Ứng dụng Công tắc
Một trong những ứng dụng cơ bản nhất của bóng bán dẫn là sử dụng nó để điều khiển dòng điện đến một phần khác của mạch điện – sử dụng nó như một công tắc điện. Điều khiển nó ở chế độ cắt hoặc bão hòa, bóng bán dẫn có thể tạo ra hiệu ứng bật/tắt nhị phân của một công tắc.
Công tắc bóng bán dẫn là khối xây dựng mạch quan trọng; chúng được sử dụng để tạo ra các cổng logic, sau đó tạo ra các bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý và các mạch tích hợp khác. Dưới đây là một vài mạch ví dụ.
Công tắc bóng bán dẫn
Chúng ta hãy xem mạch chuyển mạch bóng bán dẫn cơ bản nhất: bộ chuyển mạch NPN. Ở đây chúng tôi sử dụng NPN để điều khiển đèn LED công suất cao:
Đầu vào điều khiển của chúng tôi chảy vào đế, đầu ra được gắn với bộ thu và bộ phát được giữ ở điện áp cố định.
Trong khi một công tắc thông thường yêu cầu bộ truyền động phải được lật vật lý thì công tắc này được điều khiển bằng điện áp ở chân đế. Chân I/O của vi điều khiển, giống như chân trên Arduino, có thể được lập trình để lên cao hoặc xuống thấp để bật hoặc tắt đèn LED.
Khi điện áp ở chân đế lớn hơn 0,6V (hoặc bất kể giá trị V của bóng bán dẫn của bạn là bao nhiêu), bóng bán dẫn bắt đầu bão hòa và trông giống như đoản mạch giữa bộ thu và bộ phát. Khi điện áp ở chân đế nhỏ hơn 0,6V, bóng bán dẫn ở chế độ cắt – không có dòng điện chạy qua vì nó trông giống như một mạch hở giữa C và E.
Mạch ở trên được gọi là công tắc phía thấp, bởi vì công tắc – bóng bán dẫn của chúng ta – nằm ở phía thấp (mặt đất) của mạch. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng bóng bán dẫn PNP để tạo công tắc phía cao:
Tương tự như mạch NPN, cực gốc là đầu vào của chúng ta và bộ phát được gắn với một điện áp không đổi. Tuy nhiên, lần này, bộ phát được buộc ở mức cao và tải được kết nối với bóng bán dẫn ở mặt đất.
Mạch này hoạt động giống như công tắc dựa trên NPN, nhưng có một điểm khác biệt rất lớn: để “bật” tải, chân đế phải ở mức thấp. Điều này có thể gây ra sự cố, đặc biệt nếu điện áp cao của tải (V CC là 12V kết nối với bộ phát VE trong hình này) cao hơn điện áp cao của đầu vào điều khiển của chúng tôi. Ví dụ: mạch này sẽ không hoạt động nếu bạn đang cố sử dụng Arduino hoạt động 5V để tắt động cơ 12V. Trong trường hợp đó, không thể tắt công tắc vì VB (nối với chân điều khiển) luôn nhỏ hơn VE.
Điện trở cơ bản!
Bạn sẽ nhận thấy rằng mỗi mạch đó sử dụng một điện trở nối tiếp giữa đầu vào điều khiển và đế của bóng bán dẫn. Đừng quên thêm điện trở này! Một bóng bán dẫn không có điện trở trên đế cũng giống như một đèn LED không có điện trở giới hạn dòng điện.
Hãy nhớ lại rằng, theo một cách nào đó, bóng bán dẫn chỉ là một cặp điốt được kết nối với nhau. Chúng tôi đang phân cực thuận cho diode phát cơ sở để bật tải. Diode chỉ cần 0,6V để bật, điện áp cao hơn nghĩa là dòng điện cao hơn. Một số bóng bán dẫn chỉ có thể được định mức cho dòng điện tối đa 10-100mA chạy qua chúng. Nếu bạn cung cấp dòng điện vượt quá định mức tối đa, bóng bán dẫn có thể nổ tung.
Điện trở nối tiếp giữa nguồn điều khiển của chúng tôi và đế giới hạn dòng điện vào đế . Nút phát cơ sở có thể giảm điện áp ở mức 0,6V và điện trở có thể giảm điện áp còn lại. Giá trị của điện trở và điện áp trên nó sẽ thiết lập dòng điện.
Điện trở cần phải đủ lớn để hạn chế dòng điện một cách hiệu quả, nhưng đủ nhỏ để cung cấp đủ dòng điện cho đế. 1mA đến 10mA thường là đủ, nhưng hãy kiểm tra bảng dữ liệu của bóng bán dẫn để đảm bảo.
Logic kỹ thuật số
Các bóng bán dẫn có thể được kết hợp để tạo ra tất cả các cổng logic cơ bản của chúng ta : AND, OR và NOT.
(Lưu ý: Ngày nay, MOSFET có nhiều khả năng được sử dụng để tạo cổng logic hơn BJT. MOSFET tiết kiệm điện hơn nên chúng trở thành lựa chọn tốt hơn.)
Biến tần
Đây là mạch bán dẫn thực hiện cổng biến tần hoặc cổng NOT:
Ở đây, điện áp cao vào đế sẽ bật bóng bán dẫn, điều này sẽ kết nối bộ thu với bộ phát một cách hiệu quả. Vì bộ phát được kết nối trực tiếp với mặt đất nên bộ thu cũng sẽ như vậy (mặc dù nó sẽ cao hơn một chút, khoảng V CE(sat) ~ 0,05-0,2V). Mặt khác, nếu đầu vào ở mức thấp, bóng bán dẫn trông giống như mạch hở và đầu ra được kéo lên VCC
(Đây thực sự là một cấu hình bóng bán dẫn cơ bản được gọi là bộ phát chung. Sẽ nói thêm về điều đó sau.)
Cổng AND
Dưới đây là một cặp bóng bán dẫn được sử dụng để tạo cổng AND 2 đầu vào :
Nếu một trong hai bóng bán dẫn bị tắt thì đầu ra ở bộ thu của bóng bán dẫn thứ hai sẽ bị kéo xuống mức thấp. Nếu cả hai bóng bán dẫn đều “bật” (cả hai cực đều ở mức cao) thì đầu ra của mạch cũng ở mức cao.
Cổng OR
Và cuối cùng, đây là cổng OR 2 đầu vào:
Trong mạch này, nếu một trong hai (hoặc cả hai) A hoặc B ở mức cao thì bóng bán dẫn tương ứng đó sẽ bật và kéo đầu ra lên cao. Nếu cả hai bóng bán dẫn đều tắt thì đầu ra bị kéo xuống mức thấp thông qua điện trở.
Cầu H
Cầu H là một mạch dựa trên bóng bán dẫn có khả năng điều khiển động cơ theo cả chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Đó là một mạch điện cực kỳ phổ biến — động lực đằng sau vô số robot phải có khả năng di chuyển cả tiến và lùi.
Về cơ bản, cầu H là sự kết hợp của bốn bóng bán dẫn với hai đường đầu vào và hai đầu ra:
(Lưu ý: thường có nhiều hơn một chút về cầu H được thiết kế tốt bao gồm điốt flyback, điện trở cơ bản và bộ kích hoạt Schmidt.)
Nếu cả hai đầu vào có cùng điện áp thì đầu ra của động cơ sẽ có cùng điện áp và động cơ sẽ không thể quay. Nhưng nếu hai đầu vào ngược nhau thì động cơ sẽ quay theo hướng này hay hướng khác.
Cầu H có một bảng chân lý trông hơi giống thế này:
Bộ dao động
Bộ tạo dao động là một mạch tạo ra tín hiệu định kỳ dao động giữa điện áp cao và điện áp thấp. Bộ tạo dao động được sử dụng trong tất cả các loại mạch: từ việc nhấp nháy đèn LED đơn giản đến tạo tín hiệu đồng hồ để điều khiển vi điều khiển. Có rất nhiều cách để tạo ra một mạch dao động bao gồm tinh thể thạch anh, op-amps và tất nhiên là cả bóng bán dẫn.
Đây là một ví dụ về mạch dao động mà chúng tôi gọi là mạch đa hài không ổn định. Bằng cách sử dụng phản hồi, chúng ta có thể sử dụng một cặp bóng bán dẫn để tạo ra hai tín hiệu dao động bổ sung.
Ngoài hai bóng bán dẫn, các tụ điện thực sự là chìa khóa của mạch này. Các tụ điện thay phiên nhau sạc và xả, làm cho hai bóng bán dẫn lần lượt bật và tắt.
Phân tích hoạt động của mạch này là một nghiên cứu xuất sắc về hoạt động của cả tụ điện và bóng bán dẫn. Để bắt đầu, giả sử C1 đã được sạc đầy (lưu trữ điện áp khoảng V CC), C2 được phóng điện, Q1 bật và Q2 tắt. Đây là những gì xảy ra sau đó:
- Nếu Q1 bật thì tấm bên trái của C1 (trên sơ đồ) được kết nối với khoảng 0V. Điều này sẽ cho phép C1 phóng điện qua bộ thu của Q1.
- Trong khi C1 đang xả, C2 nhanh chóng sạc qua điện trở có giá trị thấp hơn – R4.
- Khi C1 phóng điện hoàn toàn, tấm bên phải của nó sẽ được kéo lên khoảng 0,6V, điều này sẽ bật Q2.
- Tại thời điểm này, chúng tôi đã hoán đổi các trạng thái: C1 đã xả, C2 đã sạc, Q1 tắt và Q2 bật. Bây giờ chúng ta thực hiện điệu nhảy tương tự theo cách khác.
- Q2 bật cho phép C2 phóng điện qua bộ thu của Q2.
- Trong khi Q1 tắt, C1 có thể sạc tương đối nhanh qua R1.
- Sau khi C2 phóng điện hoàn toàn, Q1 sẽ được bật lại và chúng ta sẽ trở lại trạng thái ban đầu.
Bằng cách chọn các giá trị cụ thể cho C1, C2, R2 và R3 (và giữ R1 và R4 tương đối ở mức thấp), chúng ta có thể đặt tốc độ của mạch đa hài của mình:
Vì vậy, với các giá trị cho tụ điện và điện trở được đặt tương ứng là 10µF và 47kΩ, tần số dao động của chúng ta là khoảng 1,5 Hz. Điều đó có nghĩa là mỗi đèn LED sẽ nhấp nháy khoảng 1,5 lần mỗi giây.
Như bạn có thể đã thấy, có rất nhiều mạch điện sử dụng bóng bán dẫn. Nhưng chúng tôi hầu như không làm trầy xước bề mặt. Những ví dụ này chủ yếu chỉ ra cách bóng bán dẫn có thể được sử dụng ở chế độ bão hòa và cắt như một công tắc, nhưng còn khuếch đại thì sao? Đã đến lúc có thêm ví dụ!
