การทำงานของทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์

ในบทช่วยสอนเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์นี้ เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับการทำงานของทรานซิสเตอร์ในฐานะสวิตช์ การสลับและการขยายสัญญาณเป็นการใช้งานสองส่วนของทรานซิสเตอร์และทรานซิสเตอร์ เนื่องจากสวิตช์เป็นพื้นฐานสำหรับวงจรดิจิทัลจำนวนมาก เราจะเรียนรู้โหมดการทำงานที่แตกต่างกัน (Active, Saturation และ Cut-off) ของทรานซิสเตอร์ วิธีที่ทรานซิสเตอร์ทำงานเป็นสวิตช์ (ทั้ง NPN และ PNP) และวงจรการใช้งานที่ใช้งานได้จริงโดยใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ บทนำหมายเหตุสั้นๆ เกี่ยวกับโหมดการทำงานของ BJTO ของทรานซิสเตอร์โหมดแอคทีฟโหมดตัดโหมดความอิ่มตัวทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ทรานซิสเตอร์ NPN เป็นสวิตช์ตัวอย่างของทรานซิสเตอร์ NPN เป็นสวิตช์ทรานซิสเตอร์ PNP เป็นสวิตช์ตัวอย่างของทรานซิสเตอร์ PNP เป็นสวิตช์ตัวอย่างเชิงปฏิบัติของทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ทรานซิสเตอร์เพื่อสลับ LED ทรานซิสเตอร์เพื่อใช้งานรีเลย์ทรานซิสเตอร์เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์บทสรุปสามทรานซิสเตอร์คือ ชั้น อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามขั้ว ซึ่งมักใช้ในการขยายสัญญาณและการดำเนินการสลับ ในฐานะที่เป็นหนึ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญ ทรานซิสเตอร์พบว่ามีการใช้งานที่หลากหลาย เช่น ระบบฝังตัว วงจรดิจิตอล และระบบควบคุม คุณสามารถหาทรานซิสเตอร์ได้ทั้งโดเมนดิจิทัลและอนาล็อก เนื่องจากมีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น วงจรสวิตชิ่ง วงจรเครื่องขยายเสียง วงจรจ่ายไฟ วงจรลอจิกดิจิตอล ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า วงจรออสซิลเลเตอร์ และอื่นๆ บทความนี้เน้นที่การสลับการทำงานของทรานซิสเตอร์เป็นหลัก และให้คำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ในฐานะสวิตช์ หมายเหตุโดยย่อเกี่ยวกับ BJT มีอยู่ XNUMX แบบ ตระกูลหลักของทรานซิสเตอร์: ทรานซิสเตอร์แบบแยกขั้วสองขั้ว (BJT) และทรานซิสเตอร์ภาคสนาม (FET) ทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยกหรือเพียงแค่ BJT เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบสามชั้น สามขั้ว และสองทางแยก ประกอบด้วยจุดเชื่อมต่อ PN สองจุดควบคู่ไปกับชั้นกลางทั่วไป เมื่อใดก็ตามที่เราพูดถึงคำว่า 'ทรานซิสเตอร์' ก็มักจะหมายถึง BJT เป็นอุปกรณ์ควบคุมกระแสไฟซึ่งกระแสไฟขาออกถูกควบคุมโดยกระแสไฟเข้า ชื่อไบโพลาร์บ่งชี้ว่าตัวพาประจุสองประเภท ได้แก่ อิเลคตรอนและโฮลเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าใน BJT โดยที่รูเป็นตัวพาประจุบวกและอิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุลบ ทรานซิสเตอร์มีสามส่วน คือ เบส อิมิตเตอร์ และตัวสะสม อีซีแอลเป็นขั้วเจือหนักและปล่อยอิเล็กตรอนเข้าสู่ฐาน ขั้วฐานถูกเจือปนเล็กน้อยและส่งผ่านอิเลคตรอนที่ฉีดด้วยอีซีแอลไปยังตัวสะสม ขั้วสะสมถูกเจือในระดับปานกลางและรวบรวมอิเล็กตรอนจากฐาน ตัวสะสมนี้มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับอีกสองภูมิภาค จึงสามารถกระจายความร้อนได้มากกว่า BJT มีสองประเภท: NPN และ PNP ทั้งสองทำงานในลักษณะเดียวกัน แต่ต่างกันในแง่ของการให้น้ำหนักและขั้วของแหล่งจ่ายไฟ ในทรานซิสเตอร์ PNP วัสดุประเภท N จะถูกประกบระหว่างวัสดุประเภท P สองชนิด ในขณะที่วัสดุประเภท P ของทรานซิสเตอร์ NPN จะถูกประกบระหว่างวัสดุประเภท N สองชนิด ทรานซิสเตอร์ทั้งสองนี้สามารถกำหนดค่าเป็นประเภทต่างๆ เช่น อิมิตเตอร์ทั่วไป ตัวเก็บประจุทั่วไป และการกำหนดค่าพื้นฐานทั่วไป หากคุณกำลังมองหาการทำงานของ MOSFET เป็นสวิตช์ ก่อนอื่นให้เรียนรู้พื้นฐานของ MOSFET โหมดการทำงานของทรานซิสเตอร์ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการให้น้ำหนัก เช่น ไปข้างหน้าหรือย้อนกลับ ทรานซิสเตอร์มีโหมดการทำงานหลักสามโหมด ได้แก่ คัทออฟ แอคทีฟ และ บริเวณความอิ่มตัวโหมดแอ็คทีฟในโหมดนี้ โดยทั่วไปแล้วทรานซิสเตอร์จะถูกใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณปัจจุบัน ในโหมดแอ็คทีฟ ชุมทางสองทางมีความเอนเอียงต่างกัน ซึ่งหมายความว่าชุมทางอิมิตเตอร์-เบสมีความเอนเอียงไปข้างหน้า ในขณะที่ทางแยกระหว่างคอลเลคเตอร์-เบสมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ ในโหมดนี้ กระแสไหลระหว่างอีซีแอลและคอลเลคเตอร์และปริมาณของกระแสไฟจะเป็นสัดส่วนกับกระแสฐาน โหมดตัดไฟในโหมดนี้ ทั้งทางแยกฐานของตัวรวบรวมและทางแยกฐานของอีมิตเตอร์จะมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ เนื่องจากทางแยก PN ทั้งสองมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ จึงแทบไม่มีกระแสไหลยกเว้นกระแสรั่วไหลขนาดเล็ก BJT ในโหมดนี้จะถูกปิดและเป็นวงจรเปิดโดยพื้นฐานแล้ว Cutoff Region จะใช้เป็นหลักในวงจรสวิตชิ่งและวงจรลอจิกดิจิตอล โหมดความอิ่มตัวในโหมดการทำงานนี้ ทั้งทางแยก emitter-base และ collector-base จะมีความเอนเอียงไปข้างหน้า กระแสไหลอย่างอิสระจากตัวสะสมไปยังตัวปล่อยโดยมีความต้านทานเกือบเป็นศูนย์ ในโหมดนี้ ทรานซิสเตอร์จะถูกเปิดโดยสมบูรณ์และโดยพื้นฐานแล้วจะเป็นวงจรปิด นอกจากนี้ พื้นที่อิ่มตัวยังใช้เป็นหลักในวงจรสวิตชิ่งและวงจรลอจิกดิจิทัลด้วย รูปด้านล่างแสดงลักษณะเอาต์พุตของ BJT ในรูปด้านล่าง บริเวณจุดตัดมีสภาวะการทำงานเมื่อกระแสตัวรวบรวมเอาท์พุตเป็นศูนย์ กระแสไฟเข้าฐานเป็นศูนย์ และแรงดันสะสมสูงสุด พารามิเตอร์เหล่านี้ทำให้เกิดชั้นการพร่องขนาดใหญ่ ซึ่งต่อไปไม่อนุญาตให้กระแสไหลผ่านทรานซิสเตอร์ ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงอยู่ในสภาพปิดอย่างสมบูรณ์ ในทำนองเดียวกัน ในบริเวณอิ่มตัว ทรานซิสเตอร์จะมีอคติในลักษณะที่ใช้กระแสเบสสูงสุดซึ่งส่งผลให้กระแสสะสมสูงสุดและแรงดันสะสมต่ำสุด-อิมิตเตอร์ สิ่งนี้ทำให้ชั้นการพร่องมีขนาดเล็กและยอมให้กระแสสูงสุดไหลผ่านทรานซิสเตอร์ ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงอยู่ในสภาพเปิดเต็มที่ ดังนั้น จากการสนทนาข้างต้น เราสามารถพูดได้ว่าทรานซิสเตอร์สามารถทำงานเป็นสวิตช์เปิด/ปิดสถานะโซลิดสเตตได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์ในพื้นที่ตัดและบริเวณอิ่มตัว แอปพลิเคชั่นสวิตชิ่งประเภทนี้ใช้สำหรับควบคุม LED, มอเตอร์, หลอดไฟ, โซลินอยด์ ฯลฯ ทรานซิสเตอร์เป็นทรานซิสเตอร์ SwitchA สามารถใช้สำหรับการดำเนินการสลับเพื่อเปิดหรือปิดวงจร การสลับสถานะโซลิดสเตตประเภทนี้มีความน่าเชื่อถืออย่างมีนัยสำคัญและต้นทุนที่ต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับรีเลย์ทั่วไป ทั้งทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP สามารถใช้เป็นสวิตช์ได้ แอปพลิเคชั่นบางตัวใช้ทรานซิสเตอร์กำลังเป็นอุปกรณ์สวิตชิ่ง ในขณะนั้นอาจจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ระดับสัญญาณอื่นเพื่อขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์กำลังสูงทรานซิสเตอร์ NPN เป็นสวิตช์อิงตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ที่ขั้วฐานของการดำเนินการสลับทรานซิสเตอร์ จะดำเนินการ เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอ (VIN > 0.7 V) ระหว่างฐานและตัวส่ง ตัวสะสมกับแรงดันตัวปล่อยจะเท่ากับ 0 โดยประมาณ ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจร กระแสไฟสะสม VCC / RC ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ ในทำนองเดียวกัน เมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่อินพุต ทรานซิสเตอร์จะทำงานในพื้นที่ตัดและทำหน้าที่เป็นวงจรเปิด ในการเชื่อมต่อแบบสวิตชิ่งประเภทนี้ โหลด (ในที่นี้จะใช้ LED เป็นโหลด) เชื่อมต่อกับเอาต์พุตการสลับด้วยจุดอ้างอิง ดังนั้น เมื่อเปิดทรานซิสเตอร์ กระแสจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังกราวด์ผ่านโหลด ตัวอย่างของทรานซิสเตอร์ NPN เป็นสวิตช์ พิจารณาตัวอย่างด้านล่าง โดยที่ความต้านทานฐาน RB = 50 KΩ ความต้านทานของตัวสะสม RC = 0.7 KΩ, VCC คือ 5V และ ค่าเบต้าคือ 125 ที่ฐาน จะมีสัญญาณอินพุตที่เปลี่ยนแปลงระหว่าง 0V ถึง 5V เราจะเห็นผลลัพธ์ที่ตัวสะสมโดยเปลี่ยน VI ในสองสถานะคือ 0 และ 5V ดังแสดงในรูป IC = VCC / RC เมื่อ VCE = 0 IC = 5V / 0.7 KΩ IC = 7.1 mA กระแสไฟฐาน IB = IC / β IB = 7.1 mA / 125 IB = 56.8 µA จากการคำนวณข้างต้น ค่าสูงสุดหรือค่าสูงสุดของตัวสะสม กระแสในวงจรคือ 7.1mA เมื่อ VCE เท่ากับศูนย์ และกระแสฐานที่สอดคล้องกันสำหรับกระแสสะสมนี้คือ 56.8 µA ดังนั้นจึงเป็นที่แน่ชัดว่าเมื่อกระแสเบสเพิ่มขึ้นเกิน 56.8 ไมโครแอมแปร์ ทรานซิสเตอร์จะเข้าสู่โหมดอิ่มตัว พิจารณากรณีที่โวลต์เป็นศูนย์ที่ ป้อนข้อมูล. สิ่งนี้ทำให้กระแสฐานเป็นศูนย์และเนื่องจากตัวปล่อยต่อสายดิน ทางแยกฐานของตัวปล่อยจะไม่ลำเอียงไปข้างหน้า ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงอยู่ในสภาพปิดและแรงดันเอาต์พุตของตัวสะสมเท่ากับ 5V เมื่อ VI = 0V, IB = 0 และ IC =0, VC = VCC – (IC * RC) = 5V – 0 = 5V พิจารณาว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ใช้คือ 5 โวลต์ จากนั้นจะสามารถกำหนดกระแสฐานได้โดยใช้กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff เมื่อ VI = 5V, IB = (VI – VBE) / RB สำหรับทรานซิสเตอร์ซิลิคอน, VBE = 0.7 V ดังนั้น IB = (5V – 0.7V) / 50 KΩ = 86 µA ซึ่งมากกว่า 56.8 µA จึงเป็นฐาน กระแสไฟมากกว่า 56.8 ไมโครแอมแปร์ ทรานซิสเตอร์จะถูกขับเคลื่อนไปสู่ความอิ่มตัว กล่าวคือ จะเปิดเต็มที่เมื่อใช้ 5V ที่อินพุต ดังนั้นเอาต์พุตที่ตัวสะสมจะกลายเป็นศูนย์โดยประมาณ ทรานซิสเตอร์ PNP เนื่องจากทรานซิสเตอร์ SwitchPNP ทำงานเหมือนกับ NPN สำหรับการสลับการทำงาน แต่กระแสจะไหลจากฐาน การสลับประเภทนี้ใช้สำหรับการกำหนดค่ากราวด์เชิงลบ สำหรับทรานซิสเตอร์ PNP เทอร์มินัลฐานจะมีความเอนเอียงเชิงลบเสมอเมื่อเทียบกับอีซีแอล ในการสลับนี้ กระแสเบสจะไหลเมื่อแรงดันเบสมีค่าเป็นลบมากกว่า พูดง่ายๆ ก็คือ แรงดันไฟต่ำหรือแรงดันลบที่มากขึ้นทำให้ทรานซิสเตอร์ลัดวงจร มิฉะนั้น มันจะเป็นวงจรเปิด ในการเชื่อมต่อนี้ โหลดจะเชื่อมต่อกับเอาต์พุตการสลับทรานซิสเตอร์ที่มีจุดอ้างอิง เมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ กระแสจะไหลจากแหล่งกำเนิดผ่านทรานซิสเตอร์ไปยังโหลดและสุดท้ายลงสู่กราวด์ ตัวอย่างของทรานซิสเตอร์ PNP ที่เป็นสวิตช์คล้ายกับวงจรสวิตช์ทรานซิสเตอร์ NPN อินพุตวงจร PNP ก็เป็นฐานเช่นกัน แต่ตัวส่งเชื่อมต่อกับ แรงดันคงที่และตัวสะสมเชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านโหลดดังแสดงในรูป ในการกำหนดค่านี้ ฐานจะมีความเอนเอียงในเชิงลบเสมอเมื่อเทียบกับตัวปล่อยโดยการเชื่อมต่อฐานที่ด้านลบและตัวปล่อยที่ด้านบวกของแหล่งจ่ายอินพุต ดังนั้นแรงดันไฟฟ้า VBE เป็นค่าลบและแรงดันไฟฟ้าของตัวปล่อยสำหรับตัวสะสมเป็นค่าบวก (VCE บวก) ดังนั้นสำหรับการนำของตัวปล่อยทรานซิสเตอร์จะต้องเป็นค่าบวกมากกว่าทั้งตัวสะสมและฐาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ฐานต้องเป็นค่าลบมากกว่าเมื่อเทียบกับตัวปล่อย สำหรับการคำนวณกระแสฐานและตัวสะสมตามนิพจน์จะใช้ IC = IE – IB IC = β * IB IB = IC / β พิจารณาตัวอย่างข้างต้นว่าโหลดต้องการกระแส 100 มิลลิแอมแปร์ และทรานซิสเตอร์มีค่าเบต้าที่ 100 จากนั้นกระแสที่จำเป็นสำหรับความอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์คือ กระแสฐานขั้นต่ำ = กระแสสะสม / β = 100 mA / 100 = 1mA ดังนั้นเมื่อกระแสฐานเท่ากับ 1 mA ทรานซิสเตอร์จะเปิดเต็มที่ แต่เกือบ 30 เปอร์เซ็นต์ของกระแสที่จำเป็นสำหรับการรับประกันความอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์ ในตัวอย่างนี้ กระแสฐานที่ต้องการคือ 1.3mA ตัวอย่างเชิงปฏิบัติของทรานซิสเตอร์ในฐานะสวิตช์ทรานซิสเตอร์เพื่อสลับ LEDA ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ทรานซิสเตอร์สามารถใช้เป็นสวิตช์ได้ แผนผังด้านล่างแสดงวิธีการใช้ทรานซิสเตอร์เพื่อสลับ Light Emitting Diode (LED) เมื่อสวิตช์ที่ขั้วฐานเปิดอยู่ จะไม่มีกระแสไหลผ่านฐาน ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงอยู่ในสถานะตัด ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงทำหน้าที่เป็นวงจรเปิดและ LED จะกลายเป็น OFF เมื่อปิดสวิตช์ กระแสฐานจะเริ่มไหลผ่านทรานซิสเตอร์แล้วขับเข้าสู่ความอิ่มตัว ซึ่งจะทำให้ LED เปิดขึ้น ตัวต้านทานจะถูกวางเพื่อจำกัดกระแส ผ่านฐานและ LED นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนแปลงความเข้มของ LED โดยการเปลี่ยนความต้านทานในเส้นทางกระแสฐานทรานซิสเตอร์เพื่อใช้งานรีเลย์นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมการทำงานของรีเลย์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ได้อีกด้วย ด้วยการจัดเรียงวงจรขนาดเล็กของทรานซิสเตอร์ที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับคอยล์ของรีเลย์เพื่อให้ควบคุมโหลดภายนอกที่เชื่อมต่ออยู่ได้ พิจารณาวงจรด้านล่างเพื่อทราบการทำงานของทรานซิสเตอร์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับคอยล์รีเลย์ อินพุตที่ใช้ที่ฐานทำให้เกิดการขับทรานซิสเตอร์ไปยังพื้นที่อิ่มตัว ซึ่งทำให้วงจรกลายเป็นไฟฟ้าลัดวงจรต่อไป ดังนั้น คอยล์รีเลย์จึงได้รับพลังงานและหน้าสัมผัสรีเลย์จะทำงาน ในโหลดอุปนัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสลับมอเตอร์และตัวเหนี่ยวนำ การถอดพลังงานอย่างกะทันหันสามารถรักษาศักย์ไฟฟ้าสูงทั่วทั้งคอยล์ได้ ไฟฟ้าแรงสูงนี้อาจทำให้วงจรที่เหลือเสียหายได้มาก ดังนั้นเราจึงต้องใช้ไดโอดควบคู่ไปกับโหลดอุปนัยเพื่อป้องกันวงจรจากแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำของโหลดอุปนัย ทรานซิสเตอร์เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ ทรานซิสเตอร์ยังสามารถใช้ในการขับเคลื่อนและควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงแบบทิศทางเดียวโดย การสลับทรานซิสเตอร์ในช่วงเวลาปกติดังแสดงในรูปด้านล่าง ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น มอเตอร์กระแสตรงยังเป็นโหลดอุปนัยด้วย เราจึงต้องวางไดโอดอิสระที่ขวางไว้เพื่อป้องกันวงจร โดยการสลับทรานซิสเตอร์ในจุดตัดและความอิ่มตัว เราสามารถเปิดและปิดมอเตอร์ซ้ำได้ในพื้นที่ต่างๆ นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์จากหยุดนิ่งเป็นความเร็วเต็มที่ได้ด้วยการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ที่ความถี่แปรผัน เราสามารถรับความถี่สวิตชิ่งจากอุปกรณ์ควบคุมหรือไอซี เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ คุณมีแนวคิดที่ชัดเจนว่าทรานซิสเตอร์สามารถใช้เป็นสวิตช์ได้อย่างไร? เราหวังว่าข้อมูลที่ตกแต่งด้วยภาพและตัวอย่างที่เกี่ยวข้องจะชี้แจงแนวคิดการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ทั้งหมด นอกจากนี้ หากคุณมีข้อสงสัย ข้อเสนอแนะ และความคิดเห็นใดๆ คุณสามารถเขียนด้านล่าง สรุปบทช่วยสอนฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับการใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ