Ứng Dụng Của Transistor Trong Thực Tế

Khi được sử dụng như một bộ khuếch đại tín hiệu AC, Transistor có điện áp phân cực nền (Base) được áp dụng để nó luôn hoạt động trong vùng “hoạt động” , đó là phần tuyến tính của các đường cong đặc tuyến đầu ra được sử dụng.

Tuy nhiên, cả hai Transistor lưỡng cực NPN & PNP đều có thể được thực hiện để hoạt động như công tắc trạng thái rắn “BẬT / TẮT” bằng cách phân cực nền của transistor cho bộ khuếch đại tín hiệu.

Công tắc trạng thái rắn là một trong những ứng dụng chính cho việc sử dụng Transistor để chuyển đầu ra DC “BẬT” hoặc “TẮT”. Một số thiết bị chẳng hạn như đèn LED chỉ yêu cầu một vài miliampe ở điện áp DC mức logic và do đó có thể được điều khiển trực tiếp bởi đầu ra của cổng logic. Tuy nhiên, các thiết bị công suất cao như động cơ,đèn, thường yêu cầu nhiều điện hơn so với công suất được cung cấp bởi cổng logic thông thường, vì vậy các Transistor được sử dụng.

Các vùng hoạt động của Transistor được gọi là Vùng bão hòa và Vùng cắt . Điều này có nghĩa là chúng ta có thể bỏ qua phân cực điểm Q và mạch phân áp cần thiết để khuếch đại và sử dụng Transistor như một công tắc bằng cách điều khiển nó “TẮT hoàn toàn” (cắt) và “Bật hoàn toàn” (bão hòa) như hình dưới đây.

Khu vực hoạt động

Vùng tô màu hồng ở dưới cùng của các đường cong biểu thị vùng “Cắt” trong khi vùng màu xanh lam ở bên trái biểu thị vùng “Bão hòa” của Transistor . Cả hai vùng Transistor này được định nghĩa là:

1. Vùng giới hạn

Ở đây điều kiện hoạt động của Transistor là dòng điện ( I B = 0 ), dòng điện cực C đầu ra bằng không ( I C ) và điện áp cực đại ( V CE ) dẫn đến lớp suy giảm lớn và không có dòng điện chạy qua . Do đó bóng bán dẫn được chuyển sang trạng thái “TẮT hoàn toàn”.

Đặc điểm

Cực B được nối đất (0v) Điện áp BE  V BE  <0,7v Tiếp giáp Base-Emitter được phân cực ngược Tiếp giáp Base-Collector được phân cực ngược Transistor ở trạng thái “TẮT hoàn toàn” (Vùng cắt) ( I C  = 0 ) VOUT = VCE = VCC = ”1″ Transistor hoạt động như một “công tắc mở”

Sau đó, chúng ta có thể xác định “vùng cắt” hoặc “chế độ TẮT” khi sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực làm công tắc, cả hai lớp tiếp giáp đều phân cực ngược, V B  <0,7V và I C  = 0 . Đối với bóng bán dẫn PNP, điện áp BE phải âm.

2. Vùng bão hòa

Ở đây bóng bán dẫn sẽ được phân cực để lượng dòng điện tại cự B lớn nhất được đưa vào, làm dòng điện cực C lớn nhất dẫn đến sụt áp nhỏ trên cực E và dòng điện cực đại chạy qua Transistor . Do đó bóng bán dẫn được chuyển sang “Bật hoàn toàn”.

Đặc điểm

Cực B được kết nối V CC Điện áp V BE  > 0,7V Tiếp giáp Base-Emitter được phân cực thuận Tiếp giáp Base-Collector được phân cực thuận Transistor “Bật hoàn toàn” (vùng bão hòa) Dòng điện ( I C  = Vcc / R L ) V CE  = 0 (bão hòa lý tưởng) V OUT  = V CE  = ”0 ″ Transistor hoạt động như một “công tắc đóng”

Sau đó, chúng ta có thể xác định “vùng bão hòa” hoặc “chế độ BẬT” khi sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực làm công tắc, cả hai lớp tiếp giáp đều phân cực thuận, V B  > 0,7V và I C  = Cực đại . Đối với bóng bán dẫn PNP, Điện áp BE phải dương.

Sau đó, transistor hoạt động như một công tắc trạng thái rắn “đơn cực” (SPST). Với một tín hiệu bằng không được đặt vào cực B của transistor , nó sẽ “TẮT” hoạt động giống như một công tắc mở và dòng điện cực C bằng không. Với một tín hiệu dương được đặt vào cực B của transistor, nó sẽ “BẬT” hoạt động giống như một công tắc đóng và dòng điện mạch cực đại chạy qua thiết bị.

Dưới đây là một ví dụ về Transistor NPN như một công tắc được sử dụng để vận hành rơ le. Với tải cảm ứng như rơle hoặc điện trở, một diode bánh đà được đặt trên tải để tiêu tán EMF phía sau được tạo ra bởi tải cảm ứng khi bóng bán dẫn chuyển sang trạng thái “TẮT” và do đó bảo vệ bóng bán dẫn khỏi bị hư hỏng. Nếu tải có bản chất dòng điện hoặc điện áp rất cao, chẳng hạn như động cơ, lò sưởi, v.v., thì dòng điện tải có thể được điều khiển thông qua một rơ le thích hợp như được minh họa.

Chuyển mạch transistor NPN cơ bản

Mạch này tương tự như mạch E chung mà chúng ta đã xem trong các bài hướng dẫn trước. Sự khác biệt lần này là để vận hành transistor như một công tắc, transistor được “TẮT hoàn toàn”(cắt) hoặc “BẬT hoàn toàn” (bão hòa). Một công tắc transistor lý tưởng sẽ có điện trở mạch vô hạn giữa Cực C và Cực E khi được “TẮT hoàn toàn” dẫn đến dòng điện chạy qua nó bằng không và điện trở giữa E và C bằng không khi được bật “BẬT hoàn toàn”, dẫn đến dòng điện tối đa.

Trong thực tế khi bóng bán dẫn ở trạng thái “TẮT”, dòng điện rò nhỏ chạy qua transistor và khi “BẬT” hoàn toàn, có giá trị điện trở thấp gây ra điện áp bão hòa nhỏ (  V CE  ) trên nó. Mặc dù transistor không phải là một công tắc hoàn hảo, ở cả vùng cắt và vùng bão hòa, công suất tiêu tán của bóng bán dẫn ở mức thấp.

Để có dòng qua cực B, điện áp cực B phải được làm dương hơn so với Cực E bằng cách tăng nó lên trên 0,7V. Bằng cách thay đổi điện áp Base-Emitter này V BE , dòng cực B cũng được thay đổi và do đó điều khiển lượng dòng điện cực C chạy qua transistor như đã thảo luận trước đó.

Transistor như một công tắc chuyển mạch Ví dụ No1

Giả sử ta có các giá trị:  β = 200, Ic = 4mA và Ib = 20uA , tìm giá trị của Điện trở cực ( Rb ) cần thiết để transistor “BẬT” hoàn toàn khi điện áp đầu vào đầu vào vượt quá 2,5v .

Giá trị ưu tiên thấp nhất là: 82kΩ , điều này đảm bảo công tắc transistor luôn bão hòa.

Transistor như một công tắc chuyển mạch Ví dụ số 2

Một lần nữa sử dụng các giá trị tương tự ở trên, hãy tìm Dòng điện cực B tối thiểu cần thiết để transistor “BẬT hoàn toàn” (bão hòa) cho tải yêu cầu dòng điện 200mA khi điện áp đầu vào được tăng lên 5,0V. Đồng thời tính giá trị mới của Rb .

Dòng điện cực B Transistor:

Điện trở cực B của transistor:

Công tắc transistor được sử dụng cho nhiều ứng dụng như giao tiếp các thiết bị dòng điện lớn hoặc điện áp cao như động cơ, rơ le hoặc đèn với IC kỹ thuật số điện áp thấp hoặc cổng logic như cổng AND hoặc cổng OR . Ở đây, đầu ra từ cổng logic kỹ thuật số chỉ là + 5v nhưng thiết bị được điều khiển có thể yêu cầu nguồn cung cấp 12 hoặc thậm chí 24 volt. Hoặc tải như Động cơ DC có thể cần được điều khiển tốc độ của nó bằng cách sử dụng một loạt các xung (Điều chế độ rộng xung). công tắc transistor sẽ cho phép chúng ta làm điều này nhanh hơn và dễ dàng hơn so với các công tắc cơ học thông thường.

Công tắc transistor logic kỹ thuật số

Điện trở cực B :  Rb được yêu cầu để hạn chế dòng ra từ cổng logic.

Công tắc transistor PNP

Chúng ta cũng có thể sử dụng các transistor PNP như một công tắc, sự khác biệt lần này là tải được kết nối với đất (0V) và transistor PNP chuyển nguồn cho nó. Để chuyển transistor PNP hoạt động như một công tắc “BẬT”, Cực B được kết nối với đất hoặc không vôn (LOW) như hình minh họa.

Mạch chuyển mạch bóng bán dẫn PNP

Các phương trình để tính toán Điện trở cực B, Dòng cực C và điện áp hoàn toàn giống như đối với công tắc transistor NPN trước đó.

Công tắc transistor Darlington

Đôi khi độ lợi dòng điện một chiều của bóng bán dẫn lưỡng cực quá thấp để chuyển đổi trực tiếp dòng tải hoặc điện áp, vì vậy nhiều transistor chuyển mạch được sử dụng. Ở đây, một transistor đầu vào nhỏ được sử dụng để chuyển “BẬT” hoặc “TẮT” một bóng bán dẫn đầu ra xử lý dòng điện lớn hơn nhiều. Để tối đa hóa độ lợi tín hiệu, hai transistor được kết nối trong một “Cấu hình cộng hưởng độ lợi bổ sung” hoặc thường được gọi là ” Transistor Darlington “

Transistor Darlington chỉ đơn giản là chứa hai bóng bán dẫn loại NPN hoặc PNP lưỡng cực được kết nối với nhau để độ lợi dòng điện của bóng bán dẫn đầu tiên được nhân với độ lợi dòng điện của transistor thứ hai để tạo ra một thiết bị hoạt động giống như một transistor duy nhất với dòng điện rất cao. Giá trị độ lợi tổng thể hiện tại Beta (β) hoặc giá trị hfe của  Darlington là kết quả của hai độ lợi riêng lẻ của các bóng bán dẫn và được cho là:

Vì vậy, các transistor Darlington với giá trị β rất cao và dòng điện cực C cao nó như là một transistor. Ví dụ: nếu transistor đầu vào đầu tiên có độ lợi dòng điện là 100 và transistor chuyển mạch thứ hai có độ lợi dòng điện là 50 thì tổng độ lợi dòng điễn sẽ là 100 * 50 = 5000. Vì vậy, ví dụ, nếu dòng tải của chúng ta từ ví dụ phía trên là 200mA , khi đó dòng Cực B darlington chỉ 200mA / 5000 = 40uA . Giảm rất nhiều so với 1mA trước đây cho một bóng bán dẫn duy nhất.

Dưới đây là một ví dụ về hai loại transistor Darlington cơ bản.

Transistor Darlington

Transistor NPN Darlington ở trên cho thấy cực C của hai transistor được kết nối với nhau với cực E của transistor thứ nhất được kết nối với cực gốc của transistor thứ hai, do đó, dòng điện cực E của transistor thứ nhất trở thành dòng điện cực B của transistor thứ hai nó “BẬT”.

Transistor đầu tiên hoặc “đầu vào” nhận tín hiệu đầu vào đến Cực B của nó. transistor này khuếch đại nó theo cách thông thường và sử dụng nó để điều khiển các transistor “đầu ra” thứ hai lớn hơn. Transistor thứ hai khuếch đại tín hiệu một lần nữa dẫn đến độ lợi dòng điện rất cao. Một trong những đặc điểm chính của Transistor Darlington là độ lợi dòng điện cao so với transistor lưỡng cực đơn.

Cùng với khả năng chuyển đổi dòng điện và điện áp tăng cao, một ưu điểm khác của “Transistor Darlington” là ở tốc độ chuyển mạch cao khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các mạch chuyển đổi, mạch chiếu sáng và các ứng dụng điều khiển động cơ DC hoặc động cơ bước.

Một điểm khác biệt cần xem xét khi sử dụng Transistor Darlington so với các loại transistor đơn cực thông thường khi sử dụng transistor làm công tắc là điện áp đầu vào ( V BE ) cần phải cao hơn ở khoảng 1,4V.

Các ứng dụng của transistor trong thực tế như một công tắc

• Công tắc transistor có thể được sử dụng để chuyển đổi và điều khiển đèn, rơ le hoặc thậm chí động cơ.
• Khi sử dụng transistor lưỡng cực làm công tắc, chúng phải ở trạng thái “TẮT hoàn toàn” hoặc “BẬT hoàn toàn”.
• Các transistor hoàn toàn “BẬT” được cho là nằm trong vùng Bão hòa của chúng .
• Các transistor hoàn toàn “TẮT” được cho là nằm trong vùng Cắt của chúng .
• Khi sử dụng transistor làm công tắc, dòng cực B nhỏ sẽ điều khiển dòng tải Collector lớn hơn nhiều.
• Khi sử dụng bóng bán dẫn để chuyển đổi tải cảm ứng như rơle và điện trở, phải sử dụng thêm điode nhánh.
• Khi cần điều khiển dòng điện hoặc điện áp lớn, có thể sử dụng Transistor Darlington.