Hiểu rõ về Transistor BJT và cách sử dụng thực tế chúng trong thiết kế của bạn

 

Điện trở lưỡng cực có mối nối

Transistor là một trong những linh kiện rất quan trọng được sử dụng trong các cấu tạo mạch điện tử. Những thành phần khiêm tốn này hầu như có thể được tìm thấy ở khắp mọi nơi; từ các mạch điều khiển rơ le đơn giản đến các mạch bo mạch chủ phức tạp, các bóng bán dẫn chứng minh sự hiện diện của chúng. Trên thực tế, bộ vi điều khiển và bộ vi xử lý của bạn chẳng qua là tập hợp của một số lượng lớn các bóng bán dẫn được tổng hợp để thực hiện một hoạt động tập thể. Hãy nhớ rằng nhiều thiết bị chuyển mạch như BJT, MOSFET , IGBT , SCR , TRIAC , DIAC, vv có thể được gọi chung là bóng bán dẫn. Tuy nhiên, cơ bản nhất (lâu đời nhất) của bóng bán dẫn là Transistor BJT, do đó trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết của nó, bạn có thể sử dụng các liên kết để tìm hiểu thêm về các công tắc nguồn khác. 

 

BJT là dạng viết tắt của Bipolar Junction Transistor , nó là một thiết bị điều khiển dòng điện ở trạng thái rắn có thể được sử dụng để chuyển mạch điện tử, bạn có thể coi nó như công tắc Quạt hoặc đèn bình thường, nhưng thay vì bạn bật nó lên bằng tay nó có thể được điều khiển bằng điện tử. Về mặt kỹ thuật, BJT là một thiết bị ba đầu cuối với một bộ phát, bộ thu và chân đế, dòng điện chạy qua bộ phát và bộ thu được điều khiển bởi lượng dòng điện đưa vào đế. Một lần nữa, bạn có thể coi bộ phát và bộ thu là hai đầu của công tắc và thay vì nhấn công tắc, chúng ta có chân đế có thể nhận tín hiệu điều khiển. Nhưng chính xác thì nó hoạt động như thế nào? Và làm thế nào để sử dụng một bóng bán dẫn để xây dựng các mạch thú vị? Đó chính xác là những gì chúng tôi sẽ trả lời trong Hướng dẫn này.

 

Ký hiệu của bóng bán dẫn BJT

Hãy bắt đầu với ký hiệu của bóng bán dẫn để bạn có thể xác định chúng trong mạch. Sơ đồ dưới đây cho thấy các ký hiệu của hai loại bóng bán dẫn . Cái bên trái là ký hiệu của bóng bán dẫn PNP và cái bên phải là ký hiệu của bóng bán dẫn NPN . Như tôi đã nói, bạn sẽ có thể thấy ba thiết bị đầu cuối Emitter, Collector và Base cho cả loại Transistor.

Sự khác biệt giữa bóng bán dẫn PNP và NPN là dấu mũi tên ở đầu cực phát nếu bạn nhận thấy, mũi tên trong bóng bán dẫn PNP được đề cập là di chuyển từ đầu phát đến đế trong khi ở bóng bán dẫn NPN , mũi tên sẽ di chuyển từ căn cứ vào bộ phát. Hướng của mũi tên đại diện cho hướng của dòng điện trong bóng bán dẫn, trong PNP, dòng điện sẽ chạy từ cực phát đến cực, tương tự trong bóng bán dẫn NPN dòng điện sẽ chạy từ chân đế đến bộ phát.

Một sự khác biệt quan trọng khác là bóng bán dẫn NPN vẫn mở cho đến khi nó nhận được tín hiệu trên chân cơ sở trong khi bóng bán dẫn PNP vẫn đóng cho đến khi tín hiệu điều khiển được cung cấp cho chân đế như được hiển thị trong tệp GIF ở trên.

 

Cấu tạo của bóng bán dẫn kết nối lưỡng cực

BJT được hình thành bởi ba lớp vật liệu bán dẫn, nếu là transistor PNP thì nó sẽ có hai vùng loại P và một vùng loại N, tương tự, nếu là transistor NPN thì nó sẽ có hai vùng loại N. và một vùng loại P.  Hai lớp bên ngoài là nơi cố định cực thu và cực phát và đầu cuối cơ sở được cố định ở lớp trung tâm.

Cấu tạo có thể được giải thích một cách đơn giản với sự tương tự hai diode cho bóng bán dẫn như trong hình trên, nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về diode , bạn có thể xem xét đọc bài viết của mình. Hãy xem xét hai điốt được kết nối với nhau bằng cách sử dụng cực âm, khi đó điểm gặp nhau có thể được mở rộng để tạo thành đầu cuối cơ sở và hai đầu cực dương đóng vai trò là bộ thu và phát của bóng bán dẫn PNP. Tương tự, nếu bạn kết nối các đầu cực dương của Diode thì điểm gặp nhau của các cực dương có thể được mở rộng cho cực cơ bản và hai đầu cực âm hoạt động như bộ thu và phát của bóng bán dẫn NPN.

 

Hoạt động của bóng bán dẫn (BJT)

Thực tế hoạt động của một bóng bán dẫn rất đơn giản, nó có thể được sử dụng như một công tắc hoặc một bộ khuếch đại. Nhưng để hiểu cơ bản, chúng ta hãy bắt đầu với cách hoạt động của bóng bán dẫn như một công tắc trong mạch. 

 

Khi một điện áp điều khiển được cung cấp cho chân đế, dòng điện cơ bản cần thiết (I B ) sẽ chảy vào chân đế được điều khiển bởi một điện trở cơ sở . Dòng điện này bật bóng bán dẫn (công tắc được đóng lại) và cho phép dòng điện chạy từ bộ thu đến bộ phát. Dòng điện này được gọi là dòng điện cực góp (I C ) và điện áp trên bộ thu và cực phát được gọi là V BE . Như bạn có thể thấy trong hình, chúng ta đang sử dụng điện áp mức thấp như 5V để điều khiển tải điện áp cao hơn là 12V bằng bóng bán dẫn này.

Bây giờ đối với lý thuyết, hãy xem xét một bóng bán dẫn NPN, tiếp giáp BE được phân cực thuận và tiếp giáp CB là phân cực ngược. Chiều rộng của vùng suy giảm tại Giao lộ CB cao hơn khi so sánh với vùng suy giảm của Giao lộ BE. Khi tiếp giáp BE được phân cực thuận, nó làm giảm điện thế rào cản, do đó các điện tử bắt đầu chạy từ bộ phát đến đế. Vùng cơ sở rất mỏng và nó bị pha tạp nhẹ khi so sánh với các vùng khác, do đó nó bao gồm một số lượng rất nhỏ các lỗ trống, các điện tử đang chảy từ bộ phát sẽ tái kết hợp với các lỗ trống có trong vùng cơ sở và bắt đầu chảy ra khỏi vùng cơ sở dưới dạng dòng điện cơ bản. Một số lượng lớn các điện tử còn lại sẽ di chuyển qua tiếp giáp cực thu phân cực ngược dưới dạng dòng điện cực thu.

Dựa trên Định luật hiện tại của Kirchoff , chúng ta có thể định khung phương trình hiện tại là

I E = I B + I C

Trong đó, I E , I B và I C lần lượt là dòng điện cực phát, cực gốc và cực thu. Ở đây dòng cơ bản sẽ rất nhỏ khi so sánh với dòng cực phát và dòng thu, do đó, I E  ~ I C

 

Tương tự, khi bạn xem xét Transistor PNP, chúng hoạt động theo cách tương tự như transistor NPN, nhưng trong transistor NPN, phần lớn hạt mang điện là lỗ trống (hạt mang điện tích dương) nhưng trong transistor NPN, hạt mang điện là electron (hạt mang điện âm ).

 

Đặc điểm của BJT

BJT có thể được kết nối theo ba cấu hình khác nhau bằng cách giữ chung một đầu cuối và sử dụng hai đầu cuối còn lại cho đầu vào và đầu ra.   Ba loại cấu hình này đáp ứng khác nhau với tín hiệu đầu vào được áp dụng cho mạch vì các đặc tính tĩnh của BJT. Ba cấu hình khác nhau của BJT được liệt kê dưới đây.

• Cấu hình cơ sở chung (CB)
• Cấu hình Bộ phát chung (CE)
• Cấu hình Bộ thu chung (CC)

Trong số này, các cấu hình Common Base sẽ có mức tăng điện áp, nhưng không có mức tăng dòng, trong khi Cấu hình bộ thu chung có mức tăng dòng, nhưng không có mức tăng điện áp và Cấu hình bộ phát chung sẽ có cả mức tăng dòng và điện áp.

 

Cấu hình cơ sở chung (CB)

Cấu hình cơ sở chung còn được gọi là cấu hình cơ sở nối đất , trong đó cơ sở của BJT được kết nối như một điểm chung giữa cả tín hiệu đầu vào và đầu ra. Đầu vào cho BJT được áp dụng trên các thiết bị đầu cuối Cơ sở và Bộ phát và đầu ra từ BJT được đưa qua thiết bị đầu cuối Cơ sở và Bộ thu. Dòng điện đầu vào (I E ) chạy qua bộ phát sẽ khá cao hơn khi so sánh với cả Dòng điện cơ bản (I B ) và Dòng điện thu (I C ) vì dòng điện phát là tổng của cả Dòng điện cơ bản và Dòng điện thu. Vì đầu ra dòng điện của bộ thu nhỏ hơn đầu vào dòng phát của bộ phát nên độ lợi hiện tại của cấu hình này sẽ là thống nhất (1) hoặc nhỏ hơn .

 

Đặc điểm đầu vào 

Đường đặc tính đầu vào cho các cấu hình Cơ sở chung được vẽ giữa dòng điện cực phát I E và điện áp giữa cơ sở và thiết bị phát V EB . Trong cấu hình cơ sở chung, Transistor được phân cực thuận do đó nó sẽ hiển thị các đặc tính tương tự như đặc tính thuận của một diode pn trong đó I E tăng đối với V EB cố định khi V CB tăng.

 

Đặc điểm đầu ra 

Các đặc tính đầu ra của cấu hình Cơ sở chung được đưa ra giữa dòng điện cực thu I C và điện áp giữa đầu thu và cơ sở V CB , ở đây dòng điện cực phát I E là thông số đo. Dựa trên hoạt động, có ba vùng khác nhau trong đường cong, lúc đầu là vùng hoạt động , ở đây BJT sẽ hoạt động bình thường và tiếp giáp cực phát được phân cực ngược. Tiếp theo là vùng bão hòa nơi cả điểm nối cực phát và đầu thu đều được phân cực thuận. Cuối cùng, vùng giới hạn nơi cả bộ phát và bộ thu đều được phân cực ngược.

 

Cấu hình Bộ phát chung (CE)

Cấu hình bộ phát chung còn được gọi là cấu hình bộ phát nối đất trong đó bộ phát hoạt động như một đầu cuối chung giữa đầu vào được áp dụng giữa đế và bộ phát và đầu ra thu được giữa bộ thu và bộ phát. Cấu hình này tạo ra dòng điện và độ lợi công suất cao nhất khi so sánh với hai loại cấu hình khác, điều này là do thực tế là trở kháng đầu vào thấp khi nó được kết nối với điểm nối PN phân cực thuận trong khi trở kháng đầu ra cao. thu được đối với điểm nối PN phân cực ngược.

 

Đặc điểm đầu vào

Các đặc tính đầu vào của cấu hình Bộ phát chung được vẽ giữa dòng cơ bản I B và điện áp giữa cơ sở và bộ phát V BE . Ở đây, Điện áp giữa bộ thu và bộ phát là thông số phổ biến nhất. Nếu bạn có thể thấy, sẽ không có nhiều sự khác biệt giữa đường đặc tính của cấu hình trước đó ngoại trừ sự thay đổi các thông số.

 

Đặc điểm đầu ra

Các đặc tính đầu ra được vẽ giữa dòng thu I C  và điện áp giữa cực thu và máy phát V CE . Cấu hình CE cũng có ba vùng khác nhau, trong vùng hoạt động , mối nối cực thu được phân cực ngược và đường giao nhau của bộ phát được phân cực thuận, trong vùng cắt, đường giao nhau của bộ phát được phân cực ngược một chút và dòng thu không được cắt hoàn toàn tắt, và cuối cùng, trong vùng bão hòa , cả điểm nối bộ thu và bộ phát đều được phân cực thuận.

 

Cấu hình Bộ thu chung (CC)

Cấu hình Bộ thu chung còn được gọi là cấu hình Bộ thu nối đất trong đó đầu cực thu được giữ làm đầu cuối chung giữa tín hiệu đầu vào được áp dụng qua đế và bộ phát, và tín hiệu đầu ra thu được qua bộ thu và bộ phát. Cấu hình này thường được gọi là mạch theo điện áp hoặc mạch theo bộ phát . Cấu hình này sẽ hữu ích cho các ứng dụng kết hợp trở kháng vì nó có trở kháng đầu vào rất cao, trong vùng hàng trăm nghìn ohms trong khi có trở kháng đầu ra tương đối thấp.

 

Ứng dụng của bóng bán dẫn kết nối lưỡng cực (BJT)

BJT có thể được sử dụng trong nhiều loại ứng dụng khác nhau như mạch logic, mạch khuếch đại, mạch dao động, mạch đa rung, mạch cắt, mạch của bộ định thời, mạch trễ thời gian, mạch chuyển mạch, v.v.

 

Các loại gói

Để sử dụng tốt hơn trong các loại ứng dụng khác nhau, BJT có sẵn trong các gói khác nhau như TO-3, TO-5, TO-8, TO-18, TO-36, TO-39, TO-46, TO-52, TO-66, TO-72, TO-92, TO-126, TO-202, TO-218, TO-220, TO-226, TO-254, TO-257, TO-258, TO-259, TO- 264 và TO-267.  Bạn cũng có thể kiểm tra các loại bài viết gói IC khác nhau của chúng tôi để biết các loại phổ biến và tên của chúng.