Một trong những ứng dụng cơ bản nhất của một transistor là sử dụng nĩ để kiểm sốt nguồn điện cho một phần khác của mạch - như là một chuyển mạch điện tử. Dùng nĩ trong các chế độ đĩng-ngắt hoặc chế độ bão hịa, các transistor cĩ thể tạo ra tín hiệu nhị phân bằng hiệu ứng bật/tắt của một chuyển mạch. Bộ chuyển mạch bằng transistor là đích đến trong việc xây dựng các khối vi mạch. Chúng được sử dụng để tạo các cổng logic, là tiền đề để tiếp tục tạo ra vi điều khiển, vi xử lý, và các mạch tích hợp khác.
Hầu hết các cơng tắc bằng transistor đều sử dụng một loại bĩng cĩ tiếp giáp phân cực ngược: NPN. Ví dụ chúng ta sử dụng một bĩng NPN để điều khiển một LED cơng suất cao.
Đầu vào điều khiển tại chân Base, đầu ra ở chân collector, và chân emitter được giữ tại một điện áp khơng đổi (GND).
Trong khi một bộ chuyển mạch bình thường sẽ cần một thiết bị truyền động để gạt nhảy, chuyển mạch này được điều khiển bởi điện áp tại chân Base. Một vi điều khiển chân I/O, giống như trên một Arduino hay PIC, cĩ thể được lập trình theo mức cao hay thấp để chỉ thị cho LED bật hoặc tắt.
2019 TRANG 58
Hình 4.6: Mạch đĩng ngắt sử dụng Transistor NPN
Khi điện áp tại chân Base lớn hơn 0.6V, các transistor bắt đầu bão hịa và lúc này là ngắn mạch giữa cực collector và cực emitter. Khi điện áp tại chân Base nhỏ hơn 0.6V, transistor ở trong chế độ Đĩng-Ngắt, khơng cĩ dịng điện chạy qua vì lúc này nĩ là mạch hở giữa chân C và E.
Hình 4.7: Giao tiếp Transistor điều khiển rờ le
Mạch trên được gọi là một chuyển mạch bên thấp (low-side switch) bởi vì thiết bị chuyển mạch - transistor - là ở bên điện áp thấp của mạch điện (GND).
2019 TRANG 59
Ngồi ra, chúng ta cĩ thể sử dụng một transistor PNP để tạo ra một bộ chuyển mạch phía bên áp cao (high-side switch)
Tương tự như các mạch NPN, chân Base là chân đầu vào, và emitter được gắn với một điện áp khơng đổi. Tuy nhiên lần này, chân emitter được gắn mức cao, và tải được kết nối với các transistor ở phía mặt đất.
Hình 4.8: Mạch đĩng ngắt sử dụng Transistor PNP
Mạch này hoạt động cũng giống như chuyển đổi NPN ở trên, nhưng cĩ một sự khác biệt rất lớn: để cấp được nguồn cho tải, điện áp trên chân Base phải thấp. Điều này cĩ thể gây ra các rắc rối, đặc biệt là nếu điện áp cao của tải (VCC trong hình này) là cao hơn so với điện áp cao đầu vào điều khiển. Ví dụ, mạch này sẽ khơng hoạt động nếu bạn cố gắng sử dụng một Arduino 5V- hoạt động để chuyển mạch trên một động cơ 12V. Trong trường hợp đĩ nĩ sẽ khơng thể nào bật cơng tắc tắt vì VB sẽ luơn luơn nhỏ hơn VE.
Điện trở cực Base (Điện trở cực nền)
Chúng ta thấy rằng trong các mạch sử dụng một loạt các điện trở giữa các đầu vào điều khiển và chân Base của các transistor. Đừng quên thêm vào điện trở này! Một transistor mà khơng cĩ một điện trở trên chân Base thì cũng giống như một đèn LED khơng cĩ điện trở hạn dịng.
2019 TRANG 60
Hiểu theo một cách khác, một transistor chỉ là một cặp diode nối liền với nhau. Chúng là sự phân cực thuận tiếp xúc diode Base-Emitter để bật tải. Các diode chỉ cần 0.6V để bật, nhiều điện áp hơn cĩ nghĩa là nhiều dịng hơn. Một số transistor chỉ cần đạt thơng số tối đa là 10-100mA của dịng điện chạy qua chúng. Nếu bạn cung cấp một dịng điện vượt quá thơng số tối đa, các transistor cĩ thể bị phá hỏng.
Các điện trở giữa nguồn điều khiển và chân base hạn chế dịng tới chân base. Tiếp giáp base-emitter cĩ mức điện áp rơi lý tưởng vào khoảng 0.6V, và điện trở tiêu tốn lượng điện áp cịn lại. Giá trị của điện trở và điện áp qua nĩ sẽ thiết lập giá trị dịng điện.
Các điện trở cần phải đủ lớn để hạn chế hiệu quả dịng điện, nhưng cũng phải đủ nhỏ để cung cấp đủ dịng nuơi chân base. Dịng từ 1mA đến 10mA thường sẽ là đủ và điện trở base cĩ giá trị từ 1k đến 10k, nhưng cần tra thêm datasheet (bảng dữ liệu) của transistor để chắc chắn hơn.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Phân biệt hai loại transistor PNP và NPN.
2. Vẽ hình phân cực cho hai loại transistor PNP và NPN dẫn điện. 3. Trình bày các dịng điện chạy qua transistor NPN.
4. Transistor cĩ bao nhiêu loại trạng thái hoạt động ? điều kiện phân cực ở mỗi trạng thái ?
5. Trình bày đặt tuyến ngõ ra của transistor. 6. Cho mạch điện như hình sau
2019 TRANG 61
.`
Transistor NPN (Si) vơi Vcc=16V, =90, Rc=2,7K, RB=470KΩ. Hãy Xác định IBQ, ICQ, VCEQ, Vc, VB, VE của mạch
7. Cho mạch điện như hình sau
a. Transistor NPN (Si) với Vcc= 20V, =100, Rc=2,7KΩ, RB = 560KΩ, RE = 1,5KΩ. Xác định IBQ, ICQ, VCEQ, VC, VB, VE của mạch.
b. Transistor NPN (Si) VCC=12V , =80, VE=2,4V, VC =7,6V. Tính điện trở RC, RB, RE, VCE, VB.
2019 TRANG 62
8. Cho mạch điện như hình sau
Transistor NPN (Si) với VCC=16V , =80, RC = 3,9KΩ, R1 =68KΩ, R2=8,2KΩ, RE=0,68KΩ. Xác định IB, IC, VCE, VC, VB, VE của mạch.
2019 TRANG 63 CHƯƠNG 5
TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG FET
5.1 Giới thiệu
Trong phần transistor BJT chúng ta thấy rằng ngõ ra dịng điện cực thu (C) của transistror tỉ lệ với dịng điện ngõ vào của cực nền (B). Điều này là cho Transistror lưỡng cực trở thành một thiết bị hoạt động “Dịng điện” cĩ thể tạo ra một dịng tải lớn hơn từ một dịng điện điều khiển nhỏ
Transistor hiệu ứng trường (FET), sử dụng điện áp tại cực ngõ vào (cực cổng G) để điều khiển dịng điện ở ngõ ra tỉ lệ với điện áp ngõ vào. Vì hoạt động của chúng phụ thuộc vào điện trường (đây là lý do gọi là transistor hiệu ứng trường) được tạo ra từ điện áp ngõ vào ở cực cổng, điều này làm cho FET cĩ được xem là thiết bị hoạt động “Điện áp”
FET là một thiết bị bán dẫn đơn cực ba chân cĩ đặc tính gần gống với transistro lưỡng cực BJT. Ví dụ như cĩ hiệu quả cao, đáp ứng tức thời, cĩ tính bền vững cao, chi phí rẻ và cĩ thể được sử dụng hầu hết trong các mạch điện tử để thay thế cho các transistor BJT với chức năng tương đương
FET cĩ thể được chế tạo nhỏ hơn nhiều so với các loại Transistor BJT tương đương và với cơng suất tiêu thụ thấp làm cho chúng được tích hợp trong các trong các IC như các Chip CMOS
Trong bài trước chúng ta đã biết rằng transistor BJT cĩ hai loại NPN và PNP, với sự sắp xếp vật lý khác nhau giữa các lớp chất bán dẫn N và P. Điều
2019 TRANG 64
này cũng đúng với FRT cũng được phân loại thành 2 loại, FET kênh N và FET kênh P
Transistor FET là một linh kiện 3 cổng được xây dựng khơng cĩ dịng điện đi qua mối nối PN mà dịng điện chính đi giữa cực máng (Drain) và cực nguồn (Source). Những chân này cĩ chức năng tương ứng với cực thu (Collector) và cực phát (Emiter) trong BJT. Dịng điện giữa hai chân này được gọi là kênh (Chanel) cĩ thể xuất phát từ cực từ chất bán dẫn loại P hoặc loại N
Việc điều khiển dịng điện trong kênh đạt được bằng chách thay đổi điện áp đặt vào cực cổng (Gate). Đúng như tên gọi của chúng, BJT là thiết bị lưỡng cực bởi chúng hoạt động với hai loại hạt là lỗ trống (hole) và điện tử (electron). FET cĩ tên khác là linh kiện “đơn cực” do chúng chỉ phụ thuộc vào 1 loại hạt dẫn diện là điện tử (electron) với kênh N hoặc các lỗ trống với kênh P
FET cĩ một ưu điểm lớn so với BJT. Trở kháng ngõ vào của chúng (Rin) rất lớn (hàng ngàn ohm) trong khi đĩ trở kháng của transistor ngõ vào rất thấp. Ngõ vào trở kháng lớn giúp chúng rất nhạy với tín hiệu điện áp ngõ vào, nhưng khi nhạy như vậy phải trả giá bằng việc chúng rất dễ hư hỏng bởi hiện tượng sốc tĩnh điện
Transistor hiệu ứng trường FET cĩ hai loại:
- Transistor trường dùng chuyển tiếp P-N gọi là JFET (Junction Fet:
transistor trường chuyển tiếp)
- Transistor trường cĩ cực cửa cách ly, gọi là IGFET (Isolated gate) hoặc
MOSFET (Metal Oxid Semiconductor).
Transistor bán dẫn oxit kim loại hiệu ứng trường (MOSFET, MOS-FET, hoặc MOS FET) là một loại bĩng bán dẫn được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển mạch các tín hiệu điện tử (tạo xung - các trạng thái mức cao “1” và mức thấp “0”).
Ưu điểm chính của một MOSFET hơn một bĩng bán dẫn thơng thường là nĩ địi hỏi dịng điện rất nhỏ để bật (ít hơn 1mA), trong khi cĩ khả năng phân phối (dẫn) một dịng cao hơn nhiều đến tải (10 đến 50A hoặc nhiều hơn).
2019 TRANG 65
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, hoặc viết tắt là MOSFET, cĩ một trở kháng cổng đầu vào rất cao với dịng điện chạy qua các kênh giữa cực nguồn và cực máng được điều khiển bởi điện áp cổng. Do trở kháng đầu vào cao và tăng lên, MOSFETs cĩ thể dễ dàng bị hư hỏng do tĩnh điện nếu khơng được bảo vệ hoặc xử lý cẩn thận.
MOSFET rất lý tưởng để sử dụng làm chuyển mạch điện tử hoặc các bộ khuếch đại nguồn chung (common-source) do lượng tiêu thụ điện năng của chúng là rất nhỏ. Các ứng dụng tiêu biểu của các transistor bán dẫn oxit kim loại hiệu ứng trường cĩ trong các bộ vi xử lý, các bộ nhớ máy tính và các cổng logic CMOS, v.v...