Transistor Hoạt động Như Một Công Tắc

Mục Lục

Transistor Hoạt Động Như Một Công Tắc

Transistor có thể hoạt động như một công tắc điện tử, đóng vai trò bật/tắt dòng điện trong các mạch điện tử. Trong vai trò này, transistor thay thế các công tắc cơ học truyền thống, giúp mạch hoạt động nhanh hơn và ổn định hơn, đặc biệt là trong các mạch logic, vi xử lý, và thiết bị điện tử hiện đại.

Nguyên Lý Hoạt Động

Khi được sử dụng như một công tắc, transistor có hai trạng thái cơ bản:

Trạng thái bật (ON): Transistor cho phép dòng điện chạy qua, tương đương với việc đóng công tắc.
Trạng thái tắt (OFF): Transistor không cho phép dòng điện chạy qua, tương đương với việc mở công tắc.

Các Loại Transistor Hoạt Động Như Công Tắc

1. Transistor Lưỡng Cực (BJT – Bipolar Junction Transistor)

NPN BJT: Hoạt động khi có dòng điện chạy vào chân Base để kích hoạt dòng điện lớn hơn giữa chân Collector và Emitter.
- Khi điện áp ở chân Base đủ cao, transistor chuyển sang trạng thái bật (ON), cho phép dòng điện chảy từ Collector đến Emitter.
- Khi điện áp ở chân Base thấp (hoặc không có dòng điện), transistor ở trạng thái tắt (OFF), không cho phép dòng điện chạy qua.

2. Transistor Hiệu Ứng Trường (FET – Field-Effect Transistor)

MOSFET là loại FET thường được dùng làm công tắc. Có hai loại chính:
- N-Channel MOSFET: Bật khi có điện áp dương ở chân Gate, cho phép dòng điện chạy từ Drain đến Source.
- P-Channel MOSFET: Bật khi có điện áp âm ở chân Gate, cho phép dòng điện chạy từ Source đến Drain.

MOSFET có ưu điểm tiêu thụ rất ít dòng điện khi ở trạng thái tắt, vì dòng điều khiển vào chân Gate gần như bằng 0.

Ứng Dụng Của Transistor Như Công Tắc

1. Điều Khiển LED

Transistor có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị tiêu thụ dòng điện nhỏ như LED:

Khi chân Base hoặc Gate được điều khiển, transistor bật và dòng điện chạy qua LED, làm LED phát sáng.
Khi transistor tắt, LED cũng sẽ tắt theo.

2. Điều Khiển Động Cơ

Transistor được dùng trong các mạch điều khiển động cơ để bật/tắt động cơ một cách nhanh chóng và chính xác:

MOSFET thường được sử dụng để điều khiển dòng điện lớn trong các mạch công suất cao như động cơ DC.

3. Mạch Chuyển Đổi Logic

Trong các mạch số và vi xử lý, transistor được sử dụng làm công tắc để điều khiển các tín hiệu số 0 và 1, giúp xây dựng các cổng logic, bộ nhớ, và các phần tử cơ bản trong máy tính.

Ưu Điểm Khi Sử Dụng Transistor Làm Công Tắc

Tốc độ cao: Transistor có thể chuyển đổi trạng thái bật/tắt rất nhanh, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ xử lý nhanh như vi xử lý.
Không có phần cơ học: Khác với công tắc cơ học, transistor không có bộ phận chuyển động, giúp giảm hao mòn và tăng độ bền.
Tiết kiệm năng lượng: Transistor chỉ cần một lượng năng lượng nhỏ để chuyển đổi giữa các trạng thái, đặc biệt là với MOSFET.

Kết Luận

Transistor hoạt động như một công tắc điện tử là một trong những ứng dụng quan trọng nhất trong điện tử học hiện đại. Với khả năng điều khiển dòng điện một cách hiệu quả và chính xác, transistor đóng vai trò quyết định trong các hệ thống điều khiển, mạch logic, và thiết bị điện tử. Chúng mang lại hiệu suất cao, tốc độ nhanh và tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với các công tắc cơ học truyền thống.

Khi được sử dụng làm bộ khuếch đại tín hiệu AC, điện áp phân cực cơ sở của bóng bán dẫn được áp dụng theo cách mà nó luôn hoạt động trong vùng “hoạt động” của nó, tức là phần tuyến tính của các đường cong đặc tính đầu ra được sử dụng. Tuy nhiên, cả hai bóng bán dẫn lưỡng cực loại NPN & PNP đều có thể được chế tạo để hoạt động như một công tắc trạng thái rắn loại “BẬT/TẮT” bằng cách phân cực các bóng bán dẫn. Thiết bị đầu cuối cơ sở vận hành bóng bán dẫn như một công tắc theo cách khác.

Công tắc trạng thái rắn là một trong những ứng dụng chính của việc sử dụng bóng bán dẫn để chuyển đổi đầu ra DC “BẬT” hoặc “TẮT”. Một số thiết bị đầu ra, chẳng hạn như đèn LED chỉ yêu cầu một vài milliamp 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, cuộn dây điện từ hoặc đèn thường yêu cầu nhiều năng lượng hơn mức được cung cấp bởi cổng logic thông thường nên các công tắc bóng bán dẫn được sử dụng.

Nếu mạch sử dụng Transitor lưỡng cực làm Công tắc, thì độ lệch của bóng bán dẫn, NPN hoặc PNP, được bố trí để vận hành bóng bán dẫn ở cả hai phía của đường cong đặc tính “IV” mà chúng ta đã thấy trước đây.

Các vùng hoạt động của công tắc bóng bán dẫn được gọi là Vùng bão hòa và Vùng cắt . Điều này có nghĩa là khi đó chúng ta có thể bỏ qua mạch phân cực điểm Q và mạch phân chia điện áp cần thiết cho quá trình khuếch đại và sử dụng bóng bán dẫn làm công tắc bằng cách điều khiển nó qua lại giữa trạng thái “TẮT HOÀN TOÀN” (ngắt) và “BẬT HOÀN TOÀN” (bão hòa) như hiển thị bên dưới.

Khu vực hoạt động

Vùng bóng mờ 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 bóng bán dẫn. Cả hai vùng bóng bán dẫn này được định nghĩa là:

1. Vùng giới hạn

Ở đây, điều kiện hoạt động của bóng bán dẫn là dòng điện cơ sở đầu vào bằng 0 (I_B), dòng điện thu đầu ra bằng 0 (I_C) và điện áp thu cực đại (V_CE) dẫn đến lớp suy giảm lớn và không có dòng điện chạy qua thiết bị. Do đó bóng bán dẫn được chuyển sang trạng thái “TẮT hoàn toàn”.

Đặc điểm cắt

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 điểm nối phân cực ngược, V_B<0,7v và I_C = 0. Đối với bóng bán dẫn PNP, điện thế Bộ phát phải âm so với cơ sở (B).

2. Vùng bão hòa

Ở đây, bóng bán dẫn sẽ được phân cực sao cho lượng dòng cơ sở tối đa được áp dụng, dẫn đến dòng điện cực đại của bộ thu dẫn đến sự sụt giảm điện áp bộ phát của bộ thu tối thiểu, dẫn đến lớp suy giảm càng nhỏ càng tốt và dòng điện tối đa chạy qua bóng bán dẫn. Do đó bóng bán dẫn được bật “BẬT hoàn toàn”.

Đặc điểm bão hòa

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 điểm nối đều phân cực thuận, V_B > 0,7v và I_C = Tối đa. Đối với bóng bán dẫn PNP, điện thế Emitter phải dương so với Base.

Sau đó, bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc trạng thái rắn “một cực” (SPST). Với tín hiệu bằng 0 được áp dụng cho Đế của bóng bán dẫn, nó sẽ “TẮT” hoạt động giống như một công tắc mở và dòng điện thu bằng 0 chạy qua. Với tín hiệu dương được cấp vào Đế của bóng bán dẫn, nó sẽ “BẬT” hoạt động giống như một công tắc đóng và dòng điện tối đa chạy qua thiết bị.

Cách đơn giản nhất để chuyển đổi lượng điện năng vừa phải sang cao là sử dụng bóng bán dẫn có đầu ra cực thu hở và cực phát của bóng bán dẫn được nối trực tiếp với mass. Do đó, khi được sử dụng theo cách này, đầu ra cực thu hở của bóng bán dẫn có thể “hạ” điện áp được cung cấp bên ngoài xuống đất, nhờ đó kiểm soát mọi tải được kết nối.

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

Mạch chuyển mạch Transistor NPN cơ bản

Mạch này giống với mạch Common Emitter mà chúng ta đã xem ở bài trước. Sự khác biệt lần này là để vận hành bóng bán dẫn như một công tắc, bóng bán dẫn cần phải được “TẮT” hoàn toàn (ngắt) hoặc “BẬT” hoàn toàn (bão hòa).

Một công tắc bóng bán dẫn lý tưởng sẽ có điện trở mạch vô hạn giữa Bộ thu và Bộ phát khi “TẮT hoàn toàn” dẫn đến dòng điện chạy qua nó bằng 0 và điện trở bằng 0 giữa Bộ thu và Bộ phát khi được “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 bóng bán dẫn và khi “BẬT” hoàn toàn, thiết bị có giá trị điện trở thấp gây ra điện áp bão hòa nhỏ ( V_CE ) trên nó. Mặc dù bóng bán dẫn không phải là một công tắc hoàn hảo, nhưng ở cả vùng cắt và vùng bão hòa, công suất tiêu tán của bóng bán dẫn đều ở mức tối thiểu.

Để dòng điện Cơ sở chạy qua, cực đầu vào Cơ sở phải được điều chỉnh dương hơn Bộ phát bằng cách tăng nó lên trên mức 0,7 volt cần thiết cho thiết bị silicon. Bằng cách thay đổi điện áp Base – Emitter V_BE này, dòng điện cơ sở cũng được thay đổi và từ đó điều khiển lượng dòng Collector chạy qua bóng bán dẫn như đã thảo luận trước đây.

Khi dòng Collector tối đa chạy qua bóng bán dẫn được cho là đã bão hòa. Giá trị của điện trở cơ sở xác định điện áp đầu vào cần thiết là bao nhiêu và dòng cơ sở tương ứng để “BẬT” hoàn toàn bóng bán dẫn.

Ví dụ 1

Sử dụng các giá trị bóng bán dẫn từ các hướng dẫn trước về: β = 200, Ic = 4mA và Ib = 20uA, tìm giá trị của Điện trở cơ sở (Rb) cần thiết để “BẬT” tải hoàn toàn khi điện áp đầu vào vượt quá 2,5v.

Giá trị ưu tiên thấp nhất tiếp theo là: 82kΩ, điều này đảm bảo công tắc bóng bán dẫn luôn bão hòa.

Ví dụ 2

Một lần nữa, sử dụng các giá trị tương tự, tìm dòng điện cơ sở tối thiểu cần thiết để bật bóng bán dẫn “BẬT hoàn toàn” (bão hòa) cho tải yêu cầu dòng điện 200mA khi điện áp đầu vào tăng lên 5,0V. Đồng thời tính giá trị mới của Rb.

Dòng cơ sở của bóng bán dẫn:

Điện trở cơ sở của bóng bán dẫn:

Công tắc bóng bán dẫn được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như giao tiếp các thiết bị có dòng điện lớn hoặc điện áp cao như động cơ, rơle 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 +5v nhưng thiết bị được điều khiển có thể yêu cầu nguồn điện 12 hoặc thậm chí 24 volt. Hoặc tải như Động cơ DC có thể cần được kiểm soát tốc độ bằng cách sử dụng một loạt xung (Điều chế độ rộng xung). Công tắc bóng bán dẫn sẽ cho phép chúng ta thực hiện việc này nhanh hơn và dễ dàng hơn so với các công tắc cơ học thông thường.

Công tắc bóng bán dẫn logic kỹ thuật số

Cần có điện trở cơ bản Rb để hạn chế dòng điện đầu ra từ cổng logic.

Công tắc bóng bán dẫn PNP

Chúng ta cũng có thể sử dụng Transitor PNP làm công tắc, điểm khác biệt lần này là tải được kết nối với mặt đất (0v) và bóng bán dẫn PNP sẽ chuyển nguồn sang nó. Để bật bóng bán dẫn PNP hoạt động như một công tắc “BẬT”, cực Base được kết nối với đất hoặc điện áp 0 (THẤP) như minh họa.

Mạch chuyển mạch bóng bán dẫn PNP

Các phương trình tính toán điện trở cơ sở, dòng điện Collector và điện áp hoàn toàn giống với công tắc bóng bán dẫn NPN trước đây. Sự khác biệt lần này là chúng ta chuyển đổi nguồn điện bằng bóng bán dẫn PNP (dòng điện nguồn) thay vì chuyển mạch nối đất bằng bóng bán dẫn NPN (dòng chìm). Hiểu đơn giản là sử dụng điện áp âm để kích mở hoàn toàn transistor PNP

Công tắc bóng bán dẫn Darlington

Đôi khi mức tăng dòng điện một chiều của bóng bán dẫn lưỡng cực quá thấp để chuyển đổi trực tiếp dòng điện hoặc điện áp tải, do đó, nhiều bóng bán dẫn chuyển mạch được sử dụng. Ở đây, một bóng bán dẫn đầu vào nhỏ được sử dụng để bật “BẬT” hoặc “TẮT” một bóng bán dẫn đầu ra xử lý dòng điện lớn hơn nhiều.

Để tối đa hóa mức tăng tín hiệu, hai bóng bán dẫn được kết nối trong “Cấu hình tổng hợp mức tăng bổ sung” hay thường được gọi là “Cấu hình Darlington” là hệ số khuếch đại là sản phẩm của hai bóng bán dẫn riêng lẻ.

Các bóng bán dẫn Darlington chỉ đơn giản chứa hai bóng bán dẫn loại NPN hoặc PNP lưỡng cực riêng lẻ được kết nối với nhau sao cho mức tăng dòng điện của bóng bán dẫn thứ nhất được nhân với mức tăng dòng điện của bóng bán dẫn thứ hai để tạo ra một thiết bị hoạt động giống như một bóng bán dẫn duy nhất có dòng điện rất cao. đạt được dòng cơ sở nhỏ hơn nhiều.

Giá trị khuếch đại dòng tổng thể Beta (β) hoặc hfe của thiết bị Darlington là tích của hai mức khuếch đại riêng lẻ của bóng bán dẫn và được tính như sau:

Vì vậy, các Transitor Darlington có giá trị β rất cao và dòng Collector cao có thể được so sánh với một công tắc bóng bán dẫn đơn. Ví dụ: nếu bóng bán dẫn đầu vào đầu tiên có mức tăng dòng điện là 100 và bóng bán dẫn chuyển mạch thứ hai có mức tăng dòng điện là 50 thì tổng mức tăng dòng điện sẽ là 100 * 50 = 5000.

Vì vậy, ví dụ: nếu dòng tải của chúng tôi từ phía trên là 200mA thì dòng cơ sở Darlington chỉ là 200mA/5000 = 40uA. Giảm rất nhiều so với 1mA trước đó đối với một bóng bán dẫn.

Dưới đây là một ví dụ về hai loại cấu hình bóng bán dẫn Darlington cơ bản.

Cấu hình bóng bán dẫn Darlington

Cấu hình công tắc bóng bán dẫn NPN Darlington ở trên hiển thị Bộ thu của hai bóng bán dẫn được kết nối với Bộ phát của bóng bán dẫn thứ nhất được kết nối với cực gốc của bóng bán dẫn thứ hai do đó, dòng Emitter của bóng bán dẫn thứ nhất trở thành dòng cơ sở của bóng bán dẫn thứ hai chuyển mạch nó “BẬT”.

Bóng bán dẫn đầu tiên hay còn gọi là bóng bán dẫn “đầu vào” nhận tín hiệu đầu vào đến Đế của nó. Bóng bán dẫn này khuếch đại nó theo cách thông thường và sử dụng nó để điều khiển các bóng bán dẫn “đầu ra” lớn thứ hai. Bóng bán dẫn thứ hai khuếch đại tín hiệu một lần nữa dẫn đến mức tăng dòng điện rất cao. Một trong những đặc điểm chính của Transitor Darlington là mức tăng dòng điện cao so với các bóng bán dẫn lưỡng cực đơn.

Ngoài khả năng chuyển đổi dòng điện và điện áp tăng cao, một ưu điểm khác của “Công tắc bóng bán dẫn Darlington” là tốc độ chuyển mạch cao khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các mạch biến tần, mạch chiếu sáng và các ứng dụng điều khiển động cơ DC hoặc động cơ bước.

Một điểm khác biệt cần cân nhắc khi sử dụng bóng bán dẫn Darlington so với loại lưỡng cực đơn thông thường khi sử dụng bóng bán dẫn làm công tắc là điện áp đầu vào Base-Emitter ( V_BE ) cần cao hơn ở mức khoảng 1,4v đối với các thiết bị silicon, do kết nối nối tiếp của hai điểm nối PN.

Tóm tắt về Transistor hoạt động như một công tắc

Sau đó, để tóm tắt khi sử dụng Transistor làm Switch, áp dụng các điều kiện sau:

Công tắc bán dẫn có thể được sử dụng để chuyển mạch và điều khiển đèn, rơle hoặc thậm chí cả động cơ.
Khi sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực làm công tắc, chúng phải ở trạng thái “TẮT hoàn toàn” hoặc “BẬT hoàn toàn”.
Các bóng bán dẫn ở trạng thái “BẬT” hoàn toàn được cho là đang ở vùng Bão hòa của chúng.
Các bóng bán dẫn ở trạng thái “TẮT” hoàn toàn được cho là đang ở trong Vùng giới hạn của chúng.
Khi sử dụng bóng bán dẫn làm công tắc, dòng Cơ sở 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 cuộn dây điện từ, “Điốt bánh đà” được sử dụng.
Khi cần điều khiển dòng điện hoặc điện áp lớn, có thể sử dụng Transitor Darlington.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Transitor, chúng ta sẽ xem xét hoạt động của bóng bán dẫn hiệu ứng trường tiếp nối thường được gọi là JFET. Chúng ta cũng sẽ vẽ đồ thị các đường cong đặc tính đầu ra thường được kết hợp với các mạch khuếch đại JFET như một hàm của điện áp Nguồn đến điện áp Cổng.

Xem thêm tại diencobacninh.com