قطعات الکترونیکی اساسی در بردهای الکترونیکی

 

• مقاومت
• خازن
• سلف
• دیود
• ترانزیستور

 

مقاومت

می‌توان گفت مقاومت ساده‌ترین‌ قطعه در بین قطعات الکترونیکی اساسی است‌‌.‌‌ یک قطعه الکتریکی دو پایه که سبب محدود شدن شدت جریان الکتریکی می‌شود‌‌.‌‌ مقاومت‌های الکتریکی را می‌توان از جنبه‌های گوناگونی مانند شکل، اندازه، جنس و کاربرد تقسیم‌بندی کرد‌‌.‌‌ در شکل زیر یک تقسیم‌بندی کلی مقاومت‌ها ارائه شده است.

 

 

 

کاربرد مقاومت در بردهای الکترونیکی

ممکن است تصور شود که مقاومت کاری جز مصرف توان در یک برد الکترونیکی انجام نمی‌دهد‌‌.‌‌ اما باید بدانید مقاومت‌ها در بردهای الکترونیکی نقش حیاتی کنترل ولتاژ و جریان مدار را به عهده دارند‌‌.‌‌ در ادامه با انواع کاربرد‌های مختلف مقاومت در یک برد الکترونیکی آشنا می‌شویم‌‌.

 

۱. مقاومت pull up/down

مقاومت‌های pull up/down مقاومت‌هایی هستند که سبب می‌شوند یک پایه (پین یا ورودی) در حالتی که سیگنال ورودی ندارد، دارای ولتاژ LOW/HIGH یا صفر/یک منطقی باشد‌‌. در صورت عدم وجود این مقاومت، مقدار ولتاژ پایه نامعلوم خواهد بود.

 

۲. بار مقاومتی

در بحث مدارهای الکتریکی، بار به المانی گفته می‌شود که در آن توان مصرف می‌شود‌‌.‌‌ ساده‌ترین نوع بار، بارهای خالص مقاومتی (بدون راکتانس خازنی یا سلفی‌)‌‌ هستند.‌‌ در شکل زیر کاربرد این نوع مقاومت در مدار مشخص شده است‌‌.‌‌ در این موارد معمولا از مقاومت‌های سیمی و اکسید فلز استفاده می‌شود‌‌.

 

 

نکته‌ی مهمی که در انتخاب مقاومت بار باید به آن توجه کرد، محاسبه یا تخمین توان مصرفی مقاومت است‌‌.‌‌ حداکثر توان قابل تحمل (یا جریان قابل تحمل) مقاومت‌ها متفاوت است و زمانی که می‌دانیم جریان قابل توجهی قرار است از مقاومت عبور کند باید مقاومت متناسب با آن توان را انتخاب کنیم‌‌.‌‌ در شکل زیر مقاومت‌ها با توان‌های متفاوت نشان داده شده است‌‌.

۳. مقاومت‌های دشارژ

هنگامی که برد الکترونیکی، دارای آنتن بیرونی یا پایه‌های مختلف ورودی/خروجی است که می‌تواند در تماس با افراد باشد، بسیار مهم است که ولتاژ خطری برای انسان و تجهیزات ایجاد نکند‌‌.‌‌ مقاومت‌های دشارژ برای دشارژ ایمن باتری‌ها، خازن‌ها و سایر قطعات دارای ولتاژ استفاده می‌شوند‌‌.‌‌ معمولا این مقاومت‌ها در محل اتصال زمین‌های مدار اولیه و ثانویه قرار می‌گیرند‌‌.‌‌ همچنین در سوئیچ‌های حامل جریان بالا برای جلوگیری از قوس جریان هنگام باز شدن سوئیچ نیز استفاده می‌شود‌‌.‌‌

 

 

 

۴. تعیین گین مدار تقویت‌کننده

گین در تقویت‌کننده‌ها با استفاده از مقاومت‌ها تعیین می‌شود‌‌.‌‌ به عنوان مثال در مدارهای شکل زیر گین با نسبت R1 و R2 تعیین می‌شود و با تغییر این دو مقاومت میزان تقویت‌ شدن ولتاژ را می‌توان کنترل کرد‌‌.‌‌ در این کاربرد، به مقاومت‌هایی با دقت بالا و تاثیرپذیری پائین نسبت به دما نیاز داریم‌‌.‌‌

 

 

 

۵. کاهش نویز جریان

نویز ایجاد شده توسط مقاومت‌ها شامل نویز حرارتی و نویز جریان می‌باشد‌‌.‌‌ نویز حرارتی که از حرکات تصادفی الکترون‌ها در مقاومت ایجاد می‌شود و در تمام انواع مقاومت‌ها وجود دارد‌‌.‌‌ از طرف دیگر نویز جریان که در فرکانس‌های پائین بیشتر مشهود است، از نوسان در هدایت الکتریکی مقاومت به وجود می‌آید‌‌.

در هر مدار تقویت‌‌کننده، مقاومت ورودی بسیار مهم است زیرا هر گونه نویز در سیگنال ورودی نیز با همان گین تقویت می‌شود‌‌.‌‌ بنابراین در مدارهایی مانند آشکارساز نوری در شکل زیر، که سیگنال‌های بسیار کوچک را با گین بسیار زیاد تقویت می‌کند، نویز جریان،عامل اصلی بدتر شدن‌‌ SNR (یا نسبت اندازه سیگنال به نویز، که نشان‌دهنده کیفیت سیگنال است)‌ خواهد بود‌‌.‌‌ بنابراین در این کاربرد‌ها استفاده از مقاومت‌های لایه‌ای که کاهش نویز جریان از ویژگی‌های ذاتی آن است پیشنهاد می‌شود‌‌.

 

 

۶. محدود کردن عبور جریان

اگر مقاومت به مدار اضافه نکنید، جریان الکتریکی تا میزان بسیار خطرناکی به وجود می‌آید و می‌تواند اجزای دیگر را بیش از حد گرم کرده و احتمالاً به آنها آسیب برساند‌‌.‌‌ به عنوان مثال، اگر LED را مستقیماً به باتری وصل کنید، در مدت زمان کوتاهی باعث سوختن آن می‌شود‌‌.‌‌ یا یک مدار منبع تغذیه معمولی مانند تصویر زیر را در نظر بگیرید‌‌.‌‌ با روشن شدن منبع، جریان ناگهانی زیادی به منظور شارژ خازن به وجود می‌آید‌‌.‌‌ برای از این بردن این پیک جریان از مقاومت استفاده می‌شود‌‌.‌‌ در این موارد مقاومت‌ها باید توانایی عبور چند ده آمپر جریان را داشته باشند و مانند مقاومت بار باید به حداکثر توان قابل تحمل مقاومت توجه کرد‌‌.‌‌

 

 

 

۷. تقسیم ولتاژ

هنگام طراحی برد الکترونیکی، تمام المان‌ها معمولا به کل ولتاژ تغذیه نیاز ندارند و بخش‌هایی از مدار مانند میکروکنترلر ممکن است ولتاژ کاری کمتری نسبت به خود مدار داشته باشد‌‌.‌‌ در این موارد با تقسیم ولتاژ، برای هر قسمت مدار ولتاژ مورد نظر را تأمین می‌کنیم که این ولتاژ طبق قانون اهم به صورت زیر محاسبه می‌شود‌‌.

 

 

۸. مقاومت anti-pulse‌ و‌ anti-surge

پالس به معنای اضافه بار توان بالا و طولانی مدت (انرژی زیاد) و surge به معنی اضافه بار ولتاژ بالا مانند ESD ( تخلیه الکترواستاتیک) و کوتاه مدت است‌‌.‌‌

مقاومت anti-surge به معنای مقاومت در برابر ولتاژ بالای آنی مانند ESD است‌‌.‌‌ مقاومت anti-pulse‌ نیز به معنای مقاومت در برابر توان بالای آنی اعمال شده است‌‌.‌‌ در مدار شکل زیر استفاده از این مقاومت‌ها نشان داده شده است.

 

 

مقاومت SMD

مقاومت SMD نوعی مقاومت است که شکل و ساختار فیزیکی آن به گونه‌ای طراحی شده است که می‌تواند روی سطح برد الکترونیکی نصب شده و اندازه آن‌ها معمولاً بسیار کوچکتر از مقاومت‌های معمول است؛ بنابراین فضای کمتری را در برد الکترونیکی به خود اختصاص می‌دهند‌‌. شکل زیر مقاومت های DIP و پس از آن مقاومت های SMD را در اندازه‌های مختلف نشان می‌دهد.

 

 

‌‌

به دلیل استاندارد بودن سایز مقاومت‌های smd استفاده از آنها بسیار ساده و متداول است‌‌. در جدول زیر انواع پکیج‌ها و سایزشان آورده شده است. البته این پکیج‌ها و ابعاد استاندارد بوده و برای سایر قطعات smd مانند خازن یا غیره نیز به همین صورت است‌‌.

 

 

 

خازن

یکی دیگر از قطعات الکترونیکی اساسی، خازن؛ یک قطعه الکتریکی دو پایه است که می‌تواند انرژی را در یک میدان الکتریکی الکتروستاتیکی ذخیره کند‌‌‌.‌‌ به زبان ساده می‌توان گفت، مانند یک باتری قابل شارژ کوچک انرژی را ذخیره می‌کند‌ با این تفاوت که می‌تواند در کسری از ثانیه شارژ و دشارژ شود‌‌.‌‌ خازن‌های الکتریکی را می‌توان از جنبه‌های گوناگونی مانند شکل، اندازه، جنس و کاربرد تقسیم بندی کرد‌‌.‌‌

 

اگر شما به یک خازن‌‌ ۱۰۰۰ میکروفارادی نیاز داشته باشید کدام یک از موارد زیر را انتخاب می‌کنید؟

 

 

تفاوت خازن‌ها، علاوه بر سایز در حداکثر ولتاژ قابل تحمل آن‌ها نیز است؛ همان عدد ولتاژی که روی آن‌ها درج شده است‌‌.‌‌ باید بدانید این عدد لزوما، ولتاژ خازن شارژ شده نیست، بلکه تنها نشان‌دهنده‌ی حداکثر مقدار ولتاژیست که به خازن آسیب نمی‌رساند‌‌.‌‌ البته خازن می تواند تا آن ولتاژ شارژ شود و این بستگی به طراحی مدار دارد‌‌.‌‌ یک خازن ممکن است ۵۰ ولتی باشد اما تا ۵۰ ولت شارژ نشود‌‌.

 

کاربرد خازن در بردهای الکترونیکی

اگرچه خازن‌ها مانند باتری به نظر می‌رسند، اما می‌توانند عملکردهای مختلفی را در یک مدار انجام دهند البته یک نوع خازن ممکن است برای همه کاربردها مناسب نباشد در این بین خازن‌های سرامیکی معمولاً رایج‌تر بوده و می‌توانند در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند‌‌‌.‌‌

در ادامه به انواع کاربردهای خازن در بردهای الکترونیکی می‌پردازیم‌‌.

 

۱. ایجاد تاخیر زمانی

مدار ساده شکل زیر را در نظر بگیرید؛ با بستن ‌‌سوئیچ، LED روشن و خازن شارژ می‌شود‌‌.‌‌ با باز شدن ‌‌سوئیچ، LED با تاخیر خاموش می‌شود زیرا در این حالت خازن دشارژ می‌شود و مانند باتری کوچکی عمل می‌کند‌‌.‌‌ هنگامی‌ که خازن به طور کامل تخلیه شد، LED نیز خاموش می‌شود‌‌.‌‌ مقدار این تاخیر مستقیما به مقدار خازن وابسته است و هر چه خازن بزرگ‌تر باشد انرژی ذخیره شده بیشتر و مقدار این تاخیر نیز بیشتر است‌‌.

 

همچنین از این کاربرد خازن‌ها می‌توان در مدارات برای تریگ کردن، ولتاژ اولیه برای شروع کار و در مقیاس‌های بالا به عنوان منبع تغذیه نیز استفاده کرد‌‌.

 

۲. خازن‌های کوپلینگ

خازن‌های کوپلینگ به صورت سری به مسیر سیگنال متصل شده و برای فیلتر کردن جزء DC یک سیگنال استفاده‌ می‌شوند‌‌.‌‌ این روش در بردهای الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال زیادی استفاده ‌می‌شوند‌‌.

 

۳. خازن‌های دکوپلینگ

خازن‌های دکوپلینگ به موازات مسیر سیگنال متصل و برای فیلتر کردن مؤلفه AC استفاده ‌می‌شوند‌‌.

 

۴. خازن به عنوان فیلتر

خازن‌ها عناصر اصلی فیلترها مانند LPF (فیلتر پایین‌گذر)، HPF (فیلتر بالاگذر)، BPF (فیلتر میان‌گذر) و غیره‌ هستند که در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند‌‌.‌‌ خازن‌های فیلتر در بسیاری از کاربرد‌ها و در بارهای صنعتی به منظور محافظت در برابر نویز ولتاژ و همچنین برای محافظت در برابر نویز ایجاد شده در داخل مدار استفاده می‌شوند‌‌.‌‌ در شکل‌های زیر کاربرد خازن‌ها به ترتیب در فیلترهای پائین‌گذر، بالا‌گذر و میان‌گذر نشان داده شده است‌‌.

 

 

 

خازن SMD

خازن SMD نوعی خازن است که شکل و ساختار فیزیکی آن به گونه‌ای طراحی شده است که می‌تواند روی سطح برد الکترونیکی نصب شود. از جمله مزیت‌های استفاده از خازن‌های SMD می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سهولت استفاده در بردهای الکترونیکی
• اندازه کوچک
• اندوکتانس کوچک‌تر (نزدیک به خازن ایده آل‌)
• هزینه کمتر

در شکل زیر انواع خازن های DIP معمولی و پس از چند نمونه خازن SMD را مشاهده می‌کنید.

 

 

 

 

سلف

سومین قطعه از قطعات الکترونیکی اساسی، سلف است؛ قطعه‌ای دو پایه که انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می‌کند و هر وقت لازم باشد آن را به مدار باز می‌گرداند‌‌.‌‌

 

 

از نظر ساختار فیزیکی می‌توان گفت سلف ساده‌‌ترین قطعه الکترونیکی است که تنها از سیم پیچ تشکیل شده و مقدار آن با تعداد پیچش سیم متناسب است‌‌.‌‌ با عبور جریان از سیم پیچ، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که در برابر جریان متناوب مقاومت می‌کند‌‌، اما به جریان مستقیم اجازه عبور می‌دهد‌‌.‌‌ این میدان مغناطیسی همچنین انرژی الکتریکی را نیز ذخیره می‌کند‌‌.‌‌ گاهی سیم پیچ در اطراف ماده فرومغناطیسی که هسته نامیده می‌شود،‌‌‌‌‌‌‌‌‌‏‌‎ پیچیده می‌شود تا مقدار سلف را افزایش دهد‌‌.‌‌ سلف‌ها را نیز بر اساس معیار‌های مختلفی می‌توان تقسیم‌بندی کرد که در شکل زیر یک تقسیم‌بندی کلی از سلف‌ها ارائه شده است.

 

 

 

کاربرد سلف در بردهای الکترونیکی

اگرچه سلف‌ها مفید هستند‌‌، اما محدودیت‌هایی در استفاده از سلف وجود دارد‌‌.‌‌ سلف در مقایسه با سایر قطعات الکترونیکی روی برد، وزن و حجم بیشتری دارد‌ و در نتیجه فضای بیشتری اشغال می‌کند‌‌.‌‌ از این رو در مدارهای مجتمع (IC) بیشتر از مقاومت استفاده می‌شود‌‌.‌‌ با این وجود هنوز سلف‌ها طیف گسترد‌ه‌ای از کاربردها را در بردهای الکترونیکی دارند که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم:

 

۱. ذخیره انرژی

درست مانند خازن‌‌، یک سلف نیز می‌تواند انرژی را ذخیره کند‌‌.‌‌ اما برخلاف خازن‌‌،‌‌ انرژی را برای مدت محدود و در میدان مغناطیسی ذخیره می‌کند‌‌ که به محض حذف منبع تغذیه از بین می‌رود‌‌.‌‌ با این وجود‌‌، سلف‌ها به عنوان وسیله ذخیره انرژی قابل اطمینان در منبع تغذیه استفاده می‌شوند‌‌.

 

۲. مبدل‌های DC-DC

در مبدل‌های DC به DC چه هنگام تقویت ولتاژ (مبدل boost) و چه کاهش ولتاژ (مبدل buck) از سلف استفاده می‌شود‌‌.‌‌ در شکل زیر دیاگرم مداری ساد‌ه‌ای از مبدل buck آورده شده است که برای کاهش ولتاژ DC استفاده می‌شود‌‌.‌‌ وجود سلف برای دستیابی به راندمان بهتر در مبدل‌ها ضروری است، زیرا می‌توانند پیک جریان در هنگام کلیدزنی را کنترل کنند و بنابراین منبع جریان ثابت را به وجود می‌آورند‌‌.‌‌

 

 

برای انتخاب مقدار سلف‌‌، باید پارامترهای مختلفی از جمله رنج ولتاژ ورودی‌‌، ولتاژ خروجی‌‌، حداکثر ریپل خروجی‌‌، حداکثر جریان بار ‌‌و غیره در نظر گرفته شود‌‌.‌‌ جریان نامی‌ سلف باید مقدار بالایی باشد تا بتواند در کل بازه در محدوده خطی باقی بماند‌‌.‌‌ همچنین سیم‌پیچ آن باید مقاومت کمی داشته باشد تا تلفات را به حداقل برساند و بازده تنظیم‌‌کننده را افزایش دهد‌‌.‌‌ همچنین اندازه آن نیز باید کوچک باشد تا بر روی PCBها قابل نصب باشد‌‌.‌‌

 

۳. فیلتر در مدارهای تشدید

یکی از رایج‌‌ترین کاربردهای سلف‌ها‌‌، تنظیم فرکانس مطلوب در مدارهای تشدید است‌‌.‌‌ آنها به طور گسترده با خازن و مقاومت‌‌، به صورت موازی یا سری‌‌، در فیلترها استفاده می‌شوند‌‌.‌‌ امپدانس سلف با افزایش فرکانس سیگنال افزایش می‌یابد‌‌.‌‌ بنابراین‌‌ یک سلف مستقل می‌تواند به عنوان یک فیلتر پائین‌گذر عمل کند‌‌.‌‌ همچنین هنگامی‌ که با یک خازن ترکیب شود‌‌، می‌توان یک فیلتر میان‌نگذر ایجاد کرد زیرا امپدانس یک خازن با افزایش فرکانس سیگنال کاهش می‌یابد‌‌.‌‌ بنابراین‌‌ می‌توانید از ترکیب‌های مختلف خازن‌‌، سلف و مقاومت استفاده کنید تا انواع مختلفی از فیلترها را بسازید‌‌.

 

۴. سلف به عنوان چوک

Choke در لغت به معنای مسدود کردن است و به این دلیل به سلف‌ها، چوک نیز می‌گویند زیرا اگر جریان متناوب از طریق سلف عبور کند، تغذیه AC را مسدود و تنها به DC اجازه عبور می‌دهد‌‌. بنابراین‌‌، می‌تواند یک تغذیه AC را به DC تبدیل کند‌‌.‌‌ به همین دلیل سلف‌ها در اکثر مدارهای منبع تغذیه یافت می‌شوند.

 

 

دیود

چهارمین قطعه الکترونیکی اساسی که می‌خواهیم معرفی کنیم، دیود، یک قطعه الکتریکی دو پایه است که مانند یک شیر یک طرفه اجازه عبور جریان الکتریکی را تنها در یک جهت می‌دهد‌‌.‌‌ امروزه، بیشتر دیودها از مواد نیمه‌‌هادی مانند ژرمانیم، سیلیکون و سلنیوم ساخته می‌شوند‌‌.‌‌ عبور جریان از دیود زمانی ممکن است که حداقل ولتاژی که ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می‌شود و چیزی حدود ۰٫۳ تا ۰٫۶ ولت می‌‌باشد، دو سر دیود و به طور مستقیم قرار گیرد‌‌.

 

کاربرد دیود در بردهای الکترونیکی

اگرچه دیودها یکی از ساده‌ترین قطعات الکترونیکی در یک برد الکترونیکی هستند، اما کاربردهای بی‌نظیری در بردهای الکترونیکی دارند که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم‌‌.

 

۱. تبدیل AC به DC (یکسوساز)

متداول‌ترین و مهمترین کاربرد یک دیود، یکسوسازی تغذیه AC به تغذیه DC است‌‌.‌‌ معمولاً برای این کار، از یکسو‌‌کننده نیم موج (تک دیود) و یا تمام موج (چهار دیود) استفاده می‌شود‌‌.‌‌ هنگامی ‌که تغذیه AC از طریق یک دیود عبور می‌کند، فقط نیمی از شکل موج AC از آن عبور می‌کند‌‌‌‌.‌‌ از آنجا که این پالس ولتاژ برای شارژ خازن به کار می‌رود، جریانهای DC ثابت و مداوم و بدون هیچگونه ریپل ایجاد می‌کند‌‌.

 

 

 

۲. مدار clamping

در مدار clamping برای تغییر یا شیف پیک مثبت یا منفی یک سیگنال ورودی به سطح مورد نظر، از یک دیود clamper استفاده می‌شود‌‌. این مدار تغییردهنده یا ترمیم‌‌کننده DC نامیده می‌شود‌‌.‌‌ مدار  clamping می‌توانند مثبت یا منفی باشد و به پیکربندی دیود بستگی دارد‌‌.‌‌

 

 

۳. مدار clipping

مدار clipping یا مدار برش دیودی، نسخه‌ای مسطح و بریده از شکل موج ورودی را در خروجی تولید می‌کند‌‌.‌‌ برای مثال، یکسوساز نیم‌ موج، یک مدار برش است، زیرا ولتاژهای کوچکتر از صفر را حذف می‌کند مدارهای برش دیودی را می‌توان در کاربردهای متنوعی برای اصلاح شکل موج ورودی با استفاده از دیودهای سیگنال و شاتکی یا برای حفاظت ولتاژ اضافی با استفاده از دیودهای زنر برای تضمین عدم عبور ولتاژ‌ خروجی از مقدار معین مورد استفاده قرار داد.

 

۴. حفاظت در برابر Spike ولتاژ

هنگامی که منبع تغذیه به طور ناگهانی قطع شود، در بیشتر بارهای القایی، ولتاژ بالایی تولید می‌شود‌‌.‌‌ این Spike ولتاژ غیرمنتظره می‌تواند به بارها آسیب برساند‌‌.‌‌ با این وجود، می‌توانید با اتصال یک دیود به دو سر بارهای القایی از تجهیزات گران قیمت محافظت کنید.

 

 

 

۵. حفاظت از جریان معکوس

معکوس کردن قطب‌های منبع تغذیه یا اتصال نادرست باتری می‌تواند باعث ایجاد جریان قابل توجهی در مدار شود.‌‌ این اتصال معکوس می‌تواند به بار آسیب برساند‌‌.‌‌ به همین دلیل یک دیود محافظ به صورت سری با قسمت مثبت ترمینال باتری وصل می‌شود‌‌.‌‌ دیود در صورت اتصال صحیح قطب‌های منبع تغذیه بایاس مستقیم می‌شود و جریان از مدار عبور می‌کند‌‌ و در صورت ایجاد اتصال نادرست، بایاس معکوس شده و اجازه عبور جریان را نمی‌دهد.‌‌

 

 

 

انواع دیود

دیود‌ها در انواع متنوعی و دارای کاربرد‌های منحصر به فرد ساخته می‌شوند که در ادامه به برخی از آنها پرداخته می‌شود‌‌.

 

 

 

۱. Led

این دیود وقتی در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد با عبور جریان از آن نور ساطع می‌شود‌‌.‌‌ و در انواع گوناگونی ساخته می‌شود.

 

 

۲. دیود زنر

دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P و N ساخته می‌شود‌‌.‌‌ جنس نیمه‌هادی‌های این دیود از سیلیکون بوده و در بایاس مستقیم، مانند یک دیود معمولی سیلیکونی است اما بر خلاف دیود‌های معمولی که در بایاس معکوس، در منطقه شکست آسیب می‌بیند، دیود زنر به گونه ای ساخته می‌شود تا بتواند در منطقه‌ی شکست کار کند‌‌.‌‌ وقتی ولتاژ مخالف دو سر دیود را به تدریج افزایش دهیم، در یک ولتاژ خاص دیود شروع به هدایت می‌کند‌‌.‌‌ با ‌هادی شدن دیود، ولتاژ دو سر آن تقریبا ثابت می‌ماند و جریان عبوری از دیود افزایش می‌یابد‌‌.‌‌ ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس‌ هادی می‌شود به ولتاژ شکست زنر معروف است‌‌.

معمولی‌ترین کاربرد دیود زنر برای تثبیت ولتاژ است‌‌.‌‌ اگر منبع ولتاژ یا مقاومت بار تغییر نماید و بخواهیم ولتاژ ثابتی دو سر بار داشته باشیم از یک دیود زنر استفاده می‌کنیم‌‌.‌‌ برای کنترل جریان زنر می‌توان یک مقاومت را با آن سری کرد.‌‌

 

۳. دیود شاتکی

در این نوع دیود که از اتصال مواد نیمه‌هادی با فلز شکل می‌گیرد‌‌، افت ولتاژ بایاس مستقیم به حداقل می‌رسد‌‌.‌‌ ماده نیمه‌هادی سیلیکون از نوع N است که به عنوان یک آند و فلز به عنوان کاتد عمل می‌کند.

به دلیل اتصال فلزی، اولا این دیودها قابلیت هدایت جریان بالایی را دارند و در نتیجه زمان کلیدزنی کاهش می‌یابد در نتیجه در کلیدزنی‌ها از دیودهای شاتکی استفاده می‌شود.‌‌ ثانیا افت ولتاژ کم می‌شود که به نوبه خود باعث افزایش عملکرد دیود و کاهش اتلاف انرژی می‌شود‌‌.‌‌ بنابراین، در یکسو‌‌کننده فرکانس بالا نیز کاربردهای فراوانی دارند.‌‌

 

۴. دیود جریان ثابت

دیود جریان ثابت همان طور که از اسمش پیداست، به عنوان دیود تنظیم‌‌کننده جریان یا دیود جریان ثابت یا دیود محدود‌‌کننده جریان یا ترانزیستور متصل به دیود شناخته می‌شود‌‌ و وظیفه آن، تنظیم ولتاژ در یک جریان خاص است‌‌.

در جدول زیر کاربردهای دیود‌های دیگری به اختصار مطرح شده است.

 

 

 

 

ترانزیستور

 

یکی از مهم‌ترین قطعات الکترونیکی اساسی، ترانزیستور می‌باشد که به عنوان سوییچ‌، تقویت‌کننده‌، تثبیت‌کننده ولتاژ و غیره در بردهای الکترونیکی استفاده می‌شود. این قطعات سه پایه، در ابتدا از نیمه‌هادی ژرمانیوم ساخته می‌شدند که بسیار نسبت به دما حساس بوده اما‌‌ امروزه، از سیلیکون به دلیل مقاومت بالا نسبت به دما و هزینه کمتر ساخت استفاده می‌شود. ترانزیستور‌ها بر اساس تکنولوژی ساخت، مطابق شکل زیر تقسیم‌بندی می‌شوند.

 

 

در شکل زیر پایه‌های دو خانواده ترانزیستورهای اثر میدانی و اتصال دو قطبی(BJT) نشان داده است و در جدول زیر با هم مقایسه شده‌اند.

 

 

ترانزیستورهای قدرت

منظور از ترانزیستورهای قدرت، ترانزیستورهایی است که می‌توانند بیش از ۱ آمپر و تا مرتبه ۱۰۰ آمپر و در فرکانس کاری ۱ تا ۱۰۰ مگاهرتز را در خروجی کنترل کنند. این ترانزیستور‌ها قادر به تقویت سیگنال‌های ولتاژ و جریان با دامنه زیاد هستند. حداکثر توان مجاز این ترانزیستور‌ها از ۱۰ تا ۳۰۰ وات است. در این ترانزیستورها مقاومت داخلی و حداکثر اتلاف حرارتی بسیار مهم است. به دلیل جریان بالای عبوری از ترانزیستور، حرارت زیادی تولید می‌شود لذا در ترانزیستورهای قدرت نیاز به خنک‌کننده (هیت سینک) وجود دارد. در شکل زیر چند نمونه از ترانزیستورهای قدرت به همراه هیت سینک نشان داده شده است.

کاربرد ترانزیستور در بردهای الکترونیکی

 

۱. کلید ترانزیستوری

طراحان اغلب از ترانزیستور در حالت اشباع(saturation) یا قطع(cut off) به عنوان سوئیچ استفاده می‌کنند که برای خاموش یا روشن کردن یک وسیله مانند LED، موتورهای الکتریکی و غیره با اعمال ولتاژ DC ثابت مورد استفاده قرار می‌گیرد. با اعمال یک سیگنال صفر به بیس، ترانزیستور خاموش می‌شود و مانند یک کلید باز عمل می‌کند، در نتیجه جریان کلکتور صفر می‌شود. اما زمانی که یک سیگنال مثبت به بیس ترانزیستور اعمال شود، روشن می‌شود و مانند یک کلید بسته عمل می‌کند و بیشینه جریان از مدار عبور می‌کند. در ناحیه قطع، جریان‌های بیس و کلکتور صفر و ولتاژ کلکتور در مقدار بیشینه خود یعنی ولتاژ تغذیه ترانزیستور است. بنابراین جریانی از ترانزیستور عبور نمی‌کند و ترانزیستور مانند سوئیچ باز عمل می‌کند.

 

در ناحیه اشباع، ترانزیستور به نحوی بایاس می‌شود که بیشترین مقدار جریان بیس اعمال شود. این عمل منجر به بیشترین جریان کلکتور و در نتیجه کمترین افت ولتاژ بین کلکتور و امیتر می‌شود. بنابراین بیشینه جریان در ترانزیستور برقرار می‌شود. در این حالت، ترانزیستور به مد روشن تغییر وضعیت می‌دهد.

ممکن است برای شما این سوال پیش بیاید که چرا از یک ترانزیستور به عنوان سوئیچ استفاده می‌شود، وقتی یک ‌‌سوئیچ ساده همان عملکرد را دارد؟ دلیل این امر این است که ترانزیستورها، سوئیچ الکتریکی هستند‌‌ یعنی یک ترانزیستور توسط جریان الکتریکی روشن یا خاموش می‌شود‌‌.‌‌ سوئیچ‌های مکانیکی نیاز به مداخله انسان دارند. کسی که آنها را فشار دهد یا آنها را به عقب بکشد‌‌.‌‌ در واقع یک ترانزیستور به شما امکان می‌دهد از یک جریان کوچک (جریان بیس) برای کنترل یک جریان بسیار بزرگتر(جریان کلکتور) استفاده کنید‌‌.

 

۲. تقویت‌کننده

با توجه به اینکه ترانزیستور دارای ۳ پایه است، انتخاب هر پایه به عنوان ورودی و خروجی، منجر به آرایش خاصی از ترانزیستور‌ها می‌شود که هر یک ویژگی‌های خود را دارد. در جدول زیر سه آرایش مختلف امیتر مشترک، کلکتور مشترک و بیس مشترک از جوانب مختلف با هم مقایسه شده‌اند.

 

 

 

۳. ‌‌ ترانزیستورهای دارلینگتون

یکی از بهترین راه‌ها برای تقویت جریان استفاده از جفت دارلینگتون است. یک جفت دارلینگتون دارای گین جریان ۱۰۰۰ یا بیشتر است؛ به طوری که فقط یک جریان کوچک بیس لازم است تا یک جریان بزرگ بین کلکتور و امیتر را کنترل کند. جفت دارلینگتون ترکیب خاصی از دو ترانزیستور(BJT) استاندارد NPN یا PNP و یا هر دو است که به هم متصل شده‌اند.

در مقاله اصول اولیه پیش از شروع طراحی برد الکترونیکی به جفت دارلینگتون با جزئیات بیشتری پرداخته شده است‌‌.

 

ترانزیستور های NPN و PNP

در انواع ترانزیستورها دیدیم که ترانزیستور‌های BJT در دو نوع NPN و  PNP ساخته می‌شوند. از هر دو نوع برای انواع کاربردها می‌توان استفاده کرد اما از نقطه نظر عملی دو نوع ترانزیستور تفاوت‌هایی نیز دارند. از جمله می‌توان گفت، در ترانزیستورNPN اگر ولتاژ بیس از امیتر بیشتر باشد، جریانی بزرگ(تقویت شده) از کلکتور به امیتر و در ترانزیستور PNP اگر ولتاژ بیس کمتر از امیتر باشد جریان از امیتر به کلکتور جریان می‌یابد. علاوه بر این، ترانزیستور PNP نسبتا نویز کمتری تولید می‌کند اما زمان سوئیچینگ آن بسیار بیشتر از ترانزیستور NPN است و درنتیجه در فرکانس های بالا نمی‌توان از آن استفاده کرد.

 

سخن آخر

از بین بیشمار قطعات الکترونیکی مورد نیاز برای طراحی و ساخت بردهای الکترونیکی، در این مقاله به معرفی قطعات الکترونیکی اساسی که در هر برد الکترونیکی یافت می‌شوند و کاربردهای متنوعی که در بردهای الکترونیکی دارند پرداخته شده است. قطعات الکترونیکی مطرح شده دارای انواع مختلفی از جهت کاربرد، تکنولوژی ساخت، اندازه و غیره می‌باشند. نوع این قطعات هنگام طراحی برد الکترونیکی با توجه به کاربرد، هزینه، اندازه‌ی برد و بسیاری از معیارهای دیگر برای ساخت برد الکترونیکی انتخاب می‌شوند.

 

برگرفته از  https://nojhanco.ir/articles/main-electronic-components/