GIỚI THIỆU

Transistor là một linh kiện bán dẫn có hai lớp tiếp giáp P–N, có vỏ bọc bằng nhựa hoặc kim loại. Transistor có 3 điện cực là: Emitter (E), Base (B), Collector (C). Hình dạng một số loại transistor được minh họa trên hình 1.

Hình 1. Hình dạng một số loại transistor

Tùy vào trình tự sắp xếp các miền P và N mà chúng ta có hai loại transistor là PNP hoặc NPN.

Miền bán dẫn thứ nhất của transistor là miền emitter, có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter (cực phát). Miền thứ hai là miền base, có nồng độ tạp chất ít hơn và độ dày nhỏ cỡ micro mét, điện cực nối với miền này gọi là cực Base (cực gốc). Miền thứ ba là miền collector, có nồng độ tạp chất trung bình, điện cực nối với miền này là cực Collector (cực góp). Tiếp giáp P–N giữa miền emitter và base gọi là tiếp giáp emitter (J_E), Tiếp giáp P–N giữa miền base và collector gọi là tiếp giáp emitter (J_C). Về mặt cấu trúc, có thể coi transistor như hai diode mắc đối nhau, song điều này không hoàn toàn có nghĩa là đem mắc hai diode để thực hiện chức năng của transistor, bởi vì khi đó không có tác dụng tương hỗ giữa hai tiếp giáp P–N. Dựa vào đặc điểm này mà khi kiểm tra transistor, chúng ta có thể xác định được dễ dàng cực B và loại transistor, đồng thời kết luận được ngay transistor hỏng hay tốt.

KÝ HIỆU

Trong mạch điện transistor thường được ký hiệu như trong hình 2.

Hình 2. Cấu tạo và ký hiệu của transistor
a) Transistor PNP; b) Transistor NPN

Khi vẽ ký hiệu của transistor, cần chú ý đến mũi tên đặt ở giữa cực Emitter và Base luôn có chiều chạy từ bán dẫn P sang bán dẫn N. Transistor PNP có mũi tên chạy vào, transistor NPN có mũi tên chạy ra. Chiều mũi tên chỉ chiều dòng điện chạy qua transistor. Ở Việt Nam, do thói quen còn gọi transistor PNP là bán dẫn thuận, transistor NPN là bán dẫn nghịch.

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Để transistor làm việc, phải dùng hai điện áp ngoài đặt vào giữa ba điện cực của transistor, hay còn gọi là phân cực cho nó. Ở chế độ khuếch đại thì tiếp giáp emitter J_E phải được phân cực thuận để mở cửa cho hạt đã số xuất phát ra đi, tiếp giáp collector J_C phải phân cực ngược để có điện trường gia tốc lôi kéo tập trung các hạt này chạy đến cực Collector, hình thành dòng điện chạy qua transistor.

Hình 3. Nguyên lý làm việc của transistor PNP ở chế độ khuếch đại

Để phân tích cách nguyên lý làm việc của transistor, ta lất transistor PNP làm ví dụ, Do J_E được phân cực ở trạng thái mở, điện áp tiếp xúc là E_TX có chiều từ N sang P, các hạt đa số (lỗ (+)) từ miền E chạy qua J_E tạo nên dòng Emiiter (I_E). Chúng tràn qua vùng base hướng tới J_C. Trên đường khuếch tán , một số lỗ (+) bị tác động với electron (-) của miền base tạo nên dòng điện (I_B). Do cấu tạo của miền base rất mỏng, nên gần như tòa bộ các hạt đa số xuất phát từ miền emitter khuếch tán tới được bờ của J_C và được điện trường gia tốc (do J_C phân cực ngược) lôi kéo tràn qua miền collector đến cực collector, tạo nên dòng điện I_C. Qua phân tích trên. Chúng ta thấy:

• Để transistor làm việc phải có nguồn EB phân cực thuận mở tiếp giáp EB cho hạt đa số xuất phát ra đi và phải có nguồn EC với cực tính phù hợp để lôi kéo tập các hạt đa số chạy đến cực collector, thạo thành dòng điện chạy qua transistor.
• Mối quan hệ giữa các dòng điện trong transistor là:

I_E = I_B+I_C

Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán của hạt đa số khi tràn qua miền base, ta gọi hệ số truyền đạt dòng điện của transistor là α:

α = I_C/I_E

Hệ số α luôn nhỏ hơn 1 và có giá trị gần tới 1 đối với tramsistor loạt tốt.

Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng I_B tới dòng I_C người ta còn gọi là hệ số khuếch đại dòng điện β của transistor khi mắc cực emitter chung là:

β = I_C/I_B

Hệ số β có giá trị từ vài chục đến vài trăm: β càng lớn, khả năng khuếch đại của transistor càng lớn.

Từ công thức trên ta có thể suy ra các hệ thức sau đây:

I_E = I_B(1+β)

α = β/(1+β)

THÔNG SỐ

a) Điện áp đánh thủng CE (V_CE0): là điện áp lớn nhất đặt giữa hai chân C và E mà transistor chịu được, được đo khi cực B để hở.

b) Điện áp đánh thủng CB (V_CB0): là điện áp lớn nhất đặt giữa hai chân C và B mà transitor chịu được, được đo khi cực E để hở.

c) Dòng điện Collector (I_C): là dòng collector lớn nhất mà transitor cho phép, nếu dòng điện vượt quá giá trị này có thể làm hỏng transistor.

d) Điện áp bão hòa CE (V_CEsat): là điện áp CE khi transistor được bão hòa (dẫn hoàn toàn).

e) Hệ số khuếch đại (hFE): còn được gọi là β là tỷ lệ giữa dòng điện collector so với dòng điện tại base: β = I_C/I_B.

f) Tần số chuyển đổi (F_T): là tần số để transistor hoạt động tốt nhất.

g) Công suât tiêu tán (P_tot): là tổng công suất tiêu tán của transitor khi hoạt động được tính bằng dòng điện I_C nhân với điện áp đặt trên chính thiết bị sử dụng.

CÁCH MẮC TRANSISOR

Ba cách mắc transistor đó là: mắc Emitter chung, mắc Base chung và mắc Collector chung.

Khi mắc Emiiter chung, mạch điện đạt được hệ số khuếch đại về điện áp, dòng điện và công suất đều lớn. Điện áp tín hiệu ở đầu ra ngược pha 180° so với điện áp tín hiệu ở đầu vào. Đây là dạng mạch điện được dùng nhiều nhất. Khi mắc Base chung, hệ số khuếch đại về điện áp, dòng điện và công suất đều có nhưng nhỏ hơn so với cách mắc Emiiter chung, điện áp tín hiệu ở đầu ra vẫn giữ nguyên pha như điện áp tín hiệu ở đầu vào. Cách mắc Base chung có ưu điểm khi làm việc ở tần số cao. Do đó, khi phải khuếch đại tín hiệu cao tần người ta thường dùng cách mắc này.

Hình 4. Ba cách mắc transistor chung
a) Mắc Emitter chung; b) Mắc Base chung; c) Mắc Collector chung

Khi mắc Collector chung, hệ số khuếch đại điện áp nhỏ hơn 1 và coi như xấp xỉ bằng 1. Hệ số khuếch đại về dòng điện và công suất lớn, điện áp tín hiệu ở đầu ra vẫn giữ nguyên pha như điện áp tín hiệu đầu vào. Do đó người ta còn gọi mạch khuếch đại mắc Collector chung là mạch khuếch đại tải Emiiter hay mạch khuếch đại lặp lại. Ưu điểm nổi bật của mạch khuếch đại mắc Collector chung là trở kháng vào cao, trở kháng ra nhỏ, rất dễ phối hợp trở kháng để ghép nối với tầng kích ở phía trước và với tải ở đầu ra phía sau. Người ta thường dùng mạch khuếch đại Collector chung làm tầng đệm để ghép nối các phần mạch điện lại với nhau.

ỨNG DỤNG CỦA TRANSISTOR

Mạch đóng cắt Relay

Hình 5. Mạch đóng cắt sử dụng transistor NPN

Mạch đóng cắt relay sử dụng transistor NPN (hình 2.11), Rdt có nhiệm vụ định thiên phân cực cho transistor T1 hoạt động, D1 có nhiệm vụ tiêu tán dòng ngược từ relay, bảo vệ T1. Khi dây tín hiệu TH được cấp tín hiệu mức cao (U_BE > 0), trên cực B của transistor lúc này sẽ xuất hiện dòng điện IB vừa đủ, dẫn đến T1 thông. Dòng điện IC sẽ chạy từ VCC qua relay, qua T1 và về GND, làm cho relay hoạt động, các tiếp điểm bị đảo trạng thái. Khi TH ở mức thấp (U_BE = 0), T1 bị khóa, relay không hoạt động.

Hình 6. Mạch đóng cắt sử dụng transistor PNP

Mạch đóng cắt relay sử dụng transistor PNP (hình 2.12), Rdt có nhiệm vụ định thiên phân cực cho transistor T1 hoạt động, D1 có nhiệm vụ tiêu tán dòng ngược từ relay, bảo vệ T1. Khi dây tín hiệu TH được cấp tín hiệu mức thấp (U_BE > 0), trên cực B của transistor lúc này sẽ xuất hiện dòng điện IB vừa đủ, dẫn đến T1 thông. Dòng điện IC sẽ chạy từ VCC qua T1, qua relay và về GND, làm cho relay hoạt động, các tiếp điểm bị đảo trạng thái. Khi TH ở mức cao (U_BE = 0), T1 bị khóa, relay không hoạt động.

Ví dụ: Sử dụng mạch đóng cắt bằng transistor NPN khi relay hoạt động, tính điện trở định thiên RB, biết hệ số khuếch đại của transistor β(hFE) = 200, dòng điện I_C = 200mA và điện áp TH ở mức cao là 5V (U_TH = 5V)?

Ta có dòng điện IB chạy trong mạch là:

I_B = I_C/β = 200mA/200 = 1mA

Giá trị điện trở định thiên:

Rdt = (U_TH-U_BE)/I_B = (5-0,7)/(1.10^-3) = 4.3kΩ

Mạch dao động đa hài

Hình 7. Mạch dao động đa hài

Nguyên lý hoạt động:

Mạch điện bao gồm hai tầng khuếch đại ghép từ collector tầng nay sang base tầng kia thông qua các tụ điện C1 và C2. Điện trở R1, R2 là các điện trở tải mắc ở collector. Điện trở R3, R4 là các điện trở định thiên tạo dòng IB để mở các transistor làm việc.

Khi mới đóng điện, đầu tiên cả T1 và T2 đều dẫn điện, tuy nhiên trong thực tế không bao giờ có sự tuyệt đối bằng nhau giữa IC1 và IC2. Giả thiết rằng, ngẫu nhiên IC1 nhỉnh hơn IC2 một chút thì với cơ cấu của mạch điện, lập tức sẽ làm cho T1 thông bão hòa và T2 bị khóa lại. Đó là trạng thái cân bằng thứ nhất và có xung ra. Nhưng chỉ sau một khoảng thời gian nhất định, do sự phóng điện của tụ C1 và sự nạp điện của tụ C2 đi qua T1 đang thông sẽ làm cho điện thế tại cực base của T1 và T2 biến đổi theo chiều làm cho T1 đang thông bị khóa và T2 đang khóa lại thông . Đó là trạng thái cân bằng thứ hai và có xung ra. Khi T2 đã thông, tục C2 vừa được nạp đầy sẽ phóng điện qua T2, còn tụ C1 vừa phóng hết lại được nạp điện cũng qua T2. Quá trình phóng nạp này lại làm cho điện thế tại cực base của T1 và T2 biến đổi theo chiều làm cho T2 đang thông bị khóa và T1 đang khóa lại thông. Kết quả lại trở về trạng thái cân bằng thứ nhất, có xung ra và quá trình làm việc cứ thế tiếp diễn. Hai transistor T1 và T2 luân phiên thông, khóa để tạo xung. Nếu chọn T1 và T2 giống nhau: R1 = R2, R3 = R4 = R, C1 = C2 = C thì sẽ được xung đa hài đối xứng với độ rộng xung là: và chu kì xung là. Hình 8 là dạng xung ra lý tưởng của mạch đa hài.

Hình 8. Dạng xung ra lý tưởng tại collector của các transistor

Mạch khuếch đại E chung dùng transistor

Hình 9. Mạch khuếch đại E chung dùng transistor

Trong sơ đồ, R1, R2 và RL để xác định chế độ tĩnh của tầng khuếch đại. R1 và R2 là mạch chia áp dùng để phân cực cho transistor hoạt động.

Tụ C1 và C2 là các tụ ghép dùng để tách tín hiệu AC khỏi điện áp phân cực. Các tụ này sẽ chỉ cho phép tín hiệu AC chạy qua và chặn bất kỳ tín hiệu DC nào.

RE là điện trở hồi tiếp âm dòng điện một chiều có tác dụng ổn định nhiệt, CE là tụ thoát thành phần xoay chiều xuống đất ngăn hồi tiếp âm xoay chiều.

Đặc điểm của tầng khuếch đại EC là tầng khuếch đại đảo pha, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào.