Nếu cách khảo sát đặc tuyến của BJT
Trong bài này chúng ta cùng tìm hiểu về transistor, một trong những linh kiện cách mạng, làm thay đổi mọi thứ. Đây là thành phần cốt lõi, không thể thiếu trong các mạch điện hiện nay. Show
Transistor là gì?Transistor là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Tên gọi Transistor này là kết hợp của hai từ tiếng Anh “Transfer” (chuyển đổi) và “Resistor” (cản trở) và được đặt tên bởi nhà khoa học John R. Pierce vào năm 1948. Tên gọi này đã thể hiện rõ chức năng của linh kiện này khi nó khuếch đại bằng cách chuyển đổi điện trở. Hiểu một cách đơn giản, Transistor sử dụng tín hiệu nhỏ đặt ở một chân và điều khiển tín hiệu lớn hơn tại chân còn lại hoặc nó dùng để đóng ngắt một tín hiệu nào đó đi qua nó. Nguồn gốc hình thành và lịch sử phát triển của TransistorTransistor lần đầu tiên được phát minh tại phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey vào năm những 1947 bởi 3 nhà vật lý tài giỏi của Hoa Kỳ: John Bardeen(1908 Nott 1991), Walter Brattain (1902 – 1987) và William Shockley (1910 – 1989). Nhóm nghiên cứu do Shockley dẫn đầu đã cố gắng phát triển một loại bộ khuếch đại mới cho hệ thống điện thoại Hoa Kỳ lúc bấy giờ, tuy nhiên những gì họ thực sự phát minh ra hóa ra lại có nhiều ứng dụng rộng rãi hơn. Bardeen và Brattain đã tạo ra Transistor thực tế đầu tiên vào thứ ba ngày 16 tháng 12 năm 1947. Mặc dù Shockleyđã đóng một vai trò lớn trong dự án, anh ta rất tức giận và kích động khi bị bỏ rơi. Ngay sau đó, trong một lần ở khách sạn tại một hội nghị vật lý, anh đã một mình tìm ra lý thuyết về Transistor ba ngã là một thiết bị tốt hơn nhiều so với bóng bán dẫn tiếp xúc điểm. Trong khi Bardeenrời Bell Labs để trở thành một học giả (anh tiếp tục tận hưởng thành công hơn nữa khi học các chất siêu dẫn tại Đại học Illinois), Brattain ở lại một thời gian trước khi nghỉ hưu để trở thành giáo viên. Shockley thành lập công ty sản xuất bóng bán dẫn của riêng mình và giúp truyền cảm hứng cho hiện tượng thời hiện đại đó là “Thung lũng Silicon”. Hai nhân viên của ông, Robert Noyce và Gordon Moore, đã tiếp tục thành lập Intel, nhà sản xuất chip vi mô lớn nhất thế giới. Và sau cùng thì Bardeen, Brattain và Shockley cũng đã tái hợp trong một thời gian ngắn vài năm sau đó khi họ chia sẻ giải thưởng khoa học hàng đầu thế giới, giải thưởng Nobel Vật lý năm 1956 vì khám phá của họ. Đây được xem là một câu chuyện của họ là một câu chuyện hấp dẫn về sự sáng chói trí tuệ chiến đấu với sự ghen tị nhỏ nhặt và nó cũng đáng để đọc thêm. Cấu tạo và nguyên lý hoạt độngCấu tạoTransistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau, hình thành hai tiếp giáp P – N nằm ngược chiều nhau, vì thế có thể nói transistor giống như hai diode nối ngược chiều nhau. Chúng chia thành 2 loại:
Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là ba cực:
Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được. Nguyên lý hoạt động của transistorCó 2 bước để làm 1 transistor hoạt động đó là:
Xét transistor loại NPN (Transisor nghịch). Nếu ta nối hai cực E và C của transistor loại NPN với một nguồn điện một chiều Ecc có cực âm nối với chân E và cực dương nối với chân C, chân B của transisor để hở mạch thì các electron là hạt tải điện đa số của vùng cực E không thể di chuyển qua vùng bán dẫn cực B nên không có dòng điện chạy trong transistor. Tuy nhiên do chuyển động nhiệt nên có một số rất ít điện tử vượt qua lớp tiếp giáp gốc – góp, tao ra một dòng điện rất nhỏ gọi là dòng điện rò (rỉ) hay dòng góp ngược. Nguyên lý hoạt động của Transistor NPNBây giờ ta nối thêm một nguồn điện một chiều Ebb giữa chân E và chân B với cực âm nói với chân E và cực dương nối vào chân B
Mô tả một cách dễ hiểu đó là, dòng Ib có tác dụng mở lớp tiếp giáp BE và mồi electron từ cực E đâm xuyên qua lớp tiếp giáp BC. Khi xuyên được lớp đó chúng tạo ra 1 dòng đi từ cực E sang cực C. Với transistor loại PNP (Transistor thuận), hoạt động tương tự NPN nhưng chúng ta phân cực ngược lại. Nguyên lý hoạt động của Transistor PNPKý hiệu và hình dángKý hiệu của transistorNhư đã đề cập ở trên, transistor có hai cách thức ghép tạo thành: transistor thuận PNP và transistor ngược NPN: Mũi tên trong ký hiệu biểu thị hướng của dòng điện từ cực phát tới chỗ nối của cực gốc và cực phát. Sự khác nhau duy nhất giữa transistor NPN và transistor PNP chính là chiều của dòng điện. Cách đọc thông tin trên transisorMặc dù trên thị trường hiện nay có khá nhiều loại transistor do nhiều quốc gia sản xuất nhưng phổ biến nhất vẫn là xuất xử từ Nhật Bản, Mỹ và Trung Quốc. Ngoải ra còn có: transistor của Nga, Châu Âu… Transistor Nhật Bản:Bắt đầu bằng “2S” tiếp theo là một chữ cái cho biết đặc điểm và công dụng của transistor. Cuối cùng là nhóm chữ số cho biết thứ tự sản phẩm:
Ví dụ: 2SA1015, 2SA1013, 2SA168, 2SB688, 2SB55, … Một số transistor sản xuất sau này, khi đăng ký người ta không dùng “2S” nữa mà bắt đầu bằng các chữ cái A, B, C hoặc D thay cho các chữ 2SA, 2SB, 2SC hoặc 2SD. Ví dụ như A564, B733, C828, D1555. Trong đó, 2 Transistor bắt đầu bằng chữ cái A, B là Transistor thuận còn C, D là Transistor ngược. Thông thường, Transistor có ký hiệu bắt đầu bằng A và C sẽ có công suất nhỏ và tần số làm việc cao. Còn Transistor có ký hiệu bắt đầu bằng B và D thì ngược lại, chúng thường có công suất lớn và tần số làm việc thấp hơn. Transistor MỹTransistor có xuất xứ từ Mỹ thì thường có 2 ký hiệu bắt đầu là “2N”, tiếp theo là nhóm chữ chỉ số thứ tự sản phẩm. Ví dụ như 2N3055, 2N4073, 2N73A,… đều là các loại Transistor được sản xuất tại Mỹ. Muốn biết transistor được chế tạo từ Si hay Ge, cũng như các thông số kỹ thuật của chúng, ta phải dùng sách tra cứu. Transistor Trung QuốcCông thức ký hiệu chung của các loại Transistor có xuất xứ từ Trung Quốc đó là bắt đầu bằng số 3 và tiếp theo là hai chữ cái. Ví dụ như 3CP25, 3AP20… Trong đó: Chữ cái thứ nhất cho biết loại Transistor:
Chữ cái thứ hai cho biết đặc điểm và công dụng:
Sau cùng là nhóm chữ số chỉ thứ tự sản phẩm Ví dụ: 3AG11 là transistor loại PNP, Ge, âm tần công suất nhỏ, sản phẩm thứ 11. 3AX31B là transistor loại PNP, Ge, âm tần công suất nhỏ, sản phẩm thứ 31 có cải tiến. Hình dáng của trasistorMột số hình dáng và quy cách đóng vỏ của transistor: Các đặc tuyến của transistorKhi khảo sát các đặc tính của transistor, người ta khảo sát ba mối quan hệ căn bản, đó là:
Đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến truyền dẫn của transistor.
Căn cứ vào bảo số liệu này, ta vẽ được các đường đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến truyền dẫn của transistor. Đặc tuyến ngõ vào Đặc tuyến truyền dẫn
Đặc tuyến ngõ ra Ic/VTa sử dụng lại mạch điện thí nghiệm:
Đường tải và điểm làm việc tĩnh của transistorĐể giải thích rõ ràng hơn về nguyên tắc hoạt động và vùng hoạt động của transistor, người ta đưa ra khái niệm đường tải và đường làm việc tĩnh của transistor, là sự phụ thuộc của dòng điện ra Ic vào điện áp VCE khi transistor có mặc điện trở gánh Rc trong mạch như sơ đồ:
Từ phương trình này ta thấy dòng ngõ ra Ic phụ thuộc vào VCE theo hàm số dạng: y = ax + b. Do đó đường tải tĩnh của transistor là một đường thẳng cắt trục hoảnh VCE tại điểm Vcc và cẳt trục tung Ic tại điểm b.
Những thông số kỹ thuật của transistorThông số kỹ thuật của transistor là những đại lượng đặc trưng cho tính chất của transistor, kỹ thuật viên cần nắm vững các thông số này để lựa chọn và sử dụng Transistor cho hợp lý, đáp ứng được yêu cầu của mạch điện đồng thời tiết kiệm được chi phí khi mua linh kiện. Sau đây là những thông số chủ yếu của transistor:
Các loại transistorTransistor lưỡng cực (BJT)Transistor lưỡng cực hay còn được gọi tắt là BJT (Bipolar junction transistor). Đây là loại Transistor có 3 cực là B (Base – Cực nền), C (Collector – Cực thu), E (Emitter – Cực phát). Transistor lương cực được chia ra thành loại transistor thuận P – N – P và transistor ngược N – P – N. Ưu điểm:
Nhược điểm:
Ứng dụng: Trên thực tế, transistor lưỡng cực được sử dụng trên hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay: từ những transistor siêu nhỏ trên các bộ vi xử lý máy tính đến những transistor tích hợp trên vi mạch IC (Integrated Circuit). Transistor hiệu ứng trường (FET)Transistor hiệu ứng điện trường (Hay còn gọi là Transistor trường, Tranzito trường hay FET – viết tắt của cụm từ Tiếng Anh Field-effect transistor) là loại transistor sử dụng điện trường để kiểm soát, tác động đến độ dẫn của vật liệu bán dẫn. Đặc biệt, FET là loại transistor đơn cực (Chỉ có duy nhất một cực) nên chúng sẽ hoạt động trong các phần tử tải điện đơn. Cũng bởi vì lý do này mà nó gần như không yêu cầu dòng điện đầu vào (Tín hiệu sai lệch) và có ưu điểm vượt trội so với các loại transistor thông thường đó là khả năng chống đầu vào cực cao. Transistor hiệu ứng trường có cấu tạo gồm một thiết bị bán dẫn có ba cực (Cực máng, nguồn và cổng) với một dòng sóng mang dẫn truyền trong đó (Dòng sóng mang là electron đối với trường hợp FET kênh N còn đối với trường hợp FET kênh P thì dòng sóng mang là lỗ trống). FET được chia ra thành 2 loại là transistor trường JFET và transistor trường MOSFET.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Ứng dụng Trên thực tế, transistor hiệu ứng trường được sử dụng nhiều trong các mạch công xuất với độ chịu tải vừa. Transistor đơn nối (UJT)Transistor UJT (Hay còn gọi là transistor đơn nối) là loại transistor có ba cực nhưng chỉ có duy nhất một tiếp giáp. Nó hoạt động như một khóa có điều khiển. Tuy loại transistor này không được phổ biến rộng rãi như transistor lưỡng cực nhưng nó vẫn giữ một vai trò nhất định trong các mạch tạo sóng và định giờ.
Cấu tạo cơ bản của transistor UJT bao gồm một thỏi bán dẫn pha nhẹ loại N- và hai lớp tiếp xúc kim loại nằm ở hai đầu của bán dẫn tạo thành hai cực nền phân biệt gọi là cực B1 và cực B2. Trong đó, hợp chất của dây nhôm nhỏ hình thành nối PN và đóng vai trò làm chất bán dẫn loại P. Thiết kế vùng P thường gần cực B2 hơn B1 (Nằm cách vùng B1 một khoảng bằng 70% chiều dài của hai cực nền B1, B2) để có thể cung cấp tối ưu các đặc tính điện khi ứng dụng vào thực tế. Còn khu vực loại P (dây nhôm) đóng vai trò làm cực phát E. Những đặc tính của transistor UJT
Ứng dụng của transistor UJT Vì chi phí sản xuất thấp cũng như những đặc tính độc đáo mà chỉ UJT mới sở hữu nên nó được ứng dụng rất nhiều trên thực tế. Điển hình như người ta sử dụng UJT trong bộ tạo dao động, bộ tạo xung, mạch kích hoạt, điều khiển pha, bộ tạo răng cưa, mạch thời gian và nguồn cung cấp được điều chỉnh bằng điện áp hay dòng điện… Cách mắc TransistorTransistor hoạt động ở 2 trạng thái:
Cách mắc Transistor chế độ bão hòa – Đóng/Ngắt tảiCách mắc này thường thấy trong các mạch số, mạch vi điều khiển. Transistor sẽ có nhiệm vụ như 1 công tắc điều khiển bằng điện (trạng thái 0 1). Để dùng cách này chúng ta phân cực cho Vbe điện áp > 0.6V (thường là 3.3V hoặc 5V) lúc này transistor sẽ chạy ở chế độ bão hòa. Cách mắc Transistor chế độ khuếch đạiTransistor mắc theo kiểu E chung (mạch khuếch đại điện áp)Kiểu mắc này được ứng dụng nhiều nhất vào các mạch điện tử Đặc điểm tranzito mắc kiểu E chung:
Transistor mắc theo kiểu C chung (Mạch khuếch đại dòng điện)Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại đêm (Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh, người ta thường dùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn. Ngoài ra mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn. Đặc điểm tranzito mắc kiểu C chung:
Transistor mắc theo kiểu B chungMach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế. Đặc điểm tranzito mắc kiểu B chung:
Vấn đề ổn định nhiệt cho transistorẢnh hưởng nhiệt đến hoạt động của transistor.
Để tránh ảnh hưởng của nhiệt độ lên các thông số của transistor, có thể làm sai điểm làm việc Q của transistor, ngưởi ta dùng các mạch phân cực cho transistor như sau: Mạch phân cực có thêm điện trở RE nối từ cực E với nguồn điện:
Mạch phân cực có điện trở RE và RB nối từ cực C đến cực B:Hoạt động của mạch như sau: Khi nhiệt độ tăng làm cho dòng Ic tăng lên, điện áp Uc tại cực C của transistor: Uc = Vcc – Ic.Rc giảm xuống, làm điện áp tại cực B giảm xuống. Dòng Ib giảm kéo theo dòng Ic giảm xuống. Như vậy mạch có tác dụng ổn định nhiệt. Mạch ổn định nhiệt bằng trở nhiệtPhân cực bằng cầu phân áp có thêm điện trở nhiệt nối song song với điện trở Rb2 Nhiệt điện trở sử dụng ở đây là loại NTC, được gắn tiếp xúc với transistor hoặc gắn lên miếng tản nhiệt của transistor. Khi nhiệt độ transistor tăng lên, nhiệt độ Ub giảm xuống, áp UBE giảm theo, dòng Ic giảm. Transistor được ổn định nhiệt tự động Ưu điểm và nhược điểm của transistorƯu điểm
Nhược điểm
Công dụng của transistor là gì? Ứng dụng trong thực tếSau khi đã hiểu cơ bản được khái niệm Transistor là gì cũng như cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Transistor chắc hẳn bạn cũng đoán qua được công dụng của Transistor rồi đúng không? Ứng dụng của transistor rất rộng rãi trong thực thế hiện nay. Một số ứng dụng của transistor chính phải kể như: Khuếch đại điện ápTranzito được sử dụng trong các mạch khuếch đại dòng DC, khuếch đại tín hiệu AC hoặc sử dụng cho các mạch khuếch đại vi sai, mạch khuếch đại đặc biệt, mạch ổn áp. Sử dụng làm công tắcCác Transistor thường được sử dụng các mạch số như các khóa điện tử có thể ở trạng thái bật hoặc tắt. Sử dụng cho các ứng dụng năng lượng cao như chế độ chuyển mạch nguồn điện hay sử dụng cho các ứng dụng năng lượng thấp như các cổng logic số. Thành phần chính trong các cổng logic – opamTransistor là thành phần chính trong các IC, cổng Logic hay opam. Transistor ở đây rất nhỏ, được mắc với nhau theo nhiều kiểu để tạo nên các cổng logic, phục vụ tính toán, lưu trữ dữ liệu… Cách đo kiểm tra transistorĐể đo transistor, bạn có thể dùng đồng hồ đo Volt – Ohm (VOM) ở thang đo R (đo điện trở) để kiểm tra xem transistor còn tốt hay đã hỏng, ngoài ra bạn còn có thể xác định được transistor thuộc loại NPN hay PNP và xác định các cực của transistor. Phương pháp kiểm tra transistor còn tốt hay đã hỏng. Đặt đồng hồ VOM về thang đo Rx100, đo điện trở các cặp chân BE, BC, CE, nếu trị số đo được giống như bảng dưới đây là transistor còn tốt.
Notes:
Transistor có thể bị hỏng với các trường hợp cụ thể như sau:
Phép đo cho biết transistor còn tốt, hoạt động bình thường:Trước hết nhìn vào ký hiệu ta biết được Transistor trên là bóng ngược, và các chân của Transistor lần lượt là ECB (dựa vào tên Transistor)
Kết luận, bóng tốt Phép đo cho biết transistor bị chập BE
Bóng đã bị chập BE. Phép đo cho biết bóng bị đứt BE
Bóng đã bị đứt BE Phép đo cho biết bóng bị chập CE
Bóng đã bị chập CE Trường hợp đo giữa C và E mà bạn chỉ thấy kim lên một chút là bị dò CE. Phương pháp xác định các cực B, C, E của transistorKhi gặp một transistor lạ hoặc bị mất mã hiệu, ta có thể dùng đồng hồ để xác định các cực của nó như sau:
Một transistor có thể được xem như hai diode BC và BE nối chung nhau, ta có thể xác định cực B theo một trong hai cách:
Nếu que đo đang nối với cực B là que đen thì transistor đang đo thuộc loại NPN còn nếu là que đỏ thì transistor đang đo thuộc loại PNP
Đo điện trở thuận giữa chân B và hai chân còn lại, chân nào có điện trở lớn hơn là chân C, chân nào có điện trở nhỏ hơn là chân E. KếtTransistor được sử dụng trong hầu hết tất cả các mạch điện, hiện nay với công nghệ ngày càng tiên tiến, transistor ngày càng bé đi. Từ đó, chúng ta mới có những con chip siêu nhỏ nhưng mạnh mẽ như bây giờ. Cám ơn bạn đã đón đọc, cùng vào hội Anh Em Nghiện Lập Trình để cùng trao đổi nhé |