نیمه رسانا ها
1 بیان ساده شده نظریه نیمرسانا
نیمرسانا ماده ای است که مقاومت ویژه آن خیلی کمتر از مقاومت ویژه عایق و در عین حال خیلی بیشتر از مقاومت ویژه رساناست، و مقاومت ویژه اش با افزایش دما کاستی می پذیرد. مثلا، مقاومت ویژه مس 8-10اهم – متر کوا رتز1012 اهم – متر، و مقاومت ویژه مواد نیمرسانای، یعنی سیلیسیم 5/ . اهم- متر و از آن ژرمانیم 2300 اهم -متر در دمای c27 است. برای درک عملکرد نیمرسانا ها و ابزار نیمرسانا، قدری آشنایی با مفاهیم اساسی ساختار اتمی ماده ضروری است.
2 دیودهای نیمرسانا
ساختمان
دیود نیمرسانا وسیله ای است که در مقابل عبور جریان، در یک جهت مقاومت زیاد و در جهت دیگر مقاومت کمی برو ز می دهد. دیود را به طور گستردهای و برای اهداف گوناگون در مدارهای الکترونیکی به کار می گیرند و اساساً شامل یک پیوند p-n است که از بلور سیلیسیوم و یا ژرمانیم تشکیل می شود. (شکل ب) نماد دیود نیمرسانا در شکل الف نموده شده است.
جهتی که دیود در مقابل عبور جریان مخالفت کمی بروز می دهد با سر پیکان نشان داده شده است.
دیود نیمر سانا نسبت به دیود گرما یونی از مزایای زیادی برخوردار است، این دیود به منبع گرم کن نیاز ندارد، بسیار کوچک تر و سبک تر است ، و قابلیت اطمینان بسیار بیشتری دارد.
ژرمانیم یا سیلیسیمی که در ساخت دیود نیمرسانا به کار می رود باید ابتدا تا رسیدن به غلظت نا خالصی کمتر از یک جزء در 10 10 جزء پالوده شود. سپس اتمهای ناخالصی مطلوب، بخشنده ها یا پذیرنده ها، به مقادیر مورد لزوم اضافه شده و ماده به شکل یک تک بلور ساخته می شود.
برای ساختن پولک ژرمانیم نوع n مقداری ژرمانیم ذاتی را با کمی ناخالصی در یک بوته ودر خلا ذوب می کنند، ویک بلور هسته را تا عمق چند میلیمتری در مذاب فرو می برند. دمای ژرمانیم مذاب درست بالای نقطه ذوب بلور هسته قرار دارد، و چند میلیمتری از هسته غوطه ور در مذاب نیز ذوب می شود. این هسته با سرعت ثابتی چرخانده می شود و همزمان به آرامی از مذاب بیرون کشیده می شود، بدین سان یک بلور نوع n تشکیل شده است. با کنترل دقیق این فرایند می توان به غلظت نا خالصی مورد نیاز دست یافت.
قرصی از ایندیم در یک پولک ژرمانیم قرار می دهند و به آن دمای با لاتر از نقطه ذوب ایندیم ولی پایین تراز نقطه ذوب ژرمانیم حرارت داده می شود. ایندیم ذوب می شود و ژرمانیم را حل می کند تا اینکه محلول اشباح شده از ژرمانیم در ایندیم به دست آید. سپس پولک به آرامی سرد می شود و در خلال سرد شدن یک ناحیه ژرمانیم نوع p در پولک تولید شده و آلیاژی از ژرمانیم و ایندیم (عمدتاً ایندیم) در پولک ته نشین می شود. پیوند p-n آلیاژ سیلیسیم را نیز می توان با همین روش و با بکارگیری آلومینیوم به عنوان پذیرنده، تشکیل داد.
ژرمانیم نوع p تا دمای خیلی نزدیک به نقطه ذوب ژرمانیم گرم می شود، و پیرامون آن را عنصر بخشنده آنتیموان که گازی شکل است فرا می گیرد. اتم های آنتیموان در ژرمانیم پخش می شود تا یک ناحیه نوع nرا تولید کند. اگر از یک بلور نوع n استفاده شود، گالیوم گازی شکل به عنوان عنصر پذیرنده برای تهیه ناحیه نوع p در بلور بکار می رود. وقتی قرار است وسیله ای سیلیسیمی ساخته شود، از بور به عنوان عنصر پذیرنده و از فسفر به عنوان عنصر بخشنده استفاده می شود.
دیود پیوندی شامل بلوری است که هم دارای ناحیه نوع p و هم ناحیه نوع n است. دیود های پیوندی یا از ژرمانیم ساخته می شود و یا از سیلیسیم، اولی دارای مزیت مقاومت مستقیم کمتر و دومی از مزیت داشتن ولتاژ شکست بیشتر و جریان اشباع معکوس کمتر برخوردار است. اتصال به پیوند با سیمهایی که به هر یک از این دو ناحیه وصل شده، برقرار می شود. معمولاً برای جلوگیری از نفوذ رطوبت کل وسیله را در محفظه ای بسته قرار می دهند.
دیودهای اتصال- نقطه ای
اصولاً دیود اتصال- نقطه ای از یک قرص ژرمانیم نوع n که نوک یا سبیلهایش، از سیم تنگستنی است و بر رویه آن فشرده می شود، تشکیل یافته است. اتصال به سبیل از طریق دو سیم مسی انجام می شود در خلال ساخت دیود اتصال- نقطه ای، یک تپ جریان از دیود عبور می کند و باعث می شود که در مساحتی از قرص و درست در مجاورت نوک سبیل یک ناحیه نوع p تشکیل شود. در این حالت پیوند n-p که ظرفیت در قرص ایجاد شده است.
انواع دیودها و کاربرد آن ها
پارامترهای مهم دیودهای نیمرسانا عبارتند از :
1- مقاومت های a.c. مستقیم و معکوس.
2- جریان مستقیم حداکثر.
3- ظرفیت پیوند.
4- فعالیت در ناحیه شکست.
انواع اصلی دیود که در مدارهای الکترونیکی جدید بکار می روند، عبارتند از :
1- دیودهای سیگنالی.
2- دیودهای توان.
3- دیودهای زنر.
4- دیودهای با طرفیت متغیر (ورکتور).
1. دیودهای سیگنالی
اصطلاح دیود سیگنالی تمامی دیودهایی را در بر می گیرد که در مدارهایی که مقادیر اسمی زیاد جریان یا ولتاژ نیاز نیست بکار می روند. شرایط معمولی عبارتند از نسبت بزرگ مقاومت معکوس به مقاومت مستقیم و حداقل ظرفیت پیوند. برخی دیودهای موجود در بازار از انواعی هستند که کاربردهای آن دارند، دیودهای دیگری از این نوع یافت می شوند که کاربردهای مداری خاص، مثلاً، آشکار ساز، امواج رادیویی، یا کلیدالکترونیکی در مدارهای منطقی بسیار مناسبند. حداکثر ولتاژ معکوس، یا ولتاژ معکوس قله، که معمولاً از دیود انتظار ارائه آن می رود معمولاً خیلی بالا نیست، حداکثر جریان مستقیم هم بالا نیست. بیشتر انواع دیود سیگنالی دارای ولتاژ معکوس قله ای در گستره v30 تا v 150 و حداکثر جریان مستقیم در حدود بین 40 وmA250 است. ولی اخیراً می توان به مقادیر بالاتری دست یافت.
2. دیودهای توان
دیودهای توان را غالباً برای تبدیل جریان متفاوب به جریان مستقیم، مانند یک سوسازها، بکار می برند. پارامترهای مهم دیود توان عبارتد از ولتاژ معکوس قله، حداکثر جریان مستقیم و نسبت مقاومت. ولتاژ معکوس قله احتمالاً دست در گستره V50 تا V1000 است با حداکثر جریان مستقیم که شاید A30 است. مقاومت مستقیم باید تا حد امکان پایین باشد تا از افت چشمگیری در ولتاژ دو سر دیود وقتی که جریان مستقیم زیادی جریان دارد جلوگیری می کند؛ معمولاً این مقاومت خیلی بیشتر از یک یا دو اهم نیست.
3. دیودهای زنر
جریان معکوس بزرگی که در هنکام در گذشتن ولتاژ دو سر دیود از ولتاژ شکست دیود، جاری می شود لزوماً نباید باعث آسیب رساندن به وسیله شود.
دیود زنر چنان ساخته شده است که به آن امکان می دهد در بدون خراب شدن، در ناحیه شکست کار کند، به شرط آن که جریان از طریق مقاومت خارجی به یک مقدار مجاز محدود شود. جریان زیاد در ولتاژ شکست یا دو عامل، به نام اثر زنر و اثر بهمنی، فراهم می آید در ولتاژهایی تا حدود V5 میدان الکتریکی نزدیک به پیوند چندان شدید است که می تواند الکترونها را از پیوند کوالانسی که اتم ها را کنار هم نگاه می دارد بیرون بکشد. زوجهای حفره- الکترونهای اضافی تولید می شوند و این زوج ها برای افزودن جریان معکوس در دسترسند. این اثر ر ا اثر زنر می نامند.
اثر بهمنی وقتی پیش می آید که ولتاژ پیش ولت مخالف بیش از V5 یا در همین حدود باشد. سرعت حرکت حاملین بار از میان شبکه بلور چندان افزایش می یابد که این بارها به اندازه کافی دارای انرژی جنبشی شوند که اتم ها را در اثر برخورد یونیده کنند. اتمی را یونیده گویند که یکی از الکترونهای خود را ازدست داده باشد. بدین سان حاملین بار اضافی تولید شده از میان شبکه بلور عبور می کنند و ممکن است با سایر اتم ها نیز برخورد کرده و حتی از طریق یونش حاملین بیشتری ایجاد کنند. در این روش تعداد حاملین بار، و در نتیجه جریان معکوس، به سرعت افزایش می یابد.
دیودهای زنر با ولتاژهای مرجع استاندارد شده متعددی قابل دسترسند. مثلاً، می توان بهدیود زنری با یک ولتاژ (شکست) مرجع V2/8 دست یافته. نام دیگر این وسیله دیود مرجع ولتاژ است. رایج ترین کاربرد دیود زنر در مدارهای پایدارنده ولتاژ است این نوع دیود را به عنوان مرجع ولتاژ نیز بکار می برند.
3 ترانزیستور
انواع ترانزیستور
ترانزیستور وسیله ای نیمرساناست که می تواند سیگنال الکتریکی را تقویت کند، به عنوان کلید الکترونیکی عمل کند، و عملکردهای متعدد دیگری داشته باشد. اساساً ترانزیستور شامل یک بلور ژرمانیم یا سیلیسیم و حاوی سه ناحیه مجزا است. این سه ناحیه ممکن است دو ناحیه نوع p باشد که یک ناحیه نوع n از آنها را جدا کرده است یا دو ناحیه نوع n که با یک ناحیه نوع p از هم جدا شده اند. نوع اول، ترانزیستور p-n-p و نوع دوم ترانزیستور نوع n-p-n است، کاربرد این هر دو نوع ترانزیستور متداول است، و گاهی هم هردو در یک مدار واحد مورد استفاده قرار می گیرند، ولی بحث ما در این فصل درباره ترانزیستور نوع p-n-p است. اما برای عملکرد مربوط به ترانزیستور n-p-n لازم است حفره را به جای الکترون، الکترون را به حای حفره، منفی را به جای مثبت و مثبت را به جای منفی بخوانیم.
میانه سه ناحیه ترانزیستور بیس (پایه) و دو ناحیه بیرونی امیتر (گسیلنده) و کلکتور گردآور نامیده می شود. در اغلب ترانزیستورها ناحیه کلکتور از نظر فیزیکی بزرگتر از ناحیه امیتر ساخته می شود، چون انتظار می رود ناحیه توان بیشتری را تلف کند. نماد ترانزیستور p-n-p در شکل(الف) و نماد ترانزیستور در شکل (ب) نموده شده است. توجه کنید که سر پیکان سیم امیتر در دو شکل با جهتهای مختلفی نشان داده شده است، که در ترانزیستور n-p-n به خارج نشانه رفته اند. بزودی مشخص خواهد شد که سر پیکان جهت حرکت حفره ها را در داخل امیتر نشان می دهند.
ترانزیستورها نسبت به لامپ های گرمایونی مزایای زیادی دارند؛ شاید مهم ترین امتیاز این است که ترانزیستورها نسبت به لامپ گرمایونی، پیش از شروع به کار نیاز به منبع توانی برای گرم شدن ندارد. همین نکته باعث می شود که وسیله های ترانزیستوری بعد از وصل شدن کلید خیلی سریع تر از وسیله لامپی شروع به کار می کند. مصرف توان نیز در این حالت بسیار کمتر است و این موضوع مخصوصاً برای تجهیزات بزرگ مانند کامپیوتر از اهمیت زیادی برخوردار است. مزایای دیگر ترانزیستور، اندازه کوچک تر آنها، ولتاژ کارکرد بسیار پایین و پایداری بهترشان است.
طرز کار ترانزیستور
ترانزیستور p-n-p شامل دوپیوند p-n است و معمولاً طوری کا ر می کند که یک پیوند، پیوند امیتر- بیس با پیش ولت موافق، و دیگری، پیوند کلکتور – بیس، با پیش ولت مخالف است. این نکته را همراه با جهت جریانهای گوناگونی از ترانزیستور می گذرند. قرارداد متداولی که بنا بر آن جهت جریان مخالف جهت حرکت الکترونهاست به کار گرفته شده است.
توجه کنید که، در ابندا، ولتاژ امیتر- بیس، Eeb ، صفر است بنابراین این جریان حامل بار اکثریتی که از پیوند امیتر- بیس می گذرد برابر است با جریان حامل باراقلیتی جاری جهت مخالف و جریان خالص پیوند صفر است. پیوند کلکتور- بیس به وسیله ولتاژ پیش ولت Eeb به پیش ولت معکوس تبدیل می شود و از این رو یک جریان حامل بار اقلیتی از سیم کلکتور می گذرد. این جریان، جریان اشباع معکوس است که در فصل پیش مورد بحث قرار گرفت ولی اکنون جریان نشتی کلکتور نامیده شده با نماد ICBO نموده می شود.
اگر ولتاژ پیش ولت امیتر – بیس در جهت مثبت به اندازه چند دهم ولت افزایش یابد، پیوند امیتر- بیس با پیش ولت موافق بوده و یک جریان حامل بار اکثریتی جاری می شود. این جریان شامل حرکت انقالی حفره ها از امیتر به بیس و گذر الکترونها از بیس به امیتر است. فقط جریان حفره ها برای کار ترانزیستور مفید است، که این نکته بزودی روشن خواهد شد، و بنابراین از طریق آلایش بیس، که خیلی دقیق تر از آلایشی است که در امیتر انجام می گیرد، این جریان را از جریان الکترون خیلی بیشتر می کنند. نسبت جریان حفره به کل جریان امیتر را نسبت تزریق امیتر یا کارایی امیتر می نامند، و با نماد نشان می دهند. معمولاً، تقرباً برابر 995/0 است و به این معناست که فقط 5/0% جریان امیتر شامل عبور الکترون از بیس به امیتر است.
حفره ها فوراً ازپیوند امیتر- بیس می گذرند، و گفته می شود که به درون بیس گسیلیده یا تزریق شده اند، و به حاملین بار اقلیتی تبدیل شده و پخش شدن در عرض بیس به سوی پیوند بیس- کلکتور را آغاز می کنند. از آنجا که بیس بسیار باریک بوده و نیز رقیق آلاییده شده است، اکثر حفره های گسیلیده به پیوند کلکتور- بیس می رسند و بار الکترون آزاد بر سر راه خود باز ترکیب نمی شوند. حفره های گسیلیده با رسیدن به پیوند، جریان حامل بار اقلیتی را افزایش داده و از پیوند عبور کرده و مایه افزایش جریان کلکتور می شود. نسبت تعداد حفرههای وارده به کلکتور به تعداد حفره های گسیلیده عامل انتقال بیس، با نماد β، نامیده می شود. معمولاً: 995/0=β.
1- جریان کلکتور کمتر از جریان امیتر است زیرا: (الف) بخشی از جریان امیتر شامل الکترونهایی است که در جریان کلکتور شرکت ندارند و (ب) تمام حفره های تزریق شده به بیس موفق نمی شوندبه کلکتور برسند. عامل (الف) با نسبت تزریق امیتر و عامل (ب) با ضریب انتقال بیس نموده می شود؛ بدین سان نسبت جریان کلکتور به جران امیتر برابر است با γβ با نشاندن مقادیر معمولی ذکر شده برای γ و β روشن می شود که معمولاً، جریان کلکتور تقریباً 99/0 برابر جریان امیتر است.
2- جریان بیس کوچک بوده و سه مولفه دارد: (الف) یک جریان الکترون ورودی به بیس برای نشاندن حفره های پخش به جای الکترونهای از دست رفته از طریق ترکیب مجدد، (ب) جریان الکترون حامل بار اکثریتی جاری شده از بیس به امیتر، و (ج) جریان نشتی کلکتور، ICBO. دو مولفه اول جریانهایی هستند که به خارج از بیس جاری شده و روی هم رفته از ICBO که به داخل بیس جاری می شود بزرگتر است، از اینرو کل جریان بیس، به خارج از بیس جاری می شود. کل جریان جاری شده به درون ترانزیستور باید برابر کل جریان خارج شده از آن باشد و از اینرو جریان امیتر، IE ، برابر است با مجموع جریانهای کلکتور و بیس، به ترتیب Ic و Ib .
3- اگر جریان امیتر به هر وسیله ای تغییر کند، تعداد حفره های ورودی به کلکتور، و در نتیجه جریان کلکتور و نیز به همان ترتیب تغییر می کند. مقدار ولتاژ کلکتور- بیس، Vcb تاثیر نسبتاً ناچیزی بر جریان کلکتور دارد، که به زودی به این، نکته خواهیم رسید. بنابراین، کنترل جریان خروجی (کلکتور) را می توان از طریق جریان ورودی به امیتر انجام داد و این جریان نیز به نوبه خود، می تواند با تغییر ولتاژ پیش ولت اعمال شده به پیوند امیتر- بیس کنترل شود. افزایش ولتاژ پیش ولت (که در جهت مستقیم است) ارتفاع سد پتانسیل را کاهش داده و جاری شدن جریان امیتر بیشتر را ممکن می کند؛ برعکس، کاهش ولتاژ پیش ولت جریان امیتر را کاهش می دهد.
4- نسبت جریان خروجی ترانزیستور به جریان ورودی آن در غیاب یک سیگنال a.c. بهره جریان D.C. ترانزیستور نامیده می شود. در بحث پیشین جریان خروجی جریان کلکتور، Ic ، و جریان ورودی جریان امیتر، Ie، بوده است.
علامت منفی نشانه این است که جریانهای ورودی و خروجی در جهت های مخالف جاری می شوند. بنابر قرارداد، جریانی که به ترانزیستور وارد می شود مثبت و جریانی که از آن خارج می شود منفی است. از آنجا که کار ترانزیستور به حرکت حفره ها و الکترونها، هر دو، بستگی دارد در واقع باید این وسیله را "ترانزیستور دو قطبی" نامید.
5- ترانزیستور را می توان به یکی از سه روشی در یک مدار وصل کردکه در هر حالت یک الکترود در ورودی و خروجی مشترک است. از این رو چنین اتصالی به نام الکترود مشترک توصیف می شود؛ مثلاً، در اتصال بیس- مشترک، بیس هم در ورودی و هم در خروجی مشترک است، سیگنال ورودی بین امیتر و بیس تغذیه می شود، و سیگنال خروجی بین کلکتور و بیس ظاهر می شود. در تمام اتصالات، پیوند بیس- امیتر همواره با پیش ولت موافق و پیوند کلکتور – بیس پیوسته با پیش ولت مخالف است.
اتصال بیس- مشترک
آرایشی اساسی اتصال (یا پیکر بندی) بیس- مشترک ترانزیستور دارای منبع تغذیه متناوب نیروی محرکه الکتریکی با (e.m.f.) برابر Es ولت مقدار موثر (r.m.s) و مقاومت داخلی Rs اهم است که به دو سر ورودی آن وصل شده است. منبع تغذیه متناوب با ولتاژ امیتر- بیس، Eeb به طور متوالی اتصال دارد و پیش ولت موافق اعمال شده به پیوند امیتر- بیس را تغییرمی دهد.
در خلال نیم چرخه های مثبت e.m.f. منبع تغذیه، پیش ولت موافق اعمال شده به پیوند افزایش می یابد، سد پتانسیل کاهش یافته و جریان افزایشی امیتر در ترانزیستور جاری می شود. بر عکس، در خلال نیم چرخه های منفی جریان امیتر کاهش می یابد و به این ترتیب مایه تغییر جریان کلکتور بر طبق شکل موج منبع متناوب می شود. باتری پیش ولت کلکتور- بیس، Ecb ، مقاومت داخلی ناچیزی دارد و بنابراین ولتاژ کلکتور- بیس با تغییر جریان کلکتور ثابت می ماند. تا آنجا که به جریانهای متناوب مربوط است، مدار کلکتور- را مدار اتصال کوتاه می گویند.
در یک مدار تقویت کننده بیس – مشترک یک پارامتر مهم بهره جریان مدر اتصال کوتاه ترانزیستور با نماد hfb است. بهره جریان مدار اتصال کوتاه به صورت نسبت تغییر جریان کلکتور به تغییر جریان امیتر تولید کننده ان تعریف می شود.
بهره جریان مدار اتصال کوتاه به این جهت تصریح می شود که تحلیل نشان می دهد که بهره جریان تابعی است از مقدار مقاومتی که در مدار کلکتور قرار می گیرد. اما، برای مدار بیس- مشترک، اختلاف بین بهره جریان مدار اتصال کوتاه و بهره جریان برای هر مقاومت بار کلکتور ویژه به ازای تمام مقادیر مقاومت به کار رفته در مدارهای عملی بسیار کوچک بوده و در این کتاب از آن چشم می پوشیم.
پیوندامیتر – بیس به وسیله باتری Ebe با پیش ولت موافق بوده و پیوند کلکتور – بیس از طریق پتانسیلی برابر (Ebe – Ece) با پیش ولت مخالف است. اما، چون ولتاژ باتری پیش ولت کلکتور – امیتر Ece بسیار بزرگتر از ولتاژ پیش ولت امیتر- بیس Ebe است، ولتاژ پیش ولت مخالف را می توان صرفاً برابر Ece ولت گرفت.
وقتی که ترانزیستوری با این روش وصل شده باشد، جریان ورودی همان جریان بیس است و دیگر مانند پیش جریان امیتر نخواهد بود. در خلال نیم چرخه های منفی ولتاژ سیگنال ورودی Es ، پیش ولت موافق پیوند امیتر- بیس افزایش می یابد، و بدینسان جریان امیتر، Ie، به اندازه Ic δ افزایش پیدا می کند. جریان کلکتور نیز به اندازه= hfbΔie Ic δ فزونی می گیرد.
مشخصه های ایستایی ترانزیستور
نمودارهای جریان- ولتاژ زیادی برای مطالعه طرز کار ترانزیستور در مدار در دسترسند. منحنیهای حاصل که منحنی های مشخه ایستایی نام دارند، اطلاعاتی را درباره مقدار جریان جاری به داخل یا به خارج از الکترود به ازای هر جریان مشخص جاری به داخل یا به خارج از الکترود دیگر و یا ولتاژ مشخصی بین دو الکترود بدست می دهند. برای هر مدار می توان 4 مجموعه منحنی مشخصه رسم کرد: (الف) مشخصه ورودی (ب) مشخصه انتقال، (ج) مشخصه خروجی، و (د) مشخصه متقابل. ولی، در این کتاب مشخصه مدار کلکتور – مشترک مورد بحث قرار نمی گیرد.
مشخصه استایی بیس- مشترک
روش تعیین مشخصه های ایستایی ترانزیستور اینست که ترانزیستور را به یک مدار مناسب ببندیم و سپس جریان ها و یا ولتاژهای مناسب را در چند مرحله جداگانه تغییر دهیم، و مقادیر متناظر سایر جریانها را در هر مرحله یادداشت کنیم.
جریانهای کلکتور و بیس جاری به خارج از ترانزیستوراند و در این صورت بنا به تعریف منفی نشان داده می شوند؛ جریان امیتر جاری به داخل ترانزیستور نشان داده شده و باید مثبت گرفته شود. اگر قرار باشد مشخصه های ترانزیستور n-p-n را اندازه گیری کنیم، باید قطبیت دو باطری وارونه شود.
مشخصه خروجی بیس – مشترک
مشخصه خروجی نحوه تغییر جریان کلکتور را نسبت به تغییر ولتاژ کلکتور- بیس باثابت نگاه داشتن جریان امیتر نشان می دهد. جریان امیتر در یک مقدار کم مناسب نگاه داشته می شود و ولتاژ کلکتور بیس در چندین مرحله مجزا از صفر افزایش می یابد و در هر مرحله جریانی که از کلکتور می گذرد یادداشت می شود. آنگاه ولتاژ کلکتور- بیس را به صفر برمی گردانند و جریان امیتر را تا مقدار مناسب دیگری افزایش می دهند و همین روش کار را تکرار می کنند. در این روش می توان به یک خانواده کامل منحنی های مربوط به جریان کلکتور برحسب ولتاژ کلکتور- بیس دست یافت. مشخصه های خروجی ترانزیستور n-p-n شکل مشابهی دارند ولی در انها هم Ic و هم Vce مثبت است.
عکس شیب مخصه خروجی ، مقاومت خروجی ترانزیستور را بدست می دهد، در صورتی که دو سر ورودی، در نقطه ای که اندازه گیری انجام می شود، به جریان متناوب مدار باز شده باشد. مقاومت خروجی مدار باز از خاصیت های ترانزیستور است: وقتی سیگنالی به دو سر خروجی اعمال می شود مقاومت خروجی به مقاومت منبع سیگنال وابسته است. چون منحنی ها در قسمت عمده طولشان خطی هستند، مقاومت خروجی نسبتاً ثابت است، و چون منحنی ها تقریباً موازی محور ولتاژ کلکتور، بیس هستند مقاومت خروجی خیلی زیاد، و از مرتبه kΩ 100 یا بیشتر است.
می توان ملاحظه کرد که وقتی ولتاژ کلکتور- 20 به صفر کاهش داده شده است، هنوز مقداری از جریان کلکتور جاری است. دلیل این امر آن است که سد پتانسیل دو سر پیوند کلکتور- بیس باید قبل از اینکه جریان کلکتور متوقف شود، تا صفر کاهش پیدا کند (چرا که سد پتانسیل) به عبور حاملین بار اقلییتی کمک می کند). یکی دیگر از جنبه های مهم منحنی مشخصه، جریان کلکتور است که به ازای تمام مقادیر منحنی ولتاژ کلکتور – بیس وقتی جریان امیتر صفر باشد، جریان پیدا می کند. این جریان ، جریان حامل بار اقلیتی است که پیوند کلکتور- بیس عبور می کند ( شبیه به جریان اشباع معکوس در یک دیود پیوندی ) و جریان نشستی کلکتور با نماد ICBO نام دارد.
بهره جریان اتصال کوتاه hfb ترانزیستور را می توان از مشخصه خروجی براورد کرد زیرا تعیین تغییر جریان کلکتور حاصل از تغییر جریان امیتر، برای یک مقدار ثابت ولتاژ کلکتور – بیس، کار ساده ای است بدین سان، وقتی که جریان امیتر از 5mA تا 7mA تغییر می کند، جریان کلکتور از 4/9mA تا 6/8mA تغییر می یابد و از اینرو hfb برابر2/9/1 یا 95/0 می شود. از آنجا که بهره جریان کمتر از واحد است و مقاومت ظاهری ورودی و خروجی خیلی باهم فرق دارند، اتصال بیس- مشترک برای مدارهای بسامد شنیداری به ندرت بکار می رود.
مشخصه ایستایی امیتر- مشترک
برای تعیین مشخصه ایستایی ترانزیستوری که به شکل امیتر- مشترک بسته شده است، ترانزیستور باید با امیتر- مشترک در مدار بسته شود؛ تنها تغییراتی که در مدار لازم است صورت گیرد حذف میلی آمپرسنج از مدار امیتر و قراردادن یک میکروآمپرسنج در مدار بیس است.
الف- مشخصه ورودی امیتر- مشترک
مشخصه ورودی چگونگی تغییرات جریان بیس نسبت به تغییرات ولتاژ بیس – امیتر را، در حالی که ولتاژ کلکتور امیتر ثابت است، نشان می دهد. روش تعیین مشخصه ورودی این است که ولتاژ کلکتور- ایمتر را در یک مقدار مناسب ثبت نگاه دارند و ولتاژ بیس- امیتر را در مرحله ای جداگانه افزایش دهند و در هر مرحله جریان بیس را یادداشت کنند. هیمن روش مجدداً برای مقدار ثابت اما متفاوتی از ولتاژ کلکتور- امیتر Vce تکرار می شود، چون تغییر این ولتاژ بر منحنی مشخصه ورودی اثر می گذارد.
ب- مشخصه انتقالی جریان امیتر – مشترک
مشخصه انتقالی چگونگی تغییرات جریان کلکتور نسبت به تغییرات جریان بیس را، در حالی که ولتاژ کلکتور- امیتر ثابت نگاه داشته شده است، نشان می دهد. برای این اندازه گیری ولتاژ کلکتور- امیتر ثابت نگاه داشته شده و جریان بیس در چندین مرحله مجزا افزایش داده می شود و در هر مرحله جریان کلکتور را یادداشت می کنند. سرانجام نموداری از تغییر جریان کلکتور بر حسب جریان بیس رسم می شود. از آنجاکه مشخصه انتقالی از مقدار ولتاژ کلکتور – امیتور مستقل نیست، شیوه کار برای تعدادی از ولتاژهای مختلف کلکتور- امیتر تکرار می شود تا خانواده ای از منحنی ها به دست آید.
ج- منحنی مشخصه خروجی امیتر- مشترک
منحنی مشخصه خروجی، تغییراتی را که در جریان کلکتور که بر اثر تغییر ولتاژ کلکتور- امیتر، به ازای مقدار ثابت جریان بیس، اتفاق می افتد، نشان می دهد. جریان بیس روی مقدار مناسبی میزان می شود و ولتاژ کلکتور- امیتر در چند مرحله مجزا از صفر افزلیش داده می شود و انگاه جریان کلکتور را در هر مرحله یادداشت می کنند. سپس ولتاژ کلکتور- امیتر را به صفر بر می گردانند و جریان بیس به یک مقدار مناسب دیگر افزایش داده می شود، و آنگاه همین کار مجدداً تکرار می شود در این روش می توان به خانواده ای از منحنی ها دست یافت. برای منحنی مشخصه متناظر n-p-n باید قطبیتهای ICو Ibو Vce به مثبت برگردانده شوند.
وقتی منحنی مشخصه نباشد، شیب آن مطابق با نقطه اندازه گیری تغییر می کند و بنابراین همیشه باید نقطه اندازه گیری ذکر شود. معمولاً جز مواردی که تصریح می شود، شیب خطی ترین بخش منحنی مشخصه اندازه گیری می شود. برای دستیابی به بالاترین میزان دقت نموهای داده شده به هر سوی نقطه انتخابی باید تا حد امکان کوچک گرفته شود هر چند در این فصل برای واضح تر کردن نمودارها این موضوع رعایت نشده است.
می توان منحنی های مشخصه خروجی را نیز برای تعیین بهره جریان اتصال کوتاه، hfe، ترانزیستور بکار گرفت، زیرا برای مقدار ولتاژ کلکتور- امیتر Vce مشخصی، تغییر جریان در کلکتور، Icδ را بر اثر تغییر جریان بیس، Ibδ می توان با تصویر کردن از روی منحنیهای مناسب به دست آورد. بنابراین به ازای Vce=-47 تغییری در جریان بیس از A μ40-تا A μ60- ، یک تغییر جریان کلکتور از 12 تا mA9/2 در پی دارد.
جریان نشتی کلکتور، ICBO، یک ترانزیستور بیس- مشترک نسبت به دما بسیار حساس است و تقریباً به ازای هر 12درجه سانیگراد افزایش دما در ترانزیستورهای سیلیسیمی و به ازای هر 8 درجه سانتیگراد افزایش دما در ترانزیستورهای ژرمانیم، دو برابر می شود. و اما، جریان نشتی ترانزیستور سیلیسیم در دمایی مشخص بسیار کمتر از جریان نشتی یک ترانزیستور ژرمانیم معادل آن در همان دماست.
معمولاً، ICBO در C20 برای ترانزیستور ژرمانیم می تواند حدود A μ10باشو ولی برای تراتزیستور سیلیسیم فقط حدود A n50 است.
د- منحنی های مشخصه متقابل امیتر- مشترک
منحنیهای مشخصه متقابل ترانزیستوری که به صورت امیتر – مشترک بسته شده است، تغییرات جریان کلکتور را که در اثر تغییرات ولتاژ بیس- امیتر، با ثابت نگاه داشتن ولتاژ کلکتور- امیتر پیش می آید نشان می دهد. شیب منحنی مشخصه متقابل رسانندگی مقابل ترانزیستور است.
ساخت ترانزیستور
از سال 1948 که ترانزیستور اختراع شد، رو شهای گوناگونی برای ساخت آن تکامل پیدا کرده است و توصیف اکثر آنها خارج از حوصله این کتاب است. از رایج ترین انواع مورد استفاده ترانزیستور دو نوع ترانزیستور پیوند آلیاژی و ترانزیستور تخت سیلیسیم است که فقط ساخت این دو نوع را معرفی خواهیمکرد.
ساخت ترانزیستور پیوند آلیاژی ژرمانیم این روش تعمیم روشی است که بیشتر برای دیود پیوند آلیاژی توصیف کردیم. ساخت ترانزیستور تخت سیلیسیم است.
4 لامپ های گرمایونی
لامپ گرمایونی شامل دو یا چند الکترود است که درون حبابی شیشه ای که بخش اعظم هوای داخل آن خارج شده است، قرار دارند. این لامپ در انواع متعدد و متفاوتی یافت می شود که کاربرد همه آنها متداول است اما در این فصل تنها به انواع ساده تر آن مانند دو قطبی (دیودس)، سه قطبی (تریود)، چهار قطبی (تترود) و پنج قطبی (پنتد) می پردازیم.
در تمام انواع این لامپها یکی از الکترودها کاتود و دیگری آنود است و اصول اساسی کار به این ترتیب است که وقتی کاتود تا دمای مناسبی گرم می شود تعداد زیادی الکترون گسیل می کند. بخشی از این الکترونها را آنود گردآوری می کند و جریان آنود را تشکیل می دهد. الکترونهای گسیلیده، در خلال گذارشان از کاتود به آنود، می توانند از میان یک، دو، یا سه شبکه بسته به نوع لامپ عبور کنند و پتانسیل اعمال شده به این شبکه ها می تواند جریان الکترونها و در نتیجه جریان آنود را کنترل کند.
گسیل گرمایونی
در دمای معمولی الکترونهای فلز می توانند به طور تصادفی در ساختار اتمی فلز در هر سو حرکت کنند، و برخی از الکترونهای نزدیک به سطح فلز در هوای پیرامون پراکنده می شوند. فلزات معمولی در دمای اتاق تعداد زیادی از الکترونهای خود را از دست نمی دهند و برای جلوگیری از ترک دائمی الکترونها از سطح فلز باید نیرویی وجود داشته باشد. به محض اینکه الکترونی فلز را ترک می کند، فلزیک بار منفی (بار الکترونی) از دست می دهد و این عمل معادل است با افزایش یک بار مثبت آن. این بار مثبت نیرویی به الکترون گسیلیده وارد می آورد که الکترون را به سوی فلز برمی گرداند، و برای اینکه الکترون بتواند بگریزد باید دارای مقدار کافی انرژی جنبشی باشد که بر این نیرو غالب آید. الکترونهای بسیار کمی هستند که در دمای معمولی این انرژی کافی را داشته باشند و تعداد الکترونهایی که می توانند از سطح فلز بگریزند بسیار اندک است. به منظور افزایش چشمگیر تعداد الکترونهایی که از فلز می گریزند باید به این الکترونها انرژی اضافی داده شود، و بهترین راه انجام این کار گرم کردن فلز است با افزایش دمای فلز، الکترونهای بیشتری انرژی کافی به دست می آورند که آنها را قادر می سازد به نیروی برگرداننده غلبه کنند و بتوانند از فلز بگریزند.
در اغلب فلزات اگر مشخصات فلز تغییر نکند، گسیل الکترون کافی باید در دمای بالایی صورت گیرد. در عمل امکان انتخاب مواد کاتودی محدود است به تنگستن، تنگستن توریم دار و اندوده نیکلی با آمیزه اکسید باریم و اکسید استرونتیوم که ممکن است مقداری هم اکسید کلسیم به آن افزوده شود. همین که الکترونی از کاتود می گریزد دستخوش نیرویی کند کننده که از جانب الکترونهای منفی باری که قبلاً گریخته اند وارد می آید، واقع می شود. الکترون با این نیرو کند می شود و ممکن است به کاتود برگردانده شود. همچنین این امکان وجود دارد که سرعت این الکترون گسیلیده بر اثر برخورد با مولکولی گازی کند شود ولی برای به حداقل رساندن این اثر کاتود را در یک حباب شیشه ای تخلیه شده قرار می دهند.
بدین سان الکترونها همواره از سطح کاتود گرم گسیلیده می شوند و سپس در معرض نیروهایی واقع می شوند که می خواهند آنها را به کاتود برگردانند. اغلب الکترونهای گسیلیده قبل از برگشتن به کاتود تنها به فاصله کوتاهی از آن دور می شوند؛ این فاصله با سرعت گسیل الکترون متناسب است. بنابراین پیرامون کاتود را ابری از الکترونها فرا گرفته است، که برخی از آنها از کاتود دور می شوند و برخی به سوی آن می آیند. تنها الکترونهایی که برای غلبه بر نیروهای بازدارنده انرژی کافی دارند می توانند از مجاورت کاتود بگریزند. ابر الکترونی اطراف کاتود بار فضایی نامیده می شود. واضح است که بار فضایی منفی است.
اگر الکترود دیگر، یعنی آنود، به فضای تخلیه شده وارد شود و نسبت به کاتود پتانسیل مثبت پیدا کند، آنگاه نیرویی ربایشی به الکترونهای گسیلیده وارد می آورد. بنابراین الکترونهای گسیل شده در معرض نیرویی ترمزی ناشی از میدانهای الکتریکی پدید آمده از کاتود مثبت بار و بار فضایی مثبت بار ، و نیرویی ربایشی ناشی از میدان الکتریکی پدید آمده از آنود، قرار دارند. در نزدیکی آنود میدان الکتریکی شتاب دهنده از میدان الکتریکی کند کننده بزرگ تر است، درحالی که در نزدیکی کاتود میدان الکتریکی کند کننده غالب است. در نقطه ای میان کاتود و آنود این دو میدان الکتریکی مساویند و خنثی می شوند و الکترونی که به این نقطه می رسد نه شتابدار است و نه کند شده. الکترونهای گسیلیده ای که برای رسیدن به این نقطه انرژی کافی دارند، تحت تاثیر میدا آنود قرار می گیرند و به سرعت به سوی آنود شتاب می گیرند و درآنجا در جریان سهیم می شوند.
افزایش پتانسیل مثبت آنود نقطه میدان الکتریکی صفر را به کاتود نزدیک تر می کنند و رسیدن الکترونهای کم انرژی تر را به آنود، ممکن می سازند. بنابراین با افزایش ولتاژ آنود، جریان آنود نیز افزایش می یابد. اگر افزایش ولتاژ آنود به میزانی برسد که موضع میدان الکتریکی صفر در کاتود قرار گیرد، تمامی الکترونهای گسیلیده به آنود می رسند و بار فضایی وجود نخواهد داشت. بنابراین جریان آنود در حداکثر مقدار خود خواهد بود، زیرا الکترونهای گسیلیده دیگری وجود ندارد که آنود آنها را گردآوری کند. افزایش بیشتر ولتاژ آنود، افزایشی متناظر را در جریان آنود درپی نخواهد داشت؛ تنها راه برای افزایش جریان آنود افزایش دمای کاتود و در نتیجه افزایش تعداد الکترونهای گسیلیده است.
مواد کاتود
سه نوع ماده مختلف برای کاتود لامپهای گرمایونی به کار می برند، انتخاب هر یک از این مواد برای لامپی خاص، به ارائه گستره پتانسیل های آنو بستگی دارد که از لامپ انتظار می رود. در مورد لامپهایی که برای ارائه فقط توانهای کوچک تا اتلاف حدود W300 در آنود طراحی شده اند، و نیز برای اعمال ولتاژهایی تا حدود V2000 به آنودهای آنها، از کاتودهای اکسیداندود بهره می گیرند. کاتود اکسیداندود شامل آمیز ای از اکسید باریم و اکسید استرونتیوم است که رویه بدنی نیکلی را اندود می کنند (گاهی هم از موادی مانند تنگستن و مولیبدن روی بدنه کاتود استفاده می شود). وقتی کاتودی از این نوع تا دمای حدود 1000 – 800 گرم شود گسیل کافی الکترون صورت می گیرد.
لامپهای توان متوسط، که حداکثرتوان اتلافی آنها در آنود W1000 است، در آنود خود به اعمال ولتاژی تا V5000 نیاز دارند که استفاده از چنین ولتاژهای بالایی از بمباران کاتود از سوی اتم های یونیده حاصل می شود. شدت این بمباران با مقدار ولتاژ آنود متناسب است و ناشی از فروپاشی سریع کاتود اکسید اندود است. در لامپهای توان متوسط از کاتودهای تنگستن توریوم اندود استفاده می شود. کارایی گسیلش این نوع کاتود کمتر از کارایی گسیلش کاتود اندود است، ولی گسیل الکترون کافی در دمای تقریباً 2000 صورت می گیرد.
لامپهایی که برای ارائه توانهای خیلی زیاد، با اتلاف تا حدود kW100 یا بیشتر، طراحی شده اند باید ولتاژی تا V 000,20 به آنود آنها اعمال شود و شدت بمباران یونی حاصل برکاتود باعث می شود که استفاده ازکاتودهایی سود می برند که از تنگستن خالص ساخته شده باشد. تنگستن خالص گسیلنده ای با کارایی بسیار کم از تنگستن توریم اندود است و باید در دمایی حدود 3000 کار کند.
گرم کردن کاتود
کاتود لامپ گرمایونی از طریق عبور جریان الکتریکی گرم می شود. در لامپ گرم شونده مستقیم جریان گرم کن مستقیماً از کاتود، یا رشته (فیلامان)، می گذرد، اما در لامپ گرم شونده نامستقیم جریان گرم کن از سیمی مقاومت می گذرد که درون یک کاتود استوانه ای توخالی سوار شده است. کاتود گرم شونده مستقیم را می توان از تنگستن، تنگستن توریم اندود یا تنگستن اکسید استرونتیوم اندود ساخت، در حالی که کاتودهای گرم شونده نامستقیم را همیشه از نیکل (یا ماده بدنه مناسب دیگری) که با آمیزه ای از اکسید باریوم و اکسید استرونتیوم اندود شده است، می سازند.
مشخصه ایستایی
مشخصه ایستایی لامپ دوقطبی نمودار جریان آنود بر حسب ولتاژ آنود است و می توان آنرا به کمک آرایش مشخص کرد. سنجه های A1 و V به ترتیب مقادیر جریان آنود و ولتاژ آن را می خوانند و سنجه A مقادیر جریان گرم کن را قرائت می کند. روش اندازه گیری به طور خلاصه چنین است: جریان گرم کن روی مقدایر مناسب نگاه داشته می شود و سپس در چندین مرحله ولتاژ آنود را افزایش می دهند. در هر مرحله جریان عبوری از آنود را یادداشت می کنند و سپس این مقادیر جریان را بر حسب ولتاژ آنود رسم می کنند. همان طور که دیده می شود ابتدا جریان آنود با افزایش ولتاژ آنود به سرعت افزایش می یابد تا اینکه به ولتاژی می رسد که در آن جریان با سرعت کمتری شروع به افزایش می کند. به این ولتاژ ولتاژ زانویا ولتاژ اشباع می گویند. و در این ولتاژ جریان را جریان اشباع می نامند.
برفراز نقطه اشباع، تغییرات زیاد ولتاژ آنود تنها تغییرات کمی در جریان آنود در پی دارد زیرا آنود قبلاً تقریباً تمامی الکترونهای گسیلیده را گردآوری کرده است. هرچند در شکل نموده نشده است، اما یک جریان آنود بسیار کوچک، چند میکروآمپر ، به ازای ولتاژ صفر و ولتاژهای کم منفی آنود عبور می کند؛ این جریان نشان می دهد که تعداد کمی الکترون با انرژی کافی و بدون کمک میدان شتاب دهنده آنود گسیلیده می شوند و به آن می رسند. اکنون اگر جریان آنود تغییر یابد و همان نحوه اندازه گیری تکرار شود، مشخصه مشابهی به دست می آید ، که تنها فرق آن این است که نقطه اشباع به ازای مقدار ولتاژ دیگری از آنود اتافاق می افتد.
وقت جریان آنود کمتر از مقدار اشباع باشد آن را محدوده بار فضایی گویند زیرا با افزایش ولتاژ آنود و بنابراین کاهش بار فضایی، همیشه می تواند افزایش یابد. درآن سوی نقطه اشباع جریان را محدوده دما می گویند زیرا تنها می تواند با افزایش دمای کاتود افزایش یابد.
لامپ سه قطبی
لامپ سه قطبی الکترود سومی شبکه کنترل، هم دارد که بین کاتود و آنود نزدیک به نقطه با حداقل میدان الکترکی جا داده شده است. شبکه کنترل، از یک توری طریف تشکیل می شود، و معمولاً از طریق بستن یک باتری بین شبکه و کاتود آن را نسبت به کاتود در یک پتانسیل منفی نگاه می دارند. پتانسیل شبکه، میدان الکتریکی آنود را کاهش می دهد و این امر موجب کاهش تعداد الکترونهایی می شود که می توانند به آنود برسند.
اگر شبکه نسبت به کاتود منفی تر شود، میدان الکتریکی آنود بیشتر کاهش می یابد و حتی الکترونهای معدودتری انرژی کافی بدست می آورند تا به آنود برسند. برعکس، اگر شبکه کمتر منفی شود، میدان الکتریکی آنود افزایش می یابد و الکترونهای بیشتری می توانند به آنود برسند. پتانسیل شبکه می تواند تعداد الکترونهایی که به آنود می رسند و بنابراین جریان آنود را به همان طریقی که پتانسیل آنود کنترل عمل می کرد، کنترل کند. چون شبکه خیل نزدیک تر به کاتود قرار گرفته تا آنود کنترل اعمال شده بر هر ولت تغییر پتانسیل از سوی شبکه بسیار بیشتر از کنترل اعمال شده از جانب آنود است. افزایش مداوم پتانسیل منفی روی شبکه کنترل جریان آنود سه قطبی را به طور فزاینده ای کاهش می دهد تا اینکه نقطه ای خواهد شبکه کنترل جریان آنود سه قطبی را به طور لفزاینده ای کاهش می دهد تا اینکه نقطه ای خواهد رسید که جریان آنود از جاری شدن باز می ایستد. ولتاژ شبکه- کاتود که دقیقاً باعث قطع جریان آنود می شود، ولتاژ قطع لامپ نامیده می شود.
در اغلب مدارها، به شبکه لامپ سه قطبی اجازه داده نمی شود نسبت به کاتود مثبت شود زیرا این عمل باعث جاری شدن جریان شبکه می شود، که همین بر عملکرد مدار اثر زیان بخشی خواهد گذاشت. برای پیشگیری از این امر، معمولاً چند ولتی بیشتر از مقدار حداکثر سیگنالهایی که باید به شبکه اعمال شوند، به شبکه پیش ولت منفی داده می شود. پیش ولت شبکه در فل بعد مورد بحث قرار خواهد گرفت.
ساختمان لامپ سه قطبی معمولی گرم شونده نامستقیم است. کل مجموعه درون حباب شیشه ای تخلیه شده ای جا داده شده است و اتصالها به سنجاقهایی در یک پایه عایق پیوند داده می شوند. ساختار سه قطبی گرم شونده مستقیم فقط در استفاده از کاتود نوع نموده شده. گاهی اتصال شبکه یا آنود را می توان به جای پایه لامپ، به یک سنجاق در نوک حباب وصل کرد و می توان آنود را با پره های سرد کننده مجهز کرد.
پارامترها و مشخصه های ایستایی سه قطبی
مشخصه های ایستایی لامپ سه قطبی را می توان با روشی تجربی، مشابه ترانزیستورها، تعیین کرد. منحنی های حاصل را می توان برای طراحی مدارها یا دادن اطلاعات درباره لامپ به کار برد. معمولاً دو خانواده مشخصه ایستایی کشیده می شود:
الف) منحنی های مشخصه آنود که نحوه تغییر جریان آنود بر اثر تغییر ولتاژ آنود به ازای مقادیر ثابت ولتاژ شبکه را نشان می دهند.
ب) منحنی های مشخصه متقابل که چگونگی تغیرات جریان آنود نسبت به تغییر ولتاژ شبکه به ازای مقادیر ثابت ولتاژ آنود را نشان می دهند.
سومین مجموعه منحنی های مشخصه یعنی منحنی های مشخصه تبدیل ولتاژ را نیز می توان رسم کرد، اما از آنجا که کاربرد عملی آنها نادرست است توضیح بیشتری درباره آنها نمی آوریم. لامپ سه قطبی سه پارامتر مفید a.c. دارد و مقادیر آنها را می توان از مشخصه های آنود یا مشخصه های متقابل تعیین کرد. این پارامترها عبارتند از:
الف. ra ، مقاومت a.c. ی آنود
ب. gm ، رسانندگی متقابل
ج. μ ضریب تقویت
لامپ پرتوکاتودی
لامپ پرتو کاتودی (c.r.t.) وسیله ای گرمایونی است که می تواند مقادیر لحظه ای سیگنالهای الکتریکی را نمایان سازد. باریکه ای از الکترونهای سریع متوجه پرده ای می شود که از ماده ای فلوئورسان اندوده شده و بنابراین نقطه نورانی دیدنیی را نشان می دهد. از طریق منحرف کردن باریکه الکترونی، این نقطه مرئی می تواند در حدود پرده حرکت کند و یک شکل موج الکتریکی ترسیم کند. لامپ پرتوکادی در مهندسی الکترونیک و مخابرات کاربرد فراوانی دارد؛ بدیهی ترین نمونه کاربرد آن در گیرنده تلویزیونی در منزل است و مثال دیگر مهم آن در این کتاب نوسان نمای (اسیلوسکوب) پرتو کاتودی (c.r.o)، یک اسباب اندازه گیری الکتریکی است.
5 لامپ پرتو کاتودی
اساساً لامپ پرتو کاتودی از یک منبع باریکه الکترون بسیار سریع، یک وسیله کانونی کننده باریکه الکترونی و وسیله انحراف این باریکه در محدوده رویه پرده فلئورسان، تشکیل می شود. از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی می توان برای کانونی کردن و انحراف این باریکه بهره گرفت و هر یک مزیتها و معایبی دارند که به انتخاب مناسب آنها برای لامپهای طراحی شده در کاربردهای گوناگون منجر می شوند.
کانونی کردن الکتریکی و انحراف الکتریکی
ساختمان اساسی یک لامپ پرتوکاتودی که برای کانونی کردن و انحراف باریکه الکترونی از میدانهای الکتریکی سود می برد. این لامپ مشکل از یک حباب شیشه ای تخلیه شده است که در داخل آن یک تفنگ الکترونی، دو زوج الکترودهای منحرف کننده و یک پرده که جدار داخلی آن با ماده ای فلوئورسان اندوده شده است، قرار دارند. اجزای تفنگ الکترونی عبارتند از ماتود گرم شونده نامستقیم یک مدولاتور یا شبکه استوانه ای که پیرامون کاتود را فرا یم گیرد و سه (گاهی هم دو) آنود. شبکه در پتانسیلی منفی نگاه داشته می شود و هر آنود، نسبت به کاتود در حالت پتانسیل مثبت قرار دارد. الکترونهای گسیلیده از کاتود در معرض یک نیروی رانشی قرار دارند که از جانب شبکه منفی وارد می آید و یک نیروی ربایشی اعمال شده از سوی آنود، قرار دارند.
پتانسیل های مثبت اعمال شده به آنودها از پتانسیل های منفی اعمال شده بر شبکه بسیار بیشترند (معمولاً V1000+ در مقابل V20- ولی چون شبکه نسبت به آنودها به کاتود خیلی نزدیک تر است، برای کنترل تعداد الکترونهایی که از یک حفره کوچک در شبکه عبور می کنند، تاثیر آن بسیار زیاد است. این الکترونها باریکه الکترونی را تشکیل می دهند. الکترونهایی که شبکه را ترک می کنند از طریق پتانسیل های مثبت آنود شتاب می گیرند و به سرعت زیادی می رسند و در راستای لامپ حرکت می کنند تا اینکه به پرده برخورد کنند. وقتی که الکترونها به پرده پرخورد می کنند ماده فلوئورسانی که پرده را اندوده است به طور قابل رویت تابان می شود می شود و آنگاه می توان نقطه ای نورانی را بر رویه پرده دید. روشنایی این نقطه نورانی به تعداد الکترونهایی که به پرده می رسند و سرعت آنها بستگی دارد و این عوامل تحت کنترل پتانسیل شبکه هستند. بنابراین اگر پتانسیل شبکه از طریق تقسیم کننده پتانسیلی متصل به دو سر یک منبع ولتاژ مناسب تامین شود می توان یک کنترل درخشندگی فراهم آورد.
از آنجا که هر یک از الکترونهای گسیلیده یک بار منفی حمل می کند، یک اثر رانشی دوجانبه روی یکدیگر دارند، که باعث می شود باریکه همچنان که مسیر خود را می پیماید و اگرا شود. چنین باریکه ای یک سطح کم نور و تاربر رویه پرده ایجاد می کند. اگر قرار باشد شکل موجهای الکتریکی مشاهده شوند، باید یک نقطه نورانی کوچک و به شدت کانونی شده روی پرده دیده شود و بنابراین وسیله ای برای کانونی کردن باریکه الکترونی ضرورت پیدا می کند. میدان الکتریکی که بین شبکه و نخستین آنود برقرار می شوند نیروهایی بر الکترونها وارد می آورد که آنها را در نقطه ای درست در جلو آنود متمرکز می کند. این باریکه در آنجا واگرا می شود و به وسیله میدانهای الکتریکی که در ناحیه ای بین این سه آنود بر قرار است، به یک کانون دوم در انتهای لامت آورده می شود. می توان نقطه کانونی را چنان تشکیل داد که با وضعیت پرده انطباق یابد، این عمل از طریق تنظیم مناسب پتانسیل اعمال شده بر آنود میانی به وسیله کنترل کانون انجام می شود.
گاهی اختلاف پتانسیلهای لازم بین کاتود و آنودها از طریق نگاه داشتن کاتود در یک پتانسیل منفی بالا و نکاه داشتن پتانسیل آنودها در صفر یا یک پتانسیل مثبت کوچک، به دست می آید.
بین سیستم کانونی کننده و پرده دو زوج صفحه منحرف کننده باریکه قرار گرفته است. صفحات x به طور قائم سوار شده اند و یک میدان الکتریکی افقی تهیه می کنند تا باریکه الکترونی را در صفحه افقی منحرف کنند. صفحات نصب شده افقی انحراف را در صفحه قائم تامین می کنند.
وقتی ولتاژی به دو سر صفحه های x اعمال می شود، باریکه در صفحه افقی به سوی صفحه ای که در پتانسیل مثبت نگاه داشته شده است، منحرف می شود. مسافتی که باریکه می پیماید با مقدار ولتاژ صفحه متناسب است. حساسیت انحراف ولتاژی است که باید به دو سر این صفحات اعمال شود تا 1 سانتیمتر انحراف را باری نقطه مرئی روی پرده ایجاد کند. به همین ترتیب، اگر ولتاژی به دو سر صفحات Y داده شود این نقطه به طور قائم به طور قائم منحرف می شود. اگر ولتاژها به طور همزمان به صفحات X و Y اعمال شوند. بنابراین، در راستای برآیند آنها منحرف می شود. ازاین رو، اگر دامنه این دو ولتاژ و حساسیت انحراف صفحات Xو Y و مساوی باشند، آن نقطه با زاویه ْ45 منحرف می شود. حساسیت انحراف با پتانسیل شتاب دهنده بر سومین آنود نسبت عکس دارد، ولی از آنجا که روشنایی نقطه مرئی به سرعت برخورد الکترونها با پرده بستگی دارد، ولتاژ آنود نمی تواند در تلاش برای افزایش حساسیت انحراف کاهش زیادی پیدا کند. برخی لامپهای پرتو کاتودی با افزودن یک آنود دیگر بین صفحات انحراف دهنده و پرده برای تامین شتاب پس از انحراف بر این مشکل فائق می آیند. آنود اضافی شامل یک اندوده گرافیتی بر جداره داخلی لامپ است در پتانسیلی مشابه پتانسل آنود سوم نگاه داشته می شود.
برخورد الکترونهای سریع بر پرده باعث می شود که پرده با نور مرئی تابان شود، و رنگ نمایه به ماده فلوئورسان بکار رفته برای پوشش پرده بستگی دارد. معمولاً سبز را بهترین رنگ برای لامپ در نوسان نما می دانند و برای دستیابی به آن از ارتو سیلیکات روی استفاده می شود. الکترونهای فرودی برای آنکه سبب شوند پرده الکترونهای ثانویه گسیل کند، به اندازه کافی انرژی جنبشی دارد. (ر.ک.ص 95). این الکترونها باید گردآوردی شوند.
کاتود برگردند، در غیر اینصورت، تعداد الکترونهای حاضر روی پرده دائماً افزایش می یابند و در نتیجه باعث می شوند پرده بار منفی پیدا کند. معمولاً الکترونهای ثانویه از طریق یک اندوده گرافیتی روی جدا داخلی گردنه لامپ که به طور غیر مستقیم به کاتود وصل شده است، گردآوری می شوند.
لامپ پرتو کاتودی نسبت به تمرکز الکتریکی و انحراف الکتریکی حساس است و می تواند بسامدهای بالاکار کند اما حداکثر زاویه انحراف بزرگ نیست. به علت وجود این عوامل این نوع لامپ در نوسان نماهای پرتو کاتودی به کار می رود که در آن حساسیت و حداکثر بسامد بالا نسبت به زاویه انحراف ممکن از اهمیت بیشتری برخوردارند. بنابراین، پرده لامپ نوسان نما همیشه نسبتاً کوچک، معمولاً 5//17 سانتیمتر، است. برعکس، در گیرنده تلویزیونی اندازه پرده همیشه بزرگتر، معمولاً 22 اینچ، 26اینچ، و چنین اندازه هایی زاویه انحراف بزرگ ضرورت پیدا می کند. بنابراین لامپهای مورد استفاده درگیرنده های تلویزیونی از انحراف الکتریکی باریکه الکترونی بهره نمی گیرند.
کانونی کننده مغناطیسی و انحراف مغناطیسی
جزئیات ساختمانی اساسی لامپ پرتو کاتودی که هم از کانونی کننده مغناطیسی و هم از انحراف مغناطیسی باریکه الکترونی استفاده می کند در شکل زیر نموده شده است. الکترونها از کاتود گرم گسیل می شوند و از میان سوراخ شبکه استوانه ای عبور می کنند تا با پتانسیل های مثبت آنودها با سرعت زیادی شتاب پیدا کنند.
میدان الکتریکی برقرار شده بین شبکه و آنود اول، باریکه الکترونی را که در نقطه ای در نزدیکی آنود کانونی می کند، که بعد از این؛ واگرا شدن باریکه اغاز می شود. آهنرباهای دائمی که در پیرامون جدار خارجی لامپ نسبت شده اند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کنند که باریکه الکترونی واگرا از میان آن عبور می کند.
نیروهای مغناطیسی بر باریکه وارد می آیند و برآن اثر می گذارند و آن را بر پرده متمرکز می کنند. تنظیم ریز نقطه کانونی از طریق حرکت دادن موضوع فیزیکی آهن ربا ها و در نتیجه تغییر میدان مغناطیسی برقرار شده و در داخل لامپ امکان پذیر است. وقتی که آهن رباها به همدیگر نزدیکتر شوند میدان مغناطیسی که تولید می کنند افزایش می یابد و سپس باریکه در نقطه ای نزدیک تر به آهن رباها متمرکز می شود. به همین ترتیب افزایش فضای بین آهن رباها نقطه بین کانونی باریکه را نسبت به موضوع آهن رباها به نقطه ای دورتری منتقل می کند. آنگاه باریکه الکترونی از میان میدان مغناطیسی برقرار شده به وسیله دو زوج پیچک منحرف کننده که روی یک قالب عایق پیچیده شده و در گردنه لامپ نصب شده اند، عبور می کند.
لامپهای تلویزیون رنگی
رایجترین نوع لامپ تلویزیون رنگی لامپ با محافظ سایه دار نام دارد. این لامپ سه تفنگ الکترونی جداگانه دارد، که هر کدام یک باریکه الکترونی را متوجه پرده می کند. پرده با سه نوع ماده مختلف فلوئورسان اندوده شده است، که در هنگام بخورد با الکترونهای سریع، یکی از آنها با نور آبی، یکی با نور قرمز، و سومی با نور سبز می درخشند. پرده به تعداد زیادی سطوح کوچک تقسیم شده است که هر سطح شامل یک ماده فلوئورسان است.
باریکه الکترونی ناشی از یک تفنگ خاص باید فقط قادر باشد به عناصر یک رنگ از پرده برخورد کند. برای دستیابی به این هدف، یک ورقه پولادی مشبک، به نام حفاظ سایه دار، بین تنفنگهای الکترونی و پرده ها نصب می شود، و محل آن را با دقت تعیین می کنند. وقتی باریکه های الکترونی پرده را خردکاوی می کنند نور سه رنگ مختلف گسیلیده می شود و چشم رنگی را که متناظر با ترکیب آنهاست می بینند.
مبناهای زمانی
شکل موجهای ولتاژ متناوب توابعی از زمان هستند و برای نمایش درست چنین شکل موجی روی لامپ پرتو کاتودی نوسان نما، نقطه مرئی باید با سرعت ثابتی بر رویه پرده حرکت کند. وقتی که نقطه به سمت راست پرده می رسد، باید سرعت به چپ برگردانده شود، تا دوباره پیمودن یک مسیر دیگر را در عرض پرده آغاز کند. برای برآوردن این نیاز، باید ولتاژی را که نسبت به زمان به طور خطی یا یک مقدار حداکثر بالا می رود و سپس به سرعت به صفر سقوط می کند به دو سر صفحات X اعمال شود. چنین شکل موج ولتاژی را دندانه اره ای می نامند. به وسیله یک مدار مبنای زمانی تولید می شود. مطلوب این است که برگشتی سریع باریکه الکترونی اثر مرئیی بر پرده ایجاد نکند؛ این کار از طریق اعمال تپهای حذف کننده به شبکه لامپ در خلال دوره برگشتی، انجام می شود. این تب های منفی لامپ را به بعد از نقطه قطع پیش ولت می کند و بنابراین هیچ الکترونی از کاتود گسیل نمی شود.
اگر ولتاژ متناوبی به دو سر صفحات Y اعمال شود، باعث می شود که باریکه الکترونی به طور همزمان در صفحه قائم منحرف شود و اگر زمان تناوب مبنای زمانی و ولتاژهای سیگنال مساوی باشند، یا یکی مضرب کوچک صحیحی از دیگری باشد، نقطه مرئی شکل موج صحیحی را روی پرده رسم می کند.
موضوع نقطه مرئی روی پرده به وسیله برآیند نیروی منحرف کننده وارد بر تاریکه الکترونی تعیین می شود. بنابراین، در لحظه زمانی 1 هر دو ولتاژ صفر اند و نقطه منحرف نمی شود. در لحظه 2 ولتاژ در حداکثر مقدار مثبت خود است و ولتاژ مبنای زمانی به طور خطی افزایش یافته و در یک چهارم مقدار نهایی خود واقع است؛ موضوع لحظه ای نقطه از طریق تصویر کردن هر دو شکل موج، که با خط چین نشان داده شده است، و مشخص کردن نقطه تقاطع آنها، به دست می آید. به روش مشابهی، موضوع نقطه را در لحظه های 3، 4 و 5 می توان تعیین کرد. در لحظه 5، ولتاژ مبنای زمانی به مقدار حداکثر خود می رسد و آنگاه به طور ناگهانی به صفر بر می گردد تا صعود بعدی را شروع کند. از آنجا که پس فروزش ماده فلوئورسان کوتاه است، در هر لحظه عملاً فقط سطح کوچکی از پرده می درخشد ولی، بعلت باقی ماندن اثر دی در چشم انسان، یک اثر مداوم به نظر می رسد.
موضوع شکل موج نمایش یافته روی پرده می تواند از طریق برهم نهادن یک ولتاژ پیش ولت a.c. بر سیگنال و/ یا ولتاژ مبنای زمانی هم در صفحه افقی و هم در صفحه قائم تنظیم شود. ولتاژهای پیش ولت را می توان به وسیله مقاومت های متغیر به ترتیب به نام فرمانهای انتقال XوY تنظیم کرد.
6 تقویت کننده های سیگنال کم دامنه
لامپهای گرمایونی ( غیر از دیودها) و ترانزیستورها می توانند سیگنال های جریان متناوب را تقویت کنند زیرا جریان خروجی آنها می تواند با یک سیگنال اعمال شده و بر سر ورودیشان کنترل شود. تغییری در سیگنال ورودی تغییری در جریان خروجی را در پی دارد، و اگر به ولتاژ یا توانایی خروجی نیاز باشد باید جریان خروجی از یک بار مقاومتی در مدار خروجی عبور کند.
مقاومت ظاهری لامپ گرمایونی خیلی بالا بوده و وسیله ای است که با ولتاژ کار می کند، یعنی تقویت کننده ای لامپی است که فقط می تواند بهره ولتاژ را تامین کند. بهره ولتاژ به صورت نسبت تغییر ولتاژ خروجی به تغییر ولتاژ ورودی موجد آن، تعریف می شود. از سوی دیگر، مقاومت ظاهری ورودی ترانزیستور نسبتاً کم است و برای اینکه کار کند به یک جریان ورودی نیازمند است؛ بنابراین، یک تقویت کننده ترانزیستوری، می تواند بهره ولتاژ، جریان یا توان ارائه دهد.
انتخاب نقطه کار
مشخصه متقابل دینامیکی لامپ با یک بار آنود مقاومتی نشان می دهد که چگونه جریان خروجی آن بر اثر تغییر ولتاژ ورودی به ازای مقادیر ویژه مقاومت بار و ولتاژ تغذیه، تغییر جریان گردآور ترانزیستوربر اثر تغییر جریان پایه به ازای مقادیر ویژه مقاومت بار گردآور و ولتاژ تغذیه گردآور تغییر می کند.
می توان از یک مشخصه دینامیکی به طور نموداری، برای تعیین موج جریان خروجی برای یک شکل موج سیگنال ورودی ویژه استفاده کرد. به طور ایده آل این دو موج باید یکسان باشند، ولی این موضوع نیازمند آن است که مشخصه دینامیکی مطلقاً خطی باشد. در عمل، همیشه مقداری ناخطی بودن وجود دارد و برای کمترین واپیچش سیگنال، باید دقت کرد که کار به خطی ترین بخش منحنی محدود شود. برای این کار، باید یک نقطه کار مناسب، یا نقطه آرامش، انتخاب شود و دامنه علامت ورودی باید محدود باشد. نقطه کار انتخاب شده از طریق بکارگیری یک پیش ولت یا پیش جریان یکنواخت تثبیت می شود. برای دستیابی به سیگنال حداکثر، نقطه کار معمولاً در مرکز بخش خطی منحنی مشخصه دینامیکی قرار داده می شود. آنگاه سیگنال متناوب مرکزی واقع بر این نقطه کارنوسانات مساوی جریان خروجی در بالا و پایین مقدار آرامش تولید می کند. اگر به حداکثر نوسانات ولتاژ و یا جریان خروجی بدون واپیچش نیازی نباشد، نقطه کار را می توان چنان انتخاب کرد که یک جریان گردآور ضعیف d.c. را به دست دهد تا مصرف تغذیه توان را (به ویژه اگر از باتری استفاده می شود) به حداقل برساند یا به منظور رسیدن به مقدار ویژه جریان گردآور، که در آن بهره جریان hfe ترانزیستور حداکثر باشد.
جریان خروجی را می توان به راحتی جریان مستقیم دانست که با یک جریان متناوب بر هم نهاده شده است. جریان مستقیم با جریانی برابر است که وقتی سیگنال ورودی صفر باشد، جاری می شود یعنی جریان آرامش و مقدار نوک به نوک جریان متناوب -Imin Imax است. واضح است که جریان خروجی همیشه در خلال یک چرخه موج سیگنال ورودی جاری است. وسیله فعال را وسیله ای گویند که در شرایط رده A کار کند. مقدار نوک شکل موج سیگنال باید همیشه کمتر از پیش ولت یا پیش جریان باشد، در غیر اینصورت موج خروجی واپیچیده خواهد بود.
عملکرد رده B و رده C
عملکرد رده A در یک تقویت کننده واپیچش سیگنال پایینی را ارائه می دهد. حداکثر کارایی نظری که می توان d.c. آن را از منبع تغذیه توان می گیرد، به توان خروجی سیگنال a.c. تبدیل می شود که فقط 50% است، کارایی های عملی خصوصاً در حالت تقویت کننده های گرمایونی از این مقدار کمترند. برای کسب کارایی بیشتر از این تقویت کننده می تواند در شرایط رده B یا رده C کار کند.
نقطه کار با عمل رده B که به ترانزیستور مربوط می شود، در وضعیت قطع قرار می گیرد. جریان خروجی تنها در نیم چرخه های متناوب شکل موج سیگنال جاری می شود. واضح است که شکل موج جریان خروجی به میزان زیادی واپیچیده است؛ بنابراین پیش ولت رده B فقط می تواند در مدارهایی بکار رود که قادرند نیم چرخه های حذف شده موج سیگنال را ذخیره کنند. چنین مدارهایی تقویت کننده های پوش – پول و تقویت کننده های بسامد رادیویی – کوک نام دارند. بازده نظری عمل رده B حداکثر 5/78/0 است.
با پیش ولت رده B حتی به بازده بیشتری می توان دست یافت. با پیش ولت رده C نقطه کار درست بعد از نقطه قطع قرار دارد. جریان خروجی به صورت یک رشته تپهای باریک با دوامی کمتر از نصف زمان تناوب شکل موج سیگنال ورودی، جاری می شود. پیش ولت رده C در تقویت کننده های توان بسامد رادیویی و در بعضی مدارهای نوسان ساز بکار می رود نه پیش ولت B و نه رده C نمی توانند در پیوند با تقویت کننده بسامد شنیداری با مقاومت بار مورد استفاده قرار گیرند، زیرا در این صورت اعوجاج (واپیچش) زیادی حاصل خواهد شد.
پیش ولت لامپ برای اطمینان از عمل لامپ در قسمت خطی منحنی مشخصه دینامیکی لامپ لازم است که یک پیش ولت منفی به شبکه لامپ اعمال شود، این عمل برای اطمینان حاصل کردن از این نکته هم هست که شبکه رد خلال نیم چرخه های مثبت سیگنال ورودی مثبت نخواهد شد شرط دوم ضرورت جلوگیری از عبور جریان شبکه است زیرا این جریان اعوجاج بیشتری در سیگنال به وجود خواهد آورد.
روش رایج تامین یک پیش ولت شبکه اتصال یک باتری به مدار شبکه- کاتود است. در اینجا Vgb نیروی محرکه الکتریکی پیش ولت باتری و Rg مقاومتی است که یک مسیر جریان مستقیم برای پیش ولت برای اعمال به شبکه را فراهم می آورد. مقاومت Rg بزرگ، در حدود 5/0 الی یک مگا اهم اختیار می شود، بطوریکه مسیر سیگنال را موازی نکند. هیچ جریان مستقیمی در Rg جاری نمی شود و انرژی بر مقدار پیش ولت شبکه ندارد. روش رایج دیگر برای دستیابی به پیش ولت شبکه اتصال یک مقاومت در مدار کاتود است.
جریان کاتود Ik لامپ در مقاومت کاتود Rk جاری می شود و یک ولتاژ، Ik Rk ولت، پدید می آید که قطبیت آن مطابق شکل است. با فرض صفر بودن جریان شبکه، لامپ نسبت به کاتود از طریق ولتاژی که در دور سر Rk به وجود می آید، منفی است. مقدار Rk را چنان انتخاب می کنند که ولتاژ مطلوب پیش ولت شبکه را بدهد.
7 مولدهای شکل موج
شکل موجها
مولد موج مداری الکترونیکی است که برای تولید یک نیروی محرکه الکتریکی متناوب با بسامد و شکل موج معلوم طراحی شده باشد. انواع مختلف شکل موج ها را می توان به وسیله این مدارها تولید کرد، که برخی از آنها کاربرد گسترده ای دارند و کاربرد سایر انواع ان محدودترند . متداول ترین نوع کاربرد آنها در عمل عبارتند از شکل موج های سینوسی، مستطیلی، و دندانه اره ای. شکل موج های سینوسی به وسیله مولد های موج به نام نوسان گر پدید می آیند در صورتی که شکل موج های مستطیلی و دندانه اره ای را می توان به وسیله ارتعاشگرهای ناپایدار یا با ارتعاشگرهای سد کننده تولید کرد.
نوسانگرها چنان طراحی شده اند که موجی را که دامنه و بسامد آن نسبت به زمان به طور محسوسی ثابت باشد تولید کنند؛ برخی از مدارها برای تولید سیگنال خروجی با دامنه و یا بسامد ثابت ساخته شده اند، در صورتی که سایر مدارها دارای دامنه خروجی و یا بسامدی هستند که پیوسته تغییر می کنند.
شکل موجهای سینوسی برای مقاصد بسیار گوناگونی در مدارهای الکتریکی – مخابراتی بکار می روند. بسیاری از روشهای اندازه گیری بر اساس استفاده از سیگنال سینوسی با منحنی های مشخصه معلوم، استوارند. مثلاً، بهره یک تقویت کننده را می توان با استفاده از آرایش نمایش یافته اندازه گیری کرد. دامنه و بسامد خروجی نوسانگر در مقادیر مناسب تنظیم می شوند و ولتاژ، Vout ظاهر شده در دو سر مقاومت بار اندازه گیری می شود.
نوسانگرهای L-C
نوسانگر سینوسی (لامپی یا ترانزیستوری) را می توان یک تقویت کننده دانست که سیگنال ورودی خود را تامین می کند، این سیگنال ورودی از سیگنال خروجی گرفته می شود. (شکل زیر) دلیل ممکن بودن این کار آن است که تراز سیگنال مورد نیاز در دو سر ورودی یک تقویت کننده به طور چشمگیری از تراز سیگنال خروجی تقویت شده کمتر است. ترانزیستور یا لامپ به صورت مبدل انرژی الکتریکی عمل می کند، درحالی که توان d.c. را از منبع تغذیه آنود می گیرد و بخشی از آن را به صورت توان a.c. در سیگنال خروجی تبدیل می کند. در مدارهای لامپی که می خواهیم توصیف کنیم، هم می توان از سه قطبی ها و هم از پنج قطبی ها استفاده کرد ولی فقط مدارهای سه قطبی نموده خواهند شد.
نوسانگرها بعنوان منبع نیروی محرکه الکتریکی متناوب در تجهیزات ارتباطات خطی، رادیویی، و الکترونیکی کاربردهای فراوانی دارند و معمولاً فراوانی دارند و معمولاً لازم است که از نظر بسامد بسیار پایدار باشند. با نوسانگرهای ساده ای که توصیف می شوند نمی توان به پایداری بسامدی از مرتبه بالاتر دست یافت، و نوسانگرهای ساده ای که توصیف می شوند نمی توان به پایه بسامدی از مرتبه بالاتر دست یافت، و نوسانگرهای بسیار پایدار دیگری را در عمل بکار می برند. از سایر مشخصات مهم آنها خلوص شکل موج خروجی، و ثبات تراز خروجی بر اساس تغییرات بسامد و یا در ولتاژ تغذیه توان است.
مدار نوسانی
اگر خازنی، C فورادی، از یک منبع تغذیه d.c. پر شود، در دو سر آن اختلاف پتانسیلی p ولتی برقرار می شود و در دی الکتریک آن مقداری انرژی الکتریکی 2CV ژول، ذخیره می شود. این خازن باردار را چنان در نظر بگیرید که مطابق شکل زیر، به دو سر یک القاگر بسته شده است. مدار کاملی به وجود می آید و بدین سان خازن از طریق القاگر تخلیه و یک جریان ناجاری می شود.
وقتی که میدان مغناطیسی کاملاً فروافت کرد، جریان به صفر سقوط کرده و خازن مجدداً تا ولتاژی که تا اندازه گیری کمتر از قبل است، مثلاً (Vδ- V)، که در آن Vδ یک تغییر ولتاژ جزئی است، کاملاً پر می شود. تقریباً تمامی انرژی مغناطیسی به شکل انرژی الکتریکی ذخیره شده در دی الکتریک خازن تبدیل شده است، و دوباره مقداری اترژی به شکل r2i در مقاومت مدار تلف شده است. اکنون خازن مجدداً شروع به خالی شدن از طریق القا گر می کند.
ولی این بار جریان جاری شده در جهت عکس حالت قبل است. مجدداً میدان مغناطیسی در اطراف القاگر ایجاد می شود که با افزایش شدت جریان خالی شدن، افزایش می یابد. وقتی خازن کاملاً خالی شد، جریان شروع به افت می کند و میدان مغناطیسی در حال فرو افت یک نیروی محرکه الکتریکی در سیم پیچ های القاگر، القا می کند که سعی می کند عبور جریان را در جهت جدید آن حفظ کند. خازن با قطبیت اولیه خود به وسیله این جریان پر می شود و وقتی که کاملاً پر شد (تا ولتاژی کمتر از قبل) یک چرخه جریان نوسازی کامل شده است.
3