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ट्रांजिस्टर का hFE: एक ही सटीक मान के हिसाब से डिज़ाइन क्यों नहीं करना चाहिए

hFE एक रेंज है, कोई एक संख्या नहीं

बाइपोलर ट्रांजिस्टर का करंट गेन, जिसे आम तौर पर hFE या बीटा लिखा जाता है, एक्टिव रीजन में कलेक्टर करंट और बेस करंट का अनुपात होता है। डेटाशीट किसी टेस्ट कंडीशन के लिए न्यूनतम, सामान्य और अधिकतम मान देती है, और कई छोटे-सिग्नल NPN पार्ट्स में न्यूनतम और अधिकतम के बीच का फैलाव कई गुना होता है। एक ही रील से आए दो ट्रांजिस्टर भी काफ़ी अलग हो सकते हैं, और कर्व ट्रेसर या मल्टीमीटर के hFE सॉकेट पर मापा गया गेन केवल उस एक डिवाइस को, उस एक करंट और तापमान पर बताता है।

गेन ऑपरेटिंग पॉइंट के साथ भी बदलता है। यह आम तौर पर मध्यम कलेक्टर करंट पर सबसे ऊँचा होता है, बहुत कम करंट पर गिरता है, और करंट डिवाइस की रेटिंग की ऊपरी सीमा की ओर बढ़ने पर फिर गिरता है। कई पार्ट्स में डाई गर्म होने से गेन बढ़ता है, इसलिए जो ट्रांजिस्टर ठंडे होने पर ठीक जाँचा जाता है, वह कुछ मिनट चलने के बाद अलग व्यवहार कर सकता है। इनमें से कुछ भी दोष नहीं है; यह बस डिवाइस का व्यवहार है, और इसी कारण अच्छा डिज़ाइन किसी एक मान पर निर्भर नहीं करता।

एक उदाहरण: 20 mA लोड चलाना

मान लीजिए आप एक NPN ट्रांजिस्टर से 5 V सप्लाई पर 20 mA लोड स्विच करना चाहते हैं, और आप चाहते हैं कि वह पूरी तरह चालू हो, यानी सैचुरेटेड, ताकि उसका कलेक्टर-एमिटर ड्रॉप छोटा रहे। चालन में बेस-एमिटर वोल्टेज सिलिकॉन पार्ट के लिए लगभग 0.7 V होता है, इसलिए रेज़िस्टर पर लगभग 5 V माइनस 0.7 V, यानी 4.3 V दिखता है। एक आम तरीका फ़ोर्स्ड बीटा है: ऐसा बेस करंट चुनें जो कलेक्टर करंट का एक तय हिस्सा हो, ताकि ट्रांजिस्टर सैचुरेट हो जाए भले ही उसका गेन आपकी अपेक्षा से कम हो। यदि आप 10 का फ़ोर्स्ड बीटा चुनते हैं, तो बेस करंट का लक्ष्य 20 mA को 10 से भाग देने पर आता है, जो 2 mA है। बेस रेज़िस्टर फिर 4.3 V को 2 mA से भाग देने पर लगभग 2.15 किलोहोम होता है, इसलिए 2.2 किलोहोम रेज़िस्टर लगभग 1.95 mA बेस ड्राइव देता है।

अब उस डिज़ाइन की तुलना कीजिए जो एक ही गेन मान पर भरोसा करता है। यदि कोई 100 के सामान्य hFE को देखकर उस गेन पर ठीक 20 mA देने के लिए रेज़िस्टर का आकार तय करता है, तो उसे 0.2 mA बेस करंट और लगभग 21.5 किलोहोम का रेज़िस्टर चाहिए। 22 किलोहोम रेज़िस्टर लगभग 0.195 mA देता है। वास्तविक डिवाइस का गेन इस करंट पर केवल 30 हो, तो बेस करंट केवल 5.9 mA कलेक्टर करंट सपोर्ट करता है, जो 20 mA लोड के लिए पर्याप्त नहीं है। ट्रांजिस्टर सैचुरेशन से बाहर निकल जाता है, उसका कलेक्टर अपने सैचुरेशन वोल्टेज से काफ़ी ऊपर बैठता है, और लोड धुंधला या अविश्वसनीय चलता है। सर्किट बेंच पर केवल इसलिए चला क्योंकि वह खास ट्रांजिस्टर संयोग से उच्च-गेन वाला था।

मार्जिन चुनना

आप जो फ़ोर्स्ड बीटा चुनते हैं, वह एक ट्रेड-ऑफ़ है। 10 के आसपास का मान इन करंट पर स्विचिंग के लिए एक आम शुरुआती बिंदु है, क्योंकि यह वास्तविक पार्ट्स की विस्तृत रेंज में ट्रांजिस्टर को सैचुरेटेड रखता है, और बेस करंट इतना कम रखता है कि ड्राइविंग लॉजिक या माइक्रोकंट्रोलर पिन ओवरलोड न हो। बहुत ऊँचा फ़ोर्स्ड बीटा टर्न-ऑफ़ तेज़ करता है और सैचुरेशन मार्जिन बढ़ाता है, लेकिन यह बेस करंट बर्बाद करता है और जब बेस को ज़ोर से चलाकर फिर साफ़ करना पड़े तो स्विचिंग धीमी कर सकता है। सही मान आपकी ज़रूरी गति, आपके ड्राइवर द्वारा दिए जा सकने वाले करंट और तापमान में अपेक्षित बदलाव पर निर्भर करता है।

बेस ड्राइवर भी जाँचें। माइक्रोकंट्रोलर आउटपुट जो कुछ मिलीएम्पियर देता है, इस उदाहरण के लिए ठीक हो सकता है, पर कम करंट सीमा वाला लॉजिक पिन बड़े लोड के लिए भरोसेमंद नहीं होता, और ऐसी स्थिति में ट्रांजिस्टर कभी पूरी तरह सैचुरेट नहीं हो सकता। यदि लोड बड़ा या इंडक्टिव है, तो फ़्लायबैक डायोड और उपयुक्त बेस या एमिटर व्यवस्था ज़रूरी हो सकती है, पर वह गेन से अलग विषय है।

फैलाव के पार अपने डिज़ाइन की जाँच

सर्किट बन जाने के बाद एक ट्रांजिस्टर पर न रुकें। उसी प्रकार के कुछ पार्ट्स बदलकर लोड चालू रखते हुए कलेक्टर-एमिटर वोल्टेज मापें। यदि हर बार यह कम रहता है, तो डिज़ाइन सही है। यदि कोई पार्ट ऊँचा रहता है, तो आपका बेस ड्राइव उस डिवाइस के लिए बहुत कमज़ोर है, और समाधान बेहतर मैच किया हुआ ट्रांजिस्टर खोजना नहीं, बल्कि कम बेस रेज़िस्टर या बड़ा फ़ोर्स्ड बीटा है।

किसी खास पार्ट की सटीक इलेक्ट्रिकल सीमाओं के बारे में संदेह हो, तो उसकी डेटाशीट पढ़ें और अपने उपयोग के सबसे नज़दीक टेस्ट कंडीशन के तहत दिए गए न्यूनतम और अधिकतम मान लें। जहाँ कोई संख्या न दी गई हो, उसे सामान्य रेंज मानें और मार्जिन के साथ डिज़ाइन करें।