Transistor hai cực

Transistor hai cực nối, viết tắt là BJT (Bipolar Junction Transistor), là linh kiện bán dẫn có ba lớp chất bán dẫn khác nhau với hai tiếp xúc. Cấu trúc của nó gồm ba điện cực: cực nền (base) ký hiệu B ở giữa, cực phát (emitter) ký hiệu E ở một bên, và cực thu (collector) ký hiệu C ở bên còn lại. Được phát minh vào năm 1948, transistor hai cực là linh kiện cơ bản và quan trọng trong điện tử, với nhiều ứng dụng rộng rãi.

Transistor đóng vai trò then chốt trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại, từ các bộ vi xử lý với hàng triệu transistor trên mỗi cm² cho đến những bộ sạc điện thoại bạn dùng hàng ngày. Nhiều người coi nó là một trong những phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20, bên cạnh Internet.

Dù mỗi năm có hàng tỷ transistor được sản xuất, phần lớn chúng được tích hợp vào các mạch tích hợp (IC) cùng với các linh kiện khác như điện trở, tụ điện, và nhiều thành phần khác. Nếu không có transistor, các khái niệm như 'tính toán' hay 'xử lý thông tin' mà chúng ta biết hiện nay sẽ không tồn tại.

Nhờ vào giá thành hợp lý, sự linh hoạt trong ứng dụng và độ bền cao, transistor đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Ví dụ, sự phát triển của đồng hồ đã thay đổi đáng kể nhờ transistor. Trước đây, đồng hồ cơ khí phức tạp, cồng kềnh và cần bảo trì thường xuyên. Giờ đây, nhờ transistor, đồng hồ đã trở nên nhỏ gọn, chính xác và dễ sử dụng hơn rất nhiều.

Những nhà sáng chế

Hình ảnh (từ trái qua phải) của John Bardeen, William Shockley và Walter Brattain, những người đã phát minh ra transistor vào năm 1948 tại Bell Labs. Đây là một trong những hình ảnh công khai được Bell Labs công bố trong thời gian công khai sáng chế (30/06/1948). Mặc dù Shockley không tham gia vào việc sáng chế và không xuất hiện trong các đơn xin cấp bằng sáng chế, Bell Labs đã quyết định rằng ông cần có mặt trong tất cả các hình ảnh công khai cùng với Bardeen và Brattain.

Các loại transistor

Có rất nhiều loại transistor với các chức năng chuyên biệt khác nhau.

• Transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar junction transistor)
• Transistor hiệu ứng trường (FET - Field-effect transistor)
• Transistor mối đơn cực (UJT - Unijunction transistor)

Trong số các loại transistor, BJT (transistor lưỡng cực) là loại phổ biến nhất. Nhiều người thường chỉ định nghĩa transistor là BJT, vì vậy bạn nên lưu ý điều này để tránh nhầm lẫn.

Cấu tạo

Transistor được cấu tạo từ ba lớp bán dẫn loại P và N ghép lại với nhau. Do đó, có hai loại transistor chính là NPN và PNP, tương ứng với hai cách sắp xếp các lớp bán dẫn.

Về mặt cấu tạo, transistor có thể được so sánh với hai diode kết hợp.

Như trong hình, transistor bao gồm ba cực: B (Base - Cực gốc), C (Collector - Cực thu) và E (Emitter - Cực phát), tương ứng với ba lớp bán dẫn khác nhau. Sự phân chia này phản ánh sự khác biệt về tính chất vật lý của các lớp bán dẫn.

Ký hiệu trong sơ đồ mạch

Trong các sơ đồ mạch, đặc biệt là khi sử dụng Fritzing, bạn có thể thấy những ký hiệu như vậy.

Nguyên lý hoạt động

Một số quy ước về ký hiệu trong mạch điện:

• IB: (cường độ) dòng điện đi qua cực Base của transistor.
• IC: (cường độ) dòng điện đi qua cực Collector của transistor.
• IE: (cường độ) dòng điện đi qua cực Emitter của transistor.
• IR: (cường độ) dòng điện đi qua điện trở R.
• VBE: (độ lớn) hiệu điện thế giữa 2 cực Base và Emitter của transistor. Các ký hiệu tương tự được sử dụng cho các thông số tương tự.
• UB: điện áp tại cực Base. Các ký hiệu tương tự cũng áp dụng cho các thông số tương tự.

Transistor kiểu NPN

Xem xét sơ đồ mạch điện dưới đây

• Khi khóa K mở, không có dòng điện qua cực Base, điện trở R không nóng lên, chứng tỏ không có dòng điện qua nó.
• Khi khóa K đóng, điện trở R nóng lên, cho thấy có dòng điện qua nó và qua cực Base của transistor.
  • Có dòng điện qua R chứng minh dòng điện đã đi vào transistor ở cực Collector. Điều này cho thấy có dòng điện ra từ cực Emitter để trở về cực âm của nguồn.
  • Không thể có dòng điện đi ra từ cực Base; chỉ có thể có dòng điện đi vào cực này.
  • Xét về cường độ, nếu đo IB, IC (IR = IC), IE thì ta thấy IB nhỏ hơn nhiều so với IC và IE; trong khi đó, IE luôn lớn hơn IC một chút. Điều này cho thấy dòng điện chủ yếu là từ Collector đến Emitter của transistor, giải thích việc mũi tên trên ký hiệu transistor chỉ chiều dòng điện.
  • Nếu tính toán từ độ lớn của IB, IC, IE, ta thấy IE gần bằng IB + IC. Thử giảm giá trị của 2 điện trở trong mạch (thay bằng điện trở khác) để tăng cường độ dòng điện, bạn sẽ thấy IE gần bằng IB + IC hơn. Khi transistor hoạt động, dòng điện ra từ Emitter là sự kết hợp của dòng điện từ Collector đến Emitter và từ Base đến Emitter.

Thay vì gắn điện trở R ở cực Collector, chúng ta thử gắn nó ở cực Emitter của transistor. Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về hoạt động giữa hai cách mắc này.

Hiện tại, chúng ta sẽ sử dụng một cầu phân áp để điều chỉnh điện áp tại cực Base của transistor. Hãy tính toán lại các giá trị điện trở sao cho cường độ dòng điện vào Base giữ nguyên.

Khi khóa K được đóng, kiểm tra điện trở R, ta thấy nó nóng ít hơn nhiều so với trước. Nguyên nhân là gì? Cường độ dòng điện qua điện trở không thay đổi, nhưng công suất tỏa nhiệt giảm, điều này cho thấy hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở đã giảm. Sử dụng đồng hồ đo điện áp ở ba cực của transistor, chúng ta thấy UB gần bằng UE.

Khi thay đổi các điện trở phân áp, UB cũng thay đổi. Qua các phép đo, chúng ta nhận thấy hiệu UB - UE luôn khoảng 0.5V trong mọi trường hợp thay đổi UB. Điều này cho thấy trong quá trình hoạt động của transistor, UB luôn gần bằng UE.

Thay đổi giá trị của điện trở Rg, sau đó đo dòng IB và IC. Chúng ta quan sát thấy rằng khi IB tăng lên thì IC cũng gia tăng. Dù thay đổi nhiều giá trị Rg, IB luôn có mối quan hệ tỷ lệ thuận với IC.

Khi UB = UC (VBC = 0), IB đạt giá trị tối đa và IC cũng đạt giá trị tối đa, lúc này transistor hoạt động ở trạng thái mở hoàn toàn. Ngược lại, khi UB = 0V (VBC = UC), IB = 0A và IC = 0A, transistor được gọi là đóng hoàn toàn, không có dòng điện chạy qua mạch.

Về bản chất, transistor là thiết bị được điều khiển bằng cường độ dòng điện qua cực Base. Theo định luật Ôm, cường độ dòng điện I trong mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện thế U đặt vào hai đầu mạch. Do đó, nhiều người nhầm rằng transistor được điều khiển đóng/mở bằng điện áp ở cực Base. Thực tế, cường độ dòng điện còn phụ thuộc vào điện trở R. Trong trường hợp này, hiệu điện thế và điện trở chỉ là hai yếu tố ảnh hưởng đến cường độ dòng điện qua cực Base.

Chúng ta có thể hình dung điều này dễ dàng hơn như sau:

Nếu coi dòng điện như dòng nước và hiệu điện thế là áp lực nước trong ống dẫn, thì transistor giống như một vòi nước với cực B đóng vai trò là van điều chỉnh. Độ mạnh hay yếu của dòng nước ra khỏi vòi, cũng như việc vòi mở hoàn toàn hay đóng hoàn toàn, đều phụ thuộc vào cách điều chỉnh van của vòi.

Transistor kiểu PNP

Transistor PNP tương tự như loại NPN đã trình bày trước đó, nhưng có một số đặc điểm trái ngược như sau:

• Dòng điện trong transistor PNP được điều khiển là dòng điện từ Emitter sang Collector.
• Dòng IE và IB có mối quan hệ tỷ lệ nghịch. Khi IB đạt giá trị tối đa, IE = 0A. Ngược lại, khi IB = 0A, IE đạt giá trị tối đa.

Hy vọng bạn đã hiểu vì sao có sự phân biệt giữa transistor thuận và nghịch.

Các thông số quan trọng

Các ký hiệu dưới đây áp dụng cho transistor NPN. Transistor PNP cũng có các thông số tương tự. Những thông số này được ghi rõ ràng trong tài liệu kỹ thuật của từng loại transistor do nhà sản xuất cung cấp.

• Dòng điện cực đại qua cực Base IB
  • Mỗi loại transistor có mức dòng IB tối đa khác nhau; không phải transistor lớn hơn thì IB cũng lớn hơn.
  • Nếu dòng điện qua cực Base vượt quá mức IB tối đa, transistor có thể bị hỏng. Do đó, người ta thường mắc thêm một điện trở hạn dòng với cực Base.
• Hệ số khuếch đại hFE (β)
  • Đây là tỷ số IC / IB, phản ánh khả năng khuếch đại dòng điện của transistor. Mỗi loại transistor có mức hệ số khuếch đại khác nhau và nó cũng thay đổi theo điều kiện làm việc.
  • Transistor có hFE cao có thể mở hoàn toàn với dòng IB nhỏ.
  • hFE thường dao động từ vài chục đến vài nghìn.
• Cường độ dòng điện cực đại IC là dòng điện tối đa mà transistor có thể cung cấp qua cực Collector. Các transistor lớn nhất thường chỉ có IC tối đa khoảng 5A và yêu cầu quạt tản nhiệt.
• Hiệu điện thế:
  • UCE: hiệu điện thế tối đa giữa hai cực Collector và Emitter. UCE thường từ vài chục đến vài trăm volt. Các dự án Arduino chủ yếu hoạt động ở 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn không cần lo lắng nhiều về thông số này.
  • UCB: hiệu điện thế tối đa giữa hai cực Collector và Base. UCB cũng từ vài chục đến vài trăm volt. Các dự án Arduino chủ yếu hoạt động ở mức 5V hoặc thấp hơn, vì vậy thông số này cũng không cần chú trọng quá nhiều.
  • UBE: hiệu điện thế tối đa giữa hai cực Base và Emitter (hiệu UB - UE). Với dòng nhỏ, UBE gần như 0V. Với dòng lớn hơn, UBE tăng nhanh và hiếm khi vượt quá 5V.
• Công suất tiêu tán tối đa (Device Dissipation/Power Dissipation) cho biết công suất tối đa mà transistor có thể hoạt động, tính bằng UCE * ICE. Một số transistor lớn như TIP120/121/122 có công suất lên đến 65W và cần thiết bị tản nhiệt, trong khi đó các loại như 2N3904 chỉ có công suất 625mW và không cần tản nhiệt.

Các đặc tính hoạt động

Các ứng dụng phổ biến

Mạch khuếch đại tín hiệu

Mạch điều khiển RƠ LE đóng mở ...

Khuếch đại điện áp DC

- Khuếch đại: Transistor được sử dụng trong các mạch khuếch đại DC (một chiều), khuếch đại tín hiệu AC, mạch khuếch đại vi sai, mạch khuếch đại đặc biệt, và mạch ổn áp...

Trong mạch, các điện trở hồi tiếp R=22K, R=68K (hồi tiếp từ cực góp T2) và R=220Ω xác định hệ số khuếch đại của mạch.

KU = 68K/22K/220Ω = 16,7K/0.22K = 75

Các điện trở hồi tiếp một chiều R = 3,9K và R = 68K từ T2 về giúp ổn định chế độ làm việc của mạch.

Khuếch đại điện áp AC

Tín hiệu trong mạch là tín hiệu xoay chiều

Khuếch đại công suất

Ứng dụng trong việc khuếch đại công suất cho hệ thống âm thanh và các hệ thống điều khiển.

Mạch này thường hoạt động với điện áp cao và dòng điện lớn.

Khuếch đại chuyển mạch

Sử dụng trong việc điều khiển rơ le chuyển mạch. Bản thân các BJT cũng hoạt động như một công tắc.

Ứng dụng điều khiển động cơ

Cân nhắc một ứng dụng thực tiễn như xe dò đường. Hai động cơ của nó được điều khiển bởi một mạch sử dụng hai transistor.

Nếu bạn dùng transistor TIP120 (hoặc loại tương đương), không cần thiết phải thêm diode như trong sơ đồ.

Liên kết ngoài