Ứng dụng của transistor lưỡng cực

Ở bài viết trước chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu những kiến thức cơ bản về ký hiệu, cấu tạo cũng như hoạt động của transistor, hôm nay dientuviet sẽ cùng các bạn có những tìm hiểu thêm về ứng dụng của linh kiện điện tử này qua các mạch thực tế nhé!

Transistor là loại linh kiện bán dẫn tích cực thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.

Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động.

Ứng dụng 1: Công tắc

Một trong những ứng dụng cơ bản nhất của transistor là sử dụng nó để điều khiển dòng công suất đến một phần khác của mạch – sử dụng nó như một công tắc điện. Bằng cách điều khiển nó ở chế độ ngắt hoặc bão hòa, transistor có thể tạo ra trạng thái đóng/mở như một công tắc thông thường.

Công tắc transistor là các khối xây dựng mạch quan trọng; chúng được sử dụng để tạo ra các cổng logic, từ đó tạo ra các bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý và các mạch tích hợp khác. Dưới đây là một vài ví dụ mạch.

Công tắc transistor

Hãy xem xét một mạch công tắc dùng transistor cơ bản nhất: công tắc NPN. Ở đây chúng ta sử dụng transistor NPN để điều khiển một đèn LED công suất cao:

Ở mạch trên, chúng ta thấy tín hiệu điều khiển (Control) được đưa vào cực gốc (B-Base), tải ngõ ra (đèn LED) được gắn ở cực thu (C-Collector) và cực phát (E-Emitter) được giữ ở một điện áp cố định.

Trong khi một công tắc bình thường sẽ cần một bộ dẫn động để thay đổi trạng thái, thì công tắc này được điều khiển bởi điện áp ở chân gốc. Một chân I/O của vi điều khiển, giống như chân trên Arduino, có thể được lập trình để lên cao hoặc xuống thấp để bật hoặc tắt đèn LED.

Khi điện áp ở cực gốc lớn hơn 0,6V thì transistor bắt đầu dẫn bão hòa, lúc này cực thu và cực phát được xem như nối tắt với nhau. Khi điện áp ở mức dưới 0,6V, transistor ở chế độ ngắt – không có dòng điện chảy qua transistor bởi vì nó giống như hở mạch giữa cực C và cực E.

Mạch ở trên được gọi là công tắc phía thấp, bởi vì công tắc – transistor của chúng ta – nằm ở phía thấp (mặt đất) của mạch. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng transistor PNP để tạo ra một công tắc phía cao:

Tương tự như mạch NPN, cực gốc là ngõ vào và cực phát được nối với một điện áp không đổi. Tuy nhiên, ở mạch này, cực phát được nối với nguồn và tải (động cơ) được kết nối với transistor ở phía mặt đất.

Mạch này hoạt động tốt như công tắc sử dụng transistor NPN, nhưng có một điểm khác biệt lớn: để điều khiển tải thì cực gốc phải có điện áp thấp. Điều này có thể gây ra một số rắc rối, đặc biệt là nếu điện áp cao của tải (điện áp nguồn 12V kết nối với cực phát VE trong hình này) cao hơn điện áp cao của ngõ vào điều khiển của. Ví dụ, mạch này sẽ không hoạt động nếu bạn sử dụng Arduino hoạt động với điện áp 5V để tắt động cơ 12V. Trong trường hợp đó, không thể tắt công tắc vì điện thế tại cực gốc VB sẽ luôn nhỏ hơn VE.

Điện trở cực gốc

Bạn sẽ nhận thấy rằng các mạch trên có sử dụng một điện trở nối tiếp giữa ngõ vào điều khiển và cực gốc của transistor. Bạn đừng quên thêm điện trở này! Một transistor không có điện trở trên thì giống như một đèn LED không có điện trở giới hạn dòng điện.

Hãy nhớ lại rằng, theo một cách nào đó, một transistor chỉ là một cặp diode được kết nối với nhau. Chúng ta phân cực thuận cho diode giữa cực gốc và cực phát để điều khiển tải. Các diode chỉ cần 0,6V để dẫn điện, nếu điện áp này lớn hơn thì đồng nghĩa với dòng điện chạy qua transistor sẽ lớn hơn. Một số transistor có dòng điện định mức chạy qua chúng có giá trị nằm trong khoảng 10-100mA. Nếu bạn cung cấp dòng điện vượt quá giá trị định mức này thì transistor có thể sẽ bị hỏng.

Điện trở nối tiếp giữa nguồn điều khiển và cực gốc sẽ giới hạn dòng điện chạy vào cực gốc. Điện áp giữa cực gốc và cực phát cần duy trì ở giá trị 0,6V để transistor hoạt động và điện trở ở cực gốc này có thể làm sụt giảm điện áp còn lại. Giá trị của điện trở và điện áp trên nó sẽ thiết lập dòng điện chạy vào cực gốc của transistor.

Điện trở ở cực gốc này cần phải có giá trị đủ lớn để hạn chế dòng điện một cách hiệu quả, nhưng đủ nhỏ để cung cấp đủ cho dòng điện cực gốc. 1mA đến 10mA thường sẽ là đủ, nhưng bạn cũng cần kiểm tra datasheet của transistor để đảm bảo mạch của bạn hoạt động tốt.

Logic số

Các transistor có thể được kết hợp với nhau để tạo ra tất cả các cổng logic cơ bản: AND, OR và NOT.

Lưu ý: Ngày nay, MOSFET có nhiều khả năng được sử dụng để tạo cổng logic hơn so với BJT. MOSFET có hiệu suất năng lượng cao hơn, khiến chúng trở thành lựa chọn tốt hơn.

Đây là một mạch transistor thực hiện một cổng ĐẢO, hay cổng NOT:

Khi có một điện áp cao đưa vào cực gốc sẽ làm cho transistor dẫn, cực thu xem như được nối với cực phát. Vì cực phát được nối trực tiếp với mặt đất nên cực thu cũng sẽ như vậy (mặc dù thực tế điện thế tại cực thu sẽ cao hơn một chút so với điện áp tại cực phát, điện áp giữa cực thu và cực phát khi transistor dẫn bảo hòa VCE (sat) ~ 0,05-0,2V). Ngược lại, nếu điện áp ngõ vào thấp, transistor sẽ không dẫn điện và ngõ ra được kéo lên tới VCC.

Mạch dưới đây bao gồm một cặp transistor được sử dụng để tạo ra một cổng AND 2 ngõ vào:

Nếu một trong hai transistor bị tắt, thì điện áp ngõ ra tại cực thu của transistor bên dưới sẽ bị kéo xuống mức thấp. Nếu cả hai transistor đều dẫn (điện thế ở cả hai cực gốc đều cao), thì điện áp ngõ ra của mạch cũng sẽ ở mức cao.

Và cuối cùng, đây là mạch cổng OR 2 ngõ vào.

Trong mạch này, nếu một trong hai ngõ vào (hoặc cả hai) A hoặc B cao, transistor tương ứng đó sẽ dẫn và kéo điện áp ngõ ra lên cao. Nếu cả hai transistor đều tắt, thì điện áp ngõ ra được kéo xuống thấp qua điện trở.

Mạch cầu H

Mạch cầu H là một mạch dựa trên transistor có khả năng điều khiển động cơ quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Đây là một mạch cực kỳ phổ biến – mạch động lực này được sử dụng trong vô số robot để giúp cho các robot di chuyển cả tiến và lùi.

Về cơ bản, mạch cầu H là sự kết hợp của bốn transistor với hai đường ngõ vào và hai ngõ ra:

Lưu ý: Trong mạch cầu H thực tế thường có thêm các diode flyback, điện trở cực gốc và mạch tạo xung kích cho các transistor.

Nếu cả hai ngõ vào có cùng một mức điện áp, thì các ngõ ra nối với động cơ sẽ có cùng một điện áp và động cơ sẽ không thể quay. Nhưng nếu hai ngõ vào có mức điện áp trái ngược nhau, động cơ sẽ quay theo hướng này hay hướng khác.

Mạch cầu H có bảng hoạt động như thế này:

Ngõ vào A
Ngõ vào B
Ngõ ra A
Ngõ ra B
Hướng quay của động cơ

0
0
1
1
Dừng lại (phanh)

0
1
1
0
Theo chiều kim đồng hồ

1
0
0
1
Ngược chiều kim đồng hồ

1
1
0
0
Dừng lại (phanh)

Mạch dao động

Mạch dao động là một mạch tạo ra một tín hiệu theo chu kỳ dao động giữa điện áp cao và thấp. Mạch dao động được sử dụng trong tất cả các loại mạch: từ chỉ cần nhấp nháy đèn LED đến tín hiệu đồng hồ để điều khiển vi điều khiển. Có rất nhiều cách để tạo ra một mạch dao động bao gồm: tinh thể thạch anh, op-amp, và tất nhiên, transistor.

Dưới đây là một ví dụ về mạch dao động, mà chúng ta gọi là mạch dao động đa hài phi ổn (astable multivibrator). Bằng cách sử dụng tín hiệu phản hồi, chúng ta có thể sử dụng một cặp transistor để tạo ra hai tín hiệu xung vuông đối lập nhau.