Các trường đại học đã giảng dạy rất tốt về chủ đề này nhưng tôi vẫn cố gắng thảo luận về các nguyên tắc transistor NPN mà tôi nghĩ dễ hiểu hơn cho những người không chuyên về kỹ thuật. Transistor NPN là tên gọi của một transistor lưỡng cực có hai vật liệu loại N hay chất mang điện âm trong khi chỉ có một vật liệu loại P hay chất mang điện dương. Transistor NPN sử dụng các ký hiệu sơ đồ dưới đây.
Transistor NPN sử dụng cấu trúc dưới đây để xác định thành phần vật liệu của nó. Có hai vật liệu loại N kẹp vật liệu loại P ở giữa. Trong vật liệu loại N, điện tích âm chiếm ưu thế trong khi điện tích dương chiếm ưu thế trong vật liệu loại P.
Transistor NPN có thể được xem là hai điốt với các anốt kết nối như hình dưới. Đối với một điốt, anốt cơ bản là cực dương trong khi catốt là cực âm, và transistor NPN có hai điốt với các anốt kết nối vì vật liệu loại P bị kẹp giữa hai vật liệu loại N.
Ngày nay, transistor NPN có nhiều kiểu gói khác nhau. Ví dụ, transistor NPN công suất nhỏ phổ biến BC817 của nexperia có vài loại gói như SOT23, SOT323 và SOT54.
Mặt khác, các gói công suất cho transistor NPN là TO-220-3, TO-252-3 (DPAK), TO-204-2 (TO-3) và SOT-223.
Transistor NPN rất hữu ích trong các ứng dụng triển khai logic, công tắc điện tử, điều khiển relay, điều khiển động cơ và khuếch đại.
Nguyên tắc transistor NPN và tính chất điện
Nói chung, transistor lưỡng cực là thiết bị được điều khiển bởi dòng điện. Điều này có nghĩa là gì? Nghĩa là nó cần một dòng điện chạy vào cơ sở để nó hoạt động bình thường như mong đợi. Không phải mức điện áp áp dụng vào cơ sở mà là lượng dòng điện chạy qua cơ sở khiến transistor hoạt động. Với tính chất này, giờ đây rõ ràng là bạn cần một điện trở nối tiếp với cơ sở để thiết lập mức dòng điện chạy qua cơ sở.
Thực tế, chỉ có hai điều chung cần nhớ trong việc xử lý các nguyên tắc transistor NPN:
1. Bật thiết bị
2. Đặt chế độ hoạt động
Trước tiên, bạn cần bật transistor trước khi dòng điện có thể chạy đến cơ sở. Để bật transistor, tiếp giáp cơ sở-emitter phải được vượt qua. Điện áp cần thiết để vượt qua tiếp giáp cơ sở-emitter (gọi tắt là VBE) giống với điện áp rơi trên điốt; khoảng 0,7V.
Trong ứng dụng thực tế, VBE phải dựa trên tài liệu kỹ thuật của transistor được sử dụng. Ví dụ, VBEsat của BC817-25 của nexperia thay đổi theo nhiệt độ và dòng điện collector. Xem biểu đồ dưới đây.
nexperia có một số sản phẩm tuyệt vời cho transistor NPN. Truy cập https://www.nexperia.com/ để xem danh sách sản phẩm đầy đủ.
(Một số tài liệu sử dụng VBEsat để xác định điện áp cơ sở-emitter).
Trong các ứng dụng thông thường, điện áp áp dụng vào cơ sở luôn cao hơn nhiều so với VBEsat, do đó sự thay đổi của VBEsat có thể không phải là vấn đề. Tuy nhiên, nếu không xem xét đúng mức, sự thay đổi của VBE sẽ gây nguy hiểm cho hoạt động của transistor vì dòng điện cơ sở sẽ thay đổi và sau đó sẽ có sự thay đổi về dòng điện collector, khi hoạt động trong vùng tích cực.
Một khi VBE được vượt qua, việc trở thành một thiết bị được điều khiển bởi dòng điện sẽ xảy ra. Lượng dòng điện collector sẽ phụ thuộc mạnh vào mức dòng điện cơ sở miễn là hoạt động nằm trong vùng tích cực.
Dòng điện cơ sở và dòng điện collector của transistor NPN có liên quan bởi hệ số beta (β).
Beta = IC / IB
Khi transistor NPN đã BẬT, bạn có thể thiết lập chế độ hoạt động của nó là khuếch đại hay công tắc. Những điều này phụ thuộc vào lượng dòng điện cơ sở.
Một số thuật ngữ được sử dụng trong Transistor
1. Beta hoặc HFE – Beta và HFE được các nhà sản xuất sử dụng thay thế cho nhau. Đừng nhầm lẫn vì cả hai đều đề cập đến độ khuếch đại dòng của transistor, đặc biệt là tỷ lệ IC với IB.
Beta = HFE = IC / IB
2. Độ khuếch đại dòng – tỷ lệ của hai dòng điện
3. Dòng điện cơ sở (IB) – dòng điện chạy qua cơ sở
4. Dòng điện collector (IC) – dòng điện chạy qua collector
5. Dòng điện emitter (IE) – dòng điện chạy qua emitter
6. VBE – điện áp cơ sở-emitter
7. VCE – điện áp collector – emitter
8. VBC – điện áp cơ sở-collector
9. VEB – điện áp emitter-cơ sở
10. VCB – điện áp collector-cơ sở
11. VB – Điện áp cơ sở so với mặt đất
12. VE – điện áp emitter so với mặt đất
13. VC – điện áp collector so với mặt đất
Một số nguyên tắc kỹ thuật và transistor NPN:
1. VBE – Điện áp cơ sở so với mặt đất trừ điện áp emitter so với mặt đất (VB – VE)
2. VBE – Điện áp cơ sở so với mặt đất trừ điện áp emitter so với mặt đất (VB – VE)
3. VCE – Điện áp collector so với mặt đất trừ điện áp emitter so với mặt đất (VC – VE)
4. VBC – Điện áp cơ sở so với mặt đất trừ điện áp collector so với mặt đất (VB – VC)
5. VEB – Điện áp emitter so với mặt đất trừ điện áp cơ sở so với mặt đất (VE – VB)
6. VEC – Điện áp emitter so với mặt đất trừ điện áp collector so với mặt đất (VE – VC)
7. VCB – Điện áp collector so với mặt đất trừ điện áp cơ sở so với mặt đất (VC – VB)
Đối với transistor lưỡng cực (BJT), dòng điện lớn nhất là dòng điện emitter (IE), sau đó là dòng điện collector (IC) rồi dòng điện cơ sở (IB). IE đơn giản là tổng của IC và IB.
IE = IC + IB
Trong hoạt động tích cực, IB nằm trong phạm vi micro ampe và có thể đồng ý rằng IE xấp xỉ bằng IC.
IE ~ IC
BJT được biết đến với tính chất khuếch đại của nó, được xác định bởi hệ số beta (β). Beta được định nghĩa theo toán học là
β = IC / IB
Vì vậy, khi bạn gặp thuật ngữ hoặc ký hiệu beta trong tài liệu, điều này có nghĩa là tỷ lệ của dòng điện collector với dòng điện cơ sở.
Transistor NPN có thể hoạt động ở ba vùng:
1. Tích cực
2. Ngắt
3. Bão hòa
Phần tô màu xám trong hình minh họa dưới đây là vùng tích cực. Vùng tô màu xanh nhạt là vùng ngắt trong khi vùng bão hòa tô màu cam. Trong vùng tích cực, hoạt động của transistor NPN được xác định theo đường tải DC. Đây là đường có thể được vẽ ra khi hoạt động của NPN di chuyển do sự thay đổi dòng điện cơ sở (IB1 đến IB6), VCE và IC. Điểm Q trên hình chỉ đơn giản cho biết hoạt động của NPN nằm ở đâu trên đường tải DC.
Trong vùng tích cực, sự tăng dòng điện cơ sở sẽ có sự tăng tương ứng về dòng điện collector, như mô tả trong phương trình dưới đây.
Trong vùng bão hòa, IC hay dòng điện collector đạt tối đa. Trong vùng này, bất kỳ sự tăng nào của dòng điện cơ sở sẽ không còn tác dụng gì đối với dòng điện collector. Do đó, phương trình
IC = β X IB
không còn đúng nữa lúc này.
Mặt khác, trong vùng ngắt, không có dòng điện collector cũng như dòng điện cơ sở bằng không. Ở vùng này, transistor NPN chỉ đơn giản ở trạng thái tắt. Trong vùng này, VCE bằng với nguồn cấp collector.
Yêu cầu kết nối transistor NPN
1. Nguồn cấp collector (VCC) – Không được vượt quá điện áp VCE cho phép (điện áp dương)
(Điện áp VCE cho phép được cung cấp trong tài liệu kỹ thuật của transistor và chủ yếu được mô tả là VCEo hoặc điện áp collector-emitter cơ sở mở)
2. Điện áp phân cực cơ sở – phải lớn hơn yêu cầu VBE (điện áp dương)
3. Điện trở cơ sở – điều này sẽ thiết lập dòng điện cơ sở
4. Điện trở emitter – thiết lập điện áp và dòng điện emitter
5. Điện trở collector – thiết lập điện áp và dòng điện collector
Dưới đây là một số kết nối phổ biến cho transistor NPN:
Biến thể 1 là kết nối đơn giản nhất. Nó có VCC là nguồn cấp collector và VBB là điện áp áp dụng vào cơ sở. Nó có điện trở cơ sở và collector; Rb và Rc. Kết nối này rất phổ biến cho lái động phía thấp.
Biến thể 2 có thêm điện trở emitter. Điện trở này thiết lập điện áp emitter. Điều này phổ biến cho hoạt động tích cực. Biến thể 3 giống với Biến thể 1 ngoại trừ có thêm điện trở Rb1. Rb1 đảm bảo cơ sở sẽ tự động kết nối với mặt đất khi điện áp áp dụng VBB không có trạng thái thấp. Vì lý do này, tiếng ồn bị ngăn không bật sai transistor NPN.
Biến thể 4 giống với biến thể 3 cộng với điện trở Re ở emitter. Điện trở bổ sung này thiết lập điện áp emitter. Dễ dàng thiết lập hoạt động của transistor NPN vào vùng hoạt động với việc bổ sung Re.
Biến thể 5 thực tế giống với Biến thể 4. Sự khác biệt duy nhất là VBB được lấy từ VCC. Biến thể 6 cũng giống với biến thể 4 và 5. Đừng nhầm lẫn với các tụ điện C1 và C2. Ở phân tích DC, các tụ điện này được xem như mở và do đó không thuộc mạch điện, quy mạch này thành biến thể 4 và 5.
Biến thể 7 giống với Biến thể 3 chỉ khác là VBB được lấy từ VCC. Biến thể 8 giống với biến thể 3 và 7. Các tụ điện bổ sung C1 và C2 không phải là một phần của mạch trong phân tích DC.
Biến thể 4, 5 và 6 được gọi là phân áp phân cực. Phân áp phân cực là loại kết nối transistor NPN ổn định nhất. Độ lệch ổn định với sự thay đổi beta của thiết bị. Trong một số ứng dụng, nó cũng giảm thiểu ảnh hưởng của sự thay đổi VBE.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định
Các nguyên tắc transistor NPN không chỉ giới hạn ở việc thiết lập độ lệch đúng, mà còn cần xác định một số yếu tố sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định. Tính ổn định rất quan trọng trong sản xuất hàng loạt và hoạt động lâu dài. Yếu tố thường gặp ảnh hưởng đến tính ổn định của transistor NPN là nhiệt độ hoạt động, sự thay đổi VBE và sự thay đổi Beta. Nhiệt độ hoạt động có thể ảnh hưởng đến các thông số transistor NPN. Khi thiết kế mạch, bắt buộc phải xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động. VBE có thể thay đổi từ thiết bị này sang thiết bị khác. Nó cũng sẽ thay đổi theo nhiệt độ hoạt động. Beta sẽ thay đổi từ thiết bị này sang thiết bị khác ngay cả trong cùng một lô. Beta thường có phạm vi rộng hơn. Hãy cẩn thận xem xét sự thay đổi khi thiết kế mạch.
Phân áp phân cực (VDB) sẽ giảm thiểu các biến thể được đề cập ở trên. VDB thực sự là loại độ lệch hoặc sơ đồ kết nối ổn định nhất.
Cách phân áp phân cực giảm thiểu biến thiên mạch transistor NPN và cải thiện khả năng miễn nhiễm nhiễu
Các biến thể 4, 5 và 6 đều là VDB. Hãy đơn giản hóa thêm lý do tại sao VDB được gọi là loại độ lệch hoặc sơ đồ kết nối ổn định nhất.
Xem xét các giá trị cho trước dưới đây:
VCC = 10V, Rb = 135kΩ, Rc = 1kΩ, Rb1 = 10kΩ, Re = 24Ω, β = 353, VBE = 0,62
Với mạch dưới đây (VDB), các giá trị tính toán là:
Khi beta trôi về 200, các giá trị mới là:
Như bạn có thể thấy, chỉ có khoảng 0,4V tăng mức của VOUT mặc dù beta giảm lớn.
Hãy so sánh kết quả với một độ lệch không phân áp. Hãy đơn giản loại bỏ điện trở emitter như mạch dưới đây.
Với beta là 353, các giá trị tính toán là:
Khi beta trở thành 200, kết quả tính toán là:
Như bạn đã thấy, có khoảng 1,2V tăng VOUT. Điều này rất lớn so với phân áp phân cực chỉ khoảng 0,4V.
Câu hỏi tiếp theo cần trả lời là làm thế nào phân áp phân cực cải thiện khả năng miễn nhiễm nhiễu?
Hãy xem xét một phân áp phân cực trong mạch dưới đây. Trong các ứng dụng thực tế, VBB có thể là một nguồn độc lập đến từ mạch logic hoặc bộ vi điều khiển và các thứ tương tự. Có xu hướng VBB không có logic thấp xác định. Nếu không có Rb1, cơ sở transistor sẽ trôi vào thời điểm bạn định tắt transistor. Đây không phải là thực hành thiết kế tốt vì tiếng ồn có thể kích hoạt cơ sở và vô tình bật transistor.
Với sự hiện diện của RB1, không có khả năng tiếng ồn có thể bật sai cơ sở vì cơ sở được nối với mặt đất mạch qua RB1.
Làm thế nào để xác định liệu Transistor có phải là NPN không?
1. Sử dụng Internet – nếu bạn biết số hiệu linh kiện, thì rất dễ để xác định nếu bạn có kết nối internet.
2. Sử dụng đồng hồ đo kỹ thuật số – nếu bạn có đồng hồ đo kỹ thuật số, đặt nó ở chế độ điốt. Đặt đầu dò đo vào hai chân bất kỳ. Khi bạn đọc được điện áp rơi trên điốt (0,5V~0,7V), bạn đã đo cơ sở-emitter hoặc cơ sở-collector. Giữ một đầu dò cố định vào một chân trong khi đầu dò kia vào một trong hai chân còn lại, từng chân một. Khi bạn đọc được cùng một điện áp rơi trên điốt, bạn lấy được chân cơ sở của transistor trên đầu dò cố định. Nếu đầu dò cố định dương, transistor là NPN. Nếu đầu dò cố định âm, thì transistor là PNP.
Các ứng dụng phổ biến của transistor NPN
Có rất nhiều ứng dụng mà transistor NPN được sử dụng. Hãy xem xét các ứng dụng phổ biến nhất; 1. Công tắc 2. Logic và 3. Bộ khuếch đại
Đối với các ứng dụng công tắc và logic, transistor được đặt hoạt động ở trạng thái ngắt và bão hòa.
Đối với bộ khuếch đại, hoạt động của transistor chỉ giới hạn trong vùng tích cực.
Hoạt động công tắc và Logic
Để vận hành transistor với các chức năng này, nó phải được điều khiển vào trạng thái bão hòa và ngắt. Để bão hòa, phải có đủ dòng điện cơ sở. Để ngắt, phải có cách để tắt transistor.
Làm thế nào để Transistor NPN bão hòa
1. Đầu tiên cần làm là chọn cấu hình mạch phù hợp
Chọn cấu trúc mạch phụ thuộc ít vào beta của thiết bị. Để hướng dẫn bạn, hãy chọn biến thể 1 và 3.
Cá nhân tôi sẽ chọn biến thể 3 do sự hiện diện của Rb1 sẽ tăng cường khả năng miễn nhiễm nhiễu
2. Xác định điểm đặt dòng hiện tại cho cơ sở hoặc collector
3. Đặt tỷ lệ dòng điện collector (IC) trên dòng điện cơ sở (IB) bằng 2 (hoặc thấp hơn)
4. Tính toán điện trở
5. Kiểm tra kép mạch bằng cách sử dụng các giá trị đã chọn
Ví dụ 1
Trong các ứng dụng mà VBB được cung cấp bởi một bộ vi điều khiển (MCU) hoặc bất kỳ mạch công suất nhỏ nào, tốt nhất nên xem xét điểm đặt dòng điện cơ sở sao cho không vượt quá định mức của bộ vi điều khiển hoặc mạch công suất nhỏ. Ví dụ, dòng điện nguồn tối đa mà MCU có thể cung cấp là 4mA, hãy đặt dòng điện cơ sở (IB) nhiều nhất bằng 75% của giá trị này; vì vậy, một điểm đặt dòng hiện tại là 3mA cho cơ sở.
1. Chọn cấu hình mạch: Xem xét Biến thể 1 với VBB = 5V, VCC = 10V
2. Đặt dòng điện cơ sở IB
IB = 3mA
3. Đặt tỷ lệ dòng điện collector (IC) trên dòng điện cơ sở (IB) bằng 2 (hoặc thấp hơn)
Tỷ lệ 2 đã là trạng thái bão hòa rất mạnh rồi. Một số tài liệu coi 10 là bão hòa mạnh.
IC / IB = 2
IC = 2 X IB = 2 X 3mA = 6mA
4. Tính toán điện trở
a. Giải Rb
Giá trị của Rb rất dễ giải bằng công thức dưới đây:
Rb = (VBB-VBE) / IB
Bạn có thể giả định VBE là 0,7V và điều này cho 1433,33 ohm cho Rb. Giá trị điện trở tiêu chuẩn gần nhất là 1,43k, vì vậy hãy sử dụng giá trị này.
_(Ở đây, chúng ta sử dụng VBE là 0,7V mặc dù thực tế VBE có thể thay đổi tới 1,2V ở trường hợp xấu nhất như đã giải thích trước đó.
Tuy nhiên, vì chúng ta đặt tỷ lệ IC trên IB bằng 2, điều này đảm bảo trạng thái bão hòa mạnh và sự thay đổi VBE không còn ảnh hưởng đến điều này nữa.)
b. Giải Rc
Rc có thể được giải bằng công thức dưới đây:
Rc = VCC / IC = 10V / 6mA = 1,67kΩ
Giá trị tiêu chuẩn gần nhất là 1,69kΩ; sử dụng giá trị này.
5. Kiểm tra kép mạch bằng cách sử dụng các giá trị đã chọn
Ở đây, tôi đã thực hiện các mô phỏng đơn giản với các giá trị đã chọn. Tôi sử dụng transistor BC817-25. Kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện cơ sở I(Rb) là 3mA trong khi dòng điện collector I(Rc) là 6mA. Đường màu đỏ là VOUT được lấy trên collector của transistor. Nó đọc 0V có nghĩa là transistor đang bão hòa.
Ví dụ 2
1. Chọn cấu hình mạch: Xem xét Biến thể 3 với VBB = 5V, VCC = 10V
2. Đặt dòng điện cơ sở IB
IB = 3mA
3. Đặt tỷ lệ dòng điện collector (IC) trên dòng điện cơ sở (IB) bằng 2 (hoặc thấp hơn)
IC / IB = 2
IC = 2 X IB = 2 X 3mA = 6mA
4. Tính toán điện trở
a. Đặt IB1
Khi sử dụng biến thể 3, bạn có thể đơn giản ngân sách dòng IB1 bằng 1% của IB. Điều này có nghĩa là giá trị Rb1 tương đối cao so với Rb và điều này khả thi vì Rb1 được dự định là điện trở cao.
IB1 = 0,01 X 3mA = 30µA
b. Giải Rb1
Sau đó, Rb1 có thể được giải bằng phương trình dưới đây:
Rb1 = VBE / IB1 = 0,7V / 30µA = 23,33kΩ
Giá trị tiêu chuẩn gần nhất là 23,4kΩ; sử dụng giá trị này.
c. Giải Iin
Iin chỉ là tổng của IB và IB1. Vì vậy
Iin = IB + IB1 = 3mA + 30µA = 3,03mA
d. Giải Rb
Để giải Rb, hãy sử dụng công thức dưới đây
Rb = (VBB – VBE) / Iin = (5V – 0,7V) / 3,03mA = 1,419kΩ
Giá trị tiêu chuẩn gần nhất là 1,43kΩ; sử dụng giá trị này.
e. Tính Rc
Rc có thể được giải bằng công thức dưới đây:
Rc = VCC / IC = 10V / 6mA = 1,67kΩ
Giá trị tiêu chuẩn gần nhất là 1,69kΩ; sử dụng giá trị này
5. Kiểm tra kép mạch bằng cách sử dụng các giá trị đã chọn
Ở đây, tôi đã thực hiện các mô phỏng đơn giản với các giá trị đã chọn. Tôi sử dụng transistor BC817-25. Kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện cơ sở Ib(Q1) là 3mA trong khi dòng điện collector Ic(Q1) là 6mA. Đường màu xanh đậm là VOUT được lấy trên collector của transistor. Nó đọc 0V có nghĩa là transistor đang bão hòa.
Để thảo luận thêm về cách làm cho transistor NPN bão hòa, vui lòng đọc các bài viết Xác định chế độ hoạt động của transistor, Làm thế nào để biết nếu một transistor bị bão hòa? và Cách điều khiển transistor vào trạng thái bão hòa mạnh.
Các phương trình bắt nguồn từ các mạch transistor NPN thông dụng
Dưới đây là các mạch transistor NPN thông dụng với các phương trình bắt nguồn.
Biến thể 1
Biến thể 2
Biến thể 3
Biến thể 4
Các cấu hình khuếch đại
Cấu hình emitter chung
Tất cả các mạch dưới đây đều là emitter chung. Emitter chung đơn giản có nghĩa là emitter không được kết nối trực tiếp với đầu vào hoặc đầu ra. Trong các mạch dưới đây, VBB là đầu vào và nó được kết nối với cơ sở trong khi đầu ra được lấy ở collector. Emitter chung là cấu hình khuếch đại phổ biến nhất.
Cấu hình collector chung
Các mạch dưới đây là collector chung. Collector chung đơn giản có nghĩa là collector không được kết nối trực tiếp với đầu vào hoặc đầu ra. VBB là đầu vào được đưa vào cơ sở trong khi đầu ra được lấy ở emitter. Collector chung còn được gọi là bộ lặp emitter.
Cấu hình cơ sở chung
Dưới đây là cấu hình cơ sở chung. Cấu hình này không được sử dụng phổ biến. Bản thân tôi chưa từng sử dụng cấu hình này trong các ứng dụng thực tế.
Transistor NPN như một bộ điều khiển relay
Transistor NPN dễ dàng được cấu hình như một bộ điều khiển relay. Là bộ điều khiển relay, NPN hoạt động như một công tắc phía dưới. Điều này có nghĩa là bản thân NPN sẽ là thứ cung cấp đường đất cho phía bên kia của relay. Dưới đây là một mạch điều khiển relay. Relay bao gồm Lcoil và Rcoil tương ứng với cuộn cảm và điện trở cuộn.
Q1 sẽ là thứ kết nối phía thấp của relay với đất để cuộn dây được kích hoạt. Khi có tín hiệu cao ở nút VIN, Q1 sẽ bão hòa và kết nối relay với đất. Mặt khác, khi không có tín hiệu ở nút VIN, Q1 sẽ ngắt đường dẫn của relay. R2 trong ứng dụng này sẽ tăng khả năng miễn nhiễm nhiễu, đặc biệt là khi nguồn ở nút VIN là điện áp dương hoặc hở. D1 được sử dụng để bảo vệ transistor khỏi điện áp phản hồi hoặc phản lực của relay. D1 rất quan trọng, đừng quên nó!
Lựa chọn linh kiện thích hợp
Bộ điều khiển relay nên kết nối phía bên kia của relay với đất (hoặc nguồn dương cho các triển khai khác) với độ sụt điện áp lý tưởng bằng không. Điều này có nghĩa là transistor phải hoạt động ở trạng thái bão hòa mạnh. Bão hòa mạnh đơn giản có nghĩa là ngay cả trong trường hợp xấu nhất, transistor vẫn duy trì trạng thái bão hòa.
Ví dụ:
Hãy cung cấp các giá trị phù hợp cho mạch trên. V1 = 12V, VIN = 5V, Rcoil = 330Ω.
1. Giải dòng điện collector (IC)
IC = V1 / Rcoil = 12V / 330Ω = 36,37mA
2. Đặt dòng điện cơ sở để đảm bảo trạng thái bão hòa mạnh
Một giá trị của IC/IB từ 10 trở xuống được coi là bão hòa mạnh. Hãy xem xét ở đây 10 trong ví dụ này. Tuy nhiên, bạn vẫn cần kiểm tra beta tối thiểu của transistor sử dụng trong ứng dụng. IC/IB đã chọn phải thấp hơn rất nhiều so với beta tối thiểu được chỉ định trong tài liệu.
IC/IB = 10
IB = IC / 10 = 36,37mA / 10 = 3,64mA
Bạn không thể chỉ cần đặt tỷ lệ IC/IB về giá trị rất thấp vì điều này sẽ cho dòng điện cơ sở cao. Bạn phải đặt giá trị dòng điện cơ sở không vượt quá khả năng dòng điện của mạch cung cấp tín hiệu ở nút VIN.
3. Tính toán điện trở s
Với VIN = 5V, R2 có thể được đặt thành 10kΩ. Mục đích của R2 chỉ là để đảm bảo cơ sở sẽ kết nối với đất khi VIN có trạng thái mở, do đó 10kΩ đã là giá trị tốt rồi.
Vì R2 đã biết, dòng điện chạy qua nó có thể được giải như sau
IR2 = VBE / R2 = 0,7V / 10kΩ = 70uA
Ở đây chúng ta sử dụng 0,7V cho VBE vì giá trị điển hình của VBE transistor là 0,7V. Để tính toán chính xác, bạn có thể xem xét tài liệu của linh kiện mà bạn đang sử dụng.
Sau đó, dòng điện trên R3 cũng có thể được tính toán bằng cách sử dụng:
IR3 = IR2 + IB = 70uA + 3,64mA = 3,71mA
Cuối cùng, R3 có thể được tính bằng phương trình dưới đây:
R3 = (VIN – VBE) / IR3 = (5V – 0,7V) / 3,71mA = 1,16kΩ.
Chọn giá trị điện trở tiêu chuẩn gần nhất.
4. Tính toán công suất tiêu tán
Sau khi tất cả các giá trị đã được biết, chúng ta sẽ tiến hành tính toán công suất. Việc chọn các thiết bị có định mức thấp hơn sẽ dẫn đến lỗi mạch.
A. Công suất tiêu tán Q1
PQ1 = IB X VBE + VCE X IC
Trong tính toán trên, chúng ta không xét đến VCEsat thực tế của thiết bị (hoặc mức bão hòa của VCE). Điều này không bằng không trong thực tế ngay cả khi transistor bão hòa nhiều như thế nào. Luôn tham khảo tài liệu kỹ thuật. Hãy sử dụng 100mV trong ví dụ này. Vì vậy,
PQ1 = IB X VBE + VCE X IC = 3,64mA X 0,7V + 0,1V X 36,37mA = 6,185mW
B. Công suất tiêu tán R2
PR2 = IR2 X IR2 X R2 = 70uA X 70uA X 10kΩ = 49uW
C. Công suất tiêu tán R3
PR3 = IR3 X IR3 X R3 = 3,71mA X 3,71mA X 1.16kΩ = 16mW
D. Công suất tiêu tán Relay
PRelay = IC X IC X Rcoil = 36,37mA X 36,37mA X 330Ω = 436,5mW
Chọn các linh kiện có định mức công suất cao hơn so với kết quả tính toán ở trên.
Tôi đã thực hiện các mô phỏng đơn giản để xác minh mạch bằng cách sử dụng các giá trị đã chọn. Tôi nhận được VCE xấp xỉ bằng không volt, có nghĩa là transistor đang bão hòa. Tôi cũng nhận được dòng điện collector là 36mA, tương đương với giá trị đã tính.
Cách khắc phục sự cố mạch transistor NPN
Trong khắc phục sự cố, điều cần thiết là phải biết các sự thật cơ bản về transistor NPN. Bạn cần biết rằng VBE có thể dao động từ 0,6V-1,2V (mặc dù 1,2V là trong trường hợp xấu nhất). Khi bạn đặt đầu dò vôn kế dương vào cơ sở trong khi đầu dò âm vào bộ phát, bạn phải đọc trong khoảng 0,6V-1,2V, khi mạch được cấp nguồn. Nếu bạn đọc 0V, tiếp giáp cơ sở-bộ phát của transistor bị ngắn mạch. Mặt khác, nếu bạn đọc một mức tương đương với VBB hoặc điện áp áp dụng vào cơ sở, tiếp giáp cơ sở-bộ phát của transistor bị tắt hoặc đơn giản là transistor không dẫn điện.
Nếu mạch transistor được thiết lập để hoạt động ở trạng thái bão hòa, bạn phải đọc 0V trên VBE bằng cách đặt đầu dò vôn kế dương vào bộ thu trong khi đầu dò âm vào bộ phát, khi mạch được cấp nguồn và có nguồn cấp dương vào cơ sở. Ngược lại, nếu không có nguồn cấp vào cơ sở hoặc điện áp cơ sở âm, bạn nên đọc một mức tương đương với VCC.
Các mạch cụ thể
A.
Chế độ lỗi: Đầu ra luôn thấp (0V)
Các lỗi có thể xảy ra:
- Q1 bị ngắn mạch
- Rc hở mạch
Chế độ lỗi: Đầu ra luôn cao
Các lỗi có thể xảy ra:
- Rb hở mạch
- Q1 bị lỗi
Chế độ lỗi: Đầu ra thấp và cao không liên tục
Các lỗi có thể xảy ra:
- Hàn xấu trên Rb hoặc Rb bị lỗi
- Hàn xấu trên Q1 hoặc Q1 bị lỗi
- Hàn xấu trên Rc hoặc Rc bị lỗi
B.
Chế độ lỗi: Đầu ra luôn thấp (0V)
Các lỗi có thể xảy ra:
- Re bị ngắn mạch
- cả Re và Q1 đều ngắn mạch
Chế độ lỗi: Đầu ra luôn VCC
Các lỗi có thể xảy ra:
- Q1 hở mạch
- Re hở mạch
- Rc bị ngắn mạch
Chế độ lỗi: Đầu ra không phải không, không phải VCC, không phải không liên tục nhưng không chính xác dựa trên tính toán
Các lỗi có thể xảy ra:
- Rc hở mạch
Chế độ lỗi: Đầu ra không liên tục
Các lỗi có thể xảy ra:
- Kiểm tra tất cả các bộ phận xem có hàn xấu không
- nếu không có hàn lạnh, có một bộ phận bị lỗi một phần. Đo điện trở và tiến hành kiểm tra điốt cho Q1.
C.
Chế độ lỗi: Đầu ra luôn thấp (0V)
Các lỗi có thể xảy ra:
- Rc hở mạch
- Q1 C-E bị ngắn mạch
Chế độ lỗi: Đầu ra luôn cao hoặc VCC
Các lỗi có thể xảy ra:
- Q1 bị lỗi
- Rb hở mạch
- Rb1 bị ngắn mạch (hoặc đổi sang giá trị thấp hơn)
Chế độ lỗi: Đầu ra không liên tục
Các lỗi có thể xảy ra:
- Kiểm tra tất cả các bộ phận xem có hàn xấu không
- nếu không có hàn lạnh, có một bộ phận bị lỗi một phần. Đo điện trở và tiến hành kiểm tra điốt cho Q1.
Trả lời