Nguyên lý làm việc của Transistor chi tiết nhất
Transistor là một linh kiện đơn giản mà bạn có thể sử dụng để xây dựng nhiều dự án thú vị. Trong hướng dẫn thực hành này, bạn sẽ học cách transistor hoạt động để có thể sử dụng chúng trong mạch điện tử tiếp theo của mình.
Và thực ra nó khá đơn giản, một khi bạn đã nắm được những kiến thức cơ bản. Tôi sẽ tập trung vào hai loại transistor phổ biến nhất ở đây; BJT và MOSFET.
Transistor hoạt động giống như một công tắc điện tử. Nó có thể bật và tắt dòng điện. Một cách đơn giản để hiểu về nó là coi transistor như một rơ-le không có bộ phận chuyển động. Transistor tương tự như rơ-le ở chỗ bạn có thể sử dụng nó để bật và tắt một thứ gì đó.
Nhưng transistor cũng có thể được bật một phần, điều này rất hữu ích cho việc xây dựng các mạch khuếch đại.
Nguyên lý Hoạt Động của Transistor (BJT)
Hãy bắt đầu với transistor NPN cổ điển. Đó là một Transistor Tiếp Giáp Bán Dẫn (BJT) và có ba chân:
- Cực Base (b)
- Cực Collector (c)
- Cực Emitter (e)
Nếu bạn bật nó lên, dòng điện có thể đi qua nó từ cực collector đến cực emitter. Khi nó tắt, không có dòng điện nào có thể đi qua.
Trong mạch ví dụ dưới đây, transistor đang ở trạng thái tắt. Điều đó có nghĩa là không có dòng điện nào có thể đi qua nó, vì vậy Đèn Phát Quang (LED) cũng tắt.
Để bật transistor, bạn cần một hiệu điện thế khoảng 0,7V giữa cực base và cực emitter.
Nếu bạn có một pin 0,7V, bạn có thể kết nối nó giữa cực base và emitter, và transistor sẽ bật lên.
Vì hầu hết chúng ta không có pin 0,7V, làm thế nào để bật transistor?
Dễ thôi! Phần base-emitter của một transistor hoạt động giống như một điốt. Một điốt có điện áp dẫn mà nó “bắt lấy” từ điện áp có sẵn. Nếu bạn thêm một điện trở nối tiếp, phần điện áp còn lại sẽ giảm trên điện trở đó.
Vì vậy, bạn sẽ tự động nhận được khoảng 0,7V bằng cách thêm một điện trở.
Đây là nguyên lý bạn sử dụng để giới hạn dòng điện qua một LED để đảm bảo nó không bị hỏng.
Nếu bạn cũng thêm một nút nhấn, bạn có thể điều khiển transistor, và do đó là LED, bật và tắt bằng một nút:
Chọn Giá Trị Linh Kiện
Để chọn giá trị linh kiện, có một điều nữa bạn cần biết về cách hoạt động của transistor:
Khi một dòng điện chảy từ cực base đến cực emitter, transistor sẽ bật để cho một dòng điện lớn hơn có thể chảy từ cực collector đến cực emitter.
Có một mối liên hệ giữa kích thước của hai dòng điện này. Điều này được gọi là hệ số khuếch đại của transistor.
Đối với một transistor đa năng như BC547 hoặc 2N3904, hệ số khuếch đại có thể khoảng 100.
Điều đó có nghĩa là nếu bạn có 0,1 mA chảy từ cực base đến cực emitter, bạn có thể có 10 mA (100 lần nhiều hơn) chảy từ cực collector đến cực emitter.
Giá trị điện trở nào bạn cần cho R1 để có 0,1mA chảy?
Nếu pin là 9V, và phần base-emitter của transistor bắt lấy 0,7V, thì còn lại 8,3V trên điện trở.
Bạn có thể sử dụng định luật Ohm để tìm giá trị điện trở:
Vì vậy, bạn cần một điện trở 83 kΩ. Đó không phải là một giá trị tiêu chuẩn, nhưng 82 kΩ là, và nó đủ gần.
R2 ở đó để giới hạn dòng điện đến LED. Bạn có thể chọn giá trị mà bạn sẽ chọn nếu bạn kết nối LED và điện trở trực tiếp với pin 9V, không có transistor. Ví dụ, 1 kΩ sẽ hoạt động tốt.
Cách Chọn Một Transistor
Transistor NPN là loại phổ biến nhất trong các Transistor Tiếp Giáp Bán Dẫn (BJT). Nhưng còn có một loại khác gọi là PNP hoạt động tương tự, chỉ khác ở chỗ tất cả các dòng điện đều ngược chiều.
Khi chọn một transistor, điều quan trọng nhất cần lưu ý là dòng điện tối đa mà transistor có thể hỗ trợ. Điều này được gọi là Dòng Điện Collector (IC).
Cách Hoạt Động của Transistor MOSFET
Transistor MOSFET là một loại transistor phổ biến khác. Nó cũng có ba chân:
- Cực Gate (g)
- Cực Source (s)
- Cực Drain (d)
MOSFET hoạt động tương tự như transistor BJT, nhưng với một điểm khác biệt quan trọng:
Trong transistor BJT, dòng điện từ cực base đến cực emitter quyết định lượng dòng điện có thể chảy từ cực collector đến cực emitter.
Trong transistor MOSFET, hiệu điện thế giữa cực gate và cực source quyết định lượng dòng điện có thể chảy từ cực drain đến cực source.
Ví dụ: Cách Bật MOSFET
Dưới đây là một mạch ví dụ để bật một transistor MOSFET.
Để bật một transistor MOSFET, bạn cần một hiệu điện thế giữa cực gate và cực source cao hơn điện áp ngưỡng của transistor đó. Ví dụ, BS170 có điện áp ngưỡng gate-source là 2,1V. (Bạn sẽ tìm thấy thông tin này trong tài liệu kỹ thuật).
Điện áp ngưỡng của một MOSFET thực ra là điện áp mà nó tắt. Vì vậy, để bật transistor đúng cách, bạn cần một điện áp cao hơn một chút so với điện áp đó.
Cao hơn bao nhiêu phụ thuộc vào lượng dòng điện bạn muốn có (và bạn sẽ tìm thấy thông tin đó trong tài liệu kỹ thuật). Nếu bạn đi cao hơn điện áp ngưỡng một vài vôn, thì thường là đủ cho các ứng dụng dòng điện thấp như bật một LED.
Lưu ý rằng ngay cả khi bạn sử dụng một điện áp đủ cao để có dòng điện 1A chảy qua, điều đó không có nghĩa là bạn sẽ nhận được 1A. Nó chỉ có nghĩa là bạn có thể có 1A chảy qua nếu bạn muốn. Nhưng thực tế là bất cứ thứ gì bạn kết nối với nó sẽ quyết định dòng điện thực tế.
Vì vậy, bạn có thể đi cao hơn bao nhiêu tùy ý, miễn là đảm bảo không vượt quá giới hạn điện áp gate-source tối đa (là 20V đối với BS170).
Trong ví dụ trên, cực gate được kết nối với 9V khi bạn nhấn nút. Điều này bật transistor.
Chọn Giá Trị Linh Kiện
Giá trị của R1 không quá quan trọng, nhưng khoảng 10 kΩ sẽ hoạt động tốt. Mục đích của nó là tắt MOSFET (sẽ nói thêm về điều này dưới đây).
R2 đặt độ sáng của LED. 1 kΩ sẽ hoạt động tốt cho hầu hết các LED.
Q1 có thể là hầu hết bất kỳ MOSFET kênh n nào, ví dụ BS170.
Cách Tắt MOSFET?
Một điều quan trọng cần học về MOSFET là nó cũng hoạt động một chút giống như một tụ điện. Đó là, phần gate-source. Khi bạn áp dụng một hiệu điện thế giữa gate và source, hiệu điện thế này vẫn tồn tại cho đến khi nó được xả.
Không có điện trở (R1) trong ví dụ trên, transistor sẽ không tắt. Với điện trở, có một đường dẫn để tụ điện gate-source xả nên transistor sẽ tắt trở lại.
Cách Chọn Một Transistor MOSFET
Ví dụ trên sử dụng một MOSFET kênh N. MOSFET kênh P hoạt động tương tự, chỉ khác là dòng điện chảy theo hướng ngược lại, và hiệu điện thế gate-source phải âm để bật nó lên.
Có hàng ngàn MOSFET khác nhau để lựa chọn. Nhưng nếu bạn muốn xây dựng mạch ví dụ trên và muốn một gợi ý cụ thể, BS170 và IRF510 là hai loại phổ biến.
Hai điều cần lưu ý khi chọn MOSFET là:
- Điện áp ngưỡng gate-source. Bạn cần một điện áp cao hơn điện áp này để bật transistor.
- Dòng Điện Drain Liên Tục. Đây là dòng điện tối đa có thể chảy qua transistor của bạn.
Có những tham số quan trọng khác cần lưu ý, tùy thuộc vào những gì bạn đang làm. Nhưng điều đó nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Hãy ghi nhớ hai tham số trên và bạn sẽ có một điểm khởi đầu tốt.
Dòng Điện Cực Gate của MOSFET
Nếu bạn muốn điều khiển một MOSFET từ ví dụ một Arduino hoặc Raspberry Pi, thì có một điều khác bạn cần lưu ý; dòng điện chảy vào cực gate khi bạn bật transistor.
Như đã đề cập sơ qua ở trên, phần gate-source của một MOSFET hoạt động như một tụ điện.
Điều đó có nghĩa là một khi nó được sạc, không có dòng điện nào chảy qua nó nữa. Vì vậy khi một MOSFET đang bật, không có dòng điện chảy qua cực gate.
Nhưng khi một MOSFET đang được bật, có một dòng điện, giống như khi bạn sạc một tụ điện. Trong một phần nhỏ của giây, có thể có rất nhiều dòng điện chảy qua.
Để bảo vệ Arduino (hoặc bất cứ thứ gì bạn đang sử dụng) khỏi quá nhiều dòng điện, bạn cần thêm một điện trở gate cho MOSFET:
Thường thì 1000 Ω là một giá trị đủ tốt cho trường hợp này. Hãy sử dụng định luật Ohm để kiểm tra cho trường hợp cụ thể của bạn.
Tại Sao Bạn Cần Một Transistor?
Một câu hỏi phổ biến tôi nhận được là tại sao chúng ta cần transistor? Tại sao không kết nối LED và điện trở trực tiếp với pin?
Lợi thế của một transistor là bạn có thể sử dụng một dòng điện hoặc điện áp nhỏ để điều khiển một dòng điện và điện áp lớn hơn nhiều.
Điều này rất hữu ích nếu bạn muốn điều khiển các thứ như động cơ, LED công suất cao, loa, rơ-le, và hơn thế nữa từ Raspberry Pi/Arduino/bộ vi điều khiển. Các chân đầu ra từ những board này thường chỉ có thể cung cấp vài miliampe ở 5V. Vì vậy, nếu bạn muốn điều khiển đèn ngoài trời 110V của mình, bạn không thể làm điều đó trực tiếp từ chân đầu ra.
Thay vào đó, bạn có thể làm điều đó thông qua một rơ-le. Nhưng thậm chí rơ-le thường cần nhiều dòng điện hơn so với chân đầu ra có thể cung cấp. Vì vậy, bạn sẽ cần một transistor để điều khiển rơ-le:
Nhưng transistor cũng rất hữu ích cho các mạch cảm biến đơn giản hơn, như mạch cảm biến ánh sáng, mạch cảm biến cảm ứng, hoặc mạch cầu H.
Chúng tôi sử dụng transistor trong hầu hết các mạch điện tử. Nó thực sự là linh kiện quan trọng nhất trong điện tử.
Transistor Như Một Mạch Khuếch Đại
Transistor cũng là thứ làm cho các mạch khuếch đại hoạt động. Thay vì chỉ có hai trạng thái (BẬT/TẮT), nó cũng có thể ở bất cứ đâu giữa “hoàn toàn bật” và “hoàn toàn tắt”.
Điều đó có nghĩa là một tín hiệu nhỏ với hầu như không có năng lượng có thể điều khiển một transistor để tạo ra một bản sao mạnh hơn nhiều của tín hiệu đó trong phần collector-emitter (hoặc drain-source) của transistor. Nhờ đó, transistor có thể khuếch đại các tín hiệu nhỏ.
Dưới đây là một mạch khuếch đại đơn giản để điều khiển một loa. Càng cao hiệu điện thế đầu vào, càng cao dòng điện từ cực base đến cực emitter, và càng cao dòng điện qua loa.
Một hiệu điện thế đầu vào thay đổi làm cho dòng điện trong loa thay đổi, từ đó tạo ra âm thanh.
Thông thường, bạn sẽ thêm một vài điện trở để làm phân cực cho transistor. Nếu không bạn sẽ gặp nhiều méo dạng. Nhưng đó là chủ đề cho một bài viết khác.
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về việc sử dụng transistor như một mạch khuếch đại, electronics-lab.com có một số hướng dẫn hay giải thích ba cấu hình mạch khuếch đại BJT cơ bản.