Transistor đóng vai trò quan trọng trong thế giới điện tử của chúng ta. Chúng rất quan trọng như một nguồn điều khiển trong hầu hết các mạch điện tử hiện đại. Đôi khi bạn nhìn thấy chúng, nhưng thường thì chúng ẩn sâu bên trong các chip tích hợp. Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ giới thiệu về những điều cơ bản của loại transistor phổ biến nhất: transistor lưỡng cực (BJT).
Với số lượng nhỏ, rời rạc, transistor có thể được dùng để tạo ra các mạch chuyển mạch điện tử đơn giản, logic số, và mạch khuếch đại tín hiệu. Với số lượng hàng ngàn, hàng triệu, thậm chí hàng tỷ, các transistor được kết nối và nhúng vào các chip nhỏ để tạo ra bộ nhớ máy tính, vi xử lý và các mạch tích hợp phức tạp khác.
Bạn cũng có thể kiểm tra transistor sống hay chết nhé !
Nội dung bài hướng dẫn
Sau khi đọc qua bài hướng dẫn này, chúng tôi muốn bạn có một hiểu biết tổng quan về cách hoạt động của transistor. Chúng ta sẽ không đi quá sâu vào vật lý bán dẫn hay các mô hình tương đương, nhưng sẽ đủ sâu để bạn hiểu cách một transistor có thể được sử dụng như một công tắc hoặc bộ khuếch đại.
Bài hướng dẫn này được chia thành các phần, bao gồm:
- Ký hiệu, chân và cấu tạo – Giải thích sự khác biệt giữa 3 chân của transistor.
- Mở rộng phép ẩn dụ nước – Quay lại phép ẩn dụ nước để giải thích cách một transistor hoạt động như van.
- Các chế độ hoạt động – Tổng quan về 4 chế độ hoạt động khả dĩ của transistor.
- Công tắc – Các mạch ứng dụng cho thấy cách transistor được dùng làm công tắc điều khiển điện tử.
Có hai loại transistor cơ bản: lưỡng cực (BJT) và trường ảnh hưởng kim loại-oxit (MOSFET). Trong bài hướng dẫn này, chúng ta sẽ tập trung vào BJT, vì nó hơi dễ hiểu hơn. Đi sâu hơn về các loại transistor, thực ra có hai phiên bản của BJT: NPN và PNP. Chúng ta sẽ tập trung hơn vào việc hiểu kỹ về NPN. Bằng cách thu hẹp phạm vi – hiểu chắc về NPN – sẽ dễ dàng hơn để hiểu về PNP (hay MOSFET) bằng cách so sánh các điểm khác biệt so với NPN.
Ký hiệu, chân và cấu tạo
Về cơ bản, transistor là thiết bị 3 cực. Trên một transistor lưỡng cực (BJT), các chân đó được ghi nhãn là collector (C), base (B), và emitter (E). Ký hiệu mạch cho cả BJT loại NPN và PNP như sau:
Điểm khác biệt duy nhất giữa NPN và PNP là hướng mũi tên trên chân emitter. Mũi tên trên NPN hướng ra ngoài và trên PNP thì hướng vào trong.
Các bài đọc trước đây của chúng ta đã bàn về các thiết bị 2 cực (như điện trở và diode), nghĩa là với mỗi thiết bị chỉ có một dòng điện và một điện áp cần xét. Vì transistor có 3 cực, chúng ta sẽ xét đến hai dòng điện và hai điện áp.
Cấu tạo Transistor
Giống như diode, transistor cũng dựa vào bán dẫn để hoạt động. Bán dẫn là vật liệu không phải là chất dẫn thuần khiết (như dây đồng) nhưng cũng không phải là chất cách điện (như không khí). Độ dẫn điện của bán dẫn – mức độ dễ dàng cho phép electron chảy qua – phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ hoặc sự hiện diện của nhiều hay ít electron hơn. Chúng ta hãy xem qua cấu tạo bên trong một transistor. Đừng lo, chúng ta sẽ không đi quá sâu vào vật lý lượng tử.
Transistor như là hai diode
Về một mặt nào đó, transistor giống như một sự mở rộng của một thành phần bán dẫn khác: diode. Có thể xem transistor như hai diode gắn cathode (hay anode) với nhau:
Diode nối giữa base và emitter là quan trọng hơn ở đây; nó trùng với hướng của mũi tên trên ký hiệu sơ đồ và cho bạn thấy dòng điều khiển được dự định chảy qua transistor theo hướng nào.
Biểu diễn diode là một điểm bắt đầu tốt, nhưng còn xa mới chính xác. Đừng dựa vào mô hình đó để hiểu cách hoạt động của transistor (và chắc chắn đừng thử tái tạo nó trên breadboard, nó sẽ không hoạt động). Có rất nhiều thứ kỳ lạ ở cấp độ vật lý lượng tử kiểm soát các tương tác giữa ba cực.
(Mô hình này có ích nếu bạn cần kiểm tra một transistor. Sử dụng chức năng kiểm tra diode (hoặc điện trở) trên đồng hồ vạn năng, bạn có thể đo giữa các cực BE và BC để kiểm tra sự tồn tại của các “diode” đó.)
Cấu trúc và hoạt động của transistor
Transistor được tạo ra bằng cách xếp chồng ba lớp vật liệu bán dẫn khác nhau lên nhau. Một số lớp đó có electron thêm vào (quá trình gọi là “pha tạp”), và một số khác bị loại bỏ electron (pha tạp với “lỗ trống” – sự vắng mặt của electron). Vật liệu bán dẫn có thêm electron được gọi là loại n (n là negative vì electron mang điện tích âm) và vật liệu bị loại bỏ electron được gọi là loại p (positive). Transistor được tạo ra bằng cách xếp n trên đỉnh của p trên đỉnh của n, hoặc p trên n trên p.
Với một số lưu ý, chúng ta có thể nói electron có thể dễ dàng chảy từ vùng n sang vùng p, miễn là chúng có một lực (điện áp) đủ mạnh để đẩy chúng. Nhưng chảy từ vùng p sang vùng n thì rất khó (đòi hỏi rất nhiều điện áp). Nhưng điều đặc biệt về transistor – phần làm cho mô hình hai diode của chúng ta trở nên lỗi thời – là sự kiện rằng electron có thể dễ dàng chảy từ base loại p sang collector loại n miễn là bị phân cực thuận mối nối base-emitter (nghĩa là base ở điện áp cao hơn emitter).
Chúng ta hãy bóc tách sơ đồ này một cách ngắn gọn. Nó cho thấy cách các dòng điện thông thường (_I_B, _I_C, và _I_E) chảy qua transistor, nhưng nó cũng nêu bật hướng (và cường độ) của dòng electron. Transistor NPN được thiết kế để cho phép electron chảy từ emitter tới collector (vì vậy dòng thông thường chảy từ collector tới emitter). Emitter “phát xạ” electron vào base, base điều khiển số electron mà emitter phát xạ. Hầu hết các electron được phát xạ đều được “thu thập” bởi collector, collector gửi chúng đi tiếp tới phần tiếp theo của mạch.
BJT là một thiết bị điều khiển bằng dòng; với đủ điện áp để vượt qua ngưỡng giống diode từ base tới emitter, một lượng nhỏ dòng base IB gây ra lượng dòng collector IC lớn hơn nhiều. Vì tất cả dòng điện đó cần đi đâu đó, dòng emitter là tổng của chúng. Điều này giải thích tại sao bạn thấy một luồng lớn electron di chuyển từ emitter tới collector, với một luồng nhỏ chuyển hướng ra base.
Làm thế nào các dòng điện như vậy xuất hiện? Sự tăng điện áp _V_BE cho thấy điện áp tại base cần cao hơn điện áp tại emitter, và sự tăng điện áp _V_CB cho thấy điện áp tại collector cũng phải cao hơn tại base.
PNP hoạt động theo cùng một cách nhưng ngược lại. Base vẫn điều khiển dòng điện, nhưng dòng đó chảy theo hướng ngược lại – từ emitter tới collector (với một chút chuyển hướng ra khỏi base). Thay vì electron, emitter phát xạ “lỗ trống” (sự vắng mặt khái niệm của electron) được thu thập bởi collector.
Transistor giống như một van electron. Chân base giống như một tay gạt bạn có thể điều chỉnh để cho phép nhiều hay ít electron hơn chảy từ emitter tới collector. Chúng ta hãy khám phá sâu hơn về phép ẩn dụ này…
Mở rộng phép ẩn dụ với nước
Nếu bạn đã đọc nhiều bài hướng dẫn về khái niệm điện gần đây, có lẽ bạn đã quen với các phép ẩn dụ nước. Chúng ta nói rằng dòng điện tương tự với tốc độ dòng chảy của nước, điện áp là áp suất đẩy nước qua ống, và điện trở là bề rộng của ống.
Không ngạc nhiên, phép ẩn dụ nước cũng có thể được mở rộng cho transistor: transistor giống như một van nước – một cơ chế chúng ta có thể dùng để kiểm soát tốc độ dòng chảy.
Có ba trạng thái chúng ta có thể sử dụng một van, mỗi trạng thái có tác động khác nhau lên tốc độ dòng chảy trong hệ thống.
1) Mở – Mạch ngắn
Một van có thể được mở hoàn toàn, cho phép nước chảy tự do – đi qua gần như thể van không tồn tại. (Có một chút giảm áp suất).
Tương tự, trong các điều kiện phù hợp, một transistor có thể trông giống như một mạch ngắn giữa chân collector và emitter. Dòng điện được tự do chảy qua collector và ra emitter với chỉ một chút sụt điện áp.
2) Đóng – Hở mạch
Khi đóng, một van có thể hoàn toàn ngăn dòng chảy của nước.
Cùng cách đó, một transistor có thể được dùng để tạo ra một hở mạch giữa chân collector và emitter.
3) Điều khiển dòng chảy tuyến tính
Với một chút tinh chỉnh, một van có thể được điều chỉnh để kiểm soát chính xác tốc độ dòng chảy ở một điểm nào đó giữa hoàn toàn mở và đóng.
Một transistor có thể làm điều tương tự – kiểm soát tuyến tính dòng điện qua một mạch ở một điểm nào đó giữa hoàn toàn tắt (hở mạch) và hoàn toàn bật (ngắn mạch).
Từ phép ẩn dụ nước, bề rộng của ống tương tự với điện trở trong mạch. Nếu một van có thể tinh chỉnh bề rộng của ống, thì một transistor có thể tinh chỉnh điện trở giữa collector và emitter. Vì vậy, theo một cách nào đó, transistor tương tự với một biến trở có thể điều chỉnh.
Khuếch đại công suất
Có một phép ẩn dụ khác mà chúng ta có thể áp dụng vào đây. Hãy tưởng tượng nếu chỉ với một chút xoay van, bạn có thể điều khiển tốc độ dòng chảy của cổng xả đập Hoover. Lượng lực nhỏ bé bạn có thể dùng để xoay nút đó có tiềm năng tạo ra một lực mạnh hơn hàng ngàn lần. Chúng ta đang kéo dãn phép ẩn dụ đến giới hạn, nhưng ý tưởng này cũng mang sang transistor. Transistor đặc biệt vì chúng có thể khuếch đại tín hiệu điện, biến một tín hiệu công suất thấp thành một tín hiệu tương tự với công suất cao hơn nhiều.
Đại loại vậy. Còn nhiều điều hơn nữa, nhưng đó là một điểm bắt đầu tốt! Hãy xem phần tiếp theo để có lời giải thích chi tiết hơn về hoạt động của transistor.
Các chế độ hoạt động
Không giống như điện trở, có mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và dòng điện, transistor là thiết bị phi tuyến. Chúng có bốn chế độ hoạt động riêng biệt, mô tả dòng điện chảy qua chúng. (Khi chúng ta nói về dòng điện chảy qua một transistor, thường có nghĩa là dòng điện chảy từ collector tới emitter của một NPN.)
Bốn chế độ hoạt động của transistor là:
- Bão hòa – Transistor hoạt động như một mạch ngắn. Dòng điện tự do chảy từ collector tới emitter.
- Chặn – Transistor hoạt động như một hở mạch. Không có dòng điện chảy từ collector tới emitter.
- Tích cực – Dòng điện từ collector tới emitter tỷ lệ với dòng điện chảy vào base.
- Tích cực ngược – Giống như chế độ tích cực, dòng điện tỷ lệ với dòng điện base, nhưng nó chảy ngược lại. Dòng điện chảy từ emitter tới collector (không hẳn là mục đích transistor được thiết kế).
Để xác định transistor đang ở chế độ nào, chúng ta cần xem xét hai dòng điện và hai điện áp đã đề cập trước đó.
Chúng ta hãy xem xét riêng từng chế độ hoạt động quan trọng của transistor; chúng ta sẽ tìm hiểu cách đưa thiết bị vào chế độ đó và nó có tác động gì đến dòng điện.
Lưu ý: Phần lớn trang này tập trung vào transistor NPN. Để hiểu cách một transistor PNP hoạt động, chỉ cần đảo ngược cực tính hoặc dấu > và <.
Ký hiệu
Trước tiên là một chút về ký hiệu chúng ta sẽ sử dụng. Chúng ta cần tham chiếu đến điện áp tại base (_V_B), collector (_V_C) và emitter (_V_E) tương đối so với ground. Sau đó chúng ta có thể nói về điện áp trên mối nối base-emitter (_V_BE) và mối nối collector-emitter (_V_CE).
Chế độ chặn
Một transistor ở chế độ chặn là tắt – không có dòng base cũng như dòng collector, và do đó không có dòng emitter. Nó trông gần như một mạch hở.
Để đưa một transistor NPN vào chế độ chặn khá đơn giản. Hãy xem transistor theo quan điểm diode và nhớ rằng chúng ta cần đủ điện áp thuận trên một diode để dòng điện chảy qua. Khi _V_BE nhỏ hơn điện áp ngưỡng này, hầu như sẽ không có dòng điện chảy. Có nhiều ký hiệu viết tắt cho độ sụt áp này – _V_th, _V_γ và _V_d là một số ký hiệu. Chúng ta sẽ dùng _V_BE(sat). Giá trị thực sự khác nhau giữa các transistor (và thậm chí hơn theo nhiệt độ). Với nhiều transistor (ở nhiệt độ phòng), chúng ta có thể ước tính độ sụt áp này vào khoảng 0,6V-0,95V (tùy thuộc vào dòng base đặt vào).
Chế độ tích cực
Đối với các kỹ sư điện (và thậm chí cả những nhà phát minh ra transistor), chế độ tích cực của transistor là lý do tồn tại của nó, vì nó cung cấp khả năng khuếch đại công suất. Mặc dù chúng ta sẽ không dùng chế độ tích cực cho lớp học này, bạn sẽ muốn biết rằng nó tồn tại (vì đó là cách các bộ khuếch đại như dàn âm thanh của bạn hoạt động), nhưng hơn nữa, đó là bước quan trọng trên con đường hiểu về Chế độ Bão hòa, là âm tương phản với dương của chế độ chặn cho logic số và điện toán.
Đầu tiên, trừ khi chúng ta đang cố gắng điều khiển transistor ở chế độ ngược không thông thường, hãy nhớ rằng điện áp tại collector phải lớn hơn điện áp tại emitter.
Tiếp theo, hãy nhớ rằng chúng ta cần một điện áp thuận khác 0 từ base tới emitter (_V_BE) để thậm chí “bật” transistor (giống như LED). Khi chúng ta đã nâng điện áp base đủ để vượt qua điện áp thuận này, dòng điện bắt đầu chảy vào base và phép thuật khuếch đại bắt đầu.
Khuếch đại ở chế độ tích cực
Chế độ tích cực là chế độ thú vị và năng động nhất của transistor vì nó biến thiết bị thành một bộ khuếch đại. Dòng điện đi vào chân base khuếch đại dòng điện đi vào collector (và do đó ra emitter).
Ký hiệu viết tắt của chúng ta cho độ lợi (hệ số khuếch đại) của một transistor là β (bạn cũng có thể thấy nó là _β_F hoặc _h_FE). Tham số β liên hệ tuyến tính dòng collector (_I_C) với dòng base (_I_B):
Giá trị thực của β thay đổi theo từng transistor. Nó thường xung quanh 100, nhưng có thể dao động từ 50 đến 200… thậm chí 2000, tùy thuộc vào loại transistor bạn đang sử dụng và lượng dòng điện chạy qua nó. Ví dụ: nếu transistor của bạn có β là 100, điều đó có nghĩa là dòng điện đầu vào 1mA vào base có thể tạo ra dòng điện 100mA qua collector.
Mô hình chế độ tích cực: V_BE = V_th, và _I_C = _βI_B.
Còn dòng emitter _I_E thì sao? Ở chế độ tích cực NPN, dòng collector và base đi vào thiết bị, và _I_E đi ra. Do định luật bảo toàn điện tích (sẽ nói thêm về điều này sau), dòng emitter (đầu ra) phải bằng tổng của dòng base và collector (đầu vào): IE = IC+IB.
Nhắc lại, điểm ở đây là những thay đổi tương đối nhỏ (về dòng điện) ở base (ví dụ: những thay đổi do giọng nói của bạn di chuyển một dây nhỏ gần nam châm trên điện thoại) được khuếch đại thành dòng điện lớn hơn nhiều (tỷ lệ tuyến tính) ở collector. Tuyệt vời!
Chế độ bão hòa
Mặc dù chế độ tích cực thực sự khá tuyệt, nó có giới hạn của nó (đó là một điều khá tốt, vì nó cho phép máy tính kỹ thuật số tồn tại).
Bão hòa là chế độ bật của transistor. Một transistor ở chế độ bão hòa hoạt động như một mạch ngắn giữa collector và emitter.
Một cái nhìn ngây thơ về quy tắc khuếch đại (_I_C = _βI_B) sẽ gợi ý rằng tăng dòng base _I_B sẽ liên tục tăng dòng collector _I_C. Thật vậy nó đúng như vậy, nhưng chỉ đến một điểm. Một khi điện trở hiệu dụng từ collector tới emitter đã được giảm đủ để hoạt động như một mạch đóng, thì các đặc tính của các thành phần khác trong mạch phải được xem xét, điều này chắc chắn sẽ giới hạn dòng collector. Khi điều này xảy ra, chúng ta nói transistor đã đi vào bão hòa.
Do dòng collector bị giới hạn ngoại sinh, quy tắc khuếch đại bị hạn chế và chúng ta có cái gọi là β cưỡng bức, bởi vì tỷ lệ thực tế của dòng collector và base sẽ thấp hơn nhiều so với độ lợi nội tại β của transistor. Chúng ta sẽ xem xét một ví dụ cụ thể về cách điều này phát sinh bên dưới.
Nhưng trước tiên, một thực tế nản lòng khác: sẽ không có sự dẫn hoàn hảo giữa emitter và collector. Một độ sụt áp nhỏ sẽ hình thành giữa các nút đó. Bảng dữ liệu transistor sẽ định nghĩa điện áp này là điện áp bão hòa CE _V_CE(sat) – điện áp từ collector tới emitter cần thiết cho bão hòa. Giá trị này thường khoảng 0,05-0,2V. Giá trị này có nghĩa là _V_C phải (ít nhất) hơi lớn hơn _V_E để đưa transistor vào chế độ bão hòa với dòng điện chảy từ collector tới emitter.
Một cách khác để suy nghĩ về hành động của một transistor ở trạng thái bão hòa, là nó đang cố gắng đưa điện áp collector gần với điện áp emitter nhất có thể, giống như một mạch ngắn thực sự.
Chúng ta sẽ có thêm nhiều điều để nói và nhắc lại về độ sụt áp, VCE và thậm chí cả VBE sau này.
Liên quan đến PNP
Sau tất cả những gì chúng ta đã nói trên trang này, chúng ta vẫn chỉ đề cập một nửa trong phổ BJT. Còn transistor PNP thì sao? PNP hoạt động rất giống NPN – chúng có cùng bốn chế độ – nhưng mọi thứ đều bị đảo ngược.
Nói đơn giản hơn, với điện áp không đủ ở base của transistor NPN, nó ở chế độ chặn (như một công tắc mở). Tuy nhiên, với điện áp không đủ ở base của transistor PNP, nó ở chế độ bão hòa (như một công tắc đóng). Ngược lại, với điện áp đủ ở base của transistor NPN, nó đi vào chế độ bão hòa (như một công tắc đóng), nhưng khi áp một điện áp đủ vào base của transistor PNP, nó đi vào chế độ chặn (như một công tắc mở). Thật khó hiểu.
Một đặc điểm đối lập khác của NPN và PNP là hướng dòng điện. Ở chế độ tích cực và bão hòa, dòng điện trong PNP chảy từ emitter tới collector (và ra base). Điều này có nghĩa là emitter thường phải ở điện áp cao hơn collector.
Nếu bạn đã mệt mỏi với những thứ mang tính khái niệm, hãy đi đến phần tiếp theo. Cách tốt nhất để học cách hoạt động của transistor là xem xét nó trong các mạch thực tế. Chúng ta hãy xem một số ứng dụng!
Công tắc
Một trong những ứng dụng cơ bản nhất của transistor là sử dụng nó để điều khiển dòng điện tới một phần khác của mạch – sử dụng nó như một công tắc điện. Điều khiển nó ở chế độ chặn hoặc bão hòa, transistor có thể tạo ra hiệu ứng bật/tắt nhị phân của một công tắc.
Các công tắc transistor là các khối xây dựng mạch quan trọng; chúng được sử dụng để tạo ra các cổng logic, từ đó tạo ra các vi điều khiển, vi xử lý và các mạch tích hợp khác. Dưới đây là một vài mạch ví dụ.
Công tắc transistor
Hãy xem mạch công tắc transistor cơ bản nhất: công tắc NPN. Ở đây chúng ta sử dụng một NPN để điều khiển một LED công suất cao:
Tín hiệu điều khiển của chúng ta chảy vào base, đầu ra được nối với collector và emitter được giữ ở điện áp cố định.
Trong khi một công tắc thông thường yêu cầu một cơ cấu truyền động được bật tắt thủ công, công tắc này được điều khiển bởi điện áp tại chân base. Một chân I/O của vi điều khiển, như trên Arduino, có thể được lập trình để lên cao hoặc xuống thấp để bật hoặc tắt LED.
Khi điện áp tại base lớn hơn 0,6V (hoặc bất kỳ giá trị nào _V_BE(sat) của transistor có thể có), transistor bắt đầu bão hòa và trông giống như một mạch ngắn giữa collector và emitter. Khi điện áp tại base nhỏ hơn 0,6V, transistor ở chế độ chặn – không có dòng điện chảy vì nó trông giống như một mạch hở giữa C và E.
R2 giúp giới hạn an toàn dòng qua LED, nhưng nó cũng là lý do tại sao transistor cuối cùng ở chế độ bão hòa, thay vì chế độ tích cực.
Đạt được bão hòa
Trong sơ đồ mạch của một công tắc bên thấp ở trên, khi tín hiệu điều khiển được nâng lên 5V, dòng điện vào base sẽ hơi nhỏ hơn 5mA. (Khi tính dòng đầu vào qua điện trở base R1, chúng ta cần tính đến độ sụt áp nhỏ _V_BE(sat), nhưng hãy bỏ qua điều đó bây giờ.) Giá trị β điển hình cho BJT NPN này có thể là 100, gợi ý dòng collector là _I_C = _βI_B = 50 × 5mA = 500mA. Định luật Ohm cho chúng ta biết điện trở R2 sẽ phải thả 500mA × 100Ω = 50V để có thể hút loại dòng điện đó. Tuy nhiên, Định luật điện áp Kirchhoff cho chúng ta biết điều đó là không thể: chúng ta chỉ có thể thả từ phía “cao” của điện trở xuống phía “thấp”, hoặc từ nhiều nhất là từ +5V xuống đất.
Do giới hạn trên này về độ sụt áp của điện trở, phải có giới hạn trên về dòng điện qua collector tới emitter. Khi dòng base _I_B đã đủ cao để đạt đến _I_C tối đa đó, transistor đã đi vào bão hòa. Voila!
Công tắc bên cao với PNP
Mạch trên được gọi là công tắc bên thấp, bởi vì công tắc – transistor của chúng ta – nằm ở phía thấp (đất) của “tải” trong mạch. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng transistor PNP để tạo ra một công tắc bên cao:
Tương tự như mạch NPN, base là đầu vào của chúng ta và emitter được nối với một điện áp không đổi. Tuy nhiên, lần này emitter được nối cao và tải (một động cơ trong trường hợp này) được kết nối với transistor ở phía đất.
Mạch này hoạt động tốt như công tắc dựa trên NPN, nhưng có một sự khác biệt lớn: để bật tải “on”, base phải thấp và để tắt tải “off”, base phải được nâng cao (nghĩa là trong phạm vi _V_BE(sat) của emitter). Điều này có thể gây ra phức tạp, khi điện áp cao của tải (VCC trong hình này) cao hơn điện áp cao của tín hiệu điều khiển của chúng ta. Ví dụ: mạch này sẽ không hoạt động nếu bạn đang cố gắng sử dụng Arduino hoạt động ở 5V để bật một động cơ 12V. Trong trường hợp đó, sẽ không thể tắt công tắc vì _V_B sẽ luôn nhỏ hơn nhiều so với _V_E.
Điện trở base!
Bạn sẽ nhận thấy rằng mỗi mạch đó sử dụng một điện trở nối tiếp giữa đầu vào điều khiển và base của transistor. Đừng quên thêm điện trở này! Một transistor không có điện trở trên base giống như một LED không có điện trở giới hạn dòng.
Theo một cách nào đó, transistor giống như một cặp diode kết nối với nhau. Chúng ta cần “kích hoạt” (hoặc theo thuật ngữ kỹ thuật, phân cực thuận) diode base-emitter để bật tải. Diode tưởng tượng này chỉ cần 0,7V để bật và (quan trọng) điện áp cao hơn đó có nghĩa là dòng điện lớn hơn. Dòng điện lớn hơn rất nhiều. Một số transistor chỉ có thể được định mức cho tối đa 10-100mA dòng điện chảy qua chúng. Nếu bạn cung cấp dòng điện vượt quá định mức tối đa, transistor có thể bị nổ. (Hoặc ít nhất bắt đầu có mùi khó chịu. Và ngừng hoạt động.)
Điện trở nối tiếp giữa nguồn điều khiển và base giới hạn dòng vào base. Nút base-emitter có thể có độ sụt áp vui vẻ 0,7V và điện trở có thể thả điện áp còn lại. Giá trị của điện trở và điện áp trên nó sẽ do đó thiết lập dòng điện.
Điện trở cần đủ lớn để giới hạn hiệu quả dòng điện, nhưng đủ nhỏ để cấp cho base đủ dòng điện để đạt bão hòa. 1mA đến 10mA thường sẽ đủ, nhưng hãy kiểm tra tờ dữ liệu transistor của bạn để đảm bảo.
Chúng ta sẽ quay lại sơ đồ này và phân tích nó cẩn thận hơn một chút gần cuối bài đọc này.
Logic số
Các transistor có thể được kết hợp để tạo ra tất cả các cổng logic cơ bản của chúng ta: AND, OR và NOT.
Các cổng này (chúng ta sẽ nói thêm về chúng trong lớp tiếp theo) tạo thành cơ sở của các phép toán trên các giá trị Boolean, mà bạn sẽ quen thuộc từ cả C (nơi chúng được viết là &&, || và !) cũng như Scheme (nơi các toán tử dễ hiểu hơn là and, or và not).
Trong các mạch logic số, điện áp (liên tục) được sử dụng để biểu diễn các giá trị Boolean (rời rạc) mà bạn quen thuộc hơn khi thấy trong chương trình. Một quy ước có thể là điện áp gần +0V (hoặc Ground/GND) biểu thị “tắt” hoặc false, trong khi gần +5V biểu thị “bật” hoặc true. Trong phần sau, chúng ta xem xét cách sử dụng transistor trong mạch để mã hóa các giá trị này và kết hợp chúng với các toán tử Boolean điển hình, 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, điều này có thể khiến chúng trở thành lựa chọn tốt hơn.)
Bộ nghịch đảo
Đây là một mạch transistor thực hiện một bộ nghịch đảo, hay cổng NOT:
Ở đây, điện áp cao vào base sẽ bật transistor, điều này sẽ kết nối hiệu quả collector với emitter. Vì emitter được nối trực tiếp với đất, collector cũng vậy (mặc dù nó sẽ hơi cao hơn một chút, xung quanh VCE(sat) ≈ 0,05-0,2V). Nếu đầu vào thấp, mặt khác, transistor trông giống như một mạch hở và đầu ra được kéo lên VCC.
(Đây thực sự là một cấu hình transistor cơ bản gọi là emitter chung. Trong mạch này, emitter được nối với một điện áp chung cho cả base và emitter (thường là đất). Điện áp base trở thành tín hiệu đầu vào và điện áp collector trở thành đầu ra.)
Cổng AND
Đây là một cặp transistor được sử dụng để tạo ra một cổng AND 2 đầu vào một cách ngây thơ:
Cổng AND 2 đầu vào được xây dựng từ transistor.
Nếu một trong hai transistor tắt, thì đầu ra tại emitter của transistor dưới cùng sẽ được kéo xuống thấp (cả hai đều ngắt kết nối khỏi VCC; không có dòng điện chảy và điện áp trên điện trở kéo bằng không). Nếu cả hai transistor đều “bật” (cả hai base đều cao), thì dòng điện đang chảy, điều này sẽ nâng điện áp tại đầu dò đầu ra (được dán nhãn “A*B”).
Cài đặt này ổn nếu bạn chỉ muốn điều khiển dòng qua một số tải (tức là LED), nhưng điện áp tại đầu dò đầu ra không được đảm bảo đủ lớn để được coi là “cao”, bởi vì transistor có thể không bão hòa.
Transistor có bão hòa hay không phụ thuộc một phần nhỏ vào các giá trị của điện trở base, nhưng phụ thuộc nhiều hơn vào độ lợi cụ thể β của chúng. Bởi vì độ lợi thay đổi đáng kể giữa các transistor riêng lẻ, đây không phải là một thiết kế đặc biệt tốt. Chúng ta sẽ xem xét một phiên bản cải tiến trong lớp.
(Ngoài lề, chúng ta tạm dừng ở đây để lưu ý rằng vì FET là thiết bị điều khiển điện áp, thay vì điều khiển dòng như BJT, một cổng AND có cấu trúc tương tự được xây dựng từ FET sẽ hoạt động đáng tin cậy hơn như mong muốn.)
Cổng OR
Và, cuối cùng, đây là một cổng OR 2 đầu vào ngây thơ:
Cổng OR 2 đầu vào được xây dựng từ các transistor.
Trong mạch này, nếu A hoặc B cao (hoặc cả hai), transistor tương ứng sẽ bật, dẫn dòng điện. Nếu cả hai transistor đều tắt, thì điện áp đầu ra được kéo xuống thấp qua điện trở.
Như bạn có thể đoán, giống như cổng AND ở trên, thiết kế này gặp phải các vấn đề về bão hòa không đáng tin cậy, mà chúng ta sẽ xem xét kỹ lưỡng (và giải quyết) trong lớp.
Tóm lại, giải pháp trong cả hai trường hợp sẽ là (lặp đi lặp lại) sử dụng cấu hình emitter chung để đáng tin cậy điều khiển các transistor đến bão hòa để chuyển mạch. Các cổng hiển thị ở trên sử dụng một emitter follower (còn được gọi là collector chung), nơi tải xuất hiện ở phía thấp của transistor.
Định luật Kirchhoff
Để sử dụng transistor để điều khiển các thành phần khác, điều quan trọng là phải hiểu cách Định luật điện áp Kirchhoff áp dụng cho các mạch liên quan đến transistor.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn mạch transistor đã hiển thị trước đó ở trạng thái khi công tắc được đóng để đảm bảo chúng ta hiểu các dòng điện và độ sụt áp.
Phân tích bắt đầu với transistor 2N3904 và tờ dữ liệu của nó.
Chúng ta sẽ thấy rằng VBE(sat) là 0,7V, vì vậy chúng ta thực sự thấy đó là độ sụt áp trên các đầu nối base và emitter khi đóng công tắc lên +5V. Theo Định luật điện áp Kirchhoff, vì base được nối “cao” (khi công tắc được đóng) đến +5V, điều đó để lại độ sụt áp trên điện trở base R1 là 5V-0,7V = 4,3V. Sau đó, chúng ta có thể sử dụng Định luật Ohm để tính điện trở cần thiết (để tôn trọng giới hạn dòng điện) hoặc tính dòng điện (khi đã cho giá trị điện trở). Lấy điện trở của R1 như đã cho là 1kΩ, chúng ta tìm thấy _I_B = 4.3V/1kΩ = 4.3mA.
Xem xét đường dẫn khác, tờ dữ liệu sẽ cho chúng ta biết VCE(sat) là 0,15V, giải thích cho độ sụt áp trên các đầu nối collector và emitter. (Ở đây chúng ta nhớ lại phân tích sơ bộ trước đó, nơi chúng ta tự thuyết phục mình rằng transistor sẽ ở chế độ bão hòa.) Với LED đỏ có điện áp xuôi 1,85V, điều đó để lại 5V-0,15V-1,85V = 3,0V trên điện trở tải R2. Nếu chúng ta cần giới hạn dòng điện qua điện trở và/hoặc transistor, chúng ta sẽ sử dụng điện áp này để xác định điện trở cần thiết theo Định luật Ohm. Lấy điện trở của R2 như đã cho, chúng ta tìm thấy dòng điện từ nguồn +5V đến collector là _I_C = 3.0V/100Ω = 30mA.
Định luật dòng điện Kirchhoff
Bạn có thể nhận thấy rằng dòng điện từ emitter xuống ray đất là tổng của hai dòng điện “đầu vào” trên transistor: _I_E = 4,3mA + 30mA = 34,3mA. Hóa ra điều này liên quan đến định luật khác của Kirchhoff:
tổng dòng điện vào một nút bằng tổng dòng điện ra khỏi nút
Đây được gọi là Định luật dòng điện Kirchhoff (KCL). Bạn đã thấy ứng dụng của nó trước đây khi chúng ta viết _I_E = _I_C + _I_B.
Chúng ta sẽ không sử dụng định luật đó nhiều cho lớp này, vì chính các mức điện áp tương ứng với các trạng thái nhị phân (BẬT hoặc TẮT) mà chúng ta quan tâm cho logic số và thiết kế máy tính.
Trả lời