همه چیز درباره ترانزیستور و رگولاتور و کاربردهای آن در موبایل

اگر بخواهیم یکی از انقلابی ترین قطعات را در دنیای الکترونیک نام ببریم، می توان به ترانزیستورها اشاره کرد، زیرا این قطعه گوشی از اهمیت بالایی برخوردار است. در گذشته، بعد از عصرهای زیادی همچون، عصر آهن، کشاورزی، مواد شیمیایی و غیره، عصری را به نام عصر ترانزیستور نام گذاری کردند که این نشان دهنده ی اهمیت بالای این قطعه از گذشته تا به امروز است.

ترانزیستور و رگولاتور و کاربرد آن در گوشی موبایل :

در مقاله معرفی دیود و کاربرد آنها در گوشی های موبایل، این گونه بیان شد که دیود دارای دو ناحیه ی مثبت و منفی می باشد و بین این دو ناحیه سیلیکون وجود دارد. سیلیکون ماده ای بسیاری مهمی در دیودها و ترانزیستورها می باشد. این عنصر بسیار با اهیمت می باشد به طوری که در گذشته، مهم ترین قسمت آمریکا در صنعت الکترونیک را سیلیکون ولی (Silicon Valley) یا دره ی سیلیکون نامیدند که بسیاری از مهندسان مشهور و انسان های برجسته تمایل به کار کردن در آنجا را دارند. این مورد گفته شد تا خواندگان مقاله ی ما پی به اهمیت سیلیکون ببرند

ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور قطعه ای نیمه هادی است که برای تقویت کردن سیگنال های ورودی استفاده می شوند. ترانزیستور متشکل از قطعات جامد هستند و دارای سه ترمینال «اEmitter»، «Collector» و «Base» هستند که به دیگر اجزای مدار الکتریکی متصل می ‌شوند. ترانزیستور که یک عنصر اکتیو است وظیفه تقویت ولتاژ یا سوئیچ کردن و تامین ولتاژ اولیه برای راه اندازی مدار را بر عهده دارد.

در ترانزیستورها تصور کنید دو دیود به هم چسبیده اند، به این حالت که سه ناحیه را ایجاد کنند، که یک ناحیه ی مثبت و دو ناحیه منفی را بوجود آورده است و بین ناحیه مثبت و منفی نیز ناحیه ی تهی قرار گرفته است که در شکل زیر با رنگ زرد نشان داده شده است.

اگر به ناحیه ی مثبت، ولتاژ کمی وارد کنیم، مقداری الکترون به این ناحیه داده شده و باعث وصل شدن ناحیه های داخل ترانزیستور خواهد شد و کل مسیر با سوئیت و انتخاب ما وصل می گردد.

در دیودها گفته می شد که اگر به دو سر دیود، ولتاژ داده شود، سد بین دو ناحیه شکسته می شود و الکترون ها از سد عبور کرده و به قسمت کم الکترون می روند ولی در اینجا ما همانند کلید عمل کرده و به آنها اعلام می شود که مسیر را وصل کنید. پس مهمترین بحث ترانزیستورها بحث کلید زنی آن می باشد.

ساختار ترانزیستور

در دنیای ترانزیستورها دو مدل و یا حالت وجود دارند که عبارتند از: NPN و PNP

ترانزیستور NPN: اگر در ترانزیستور در قسمت بالا ناحیه ی منفی وجود داشته باشد بعد ناحیه ی مثبت با آن چسبیده باشد و بعد از آن مجدداً ناحیه منفی قرار بگیرد، به آن ترانزیستور NPN گفته می شود یا اصطلاحاً ترانزیستور منفی نامیده می شود.

ترانزیستور NPN

ترانزیستور PNP: در حالت دیگر اگر در دو طرف ترانزیستور دو ناحیه مثبت وجود داشته باشد و در بخش میانی ناحیه منفی قرار بگیرد به آن ترانزیستور PNP گفته خواهد شد، که اصطلاحاً ترانزیستور مثبت نامگذاری می شود.

ترانزیستور PNP

در ادامه به شما خواهیم گفت که این دو نوع ترانزیستورها چه تفاوت هایی دارند و کاربرد هر کدام در چه جاهایی بیشتر است.

در هر ترانزیستور سه پایه ی خروجی وجود دارد که یکی از آنها پایه امیتر (emitter) است که به معنی منتشر کننده می باشد و بعدی پایه بیس (base) است که پایه ترازیستور بوده و بعدی نیز جمع کننده یا کلکتور (collector) نام دارد. پس در مدارها پایه ی امیتر را با حرف E و پایه ی بیس را با حرف B و پایه ی کلکتور را با حرف C نشان می دهند

شکل زیر مربوط به ترازیستور NPN، PNP است که کاربردهای متفاوتی دارند ولی NPN طرفداران بیشتری دارد. بخش های مختلف آنها در این شکل مشخص شده است.

بخش های مختلف ترازیستور NPN، PNP

همانطور که در تصویر بالا می بینید، اگر فلشی که بر روی امیتر است به سمت بیرون باشد ترانزیستور NPN است و اگر فلش به سمت داخل باشد ترانزیستور PNP است. پس این فلش تعیین کننده نوع ترانزیستور می باشد که باید به آن دقت شود.

اگر بخواهیم به زبان ساده بیان کنیم، باید گفت: در هر ترانزیستور دو کار صورت می گیرد که اگر ولتاژ کوچکی به پایه base داده شود، ارتباط بین دو بخش امیتر و کلکتور وصل می گردد. و در حالت بعدی وقتی ولتاژ کوچکی به base داده می شود، بین دو پایه تقویت می گردد.

انواع ترانزیستورها

ترانزیستور‌ها انواع مختلفی دارند که هر کدام کاربرد‌های متفاوتی دارند و به طور کلی به چهار طبقه زیر تقسیم می شوند:

ترانزیستور دو قطبی پیوندی (BJT)
ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JEFT)
ترانزیستور اثر میدانی (EFT)
ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET)
ترانزیستور دو قطبی پیوندی (BJT)

این ترانزیستور از دسته ترانزیستورهای BJT است که از دو نیمه‌ هادی نوع N تشکیل شده است و بین آنها لایه نازکی از نیمه ‌هادی نوع P قرار گرفته است که آن ‌ها را از هم جدا می‌ کند. در ترانزیستورهای دو قطبی، الکترون ها، اکثریت حامل ‌های بار هستند و جریان از پایه ‌های بیس و کلکتور به سمت امیتر منتشر می شود. ساختار آن شبیه این است که دو دیود از آند به یکدیگر متصل شوند.

ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JEFT)

این ترانزیستور جزء اولین و ساده ترین نوع ترانزیستور FET هستند که کاربرد آنها به عنوان سوئیچ، تقویت ‌کننده و مقامت می باشد. این نوع ترانزستورها با ولتاژ کنترل می ‌شوند و به جریان بایاس نیز احتیاجی ندارند. ولتاژ اعمال شده بین گیت و منبع، جریان الکتریکی بین تخلیه و منبع را کنترل می‌کند.

ترانزیستور پیوند اثر میدانی (JEFT)

شکل های مختلف ترانزیستور در تصویر زیر آمده است:

نکته قابل توجه: همانطور که در شکل زیر مشخص شده است، ترانزیستور دو پایه دارد، زیرا بدنه، خود به جای کلکتور عمل می کند. پس هر جا دیدیم که در ترانزیستور دو پایه وجود دارد باید بدانید بدنه کلکتور می شود و اگر سه پایه داشت گاهی اوقات بدنه به کلکتور وصل است.

ترانزیستور دو پایه دارد

ولی باید یاد بگیریم که برای شناسایی دیودها و ترانزیستورها از طریق دیتا شیت آنها تشخیص دهیم که کلکتور و بیس کجاست، در قانون کلی ترانزیستورها، base در وسط قرار می گیرد ولی همانطور که در این شکل مشخص شده است، base در کنار و کلکتور در وسط قرار گرفته است.

base در کنار و کلکتور در وسط قرار گرفته است

در ترانزیستورهای دیگر جای پایه ها متفاوت است. پس باید از روی دیتا شیت آنها از نحوه قرارگیری پایه اطلاع پیدا کرد. بدین صورت که شماره فنی که بر روی ترانزیستور است را درگوگل سرچ کرده و دیتاشیت آن بالا می آید و از روی آن ببینید در این مدلی که شما دارید، پایه ها به چه صورت قرار گرفته اند. پس اینطور نیست که همیشه base وسط باشد و حالت های دیگری نیز وجود دارد.

کاربردهای اصلی ترانزیستور در مدارهای الکترونیکی

در زیر به برخی از کاربردهای اصلی ترانزیستور در مدارهای الکترونیکی اشاره شده است

سوئیچ کردن یا همان قطع و وصل کردن: به این معنی ست که دادن ولتاژ به base باعث وصل شدن دو پایه دیگر می شود.

تقویت کردن ولتاژ در کلکتور

تثبیت کننده ولتاژ

نوسان ساز: ترانزیستور با ترکیب خازن، سلف و غیره باعث نوسان سازی می شود.

در همه ی مدارها ترانزیستور را با شکل V و یا Q نشان می دهند.

پس اگر بخواهیم دو نکته مهم و با اهمیت را در بحث ترانزیستورها نام ببریم، یکی تشخیص نوع NPN یا PNP بودن آنهاست (به کمک فلش روی امیتر) و دومی نوع کاربرد آنها می باشد.

نکات قابل توجه در مورد ترانزیستورها

در زیر به برخی از نکاتی که هنگام استفاده و کار با ترانزیستورها باید رعایت کرد اشاره شده است:

ترانزیستور با جریان کار می کند نه با ولتاژ

نقطه ی کار ترانزیستور (یعنی در چه مواردی کاربرد بهتر و مفیدتری دارد). برای مثال در یک بلندگو با یک ترانزیستور با دادن ولتاژ ۰٫۵ولت، آن را تقویت کرده و ۱۰ ولت خروجی دارد.
به ولتاژ دادن به پایه ها اصطلاحاً بایاس ترانزیستور گفته می شود.
ناحیه اشباع: این اصطلاح در بخش قطع و وصل کردن استفاده می شود یعنی اگر به base ولتاژ دهیم و دو پایه ی دیگر به صورت کامل وصل شوند و همه ولتاژ باتری به آنها وارد شود، آن ناحیه را اشباع می گویند.
ناحیه قطع: در حالتی که ولتاژ کافی به پایه داده نشود و دو پایه وصل نشده است، ناحیه قطع گفته می شود
برای اینکه بتوان از ترانزیستور به عنوان سوئیچ و تقویت کننده و غیره استفاده کرد باید ترانزیستور را از نظر ولتاژ DC تغذیه کرد. به این عمل تغذیه ولتاژ پایه های ترانزیستور، بایاس ترانزیستور گفته می شود.
در حالت سوئیچ کردن در ترانزیستور NPN وقتی جریان کمی به base داده می شود، ولتاژ زیادی از کلکتور به امیتر وارد می شود. (شکل سمت چپ)
در حالت تقویت ترانزیستور، که کاربرد بیشتری دارد جریان به base داده شد و بعد باعث می شود ولتاژ بیشتری به کلکتور برود. (شکل سمت راست)

آزمایش ترانزیستورها

برای آزمایش ترانزیستور، ابتدا باید پایه های آن را از اهم تشخیص داد. برای این امر مولتی متر را در حالت دیود قرار می دهیم، یکی از پایه ها را نسبت به دو پایه دیگر تست می کنیم، هر کدام از پایه ها که به دو پایه دیگر راه داد و عدد نشان داد، آن پایه بیس (B) است. هرکدام که نسبت به دیگری عدد بیشتری نشان دهد امیتر (E) و پایه دیگرکلکتور (C) است.

در یک ترانزیستور سالم، پایه بیس به دو پایه امیتر و کالکتور راه می دهد و در حالت آزمایش دیود مقاومتی بین ۲۰۰ تا ۷۰۰ نشان خواهد داد؛ در غیر این صورت ترانزیستور خراب و باید تعویض شود. چنانچه هیچکدام از پایه ها راه نداد و یا مقاومت هر سه پایه یکسان بود ترانزیستور معیوب است.

آزمایش ترانزیستورها

در ادامه به بحث رگولاتور و کاربرد آن در برد گوشی های موبایل می پردازیم

رگولاتور

رگولاتور به عنوان تنظیم کننده و تثبیت کننده ولتاژ در طراحی مدارات برد موبایل استفاده می شود.

همان طور که می دانید ولتاژ ورودی مدارات مختلف موبایل همان ولتاژ باطری است که حدود ۴ ولت می باشد، اما در بعضی قسمت ها ممکن است این میزان ولتاژ کمتر از ولتاژ نامی باطری باشد، در آن حالت است که از رگولاتور استفاده می شود تا آن میزان مصرف قطعه به وسیله رگولاتور تنظیم شود

رگولاتور SMD به کار رفته در مدار موبایل معمولاً به صورت یک آی سی کوچک ۴ الی ۹ پایه استفاده می شود.

در مورد رگولاتورها پایه ورودی و خروجی ولتاژ از اهمیت بیشتری برخوردار است. در شکل زیر یک رگولاتور دوربین آیفون ۶ را میبینیم که پایه ورودی ولتاژ(VDD) معادل ولتاژ باتری (V-BAT یا Vcc Main) اعمال شده و در پایه خروجی (VOUT) ولتاژ ۲٫۸۵ ولت برای تغذیه دوربین فراهم گردیده است. در صورتی که در خروجی رگولاتور خازن متصل به مسیر خروجی میزان ولتاژ مد نظر را نداشت، رگولاتور خراب است و باید تعویض شود.

سوالات تخصصی عمومی و تخصصی کاربران: پیشنهادها و نکات ضروری – همه چیز درباره ترانزیستور و رگولاتور و کاربردهای آن در موبایل

۱. ترانزیستور چیست؟

ترانزیستور یک قطعه الکترونیکی است که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنال‌ها و انرژی در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. در واقع، ترانزیستورها می‌توانند به عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی عمل کنند که جریان الکتریکی را کنترل می‌کنند. این قطعات از جنس نیمه‌هادی‌ها ساخته می‌شوند و معمولاً در دو نوع اصلی NPN و PNP موجود هستند.

۲. کاربردهای ترانزیستور در موبایل چیست؟

ترانزیستورها نقش مهمی در مدارهای مختلف گوشی‌های موبایل ایفا می‌کنند:

• تقویت سیگنال‌ها: ترانزیستورها در تقویت سیگنال‌ها به ویژه در مدارهای رادیویی و ارتباطات بی‌سیم موبایل‌ها کاربرد دارند.
• عملکرد به عنوان سوئیچ: ترانزیستورها در موبایل به‌عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی برای روشن و خاموش کردن مدارها استفاده می‌شوند.
• مدارهای دیجیتال: در پردازنده‌های موبایل و حافظه‌ها برای انجام عملیات‌های منطقی و ریاضی از ترانزیستورها استفاده می‌شود.

۳. رگولاتور چیست و چگونه در موبایل کاربرد دارد؟

رگولاتورهای ولتاژ، دستگاه‌هایی هستند که برای تنظیم ولتاژ در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند. این رگولاتورها به دو دسته خطی و سوئیچینگ تقسیم می‌شوند:

• رگولاتورهای خطی: این نوع رگولاتورها از یک ترانزیستور برای ثابت نگه داشتن ولتاژ استفاده می‌کنند. آنها معمولاً در مدارهای موبایل برای تنظیم ولتاژ مصرفی بخش‌های مختلف موبایل به کار می‌روند.
• رگولاتورهای سوئیچینگ: این نوع رگولاتورها از تکنیک سوئیچینگ برای تبدیل ولتاژ به ولتاژ دلخواه استفاده می‌کنند. این رگولاتورها معمولاً برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در موبایل‌ها و دستگاه‌های قابل حمل استفاده می‌شوند.

۴. کاربرد رگولاتور در موبایل

• تأمین ولتاژ ثابت: رگولاتورها در موبایل‌ها به‌منظور تأمین ولتاژ ثابت برای قطعات مختلف مانند پردازنده، دوربین و صفحه‌نمایش استفاده می‌شوند. این تأمین ولتاژ ثابت موجب عملکرد صحیح دستگاه بدون اختلالات ناشی از تغییرات ولتاژ می‌شود.
• افزایش عمر باتری: رگولاتورهای سوئیچینگ به دلیل راندمان بالا، می‌توانند انرژی را به‌طور بهینه‌تری نسبت به رگولاتورهای خطی مصرف کنند، بنابراین به حفظ عمر باتری کمک می‌کنند.
• پایداری عملکرد: رگولاتورها از نوسانات ولتاژ جلوگیری می‌کنند که باعث پایداری عملکرد موبایل در حین استفاده می‌شود.

۵. چرا ترانزیستورها و رگولاتورها در موبایل‌ها مهم هستند؟

• کاهش مصرف انرژی: رگولاتورهای ولتاژ سوئیچینگ و ترانزیستورهای با مصرف کم در موبایل‌ها برای کاهش مصرف انرژی و افزایش عمر باتری بسیار اهمیت دارند.
• کنترل دقیق ولتاژ: بسیاری از قسمت‌های موبایل به ولتاژ ثابت و دقیق نیاز دارند. رگولاتورها این ولتاژ را فراهم می‌کنند و ترانزیستورها به کنترل جریان‌های مختلف در مدار کمک می‌کنند.
• تقویت سیگنال‌ها: ترانزیستورها در تقویت سیگنال‌های دریافتی از شبکه‌های بی‌سیم و تلفن همراه برای تماس‌ها و اینترنت پرسرعت ضروری هستند.

۶. نکات ضروری هنگام استفاده از ترانزیستور و رگولاتور در موبایل

• نصب صحیح: نصب صحیح ترانزیستورها و رگولاتورها در مدارهای موبایل برای عملکرد درست ضروری است.
• انتخاب قطعات با کیفیت: استفاده از قطعات با کیفیت و استاندارد موجب بهبود کارایی و کاهش خرابی‌ها در طول زمان می‌شود.
• مراقبت از دما: ترانزیستورها و رگولاتورها معمولاً در دماهای بالا به کار می‌روند، بنابراین توجه به تهویه مناسب و کنترل دما برای جلوگیری از آسیب به قطعات بسیار مهم است.

۷. آیا ترانزیستورها و رگولاتورها در طول زمان خراب می‌شوند؟

بله، مانند هر قطعه الکترونیکی دیگر، ترانزیستورها و رگولاتورها نیز ممکن است به دلیل استفاده طولانی، گرما یا آسیب‌های فیزیکی خراب شوند. بنابراین، مهم است که از گوشی موبایل خود مراقبت کنید و در صورت بروز مشکلاتی مانند خاموشی‌های ناگهانی یا نوسانات ولتاژ، به‌سرعت به تعمیرات و تشخیص مشکلات داخلی گوشی اقدام کنید.

نتیجه‌گیری:

ترانزیستورها و رگولاتورها اجزای حیاتی در عملکرد گوشی‌های موبایل هستند که بدون آنها، بسیاری از عملکردها و ویژگی‌های پیچیده این دستگاه‌ها غیرممکن می‌شود. این قطعات به‌ویژه در مدیریت انرژی و کنترل ولتاژ نقشی اساسی دارند که بر عملکرد دستگاه و طول عمر باتری تأثیر می‌گذارد.