اگر تا به حال از خود پرسیده‌اید که ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد، شما در آستانه درک یکی از مهم‌ترین مفاهیم دنیای مدرن هستید، این قطعهٔ مهم در سال 1974 در آزمایشگاه‌های Bell Labs اختراع شد. تمام دستگاه‌های الکترونیکی پیچیده‌ای که زندگی ما را احاطه کرده‌اند، از گوشی‌های هوشمند و کامپیوترها گرفته تا تلویزیون‌ها و سیستم‌های کنترلی، قدرت خود را مدیون قطعه‌ای کوچک و انقلابی به نام ترانزیستور هستند.در این مقاله از سایت اهمیکا، به صورت جامع و به زبانی ساده، به این سوال کلیدی پاسخ می‌دهیم.
ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد؟ یک تعریف ساده
حالا که تا اینجای کار با ما بوده‌اید، بیایید تا باهم ببینیم که واقعاً ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد؟
به ساده‌ترین بیان، ترانزیستور یک قطعهٔ نیمه‌هادی (معمولاً از جنس سیلیسیوم) است که برای کنترل جریان الکتریکی یا ولتاژ در یک مدار استفاده می‌شود. شاید بهترین تشبیه برای آن، یک شیر آب الکترونیکی باشد. تصور کنید یک شیر آب الکترونیکی در اختیار دارید که با اعمال یک سیگنال الکتریکی کوچک (جریان یا ولتاژ ضعیف) به یکی از پایه‌های آن، می‌توانید جریان بسیار قوی‌تری از آب (جریان الکتریکی اصلی) را کنترل، قطع و وصل و تنظیم کنید. ترانزیستور دقیقاً همین کار را در دنیای الکتریسیته انجام می‌دهد. درک همین دوگانگی در عملکرد، هسته اصلی پاسخ به سوال «ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد» است.
این قطعهٔ کوچک که معمولاً سه پایه دارد، در بسته‌بندی‌های متنوعی مانند مدل‌های پلاستیکی یا قطعات بسیار ریز نصب سطحی (SMD) عرضه می‌شود. اما صرف نظر از ظاهر، عملکرد اصلی آن‌ها یکسان است: کنترل یک جریان قوی با یک سیگنال ضعیف.
دو کاربرد اصلی ترانزیستور
برای اینکه به طور کامل بفهمیم ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد، باید با دو نقش بنیادین آن آشنا شویم. تمام عملکردهای پیچیده این قطعه به یکی از این دو کاربرد بازمی‌گردد: سوئیچینگ و تقویت‌کنندگی.
۱. ترانزیستور به عنوان سوئیچ الکترونیکی
یکی از مهم‌ترین کاربردهای ترانزیستور، استفاده از آن به عنوان یک کلید الکترونیکی بدون قطعهٔ متحرک است. برخلاف کلیدهای مکانیکی که دچار فرسودگی می‌شوند و سرعت پایینی دارند، ترانزیستور می‌تواند با سرعتی باورنکردنی، میلیون‌ها بار در ثانیه، جریان را قطع یا وصل کند. این ویژگی برای کنترل بارهایی مانند LED، رله یا حتی موتورهای DC کوچک ایده‌آل است.
- حالت قطع (Cut-off): با اعمال نکردن سیگنال کنترلی، ترانزیستور مانند یک کلید باز عمل کرده و اجازه عبور جریان را نمی‌دهد.
- حالت اشباع (Saturation): با اعمال سیگنال کنترلی مناسب، ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل کرده و به جریان اجازه عبور می‌دهد.
۲. ترانزیستور به عنوان تقویت‌کننده (Amplifier)
کاربرد دیگری که درک ما را از اینکه ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد کامل می‌کند، توانایی تقویت سیگنال‌های الکتریکی ضعیف است. سیگنال ضعیفی مانند صدای دریافت شده توسط میکروفون، به‌تنهایی قادر به تولید صدا در یک بلندگو نیست. ترانزیستور سیگنال ضعیف را به عنوان ورودی گرفته و با استفاده از آن، یک جریان بسیار قوی‌تر را از منبع تغذیه کنترل می‌کند. خروجی، نسخه‌ای تقویت‌شده و پرقدرت از سیگنال ورودی است. این قابلیت در سیستم‌های صوتی، فرستنده‌های رادیویی، سنسورها و مدارهای آنالوگ حیاتی است.
آشنایی با انواع ترانزیستورها
حالا که فهمیده‌ایم که ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد بیایید تا دربارهٔ انواع ترانزیستورها صحبت کنیم. ترانزیستورها به دو خانوادهٔ اصلی تقسیم می‌شوند که هر کدام ساختار و نحوهٔ کنترل متفاوتی دارند.
۱. ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT – Bipolar Junction Transistor)
BJTها اولین نوع ترانزیستورهایی بودند که به‌صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. این نوع ترانزیستورها «کنترل‌شونده با جریان» هستند. یعنی یک جریان کوچک که به پایهٔ بیس (Base) وارد می‌شود، جریان بزرگ‌تری را بین دو پایهٔ دیگر یعنی کلکتور (Collector) و امیتر (Emitter) کنترل می‌کند.
BJTها خود به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- NPN: پرکاربردترین نوع که در آن جریان از کلکتور به سمت امیتر جاری می‌شود.
- PNP: در این نوع، جهت جریان برعکس NPN است.
۲. ترانزیستور اثر میدان (FET – Field-Effect Transistor)
FETها نسل جدیدتر و پرکاربردتر ترانزیستورها، به‌خصوص در مدارهای دیجیتال و مجتمع (IC)، هستند. این ترانزیستورها «کنترل‌شونده با ولتاژ» هستند. یعنی ولتاژی که به پایهٔ گیت (Gate) اعمال می‌شود، جریان عبوری بین دو پایهٔ دیگر یعنی درین (Drain) و سورس (Source) را کنترل می‌کند.
مهم‌ترین مزیت FETها نسبت به BJTها این است که برای کنترل، تقریباً هیچ جریانی از پایه گیت مصرف نمی‌کنند و این آن‌ها را برای استفاده در مدارهای کم‌مصرف و دیجیتال ایده‌آل می‌سازد. معروف‌ترین نوع FET، ماسفت (MOSFET) نام دارد که در پردازنده‌های کامپیوتری وجود دارد.
۳. ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده (IGBT)
وقتی صحبت از کاربردهای قدرت بالا به میان می‌آید، یک قهرمان دیگر به نام IGBT وارد میدان می‌شود. IGBT یک نوع ترانزیستور ترکیبی هوشمند است که بهترین ویژگی‌های ماسفت و BJT را باهم ادغام می‌کند.
- ورودی آن مانند یک ماسفت است: با ولتاژ کنترل می‌شود و راه‌اندازی آن آسان است.
- خروجی آن مانند یک BJT است: می‌تواند ولتاژ و جریان بسیار بالایی را تحمل کند.
به همین دلیل، IGBTها انتخاب اول برای کنترل دستگاه‌های پرمصرف هستند. اگر جایی نیاز به کنترل دور یک موتور الکتریکی بزرگ مانند موتورهای ماشین لباسشویی یا کولرهای گازی اینورتر و… باشد، به احتمال زیاد یک IGBT در آن مدار قرار دارد.
جدول مقایسه ترانزیستورهای BJT و FET
حالا که درک بهتری از این که ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد پیدا کردیم، بهتر است نگاهی به جدول زیر هم داشته باشیم:
| ویژگی | ترانزیستور BJT | ترانزیستور FET |
|---|---|---|
| نوع کنترل | کنترل با جریان (پایه بیس) | کنترل با ولتاژ (پایه گیت) |
| امپدانس ورودی | پایین | بسیار بالا |
| سرعت سوئیچینگ | معمولاً کمتر از FET | بسیار بالا (به‌ویژه ماسفت‌ها) |
| مصرف توان | بیشتر (به دلیل جریان ورودی) | بسیار کم (مصرف استاتیک ناچیز) |
| کاربرد رایج | تقویت‌کننده‌های صوتی، مدارهای سوئیچینگ ساده | مدارهای دیجیتال، پردازنده‌ها، حافظه‌ها، منابع تغذیه سوئیچینگ |
نتیجه‌گیری
در این مقاله تلاش کردیم به زبان ساده به این پرسش پاسخ دهیم که ترانزیستور چیست و چه کاربردی دارد. آموختیم که ترانزیستور یک قطعهٔ نیمه‌هادی با سه پایه است که به عنوان سوئیچ الکترونیکی یا تقویت‌کننده سیگنال عمل می‌کند. همچنین با دو خانوادهٔ اصلی آن یعنی BJT (کنترل با جریان) و FET (کنترل با ولتاژ) آشنا شدیم. درک عملکرد ترانزیستور، اولین قدم برای ورود به دنیای جذاب الکترونیک است.
