ඉලෙක්ට්‍රෝනික්ස් IV (Electronics) - 14

වෙනස්වන β

ඉහත සාදාගත් පරිපථයේ β අගය 150 ලෙසනෙ ගත්තේ. එම අගය ඇත්ත වශයෙන්ම නිශ්චිත නැත. එකම ට්‍රාන්සිස්ටර මොඩලයක ට්‍රාන්සිස්ටර් අතර වුවද මෙම අගය ඉතා විශාල ලෙස වෙනස් විය හැකිය. තවද, හැමවිටම ට්‍රාන්සිස්ටර් දත්ත පත්‍රිකාවේ මෙම අගය සටහන් කරන්නේ අගය පරාසයක් ලෙසයි.

අවශ්‍ය නම්, ට්‍රාන්සිස්ටරයක් ගෙන මල්ටිමීටරයකින් එම β අගය මැන ගත හැකියි. එවිට එම අගය නිශ්චිතවම නිවැරදිව ලැබේවි. යම් මොහොතක පරිපථයේ එම නිශ්චිත β අගය සහිත ට්‍රාන්සිස්ටරයක් යොදා ඇති විටක එය පිලිස්සුනොත්, ඔබට සිදු වෙනවා එම අගයට සමාන ට්‍රාන්සිස්ටරයක් සොයා ගන්නට (මිල්ටිමීටරයෙන් මැන මැන). එය කිසිසේත් පහසු කටයුත්තක් නොවනු ඇත. එමනිසා, පරිපථ නිර්මාණයේදී නිශ්චිතවම අච්චර අගයක් β සඳහා තිබිය යුතු යැයි කොන්දේසි දැමීම ඉතා දුර්වලකමකි.

උදාහරණයක් ඇසුරින් β වෙනස් වීමෙන් ඇතිවන තත්වය සොයා බලමු. සිතන්න යම් ට්‍රාන්සිස්ටරයක β අගය 100ත් 200ත් අතර පරාසයක පවතිනවා කියා (ට්‍රාන්සිස්ටර් ඩේටාෂීට් එකේ එසේ සටහන් කර තිබේවි). මෙවිට අවම අගය 100 ලෙසත්, උපරිම අගය 200 ලෙසත්, සාමාන්‍ය (typical) අගය ඒ දෙකෙහි සාමාන්‍ය අගය වන (100 + 200)/2 = 150 ලෙසත් දැන් සැලකීමට සිදු වේ. එම පරිපථයේ කලෙක්ටර් ධාරාව 3.6 mA ලෙස ගමු.

පහත දැක්වෙන්නේ මීට පෙර සැලසුම් කළ පරිපථයයි β = 150 යන ටිපිකල් අගය සඳහා. සාමාන්‍යයෙන් ඕනම උපාංගයක නිශ්චිතම අගයක් වෙනුවට අගය පරාසයක් තමයි පවතින්නේ. රෙසිස්ටරයක ඕම් අගයත් එලෙසනෙ; එහි සහනතා ප්‍රතිශතය නිසා ඕම් අගය පරාසයක් ලෙසයි අවසානයේ ලැබෙන්නේ (එම අගය පරාසය තුල යම් එක් අගයක් වේවි එහි ඇත්තටම පවතින ඕම් ගණන). කැපෑසිටරයක් ගත් විට එහි ෆැරඩ් ගණන, ඉන්ඩක්ටරයක හෙන්රි ගණන, ට්‍රාන්සිස්ටරයක් කලෙක්ටර්/එමිටර් ධාරාව, ට්‍රාන්සිස්ටරයක β අගය ආදි ලෙස සෑම තැනකදීම අගය පරාසයන් තමයි ලැබෙන්නේ. එවිට උපරිම (max), අවම (min), සාමාන්‍ය (typical) ලෙස එම අගය පරාසය තුල නිශ්චිත අගයන් 3ක් ගැනත් අපට කතා කළ හැකියි. අවමය හා උපරිමය අතරමැදි අගය තමයි සාමාන්‍යයෙන් ටිපිකල් අගය ලෙස ගත යුත්තේ. පරිපථ සාමාන්‍යයෙන් නිර්මාණය කරන්නේද මෙම ටිපිකල් අගය සැලකිල්ලට ගෙනයි.

බීටා අගය 150 ලෙස ගත් විට, බේසය වෙතට 24 μA ක ධාරාවක් ගලා යෑමටයි R_B මඟින් ට්‍රාන්සිස්ටරය බයස් කර තිබෙන්නේ. එවිට 24 μA x 150 = 3600 μA = 3.6 mA ලෙස නිවාත කලෙක්ටර් ධාරාවක් ලැබේ. මෙම ධාරාව ඕම් 820 රෙසිස්ටරය හරහා ගලා යන විට එම රෙසිස්ටරය දෙපස 820 x 3.6 mA = 2.95 V ක විභව පාතනයක් ඇති වේ. එවිට V_CE = 6 – 2.95 = 3.05 V වේවි. දළ වශයෙන් කලෙක්ටර් විභවය සැපයුම් විභවයෙන් ½ ක් හෙවත් 3 V ලෙස පවතී.

එහෙත් දැන් β අගය එහි අවම අගය වන 100 වන අවස්ථාව සලකමු. එවිට, 24 μA ක බේස් ධාරාව 100න් ගුණ වී 2400 μA = 2.4 mA ක කලෙක්ටර් ධාරාවක් ඇති වේ. එය මුල් අගයට වඩා බොහෝ අඩුයි නේද? එනිසාම, කලෙක්ටර් රෙසිස්ටරය හරහා පාතනය වන විභවය 2.4 mA x 820 = 1.97 V වේ. එවිට V_CE = 6 – 1.97 = 4.03 V වේ. එය නිවාත අගයෙන් ((4.03 – 3) V / 3 V) x 100 = 34% ක පමන වෙනසකි/අපගමනයකි.

එලෙසම β = 200 වන උපරිම අගය ගෙන ඉහත ගණනය කිරීම් සිදු කළ විට, නිවාත කලෙක්ටර් ධාරාව 24 μA x 200 = 4.8 mA ද, කලෙක්ටර් රෙසිස්ටරය හරහා පාතනය වන විභවය 820 x 4.8 mA = 3.94 V ද, V_CE = 6 – 3.94 = 2.06 V ද ලැබේ. එය නිවාත අගයෙන් ((3 – 2.06) V / 3 V) x 100 = 31% ක පමන අපගමනයකි.

මේ අනුව ඉතා පැහැදිලිවම පෙනෙනවා β අගයේ අවිනිශ්චිත ස්වභාවය හේතු කොට ගෙන අප සැලසුම් කරන පරිපථයේ නිවාත අගයන් විශාල ලෙස එහා මෙහා යා (අපගමනය විය) හැකියි. එය පරිපථය සම්පූර්ණයෙන්ම අවුල් වී යෑමටද හේතුවක් විය හැකිය. ඒ කෙසේද?

මොහොතකට සිතන්න ඉන්පුට් කරපු සංඥාවේ වෝල්ටියතාව වර්ධනය වී කලෙක්ටර් අග්‍රය මත ඇති වන සංඥාවේ වෝල්ටියතාව 4V_PP කියා (මෙය පීක්-ටු-පීක් අගයක් නිසා මධ්‍ය රේඛාවේ සිට උඩට උපරිමව වෝල්ට් 2කුත්, යටට උපරිවම වෝල්ට් 2කුත් ලෙස විචලනය වේවි). දැන් β අගය 150 ලෙස සලකා අප පරිපථය සැලසුම් කළේ කලෙක්ටර් අග්‍රය මත පවතින නිවාත කලෙක්ටර් වෝල්ටියතාව සැපයුම් වෝල්ටියතාවෙන් දළ වශයෙන් අඩක් වන සේනෙ. එවිට මේ උදාහරණයේදී එම අගය වෝල්ට් 3 වේ. දැන් 4 V ක පීක් ටු පීක් සංඥාවේ කෑලි නොකැපී (clip නොවී) පහත රූපයේ ආකාරයට ලස්සනට ගාණට සංඥාව විචලනය වේවි.

එහෙත් β අගය ටිපිකල් අගයෙන් අපගමනය වෙමින් උපරිම හා අවම අගයන් කරා යන විට තත්වය නරක අතට හැරේ; සංඥා විකෘති වේ. β = 100 අවස්ථාව ගමු. එහිදී නිවාත කලෙක්ටර් වෝල්ටියතා අගය 4.03 V වේ. එවිට වෝල්ට් 4ක පීක් ටු පීක් සංඥාව කලෙක්ටරය මත පවතින්නේ පහත රූපයේ ආකාරයට වේ. සංඥාවේ යට කොටසට විචලනය වීමට අවශ්‍ය තරම් ඉඩක් තිබුණත්, ඉහල කොටසට ඉඩ පොඩ්ඩක් මදි වේ. එවිට සංඥාවේ එම වැඩිපුර කොටස කැපී යයි (clipping). එම කොටස රතුපාටින් දැක්වේ.

 

එලෙසම β = 200 වන අවස්ථාවත් සලකන්න. මෙවිට ක්ලිප් වන්නට යන්නේ සංඥාවේ යට කොටස වේ. එහෙත් (වාසනාවකට මෙන්) සංඥාව යාන්තමින් ක්ලිප් නොවී බේරේ. තව ඇබිත්තක් හෝ සංඥාවේ විස්තාරය වැඩි වුවොත් අනිවාර්යෙන්ම ක්ලිප් වේ.

ශබ්දයකදී නම් මෙලෙස ක්ලිප් වීම දැඩිව කනට දැනේ. එය නීරසය. එහෙත් රේඩියෝ සංඛ්‍යාත පරිපථයකදී මෙලෙස ක්ලිප් වීමෙන් ඉතා විශාල ගැටලු ඇති වේ. ඒ කියන්නේ මෙම ක්ලිප් වීම නිසාම අධිසංඛ්‍යාත රේඩියෝ තරංග (උපරිතාන – harmonics) එතැන ජනනය වේ (ඒ කෙසේද යන්න පසුවට විස්තරාත්මකව බලමු). එවිට එම උපරිතාන අනිවාර්යෙන්ම පරිපථයෙන් පිටතට විහිදීම වැලැක්වීමට කටයුතු කිරීමට සිදු වේ. එය නීති රෙගුලාසි වලින්ම අනිවාර්ය කර තිබේ.

මෙලෙස සංඥා විකෘති වීම සමනය කිරීමට තිබෙන එක්තරා පිලියමක් වන්නේ ට්‍රාන්සිස්ටරයේ වෝල්ටියතා ගේන් එක අඩු කිරීමයි. එවිට, වෝල්ට් 4ක පීක් ටු පීක් අගයක් වෙනුවට වෝල්ට් 3ක් හෝ 2ක් හෝ (අපට අවශ්‍ය තරම් අඩු ප්‍රමාණයක) වෝල්ටියතාවක් පවතින සේ ගේන් එක අඩු කළ හැකිය. එහෙත් කුමන තත්වයක් යටතේ වුවද, නිශ්චිත β අගයක් සහිත ට්‍රාන්සිස්ටරයක් යෙදීම විසඳුමක් නොවන වග මොහොතකට පෙර පැවසුවනෙ.

ඊට අමතරව, ට්‍රාන්සිස්ටරයේ උෂ්නත්වය වෙනස් වීම නිසාද β අගය වෙනස් වේ. ඒ අනුව කොහොම හරි අපට අවශ්‍යම β අගයක් සහිත ට්‍රාන්සිස්ටරයක් යෙදුවත්, එම පරිපථය භාවිතා කරමින් සිටින විට උෂ්නත්වය ඉහල යෑම නිසා β අගය වෙනස් වේ (වැඩි වේ). එවිට නිවාත අගයන් වෙනස් වේ.

ඊටත් අමතරව, ට්‍රාන්සිස්ටරයේ එමිටර්/කලෙක්ටර් ධාරාව මතද β අගය විචලනය වේ. එම ධාරාව ඉතා ඉහලට යන විටත්, ඉතා පහලට යන විටත් මෙම β අගය අඩු වේ. එමිටර්/කලෙක්ටර් ධාරාවේ මධ්‍යස්ථ අගය පරාසයක් තුල (1 mA සිට 10 mA පමන දක්වා යැයි සිතමු) පෙන්වන β අගය තමයි ට්‍රාන්සිස්ටර් ඩේටාෂීට් එකේ දක්වා තිබෙන්නේ. සාමාන්‍යයෙන් පෙරවර්ධක පරිපථවල ට්‍රාන්සිස්ටර් එමිටර් ධාරාව මෙම මධ්‍යස්ථ අගය පරාසය තුල පවතින නිසා, පෙරවර්ධක පරිපථ සඳහා එය ගැටලුවක් නොවේ. පහත දැක්වෙන්නේ BC107 යන ට්‍රාන්සිස්ටර් කාණ්ඩය සඳහා කලෙක්ටර් ධාරාව අනුව β විචලනය පෙන්වන සත්‍ය ප්‍රස්ථාරයකි (ඩේටාෂීට් එකේ පවතින). මෙම ප්‍රස්ථාරය වලංගු වන්නේ පරිසර උෂ්නත්වය (Ambient temperature – T_A) සෙල්සියස් 25 සඳහාය. උෂ්නත්වය වෙනස් වන විටත් β අගය විචලනය වන නිසා මෙම ප්‍රස්ථාරය වලංගු වන උෂ්නත්වය ලබා දී ඇත.

කෙසේ වෙතත් පෙරවර්ධක පරිපථ සඳහා තවත් විශාල සහනයක් තිබෙනවා. එනම්, β අගය ඉහත පෙන්වා දුන් ලෙස කාරණා කිහිපයක් නිසාම වෙනස් වුවත්, එය සමස්ථ පරිපථ ක්‍රියාකාරිත්වයට බාධාවක් නොවේ (බොහෝ අවස්ථාවලදී). ඊට හේතුව ට්‍රාන්සිස්ටර් කලෙක්ටරය මත ඇති වන වර්ධිත සංඥාව ස්මෝල් සිග්නල් වීමයි (එනම්, නිවාත අගයන්ට සාපෙක්ෂව සංඥාවේ අගයන් ඉතා කුඩා වීමයි). ඉහත උදාහරණයම නැවත ගමු.

බීටා අගය 100, 150, 200 ලෙස ගත් විට, ඉහත පෙන්වා දුන් පරිදි නිවාත අගයන් වෙනස් වේ. 100 යන β අගයදී කලෙක්ටර් වෝල්ටියතාව 4.03 V වන අතර, එම අගය මධ්‍ය කර ගෙන ඉතා කුඩා (මිලිවෝල්ට් ගණනක පීක් ටු පීක් වෝල්ටියතාවක් සහිත) සංඥාව උඩට හා යටට විහිදෙන විට පහත රූපයේ ආකාරයට ක්ලිප් වෙන්නට තරම් එම සංඥාව විශාල නොවේ. β අගය 200 වන විටත් තත්වය එසේමය.

ඒ කියන්නේ β විචලනය දැඩි ලෙස බලපාන්නේ large signal amplifier වලදීය. ඒ ගැන අප පසුවට ඉගෙන ගමු. කෙසේ වෙතත්, β විචලනය මත පරිපථ ක්‍රියාකාරිත්වය වෙනස් වීම හැකි තරම් පාලනය කිරීම සුදුසුය (පෙරවර්ධකවලදී වුවද). ඒ සඳහා ක්‍රමවේද ඇත. එම වාසිය අත්පත් කර ගැනීමේදී අපට යම් අවාසියක්ද ඇති වේ. එනම්, ට්‍රාන්සිස්ටරයේ වර්ධන ප්‍රමාණය (ගේන් එක) අඩු වේ. මෙය ප්‍රායෝගිකව සිදු කරන අයුරු පසු පාඩම් තුල ඇත.

අපට ඍජුවම පාලනය කළ නොහැකි හෝ උෂ්ණත්වය වැනි හේතු මත විචලනය වන හෝ විචල්‍යයන්/සාධක/පරාමිතින් මත පරිපථයක වැදගත් ගතිලක්ෂණ (වෝල්ටියතා වර්ධනය, ඉන්පුට් හා අවුට්පුට් ඉම්පිඩන්ස් අගයන් වැනි) වෙනස් නොවන සේ හැකි තරම් පරිපථය නිර්මාණය කිරීමට වෙහෙස දැරිය යුතුය.

හැමවිටම ට්‍රාන්සිස්ටරයක් නිපදවන විට එහි β අගය යම් පරාසයක් තුල තමයි ලැබෙන්නේ. සමහර ට්‍රාන්සිස්ටර්වල මෙම පරාසය පටු වන අතර, තවත් ඒවාවල එම පරාසය විශාලය. සමහර ට්‍රාන්සිස්ටර් නිෂ්පාදකයන් එය තම වාසියට හරවාගෙන තිබේ. එනම්, තමන් නිපදවන යම් ට්‍රාන්සිස්ටර් වර්ගයක මෙලෙස විශාල β අගය පරාසයක් ඇති විට, ඒවායේ β අගය කර්මාන්තශාලාව තුලම චෙක් කර කොටස් දෙක තුනකට වර්ග කරයි. උදාහරණයක් ලෙස සිතමු, යම් ට්‍රාන්සිස්ටරයක් නිපදවන විට β අගය පරාසය 100 සිට 400 දක්වා පවතී කියා. එවිට, 100 සිට 200 දක්වාද, 200 සිට 300 දක්වාද, 300 සිට 400 දක්වාද වශයෙන් එම ට්‍රාන්සිස්ටර දැන් වර්ගකරයි. මේ සියල්ලටම එකම මූලික ට්‍රාන්සිස්ටර් කේතය දෙන අතර, අර β වර්ගීකරණය අනුව එම මූලික කේතයට පසුව A, B, C ලෙස ඉංග්‍රිසි අකුරක් යොදයි. එවන් උදාහරණයක් පහත දැක්වේ. පහත ට්‍රාන්සිස්ටර් 3ම සමාන වන අතර, β අගය පමණක් වෙනස් වේ.

BC 548A → β = 100

BC 548B → β = 250

BC 548C → β = 400