשר ערך הנגד Re הוא 470Ω והתדר הצפוי הוא 20Hz?

 

 

 

 

 


סימון טרנזיסטורים (Transistor Numbering and Coding)

 

לכל סוג טרנזיסטור יש מספר סידורי משלו (Transistor Part Number). טרנזיסטורים מסומנים על פי שני סוגי תקנים: EIA/JEDEC (תקן אמריקאי) ו-Pro Electron (תקן אירופאי).

 

סימון טרנזיסטור בתקן EIA/JEDEC (Transistor EIA/JEDEC Numbering)

 

טרנזיסטור מסומן על ידי סדרת 2N (עבור Bipolar Transistor) ו-סדרת 3N (עבור FET Transistor), מספר סיריאלי של סוג הטרנזיסטור ואות שמציינת הגבר (לא תמיד מופיע. A = Low Gain, B = Medium Gain, C = High Gain).

 

לדוגמה: 2N3819, 2N2221A, 2N904 ועוד.

 

 

סימון טרנזיסטור בתקן Pro Electron (Trnasistor Pro Electron Numbering)

 

טרנזיסטור מסומן על ידי שתי אותיות (מייצגות את החומר ממנו עשוי הטרנזיסטור) וספרות שמייצגות את סוג הטרנזיסטור. בטבלה הבאה מופיעה הפירוט של קודים לסימון טרנזיסטור לפי תקן Pro Electron:

 

1st Letter

Semiconductor Material

2nd Letter

Type Of Device

Subsequent Characters
A Germanium C Transistor - audio frequency, low power The characters following the first two letters form the serial number of the device. Those intended for domestic use have three numbers, but those intended for commercial or industrial use have letter followed by two numbers, i.e. A10 - Z99.
B Silicon D Transistor - audio frequency, power
C Gallium Arsenide F Transistor - high frequency, low power
D Compound materials G Miscellaneous devices
L Transistor - high frequency, power
P Light detector
Q Light emitter

 

 

לדוגמה, BC108A, BAW68, BF239, BFY51 ועוד.

 

 

סימון טרנזיסטור בתקן JIS (Transistor JIS Numbering)

 

טרנזיסטור מסומן על ידי ספרה (2 עבור Bipolar ו-3 עבור FET) , שתי אותיות (סוג הטרנזיסטור), מספר סידורי ואות נוספת (אופציונאלי).

 

בטבלה הבאה מופיעה הפירוט של קודים שמייצגים את סוג הטרנזיסטור:

 

SA PNP HF transistor
SB PNP AF transistor
SC NPN HF transistor
SD NPN AF transistor
SJ P-channel FET/MOSFET
SK N-channel FET/MOSFET

 

לדוגמה, 2SA1187, 2SB646, 2SC733 ועוד.

 

 

סימון טרנזיסטור לפי יצרנים (Transistor Manufacturers Numbering)

 

יצרני טרנזיסטורים שונים משתמשים בקודים פנימיים לסימון טרנזיסטורים. הטבלה הבאה מציגה את הקודים ואת היצרנים:

 

MJ Motorolla power, metal case
MJE Motorolla power, plastic case
MPS Motorolla low power, plastic case
MRF Motorolla HF, VHF and microwave transistor
RCA RCA
RCS RCS
TIP Texas Instruments power transistor (platic case)
TIPL TI planar power transistor
TIS TI Small Signal transistor (plastic Case)
ZT Ferranti
ZTX Ferranti

 

 

לדוגמה, ZTX302, TIP31A, MJE3055, TIS43 ועוד.

 

 

 

 

שימושים בטרנזיסטורים (Transistor Applications)

 

לטרנזיסטורים יש שני תפקידים מרכזיים:

  • טרנזיסטור כמתג
  • טרנזיסטור כמגבר

 

כאשר הטרנזיסטור משמש כמתג, משתמשים בשני אזורי הולכה (מתוך השלושה) – תחום הקיטעון ותחום הרוויה. בתחום הקיטעון הטרינזיסטור אינו מעביר זרם כלל ומיישם מצב "OFF" במתג חשמלי. כאשר הטרנזיסטור בתחום הרוויה, הוא מעביר זרם מקסימלי ומיישם מצב "ON" במתג חשמלי

כאשר הטרנזיסטור משמש כמגבר, משתמשים באזור ההולכה השלישי שנקרא האזור הפעיל (Active Regio). במצב זה שינויים קטנים במתח/זרם בכניסה לטרנזיסטור גורמים לשינויים גדולים במתח/זרם ביציאה של הטרנזיסטור.

מספר האפשרויות שניתן ליישם את שני התפקידים האלה הוא כמעט בלתי מוגבל ולכן הטרנזיסטור משמש כאבן בסיס במספר עצום של מעגלים חשמליים.

 

מס' דוגמאות למעגלים חשמליים ותפקידיהם השונים:

 

מעגל מפעיל ממסר ומופעל במתח "HIGH"

 

 

 

מעגל מפעיל ממסר ומופעל במתח "LOW"

 

 

 

מעגל חשמלי מופעל על ידי אור

 

 

 

מעגל חשמלי מופעל על ידי חושך

 

 

 

מעגל מרבב 1

 

 

 

מעגל מרבב 2

 

 

 

דלגלג

 

 

 

 

מאפייני טרנזיסטור (Transistor Characteristics)

 

בחירת טרנזיסטורים מאופיינת משיקולים רבים. למטה מופיע פירוט של מאפייני טרנזיסטורים נפוצים שלרב מופיעים בדפי הנתונים של הטרנזיסטורים:

 

מאפיין סימון הסבר

הספק מקסימלי

Maximum Total Dissipation

PD / Ptot ההספק (Watts) המותר על הטרנזיסטור. מחושב באמצעות הנוסחא:  P = IV = I2R

Collector-Base Maximum Voltage

VCBO המתח המקסימלי שמותר לספק בין הקולט לבסיס.

Collector-Emitter Maximum Voltage

VCEO המתח המקסימלי שמותר לספק בין הקולט לפלוט. ערך נפוץ עבור טרנזיסטורי Small Signal נע בין 60V ל-80V. בטרנזיסטורי הספק (Power Transistor) ערך זה יכול להגיע ל-1000V.
Emitter-Base Maximum Voltage VEBO המתח המקסימלי שמותר לספק בין הפולט לבסיס. הטרנזיסטורי סיגנל Small Signal Transistors, ערך זה הוא לרב עומד על 7V. ניתן להשתמש בדיודת זנר להגנה מפני הזנת מתח גבוה יותר.
זרם קולט מקסימלי מותר ICmax הזרם המקסימלי שמותר להזרים בקולט. ערכים נפוצים בטרנזיסטורי Small Signal נעים בין 10mA לבין 100mA. עבור טרנזיסטורי הספק Power ערך נפוץ נע בסביבות 10A.
זרם קולט מקסימלי רגעי מותר ICM הזרם המקסימלי שמותר להזרים בזמן רגעי (פולס).
מתח רוויה בין קולט לפולט VCE מתח הרוויה בין הקולט לפולט. ערך זה הוא לרב 0.3V ומטה.
מתח רוויה בין בסיס לפולט VBE מתח הרוויה בין הבסיס לפולט. מתח זה לרב שווה ערך למתח הרוויה בדיודה שהוא ~0.7V.
הגבר זרם β β / hfe / hFE היחס בין הזרם בקולט לזרם בבסיס. באופן אידיאלי ערך זה קבוע עבור כל תחום הפעולה של הטרנזיסטור אך בפועל מוגדרים כמה ערכי הגבר עבור אזורי פעולה שונים של הטרנזיסטור. hfe מתייחס להגבר של אותות AC קטנים ו-hFE מתייחס להגבר של אותו AC גדולים או אותות DC. קיימת נוסחא: β=IC/IB
הגבר זרם α α

היחס בין הזרם בקולט לזרם בפולט. α=IC/IE. קיים יחס בין הגבר β לבין הגבר α בנוסחא הבאה: α= β/(β+1)

Operating junction temperature

TJ הטמפרטורה המקסימלית המותרת על צמתי ה-PN בטרנזיסטור. לרב נתון ביחידות oC. ככל שהטמפרטורה על הטרנזיסטור תישמר נמוכה יותר כך אורך החיים שלו יהיה גדול יותר.

תחום טמפרטורת אחסון מותר

Storage Temperature Range

TSTG תחום הטמפרטורה המותר לאחסנה של הטרנזיסטור (כאשר הוא אינו פועלת).

התנגדות טרמית

Themral Resistance

R(Θ)

הפרש הטמפרטורות בין צומת ה-PN של הטרנזיסטור לבין הטמפרטורה בחוץ (R(Θ)JA), או בין צומת הטרנזיסטור לבין המוליכים שלו (R(Θ)JL) עבור הספק נתון. לרב נתון ביחידות של oC/W.

עבור טרנזיסטור אידיאלי, נתון זה יהיה שווה לאפס. כלומר, האריזה של הטרנזיסטור הוא מוליך טרמי מושלם אשר מאפשר להעביר את כל החום הנוצר בטרנזיסטור כלפי חוץ.

ככל שנתון זה גבוה יותר, החום שהטרנזיסטור מייצר עבור הספק נתון יהיה גדול יותר.
Typical Emitter Capacitance CE הקיבולת הקיימת בצומת הפולט בטרנזיסטור. השוני בין החומרים השונים בצומת מהווים כמעין חומר תווך דיאלקטרי המפריד בין האנודה לקתודה. לרב ערך זה הוא נמוך מאוד הנמדד ביחידות pF.
Typical Collector Capacitance CC הקיבולת הקיימת בצומת הקולט בטרנזיסטור. השוני בין החומרים השונים בצומת מהווים כמעין חומר תווך דיאלקטרי המפריד בין האנודה לקתודה. לרב ערך זה הוא נמוך מאוד הנמדד ביחידות pF.
Transition Frequency / Gain Bandwidth FT התדר שבו הגבר הזרם בחיבור Common Emitter נופל ל-1. לרב נמדד ביחידות MHz. לרב תדר הפעולה של הטרנזיסטור יהיה מתחת לערך זה.
Noise Figure F / NF נתון שמראה את כמות הרעש שמוכנס אל האות שיוצא מהטרנזיסטור בזמן פעולת ההגברה.

 

 

 

טיפים בבחירת טרנזיסטור (Transistor Selection Tips)

 

למטה מופיעים מספר טיפים בבחירת טרנזיסטור מתאים לפי סוג המעגל:

  • מומלץ לממש מעגלים ממתגים (Switching Circuits) באמצעות שימוש בטרנזיסטורים.
  • טרנזיסטורים ביפולאריים הם טרנזיסטורים נפוצים וזולים. הם שימושיים מאוד ברב המעגלים כיוון שהשליטה בזרם המוצא מתבצע באמצעות שינויי זרם קטנים מאוד בכניסה.
  • טרנזיסטורים JFET שימושיים במעגלים חשמליים המבוססים על תדרים גבוהים. הם מאופיינים ברעש חשמלי נמוך יותר מטרנזיסטורים ביפולאריים ובעלי עכבת כניסה גבוהה יותר.
  • טרנזיסטורים MOSFET שימושיים במעגלים חשמליים שעובדים במתחים נמוכים. הם שימושיים מאוד במעגלים דיגיטאליים.

 

 

 

 

 

 

 


 

נכתב ע"י ערן צנציפר (מנהל אתר Robot-and-Machines-Design)