Sử dụng Transistor làm Công tắc

Transistor có thể được sử dụng hiệu quả để chuyển mạch các thiết bị DC điện áp thấp, chẳng hạn như đèn LED, bằng cách vận hành chúng ở trạng thái bão hòa hoặc ngắt. Khi được sử dụng ở khả năng này, transistor hoạt động như một công tắc điện tử, chuyển đổi giữa trạng thái "BẬT" và "TẮT".

Hoạt động cơ bản

Transistor trong bộ khuếch đại tín hiệu AC được phân cực để hoạt động trong vùng hoạt động của nó, đảm bảo hiệu suất tuyến tính. Tuy nhiên, khi được sử dụng như một công tắc, transistor hoạt động khác nhau. Cả transistor lưỡng cực NPN và PNP đều có thể được cấu hình để hoạt động như công tắc trạng thái rắn bằng cách điều chỉnh độ phân cực của cực gốc.

Transistor như một công tắc chủ yếu được sử dụng để điều khiển trạng thái "BẬT" và "TẮT" của đầu ra DC. Trong khi một số thiết bị như đèn LED chỉ cần một vài miliampe và có thể được điều khiển trực tiếp bởi một cổng logic, thì các thiết bị có công suất cao hơn như động cơ hoặc đèn cần nhiều công suất hơn. Trong những trường hợp như vậy, một công tắc transistor được sử dụng.

Vùng hoạt động

Khi sử dụng transistor lưỡng cực làm công tắc, điều cần thiết là phải hiểu hai vùng hoạt động chính, vùng bão hòa và vùng cắt. Các vùng này xác định trạng thái chuyển mạch của bóng bán dẫn.

Vùng cắt

Trong vùng cắt, bóng bán dẫn hoàn toàn tắt. Không có dòng điện cực gốc (IB), không có dòng điện cực thu (IC) và điện áp cực thu (VCE) đạt mức cực đại. Tình trạng này dẫn đến lớp cạn kiệt lớn, ngăn không cho dòng điện chạy qua thiết bị. Bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc mở.

• Đầu vào và cực gốc được nối đất (0V)
• Điện áp cực gốc - phát (VBE) nhỏ hơn 0.7V
• Tiếp điểm cực gốc - phát bị phân cực ngược
• Tiếp điểm cực gốc - thu bị phân cực ngược
• Không có dòng điện cực thu chạy qua (IC = 0)
• VOUT bằng VCE và bằng với điện áp cung cấp (VCC)
• Transistor hoạt động như một công tắc mở trong trạng thái này, cả hai tiếp điểm đều bị phân cực ngược, và transistor thực chất "TẮT".

Vùng bão hòa

Trong vùng bão hòa, bóng bán dẫn hoàn toàn “BẬT”. Dòng điện cực gốc đạt mức cực đại, dẫn đến dòng điện cực thu cực đại và làm giảm điện áp cực thu - phát(VCE) tối thiểu. Lớp cạn kiệt càng nhỏ càng tốt, cho phép dòng điện tối đa chạy qua bóng bán dẫn. Transistor hoạt động như một công tắc “ĐÓNG”.

• Đầu vào và cực gốc được kết nối với VCC
• Điện áp gốc - phát (VBE) lớn hơn 0.7V
• Tiếp điểm cực gốc - phát bị phân cực thuận
• Tiếp điểm cực gốc - thu bị phân cực thuận
• Dòng điện thu tối đa chạy qua (IC = VCC/RL)
• VCE xấp xỉ bằng 0 (bão hòa lý tưởng)
• VOUT bằng 0
• Transistor hoạt động như một công tắc đóng trong trạng thái này, cả hai tiếp điểm đều bị phân cực thuận, và transistor thực chất "BẬT".

Transistor như một công tắc

Ở dạng đơn giản nhất, công tắc transistor hoạt động như công tắc một cực một lần (SPST). Khi không có tín hiệu nào được đưa vào cực gốc, transistor sẽ "TẮT" và không có dòng điện nào chạy qua. Khi có tín hiệu dương, transistor sẽ "BẬT", cho phép dòng điện tối đa chạy qua.

Một ứng dụng phổ biến là sử dụng transistor NPN để vận hành rơ le. Trong các mạch có tải cảm ứng như rơ le hoặc solenoid, diode bánh đà được sử dụng để tiêu tán EMF sinh ra khi transistor tắt, bảo vệ transistor khỏi bị hư hỏng.

Cân nhắc thực tế

Một công tắc transistor lý tưởng sẽ thể hiện điện trở vô hạn giữa cực thu và cực phát khi tắt, dẫn đến không có dòng điện chạy qua và điện trở bằng không khi bật, dẫn đến dòng điện chạy qua tối đa. Trên thực tế, có dòng điện rò rỉ nhỏ khi tắt và điện áp bão hòa nhỏ (VCE) khi bật, nhưng những dòng điện này rất nhỏ.

Để bật hoàn toàn transistor, dòng điện cực gốc phải đủ. Cực đầu vào cực gốc cần phải dương lớn hơn cực phát ít nhất 0,7V đối với transistor silicon. Điện trở cực gốc (Rb) xác định điện áp đầu vào và dòng điện cực gốc cần thiết.

Ví dụ tính toán

• Tính toán điện trở cực gốc: Đối với bóng bán dẫn có β = 200, IC = 4mA và IB = 20μA, hãy tính điện trở cơ sở để bật tải hoàn toàn khi điện áp đầu vào vượt quá 2,5V.
• Dòng điện cực gốc tối thiểu: Đối với tải yêu cầu 200mA, hãy tính dòng điện cơ sở tối thiểu và điện trở cơ sở tương ứng khi điện áp đầu vào là 5,0V.

Ứng dụng

Công tắc bóng bán dẫn được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như giao diện các thiết bị có dòng điện hoặc điện áp cao với IC kỹ thuật số điện áp thấp hoặc cổng logic. Ví dụ, đầu ra cổng logic kỹ thuật số +5V có thể điều khiển thiết bị yêu cầu 12V trở lên. Công tắc bóng bán dẫn cho phép điều khiển nhanh hơn và dễ dàng hơn so với công tắc cơ học.

Công tắc bóng bán dẫn PNP

Transistor PNP cũng có thể được sử dụng làm công tắc. Trong cấu hình này, tải được kết nối với đất và bóng bán dẫn chuyển nguồn điện sang đó. Để bật bóng bán dẫn PNP, đầu cực gốc được kết nối với đất hoặc bằng 0V.

Công tắc Transistor Darlington

Khi độ lợi dòng điện DC của một transistor lưỡng cực đơn không đủ, nhiều transistor được sử dụng trong cấu hình Darlington. Thiết lập này cung cấp độ lợi dòng điện cao hơn, cho phép một dòng điện đầu vào nhỏ chuyển mạch một dòng điện đầu ra lớn hơn.

Trong một transistor Darlington, độ lợi dòng điện tổng thể là tích của độ lợi của từng transistor, mang lại hiệu suất cao hơn đáng kể so với một công tắc transistor đơn.

Kết luận

Công tắc transistor linh hoạt và hiệu quả để điều khiển nhiều loại tải khác nhau, từ đèn LED đơn giản đến động cơ phức tạp. Hiểu cách sử dụng transistor ở vùng bão hòa và vùng cắt của chúng là điều cần thiết để thiết kế mạch chuyển mạch hiệu quả.