Thứ Năm, 25 tháng 2, 2016

Các loại Diode thường dùng trong mạch


Diode cơ bản là một nối P-N. Thế nhưng, tùy theo mật độ chất tạp pha vào chất bán dẫn thuần ban đầu, tùy theo sự phân cực của diode và một số yếu tố khác nữa mà ta có nhiều loại diode khác nhau và tầm ứng dụng của chúng cũng khác nhau.

Diode chỉnh lưu:

Là diode thông dụng nhất, dùng để đổi điện xoay chiều – thường là điện thế 50Hz đến 60Hz sang điện thế một chiều. Diode này tùy loại có thể chịu đựng được dòng từ vài trăm mA đến loại công suất cao có thể chịu được đến vài trăm ampere. Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Si. Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của Diode chỉnh lưu là dòng thuận tối đa và điện áp ngược tối đa (Điện áp sụp đổ). Hai đặc tính này do nhà sản xuất cho biết.









Kiểu mẫu diode với điện trở động:

Khi điện thế phân cực thuận vượt quá điện thế ngưỡng VK, dòng điện qua diode tăng nhanh trong lúc điện thế qua hai đầu diode VDcũng tăng (tuy chậm) chứ không phải là hằng số như kiểu mẫu trên. Để chính xác hơn, lúc này người ta phải chú ý đến độ giảm thế qua hai đầu điện trở động r0.



Thí dụ:
Từ đặc tuyến V-I của diode 1N917(Si), xác định điện trở động r0 và tìm điểm điều hành Q(ID và VD) khi nó được dùng trong mạch hình bên.



Bước 2: với I’D =4,77mA, ta xác định được điểm Q’ (V’D=0,9V)
Bước 3: vẽ tiếp tuyến tại Q’ với đặc tuyến để tìm điện thế offset V0.
V0=0,74V



Ví dụ: Xem mạch dùng diode 1N917 với tín hiệu nhỏ VS(t)=50 Sinωt (mV).
Tìm điện thế VD(t) ngang qua diode, biết rằng điện trở rB của hai vùng bán dẫn P-N là 10.



Giải:
Theo ví dụ trước, với kiểu mẫu điện thế ngưỡng ta có VD=0,7V và ID=4,77mA.
Từ đó ta tìm được điện trở nối rd:
r
d

=

26

mV
I

D

=

26

mV
4,

77

mA

=

5,

45

Ω

rac=10 + 0,45=10,45
Mạch tương đương xoay chiều:
Điện thế đỉnh Vdm ngang qua diode là 
V
dm
=
r
ac
R
+
r
ac
V
m
=
15
,
45
15
,
45
+
3000
.
50

Vdm=0,256 Sinωt (mV).
Vậy điện thế tổng cộng ngang qua diode là:
VD(t) = 700mV + 0,256 Sin ωt (mV).


Kiểu mẫu tín hiệu rộng và hiệu ứng tần số.




Khi diode được dùng với nguồn tín hiệu xoay chiều tín hiệu biên độ lớn, kiểu mẫu tín hiệu nhỏ không thể áp dụng được. vì vậy, người ta dùng kiểu mẫu một chiều tuyến tính.
Kết quả là ở nữa chu kỳ dương của tín hiệu, diode dẫn và xem như một ngắt điện đóng mạch. ở nửa chu kỳ âm kế tiếp, diode bị phân cực nghịch và có vai trò như một ngắt điện hở mạch. Tác dụng này của diode được gọi là chỉnh lưu nửa sóng (mạch chỉnh lưu sẽ được khảo sát kỹ ở giáo trình mạch điện tử).
Đáp ứng trên chỉ đúng khi tần số của nguồn xoay chiều VS(t) thấp-thí dụ như điện 50/60Hz, tức chu kỳ T=20ms/16,7ms-khi tần số của nguồn tín hiệu lên cao (chu kỳ ở hàng nano giây) thì ta phải quan tâm đến thời gian chuyển tiếp từ bán kỳ dương sang bán kỳ âm của tín hiệu.
Khi tần số của tín hiệu cao, điện thế ngõ ra ngoài bán kỳ dương (khi diode được phân cực thuận), ở bán kỳ âm của tín hiệu cũng qua được một phần và có dạng như hình vẽ. Chú ý là tần số của nguồn tín hiệu càng cao thì thành phần bán kỳ âm xuất hiện ở ngõ ra càng lớn.



Hiệu ứng này do điện dung khuếch tán CD của nối P-N khá lớn khi được phân cực thuận (CD có trị từ 2000pF đến 15000pF). Tác dụng của điện dung này làm cho diode không thể thay đổi tức thời từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn mà phải mất đi một thời gian (thường được gọi là thời gian hồi phục, kiểu mẫu diode phải kể đến tác dụng của điện dung của nối.






Diode tách sóng.

Cũng làm nhiệm vụ như diode chỉnh lưu nhưng thường với tín hiệu có biên độ nhỏ và tần số cao. Diode tách sóng thường được chế tạo có dòng thuận nhỏ và có thể là Ge hay Si nhưng diode Ge được dùng nhiều hơn vì điện thế ngưỡng VK nhỏ.

Diode schottky:

Ta đã thấy ảnh hưởng của thời gian hồi phục (tức thời gian chuyển mạch) lên dạng sóng ngõ ra của mạch chỉnh lưu. Để rút ngắn thời gian hồi phục. Các hạt tải điện phải di chuyển nhanh, vùng hiếm phải hẹp. Ngoài ra, còn phải tạo điều kiện cho sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử dễ dàng và nhanh chóng hơn. Đó là nguyên tắc của diode schottky.



Ta thấy trong diode schottky, thường người ta dùng nhôm để thay thế chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N là Si. Do nhôm là một kim loại nên rào điện thế trong diode schottky giảm nhỏ nên điện thế ngưỡng của diode schottky khoảng 0,2V đến 0,3V. Để ý là diode schottky có điện thế bảo hoà ngược lớn hơn diode Si và điện thế sụp đổ cũng nhỏ hơn diode Si.


Diode ổn áp (diode Zener):

Như đã khảo sát ở phần trước, khi điện thế phân cực nghịch của diode lớn, những hạt tải điện sinh ra dưới tác dụng nhiệt bị điện trường mạnh trong vùng hiếm tăng vận tốc và phá vỡ các nối hoá trị trong chất bán dẫn. Cơ chế này cứ chồng chất vầ sau cùng ta có dòng điện ngược rất lớn. Ta nói diode đang ở trong vùng bị phá huỷ theo hiện tượng tuyết đổ và gây hư hỏng nối P-N.
Ta cũng có một loại phá huỷ khác do sự phá huỷ trực tiếp các nối hoá trị dưới tác dụng của điện trường. Sự phá huỷ này có tính hoàn nghịch, nghĩa là khi điện trường hết tác dụng thì các nối hoá trị được lập lại, ta gọi hiện tượng này là hiệu ứng Zener.



* Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Khi nhiệt độ thay đổi, các hạt tải điện sinh ra cũng thay đổi theo:
  • Với các diode Zener có điện thế Zener VZ < 5V thì khi nhiệt độ tăng, điện thế Zener giảm.
  • Với các diode có điện thế Zener VZ>5V (còn được gọi là diode tuyết đổ-diode avalanche) lại có hệ số nhiệt dương (VZ tăng khi nhiệt độ tăng).



Kiểu mẫu lý tưởng của diode Zener:



Do tính chất trên, diode zener thường được dùng để chế tạo điện thế chuẩn.
Thí dụ: mạch tao điện thế chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749 như sau:



Khi chưa mắc tải vào, thí dụ nguồn VS=15V, thì dòng qua zener là:
I

=

V
S

−

V
Z
R

=

15

−

4,3
470

=

22

,

8

mA


* Kiểu mẫu của diode zener đối với điện trở động:
Thực tế, trong vùng zener, khi dòng điện qua diode tăng, điện thế qua zener cũng tăng chút ít chứ không phải cố định như kiểu mẫu lý tưởng.
Người ta định nghĩa điện trở động của diode là:
r

=

Z
Z

=

V
ZT

−

V
ZO
I

ZT

Trong đó: VZO là điện thế nghịch bắt đầu dòng điện tăng.
VZT là điện thế ngang qua hai đầu diode ở dòng điện sử dụng IZT


Diode biến dung: (Varicap – Varactor diode)

Phần trên ta đã thấy, sự phân bố điện tích dương và âm trong vùng hiếm thay đổi khi điện thế phân cực nghịch thay đổi, tạo ra giữa hai đầu diode một điện dung:
C
T

=

∣

ΔQ
ΔV

∣

=

ε

A
W

d

Điện dung chuyển tiếp CT tỉ lệ nghịch với độ rộng của vùng hiếm, tức tỉ lệ nghịch với điện thế phân cực.
Đặc tính trên được ứng dụng để chế tạo diode biến dung mà trị số điện dung sẽ thay đổi theo điện thế phân cực nghịch nên còn được gọi là VVC diode (voltage-variable capacitance diode). Điện dung này có thể thay đổi từ 5pF đến 100pF khi điện thế phân cực nghịch thay đổi từ 3 đến 25V.



Diode hầm (Tunnel diode)

Được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1958 bởi Leo-Esaki nên còn được gọi là diode Esaki. Đây là một loại diode đặc biệt được dùng khác với nhiều loại diode khác. Diode hầm có nồng độ pha chất ngoại lai lớn hơn diode thường rất nhiều (cả vùng P lẫn vùng N)
Đặc tuyến V-I có dạng như sau:



Khi phân cực nghịch, dòng điện tăng theo điện thế. Khi phân cực thuận, ở điện thế thấp, dòng điện tăng theo điện thế nhưng khi lên đến đỉnh A (VP IP), dòng điện lại tự động giảm trong khi điện thế tăng. Sự biến thiên nghịch này đến thung lũng B (VV IV). Sau đó, dòng điện tăng theo điện thế như diode thường có cùng chất bán dẫn cấu tạo. Đặc tính cụ thể của diode hầm tùy thuộc vào chất bán dẫn cấu tạo Ge, Si, GaAs (galium Asenic), GaSb (galium Atimonic)… Vùng AB là vùng điện trở âm (thay đổi từ khoảng 50 đến 500 mV). Diode được dùng trong vùng điện trở âm này. Vì tạp chất cao nên vùng hiếm của diode hầm quá hẹp (thường khoảng 1/100 lần độ rộng vùng hiếm của diode thường), nên các hạt tải điện có thể xuyên qua mối nối theo hiện tượng chui hầm nên được gọi là diode hầm.
Tỉ số Ip/Iv rất quan trọng trong ứng dụng. Tỉ số này khoảng 10:1 đối với Ge và 20:1 đối với GaAs.
Mạch tương đương của diode hầm trong vùng điện trở âm như sau:



Ls: Biểu thị điện cảm của diode, có trị số từ 1nH đến 12nH.
RD: Điện trở chung của vùng P và N.
CD: Điện dung khuếch tán của vùng hiếm.
Thí dụ, ở diode hầm Ge 1N2939: Ls=6nH, CD=5pF,Rd=-152, RD=1,5
Diode có vùng hiếm hẹp nên thời gian hồi phục nhỏ, dùng tốt ở tần số cao. Nhược điểm của diode hầm là vùng điện trở âm phi tuyến, vùng điện trở âm lại ở điện thế thấp nên khó dùng với điện thế cao, nồng độ chất pha cao nên muốn giảm nhỏ phải chế tạo mỏng manh. Do đó, diode hầm dần dần bị diode schottky thay thế.
Ứng dụng thông dụng của diode hầm là làm mạch dao động ở tần số cao.

Bài tập cuối chương

  1. Dùng kiểu mẫu lý tưởng và điện thế ngưỡng của diode để tính dòng điện I1, I2, ID2 trong mạch điện sau:



  1. I2Tính dòng điện I1 và VO trong mạch sau (dùng kiểu mẫu lý tưởng và điện thế ngưỡng của diode)



  1. Tính IZ, VO trong mạch điện sau khi R2 = 50 và khi R2 = 200. Cho biết Zener sử dụng có VZ = 6V.




















Người đăng: vào lúc Không có nhận xét nào:

Chủ Nhật, 21 tháng 2, 2016

Các loại Diode thường dùng trong mạch

3.1 -  Diode Zener * Cấu tạo : Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P - N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược, khi phân cực thuận Diode zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽ gim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode.
Hình dáng Diode Zener  ( Dz  )
Ký hiệu và ứng dụng của Diode zener trong mạch.
  • Sơ đồ trên minh hoạ ứng dụng của Dz, nguồn U1 là nguồn có điện áp thay đổi, Dz là diode ổn áp, R1 là trở hạn dòng.
  • Ta thấy rằng khi nguồn U1 > Dz thì áp trên Dz luôn luôn cố định cho dù nguồn U1 thay đổi.
  • Khi nguồn U1 thay đổi thì dòng ngược qua Dz thay đổi, dòng ngược qua Dz có giá trị giới hạn khoảng 30mA.
  • Thông thường người ta sử dụng nguồn U1 > 1,5 => 2 lần Dz và lắp trở hạn dòng R1 sao cho dòng ngược lớn nhất qua Dz < 30mA.
Nếu U1 < Dz thì khi U1 thay đổi áp trên Dz cũng thay đổi Nếu  U1 > Dz thì khi U1 thay đổi => áp trên Dz không đổi.
3.2 -  Diode Thu quang. ( Photo Diode ) Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P - N , dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode.
Ký hiệu của Photo Diode
Minh hoạ sự hoạt động của Photo Diode
3.3 -  Diode Phát quang ( Light Emiting Diode : LED ) Diode phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện . vv...
 
Diode phát quang  LED
3.4 - Diode Varicap ( Diode biến dung ) Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode.
Ứn dụng của Diode biến dung Varicap ( VD ) trong mạch cộng hưởng
  • Ở hình trên  khi ta chỉnh triết áp VR, điện áp ngược đặt vào Diode Varicap thay đổi , điện dung của diode thay đổi => làm thay đổi tần số công hưởng của mạch.
  • Diode biến dung được sử dụng trong các bộ kênh Ti vi mầu, trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp.
3.5 -  Diode xung Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu. diode xung là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần. Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt với Diode thường,  tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng
Ký hiệu của Diode xung
3.6  - Diode tách sóng.
Là loại Diode nhỏ vở bằng thuỷ tinh và còn gọi là diode tiếp điểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P - N tại một điểm để tránh điện dung ký sinh, diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách sóng tín hiệu.
3.7 - Diode nắn điện.
Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode này thường có 3 loại là 1A, 2A và 5A.
Diode nắn điện 5A
Người đăng: vào lúc Không có nhận xét nào:

Cấu tạo và ứng dụng của Transistor (BJT) trong mạch điện tử

"Trong bài viết này, tôi chỉ trình bày những khía cạnh cơ bản và đơn giản nhất của transistor, phù hợp với nhu cầu kiến thức của người dùng Arduino. Một số thuật ngữ, cách giải thích về transistor cũng được tôi cố gắng tinh giảm để phù hợp với đối tượng người dùng Arduino hơn so với người chuyên về điện tử. "

Giới thiệu

Trong điện tử, transistor (transfer-resistor) là một linh kiện bán dẫn. Khi hoạt động trong mạch điện, transistor có vai trò như một cái van cách li hay điều chỉnh dòng điện, điện áp trong mạch. Từ vai trò này, transistor được ứng dụng rộng rãi.
Bài viết này có các mục sau:

1. Tầm quan trọng

Transistor là chìa khóa cho hầu hết các hoạt động của các thiết bị điện tử hiện đại, từ các bộ vi xử lí cao cấp với hàng tỉ transistor trên mỗi cm2 cho tới những cục sạc điện thoại bạn vẫn dùng hàng này. Nhiều người coi nó là một trong những phát minh quan trọng nhất thế kỉ XX, sánh ngang với mạng Internet.
Mặc dù ngày nay, có hàng tỉ con transistor được sản xuất ra mỗi năm, phần lớn số transistor lại được tích hợp trong các vi mạch tích hợp mà chúng ta hay gọi là IC (Intergrated-Curcuit) cùng với các linh kiện khác như điện trở, tụ điện,.... Vi điều khiển trên các mạch Arduino được cấu thành từ những thứ như thế. Nếu không có transistor, sẽ chẳng thế có những khái niệm như "tính toán" hay "xử lí thông tin" như hiện nay.
Thống kê vào năm 2002, nếu lấy tất cả transistor loài người sản xuất được đem chia cho dân số toàn thế giới thì mỗi người sẽ được khoảng ... 60 triệu cái. Hiện nay, năm 2014, con số ấy ắt hẳn còn khủng khiếp hơn thế nhiều.
Giá thành, sự linh hoạt trong cách sử dụng và độ bền cao đã giúp transistor len lỏi đến mọi ngóc ngách trong cuộc sống của con người. Có thể lấy một ví dụ nho nhỏ về vai trò của transistor, đó là sự phát triển của đồng hồ. Trước đây, đồng hồ là một khối cơ khí phức tạp, hay hỏng hóc, cồng kềnh, đòi hỏi người dùng phải bảo dưỡng thườn xuyên cũng như hàng ngày phải lên dây cót cho nó,... và hàng tá phiền phức khác. Nhờ có transistor, giờ đây bạn đã chứng kiến một sự thay đổi đáng kinh ngạc của cái gọi là "đồng hồ". Như thế nào thì chắc hẳn bạn cũng đã biết.
Vào năm 2012, NASA (Mỹ) và NanoFab (Hàn Quốc) đã tuyên bố chế tạo được một loại transistor chỉ có kích thước ở mức 150 nano mét. Loại transistor này có khả năng hoạt động tương đương như những transistor thông thường.

2. Hình ảnh

Transistor đầu tiên của loài người trông như thế này
Hiện nay, chúng trông như thế này

3. Nhà phát minh

Hình ảnh (từ trái sang) của John Bardeen, William Shockley và Walter Brattain - các nhà phát minh ra transistor năm 1948 tại Bell Labs. Đây là một trong một loạt các hình ảnh công khai được công bố bởi Bell Labs trong khoảng thời gian công khai sáng chế (30/06/1948). Mặc dù Shockley không tham gia vào các sáng chế, và chưa bao giờ được liệt kê trên các ứng dụng bằng sáng chế, Bell Labs vẫn quyết định rằng Shockley phải xuất hiện trên tất cả các hình ảnh công khai cùng với Bardeen và Brattain.

4. Phân loại

Transistor có rất nhiều loại với hàng tá chức năng chuyên biệt khác nhau
  • Transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar junction transistor)
  • Transistor hiệu ứng trường (Field-effect transistor)
  • Transistor mối đơn cực UJT (Unijunction transistor)
  • ...
Trong đó, transistor lưỡng cực BJT là phổ biến nhất. Có nhiều người thường xem khái niệm transistor như là transistor lưỡng cực BJT. Do vậy bạn nên chú ý đến điều đó để tránh nhầm lẫn cho mình.
Trong khuôn khổ bài viết này, tôi sẽ nói về transistor lưỡng cực BJT. Để cho gọn thì tôi chỉ ghi là "transistor".

5. Cấu tạo

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn loại P và loại N ghép lại với nhau. Do đó có 2 loại transistor là NPN và PNP tương ứng với 2 cách sắp xếp 3 lớp bán dẫn trên.
Xét trên phương diện cấu tạo, transistor tương đương với 2 diode
Chú ý rằng không thể thay thế transistor bởi diode bằng cách mắc như sơ đồ trên. Transistor và Diode là 2 linh kiện điện tử hoàn toàn khác nhau. 
Như hình vẽ, transistor có 3 cực là B (Base), C (Collector) và E (Emitter) tương ứng với 3 lớp bán dẫn. Sự phân hóa thành 3 cực này là do đặc tính vật lí của 3 lớp bán dẫn là khác nhau.
Bạn có thể dựa trên cấu tạo của transistor để đo điểm tra bất kì một loại transistor nào. Hãy thử tự mình tìm hiểu cách đo xem.

6. Kí hiệu trong mạch điện

Trong một số mạch điện, điển hình như sơ đồ vẽ bằng Fritzing, bạn cũng có thể sẽ gặp những kí hiệu như thế này

7. Tìm hiểu hoạt động

Một số quy ước về kí hiệu:
  • IB: (cường độ) dòng điện qua cực Base của transistor.
  • IC: (cường độ) dòng điện qua cực Collector của transistor.
  • IE: (cường độ) dòng điện qua cực Emitter của transistor.
  • IR: (cường độ) dòng điện qua điện trở R.
  • VBE: (độ lớn) hiệu điện thế giữa 2 cực Base và Emitter của transistor. Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự.
  • UB: điện áp ở cực Base. Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự.

Transistor ngược NPN

Xét mạch điện sau
Nếu bạn quyết định mắc thử mạch ... 
  • Có thể sử dụng nguồn điện là pin tiểu, pin vuông 9V. Sử dụng các loại pin sạc là tốt nhất.
  • Nếu chưa biết các cực của transistor, hãy tìm trên Google với từ khóa là tên của transistor bạn đang dùng. Trong mạch mình sử dụng loại TIP120 (cấu tạo). Bạn nên sử dụng các transistor kiểu như vậy.
  • Khi đóng khóa K, hãy cẩn thận khi chạm tay vào điện trở R, tôi không nói rằng bạn cần chạm tay trực tiếp vào đó.
  • Không nên đóng khóa K quá lâu để tránh làm cháy điện trở R.

Quan sát, đo đạc 

  • Khi khóa K mở, không có dòng điện qua cực Base, điện trở R không tỏa nhiệt chứng tỏ không có dòng điện qua nó. 
  • Khi khóa K đóng, điện trở R tỏa nhiệt chứng tỏ có dòng điện qua nó, đồng thời cũng có dòng điện qua cực Base của transistor.
    • Có dòng điện qua R chứng tỏ có dòng điện đã đi vào transistor ở Collector. Điều này khẳng định rằng phải có dòng điện đi ra từ Emitter để về cực âm của nguồn. 
    • Không thể có dòng điện đi ra từ cực Base, chỉ có thể là chiều ngược lại vào cực này.
    • Xét về độ lớn, nếu lấy đồng hồ đo IB, IC (IR = IC), IE thì ta thấy IB nhỏ hơn rất nhiều so với IC và IE, còn IE thì luôn lớn hơn IC một chút xíu. Có thể kết luận dòng điện trong mạch chủ yếu là dòng đi từ Collector đến Emitter của transistor. Điều này giải thích lí do vì sao trong kí hiệu transistor, người ta sử dụng một mũi tên ám chỉ chiều dòng điện.
    • Nếu tính toán một tí từ độ lớn của  IB, IC, IE, ta nhận thấy IE gần bằng IB + IC. Hãy thử giảm 2 điện trở trong mạch xuống một chút xíu (thay điện trở khác) để nâng cường độ dòng điện lên, bạn sẽ thấy IE gần bằng IB + IC hơn. Như vậy, khi transistor hoạt động, dòng điện ra khỏi Emitter là dòng điện đi vào từ Collector đến Emitter và dòng điện đi vào từ Base đến Emitter.

Thử nghiệm 1

Thay vì mắc điện trở R ở phía Collector, ta thử mắc nó ở phía Emitter của transistor. Rõ ràng điều này không có khác biệt gì nhiều về mặt hoạt động so với cách mắc trước.
Bây giờ, ta sử dụng một cầu phân áp để thay đổi điện áp đặt vào cực Base của transistor. Tính toán lại các điện trở sao cho cường độ dòng điện vào Base vẫn không đổi.
Khi đóng khóa K, kiểm tra điện trở R, ta thấy nó tỏa nhiệt ít hơn hẳn so với ban đầu. Tại sao vậy ? Cường độ dòng điện qua điện trở vẫn không đổi, nhưng công suất tỏa nhiệt của nó giảm chứng tỏ hiệu điện thế giữa 2 đầu điện trở giảm. Sử dụng đồng hồ đo điện áp tại 3 cực của transistor, ta nhận thấy rằng UB gần bằng UE.
Thay đổi các điện trở phân áp, ta thay đổi UB. Bằng các phép đo bởi đồng hồ, ta nhận thấy rằng hiệu UB - UE luôn bằng khoảng 0.5V trong mọi trường hợp thay đổi UB. Có thể kết luận rằng trong quá trình hoạt động của transistor, UB luôn gần bằng UE.

Thử nghiệm 2

Thay đổi điện trở Rg, sau đó đo dòng IB và IC. Ta nhận thấy khi IB tăng thì IC cũng tăng. Với nhiều giá trị Rg, ta thấy IB luôn tăng/giảm tỉ lệ thuận với IC.
Quay trở lại Thử nghiệm 1, bằng đồng hồ đo điện, ta thấy hiệu UB - UE càng lớn khi dòng IC cũng như IBcàng lớn.
Khi UB = UC (VBC = 0), IB đạt cực đại khiến IC cũng đạt cực đại, transistor được gọi là mở hoàn toàn. Khi UB = 0V (VBC = UC), IB = 0A khiến IC = 0A, transistor được gọi là đóng hoàn toàn, không có dòng điện chạy trong mạch.
Về bản chất, transistor là linh kiện được đóng/mở bằng cường độ dòng điện qua cực Base. Trên thực tế, theo định luật Ôm, cường độ dòng điện I trong mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U đặt vào 2 đầu mạch. Do vậy, nhiều người nhầm lẫn rằng transistor được điều khiển đóng/mở bằng điện áp đặt vào cực Base. Họ quên mất rằng cường độ dòng điện trên mạch còn tỉ lệ nghịch với điện trở R. Ở đây, hiệu điện thế và điện trở chỉ là 2 yếu tố quyết định cường độ dòng điện qua cực Base.
Nếu ví dòng điện như dòng nước, còn hiệu điện thế là áp lực nước trong ống dẫn thì transistor được xem như là một cái vòi nước. Dòng nước chảy ra khỏi vòi mạnh hay yếu hoàn toàn phụ thuộc vào cách ta điều khiển vòi nước.
Kết luận sơ lược về hoạt động của transistor NPN
  • Khi xuất hiện dòng IB, transistor cho phép dòng điện đi từ Collector đến Emitter.
  • Trong lúc xuất hiện dòng IB, transistor mở với:
    • IC tăng giảm tỉ lệ thuận với IB.
    • IE = IB + IC.
    • UB luôn gần bằng UE. Chênh lệch UB - UE càng lớn khi dòng điện qua transistor càng lớn.

Transistor thuận PNP

Transistor loại PNP tương tự loại NPN như tôi đã trình bày ở trên, nhưng có một số điểm ngược lại như sau:
  • Dòng điện được điều khiển qua transistor PNP là dòng điện đi từ Emitter sang Collector.
  • Dòng IE và IB tỉ lệ nghịch với nhau. IB đạt cực đại thì IE = 0A. IB = 0A thì IE đạt cực đại.
Tới đây thì có lẽ bạn đã hiểu vì sao lại có transistor thuận - nghịch. 
Thực tế hiện nay, mặc dù số lượng transistor NPN và PNP được sản xuất ra là như nhau, nhưng các transistor loại NPN lại được dùng nhiều hơn loại PNP. Phần lớn các tài liệu viết về transistor cũng  thường lấy loại NPN làm ví dụ.

8. Các thông số cần quan tâm

Các kí hiệu ở đây được sử dụng cho transistor loại NPN. Transistor loại PNP cũng có những thông số hoàn toàn tương tự. Chúng được nhà sản xuất ghi rất cụ thể trong tài liệu kĩ thuật của mỗi loại transistor.
  • Dòng điện cực đại qua cực Base IB
    • ​Mỗi loại transistor có các mức dòng IB cực đại khác nhau, đừng nghĩ rằng transistor càng to và hầm hố thì IB cực đại sẽ càng lớn hay ngược lại.
    • Nếu dòng điện qua cực Base của transistor vượt quá mức IB cực đại, nó có thể làm hỏng transistor. Do vậy người ta luôn mắc nối tiếp với cực Base một điện trở hạn dòng.
  • Hệ số khuếch đại hFE (β) 
    • Là tỉ số IC / IB đặc trưng cho khả năng khuếch đại dòng điện của transistor. Mỗi loại transistor có một mức hệ số khuếch đại khác nhau. Trong những điều kiện làm việc khác nhau, hFE cũng khác nhau.
    • Với các transistor có hFE lớn, bạn chỉ cần một dòng IB nhỏ là đã có thể kích cho nó mở hoàn toàn. 
    • hFE thường có trị số từ vài chục đến vài ngàn.
  • Cường độ dòng điện cực đại IC là dòng điện tối đa mà transistor có thể mở cho nó đi vào ở cực Collector. Các loại transistor lớn nhất thường chỉ có IC tối đa khoảng 5A và đòi hỏi phải có quạt tản nhiệt.
  • Hiệu điện thế:
    • UCE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Emitter của transistor. UCE thường chỉ có trị số từ vài chục đến vài trăm volt. Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này.
    • UCB: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Base của transistor. UBE thường chỉ có trị số từ vài chục đến vài trăm volt Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này.
    • UBE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Base và Emitter của transistor (là hiệu UB - UE). Với dòng hoạt động nhỏ, UBE gần bằng 0V. Với dòng lớn hơn, UBE sẽ tăng lên lên khá nhanh. Với đa phần transistor, UBE hiếm khi vượt quá 5V.
  • Công suất tiêu tán năng lượng tối đa (Device Dissipation/Power Dissipation) đặc trưng cho công suất hoạt động lớn nhất của transistor, có giá trị bằng tích UCE * ICE. Một số loại transistor lớn có công suất lên đến 65W như TIP120/121/122 và tỏa ra rất nhiều nhiệt lượng nên cần phải gắn thiết bị tản nhiệt, một số khác như 2N3904 thì chỉ là 625mW và không cần tản nhiệt.

9. Ứng dụng để điều khiển động cơ

Xét một ứng dụng thực tế là chiếc xe dò đường tôi đã làm. 2 động cơ của nó được một mạch 2 transistor điều khiển. 
Tham khảo sơ đồ mạch điều khiển một động cơ sau
Nếu sử dụng transistor TIP120 (cấu tạo) hoặc tương đương, bạn không cần mắc thêm diode như trong hình.

Giải thích

Bằng cách sử dụng một chân PWM trên Arduino, tôi có thể điều khiển điện áp đặt vào cực Base của transistor qua đó điều khiển được tốc độ động cơ theo ý muốn. Với cách mắc này, động cơ có thể chạy ở các mức điện áp từ 5V (gần đúng) trở xuống do Arduino điều khiển.
Bạn có thể tự mắc một mạch điện cho mình và thử chạy chương trình Arduino sau
int DC = 6;
int speed;

void setup() {
    pinMode(DC, OUTPUT);
}

void loop() {
    Tangtoc();
    Giamtoc();
}

void Tangtoc() {
    for (speed = 0; speed <= 255; speed++) {
        analogWrite(DC, speed);
        delay(80);
    }
}

void Giamtoc() {
    for (speed = 255; speed > 0; speed--) {
        analogWrite(DC, speed);
        delay(80);
    }
}
Trong Arduino IDE cũng có một Example tương tự chương trình này, đó là Fading.
Để ý rằng công suất tỏa nhiệt của transistor là P = UCE * ICE, transistor sẽ nóng lên vì 2 yếu tố này nếu như bạn mắc động cơ như sơ đồ mạch ở trên. 
Hãy thử lắp động cơ về phía Collector của transistor, bạn sẽ nhìn thấy điều khác biệt so với cách lắp ở Emitter. Hãy tìm hiểu xem vì sao người ta thường dùng cách mắc này hơn.
Tôi sẽ không nói quá nhiều để ru ngủ bạn. Hãy tự mắc thử mạch điện và tự mình tìm ra điều thú vị. Bạn đến với Arduino bằng chính những gì bạn biết và làm được, chứ không phải là bằng những bài viết được đăng ở đây. Tôi chỉ tin vào bản thân mình chứ cũng ít khi tin vào ông thầy mình.

10. Lời kết

Transistor là một linh kiện bán dẫn khá phức tạp. Vẫn còn có rất nhiều thứ khác về transistor mà tôi chưa nêu ra ở đây, và để hiểu được chúng không phải là chuyện ngày một ngày hai. Để đến với Arduino, bạn phải biết một ít về điện tử. Những người không biết gì về transistor có thể xem như chẳng biết gì về điện tử.
Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo.
Người đăng: vào lúc Không có nhận xét nào:
Đăng ký: Bài đăng (Atom)