Transistor Linh kiện bán dẫn

Giới thiệu

Các bóng bán dẫn làm cho thế giới điện tử của chúng ta đi vòng quanh. Chúng rất quan trọng như là một nguồn điều khiển trong mọi mạch hiện đại. Đôi khi bạn nhìn thấy chúng, nhưng thường xuyên hơn là chúng không ẩn sâu bên trong cái chết của một mạch tích hợp . Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giới thiệu cho bạn những điều cơ bản của bóng bán dẫn phổ biến nhất xung quanh: bóng bán dẫn tiếp giáp hai cực (BJT).

Với số lượng nhỏ, riêng biệt, bóng bán dẫn có thể được sử dụng để tạo ra các công tắc điện tử đơn giản, logic kỹ thuật số và mạch khuếch đại tín hiệu. Với số lượng hàng ngàn, hàng triệu và thậm chí hàng tỷ, các bóng bán dẫn được kết nối với nhau và được nhúng vào các chip nhỏ để tạo ra bộ nhớ máy tính, bộ vi xử lý và các IC phức tạp khác.

Bao quát trong hướng dẫn này

Sau khi đọc qua hướng dẫn này, chúng tôi muốn bạn có một sự hiểu biết rộng về cách các bóng bán dẫn hoạt động. Chúng ta sẽ không đào sâu vào vật lý bán dẫn hoặc các mô hình tương đương, nhưng chúng ta sẽ hiểu sâu về chủ đề mà bạn sẽ hiểu làm thế nào một bóng bán dẫn có thể được sử dụng làm công tắc hoặc bộ khuếch đại .

Hướng dẫn này được chia thành một loạt các phần, bao gồm:

Biểu tượng, Ghim và Xây dựng - Giải thích sự khác biệt giữa ba chân của bóng bán dẫn.
Mở rộng Tương tự nước - Quay trở lại tương tự nước để giải thích cách thức bóng bán dẫn hoạt động như một van.
Các chế độ hoạt động - Tổng quan về bốn chế độ hoạt động có thể có của một bóng bán dẫn.
Ứng dụng I: Công tắc - Mạch ứng dụng cho biết cách sử dụng bóng bán dẫn làm công tắc điều khiển điện tử.
Ứng dụng II: Bộ khuếch đại - Nhiều mạch ứng dụng hơn, lần này cho thấy cách sử dụng bóng bán dẫn để khuếch đại điện áp hoặc dòng điện.

Có hai loại bóng bán dẫn cơ bản ngoài kia: đường giao nhau hai cực (BJT) và hiệu ứng trường oxit kim loại (MOSFET). Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ tập trung vào BJT , vì nó dễ hiểu hơn một chút. Đào sâu hơn nữa vào các loại bóng bán dẫn, thực tế có hai phiên bản của BJT: Transistor NPN và PNP . Chúng tôi sẽ tập trung hơn nữa bằng cách giới hạn thảo luận sớm của chúng tôi với NPN. Bằng cách thu hẹp trọng tâm của chúng tôi xuống - hiểu rõ hơn về NPN - sẽ dễ hiểu hơn về PNP (hoặc MOSFETS, thậm chí) bằng cách so sánh nó khác với NPN như thế nào.

cách đọc được đề nghị

Trước khi đi sâu vào hướng dẫn này, chúng tôi khuyên bạn nên xem qua các hướng dẫn này:

Điện áp, dòng điện, điện trở và định luật Ohm - Giới thiệu về các nguyên tắc cơ bản của điện tử.
Khái niệm cơ bản về điện - Chúng ta sẽ nói một chút về điện như dòng điện tử. Tìm hiểu làm thế nào những electron đó chảy trong hướng dẫn này.
Điện năng - Một trong những ứng dụng chính của bóng bán dẫn là khuếch đại - tăng công suất của tín hiệu. Tăng sức mạnh có nghĩa là chúng ta có thể tăng dòng điện hoặc điện áp, tìm hiểu lý do tại sao trong hướng dẫn này.
Điốt - Transitor là một thiết bị bán dẫn, giống như một diode. Theo một cách nào đó, đó là những gì bạn nhận được nếu xếp chồng hai điốt lại với nhau và gắn cực dương của chúng lại với nhau. Hiểu cách thức hoạt động của một diode sẽ đi một chặng đường dài hướng tới việc phát hiện ra hoạt động của một bóng bán dẫn.

Tìm cách để khám phá bóng bán dẫn?

Chúng tôi đã bảo vệ bạn!

Bộ phần dành cho người mới bắt đầu của SparkFun

KIT-13973

$ 16,95

Bộ bán dẫn rời rạc SparkFun

KIT-13682

$ 10,95

Transitor - NPN, 50V 800mA (BC337)

COM-13689

$ 0,5

Transitor - NPN, 60V 200mA (2N3904)

COM-00521

$ 0,5

XEM TẤT CẢ CÁC BÓNG BÁN DẪN

Biểu tượng, Ghim và Xây dựng

Transitor về cơ bản là ba thiết bị đầu cuối. Trên một bóng bán dẫn tiếp giáp hai cực (BJT), các chân đó được gắn nhãn collector (C), base (B) và emitter (E). Các ký hiệu mạch cho cả NPN và PNP BJT như sau:

Sự khác biệt duy nhất giữa NPN và PNP là hướng mũi tên trên bộ phát. Mũi tên trên NPN chỉ ra và trên PNP, nó chỉ vào. Một ghi nhớ hữu ích để ghi nhớ đó là:

NPN: N ot P thuốc mỡ i N

Logic ngược, nhưng nó hoạt động!

Xây dựng bóng bán dẫn

Các bóng bán dẫn dựa vào chất bán dẫn để làm việc kỳ diệu của họ. Chất bán dẫn là một vật liệu không hoàn toàn là một chất dẫn tinh khiết (như dây đồng) nhưng cũng không phải là chất cách điện (như không khí). Độ dẫn điện của chất bán dẫn - nó cho phép các electron dễ dàng di chuyển như thế nào - phụ thuộc vào các biến như nhiệt độ hoặc sự hiện diện của nhiều hay ít electron. Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn dưới mui xe của một bóng bán dẫn. Đừng lo lắng, chúng ta sẽ không đào sâu vào vật lý lượng tử.

Một bóng bán dẫn như hai điốt

Các bóng bán dẫn giống như một phần mở rộng của một thành phần bán dẫn khác: điốt . Theo một cách nào đó, các bóng bán dẫn chỉ là hai điốt với cực âm (hoặc cực dương) được gắn với nhau:

Các diode kết nối cơ sở với bộ phát là một trong những quan trọng ở đây; nó phù hợp với hướng của mũi tên trên biểu tượng sơ đồ, và cho bạn thấy dòng điện nào được dự định chảy qua bóng bán dẫn.

Các đại diện diode là một nơi tốt để bắt đầu, nhưng nó không chính xác. Đừng dựa trên hiểu biết của bạn về hoạt động của bóng bán dẫn trên mô hình đó (và chắc chắn không cố gắng sao chép nó trên bảng mạch, nó sẽ không hoạt động). Có rất nhiều thứ vật lý lượng tử kỳ lạ kiểm soát sự tương tác giữa ba thiết bị đầu cuối.

(Mô hình này hữu ích nếu bạn cần kiểm tra bóng bán dẫn. Sử dụng chức năng kiểm tra diode (hoặc điện trở) trên đồng hồ vạn năng , bạn có thể đo qua các đầu cuối BE và BC để kiểm tra sự hiện diện của các "điốt" đó.)

Cấu trúc và hoạt động của bóng bán dẫn

Các bóng bán dẫn được chế tạo bằng cách xếp chồng ba lớp vật liệu bán dẫn khác nhau lại với nhau. Một số lớp trong số đó có thêm các electron được thêm vào chúng (một quá trình gọi là "pha tạp") và các lớp khác đã loại bỏ các electron (pha tạp với "lỗ trống" - sự vắng mặt của các điện tử). Một vật liệu bán dẫn có thêm electron được gọi là loại n ( n đối với âm vì các electron có điện tích âm) và vật liệu bị loại bỏ electron được gọi là loại p (đối với dương). Các bóng bán dẫn được tạo ra bằng cách xếp một n trên đỉnh p trên đầu n hoặc p trên n trên p .

Sơ đồ đơn giản hóa cấu trúc của NPN. Chú ý nguồn gốc của từ viết tắt nào?

Với một số vẫy tay, chúng ta có thể nói các electron có thể dễ dàng di chuyển từ n vùng này sang vùng p , miễn là chúng có một lực nhỏ (điện áp) để đẩy chúng. Nhưng chảy từ vùng p sang vùng n thực sự khó khăn (đòi hỏi nhiều điện áp). Nhưng điều đặc biệt về một bóng bán dẫn - bộ phận làm cho mô hình hai diode của chúng ta trở nên lỗi thời - là thực tế là các electron có thể dễ dàng di chuyển từ cơ sở loại p đến bộ thu loại n miễn là tiếp giáp bộ phát cơ sở phân cực thuận (có nghĩa là cơ sở ở điện áp cao hơn bộ phát).

Transitor NPN được thiết kế để chuyển các electron từ bộ phát sang bộ thu (vì vậy dòng điện thông thường từ bộ thu đến bộ phát). Bộ phát "phát" electron vào cơ sở, điều khiển số lượng electron mà bộ phát phát ra. Hầu hết các điện tử phát ra được "thu thập" bởi bộ thu, chúng sẽ gửi chúng đến phần tiếp theo của mạch.

Một PNP hoạt động theo cách tương tự nhưng ngược lại. Cơ sở vẫn kiểm soát dòng chảy, nhưng dòng chảy đó theo hướng ngược lại - từ bộ phát đến bộ thu. Thay vì các electron, bộ phát phát ra các "lỗ" (sự thiếu vắng khái niệm của các electron) được thu thập bởi người thu gom.

Các bóng bán dẫn là giống như một van điện tử . Pin cơ sở giống như một tay cầm mà bạn có thể điều chỉnh để cho phép nhiều hoặc ít electron chuyển từ bộ phát sang bộ thu. Chúng ta hãy điều tra sự tương tự này hơn nữa ...

Mở rộng tương tự nước

Nếu bạn đã đọc rất nhiều hướng dẫn về khái niệm điện gần đây, có lẽ bạn đã quen với các chất tương tự nước . Chúng ta nói rằng dòng điện tương tự như tốc độ dòng chảy của nước, điện áp là áp lực đẩy nước đó qua một đường ống và điện trở là chiều rộng của đường ống.

tương tự nước cho hiện tại, điện áp và điện trở

Không có gì đáng ngạc nhiên, sự tương tự nước cũng có thể được mở rộng sang các bóng bán dẫn: một bóng bán dẫn giống như một van nước - một cơ chế chúng ta có thể sử dụng để kiểm soát tốc độ dòng chảy .

Có ba trạng thái chúng ta có thể sử dụng một van, mỗi trạng thái có ảnh hưởng khác nhau đến tốc độ dòng chảy trong một hệ thống.

1) Bật - Ngắn mạch

Một van có thể được mở hoàn toàn, cho phép nước chảy tự do - đi qua như thể van không có mặt.

Tương tự như vậy, trong các trường hợp phù hợp, một bóng bán dẫn có thể trông giống như một mạch ngắn giữa các chân thu và cực phát. Hiện tại là tự do chảy qua bộ thu, và ra bộ phát.

2) Tắt - Mạch mở

Khi nó đóng, một van hoàn toàn có thể ngăn chặn dòng chảy của nước.

Theo cùng một cách, một bóng bán dẫn có thể được sử dụng để tạo ra một mạch mở giữa các chân thu và cực phát.

3) Kiểm soát dòng chảy tuyến tính

Với một số điều chỉnh chính xác, một van có thể được điều chỉnh để kiểm soát tốt tốc độ dòng chảy đến một số điểm giữa mở hoàn toàn và đóng.

Một bóng bán dẫn có thể làm điều tương tự - điều khiển tuyến tính dòng điện qua một mạch tại một số điểm giữa tắt hoàn toàn (một mạch mở) và bật hoàn toàn (một mạch ngắn).

Từ sự tương tự nước của chúng tôi, chiều rộng của một đường ống tương tự như điện trở trong mạch. Nếu một van có thể điều chỉnh tốt độ rộng của đường ống, thì một bóng bán dẫn có thể điều chỉnh tốt điện trở giữa bộ thu và bộ phát. Vì vậy, theo một cách nào đó, một bóng bán dẫn giống như một điện trở có thể điều chỉnh được .

Khuếch đại sức mạnh

Có một sự tương tự khác mà chúng ta có thể vặn vẹo trong này. Hãy tưởng tượng nếu, với một cú xoay nhẹ của van, bạn có thể kiểm soát tốc độ dòng chảy của các cửa chảy của đập Hoover . Lượng lực mạnh mẽ mà bạn có thể đưa vào để vặn nút đó có khả năng tạo ra lực mạnh hơn hàng ngàn lần. Chúng tôi đang mở rộng sự tương tự đến giới hạn của nó, nhưng ý tưởng này cũng mang đến các bóng bán dẫn. Các bóng bán dẫn rất đặc biệt vì chúng có thể khuếch đại tín hiệu điện, biến tín hiệu công suất thấp thành tín hiệu tương tự có công suất cao hơn nhiều.

Loại. Có nhiều hơn thế, nhưng đó là một nơi tốt để bắt đầu! Kiểm tra phần tiếp theo để được giải thích chi tiết hơn về hoạt động của bóng bán dẫn.

Chế độ hoạt động

Không giống như điện trở , thực thi mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và dòng điện, bóng bán dẫn là thiết bị phi tuyến tính. Chúng có bốn chế độ hoạt động riêng biệt, mô tả dòng điện chạy qua chúng. (Khi chúng ta nói về dòng điện qua bóng bán dẫn, chúng ta thường có nghĩa là dòng điện chạy từ bộ thu đến bộ phát NPN .)

Bốn chế độ hoạt động của bóng bán dẫn là:

Saturation - Transitor hoạt động như một mạch ngắn . Dòng chảy tự do từ collector đến emitter.
Cut-off - Transitor hoạt động như một mạch mở . Không có dòng chảy từ collector đến emitter.
Hoạt động - Dòng điện từ bộ thu đến bộ phát tỷ lệ thuận với dòng điện chạy vào cơ sở.
Reverse-Active - Giống như chế độ hoạt động, dòng điện tỷ lệ với dòng cơ sở, nhưng nó chảy ngược lại. Dòng điện từ bộ phát đến bộ thu (không, chính xác, các bóng bán dẫn mục đích được thiết kế cho).

Để xác định chế độ của một bóng bán dẫn, chúng ta cần xem xét các điện áp trên mỗi ba chân và cách chúng liên quan với nhau. Các điện áp từ cơ sở đến bộ phát (V BE ) và từ cơ sở đến bộ thu (V BC ) đặt chế độ của bóng bán dẫn:

Biểu đồ góc phần tư được đơn giản hóa ở trên cho thấy mức điện áp dương và âm tại các cực đó ảnh hưởng đến chế độ như thế nào. Trong thực tế, nó phức tạp hơn thế một chút.

Chúng ta hãy xem xét tất cả bốn chế độ bóng bán dẫn riêng lẻ; chúng tôi sẽ điều tra cách đưa thiết bị vào chế độ đó và ảnh hưởng của nó đến dòng chảy hiện tại.

Lưu ý: Phần lớn trang này tập trung vào các bóng bán dẫn NPN . Để hiểu cách thức hoạt động của bóng bán dẫn PNP, chỉ cần lật cực hoặc> và <dấu.

Chế độ bão hòa

Saturation là chế độ trên của một bóng bán dẫn. Một bóng bán dẫn ở chế độ bão hòa hoạt động giống như một mạch ngắn giữa bộ thu và bộ phát.

Trong chế độ bão hòa, cả hai "điốt" trong bóng bán dẫn đều bị lệch về phía trước. Điều đó có nghĩa là V BE phải lớn hơn 0 và V BC cũng vậy . Nói cách khác, V B phải cao hơn cả V E và V C .

Do đường giao nhau từ cơ sở đến bộ phát trông giống như một diode , trong thực tế, V BE phải lớn hơn điện áp ngưỡng để đi vào bão hòa. Có rất nhiều chữ viết tắt cho thả điện áp này - V th , V γ , và V d là một vài - và giá trị thực tế khác nhau giữa các transistor (và hơn nữa bằng nhiệt độ). Đối với nhiều bóng bán dẫn (ở nhiệt độ phòng), chúng tôi có thể ước tính mức giảm này là khoảng 0,6V.

Một người lập dị thực tế khác: sẽ không có sự dẫn truyền hoàn hảo giữa người phát và người sưu tầm. Một sự sụt giảm điện áp nhỏ sẽ hình thành giữa các nút. Bảng dữ liệu bóng bán dẫn sẽ định nghĩa điện áp này là điện áp bão hòa CE V CE (sat) - điện áp từ bộ thu đến bộ phát cần thiết cho bão hòa. Giá trị này thường khoảng 0,05-0,2V. Giá trị này có nghĩa là V C phải lớn hơn V E một chút (nhưng cả hai vẫn nhỏ hơn V B ) để có được bóng bán dẫn ở chế độ bão hòa.

Chế độ cắt

Chế độ cắt là ngược lại với bão hòa. Một bóng bán dẫn ở chế độ cắt bị tắt - không có dòng thu, và do đó không có dòng phát. Nó gần giống như một mạch mở.

Để có được một bóng bán dẫn vào chế độ cắt, điện áp cơ sở phải nhỏ hơn cả điện áp bộ phát và bộ thu. V BC và V BE đều phải âm.

Trong thực tế, V BE có thể ở bất cứ đâu trong khoảng từ 0V đến V th (~ 0,6V) để đạt được chế độ cắt.

Chế độ hoạt động

Để hoạt động ở chế độ hoạt động, V BE của bóng bán dẫn phải lớn hơn 0 và V BC phải âm. Vì vậy, điện áp cơ sở phải nhỏ hơn bộ thu, nhưng lớn hơn bộ phát. Điều đó cũng có nghĩa là bộ thu phải lớn hơn bộ phát.

$V_ {C}> V_ {B}> V_ {E}$

Trên thực tế, chúng ta cần một khác không chuyển tiếp điện áp thả (viết tắt hoặc V ngày , V γ , hoặc V d ) từ cơ sở để phát (V BE ) để "bật" transistor. Thông thường điện áp này thường khoảng 0,6V.

Khuếch đại trong Chế độ hoạt động

Chế độ hoạt động là chế độ mạnh nhất của bóng bán dẫn vì nó biến thiết bị thành bộ khuếch đại . Dòng điện đi vào chân đế khuếch đại dòng điện đi vào bộ thu và ra bộ phát.

Ký hiệu viết tắt của chúng tôi cho tăng (yếu tố khuếch đại) của một transistor là β (bạn cũng có thể xem nó như là β F , hoặc h FE ). tuyến tính liên quan đến dòng collector ( I C ) với dòng cơ sở ( I B ):

$I_ {C} = \ beta I_ {B}$

Giá trị thực tế của β thay đổi theo bóng bán dẫn. Nó thường khoảng 100 , nhưng có thể dao động từ 50 đến 200 ... thậm chí 2000, tùy thuộc vào loại bóng bán dẫn nào bạn đang sử dụng và dòng điện chạy qua nó. Ví dụ, nếu bóng bán dẫn của bạn có 100, điều đó có nghĩa là dòng điện đầu vào 1mA vào cơ sở có thể tạo ra dòng điện 100mA thông qua bộ thu.

Mô hình chế độ hoạt động. V BE = V thứ , và tôi C = βI B .

Những gì về hiện tại phát, tôi E ? Ở chế độ hoạt động, dòng thu và dòng cơ sở đi vào thiết bị và I E xuất hiện. Để liên kết dòng phát với dòng collector, chúng ta có một giá trị không đổi khác: α . α là mức tăng dòng cơ sở chung, nó liên quan đến các dòng như vậy:

$I_ {C} = \ alpha I_ {E}$

α thường rất gần, nhưng nhỏ hơn, 1. Điều đó có nghĩa là I C rất gần, nhưng ít hơn I E ở chế độ hoạt động.

Bạn có thể sử dụng để tính toán α hoặc ngược lại:

$\ beta = \ frac {\ alpha} {(1- \ alpha), alpha = \ frac {\ beta} {\ beta + 1}$

Ví dụ, nếu β là 100, điều đó có nghĩa là α là 0,99. Vì vậy, nếu I C là 100mA, chẳng hạn, thì I E là 101mA.

Hoạt động ngược

Giống như độ bão hòa ngược lại với mức cắt, chế độ hoạt động ngược lại ngược lại với chế độ hoạt động. Một bóng bán dẫn ở chế độ hoạt động ngược tiến hành, thậm chí khuếch đại, nhưng dòng điện chạy theo hướng ngược lại, từ bộ phát đến bộ thu. Nhược điểm của chế độ hoạt động ngược là ( R trong trường hợp này) nhỏ hơn nhiều .

Để đặt một bóng bán dẫn ở chế độ hoạt động ngược, điện áp bộ phát phải lớn hơn cơ sở, phải lớn hơn bộ thu (V BE <0 và V BC > 0).

$V_ {C} <V_ {B} <V_ {E}$

Chế độ hoạt động ngược thường không phải là trạng thái mà bạn muốn lái bóng bán dẫn. Thật tốt khi biết nó ở đó, nhưng nó hiếm khi được thiết kế thành một ứng dụng.

Liên quan đến PNP

Sau tất cả mọi thứ chúng tôi đã nói về trang này, chúng tôi vẫn chỉ bao phủ một nửa phổ của BJT. Còn bóng bán dẫn PNP thì sao? PNP hoạt động rất giống với NPN - chúng có cùng bốn chế độ - nhưng mọi thứ đều bị đảo ngược. Để tìm ra chế độ của bóng bán dẫn PNP, hãy đảo ngược tất cả các dấu <và>.

Ví dụ, để đặt một PNP vào bão hòa V C và V E phải cao hơn V B . Bạn kéo đế thấp để bật PNP và làm cho nó cao hơn bộ thu và bộ phát để tắt. Và, để đặt một PNP vào chế độ hoạt động, V E luôn luôn cần ở điện áp cao hơn so với V B , mà phải cao hơn V C .

Tóm tắt:

Quan hệ điện áp	Chế độ NPN	Chế độ PNP
V E <V B <V C	Hoạt động	Đảo ngược
V E <V B > V C	Độ bão hòa	Cắt
V E > V B <V C	Cắt	Độ bão hòa
V E > V B > V C	Đảo ngược	Hoạt động

Một đặc điểm đối lập khác của NPN và PNP là hướng của dòng chảy hiện tại. Trong chế độ hoạt động và bão hòa, dòng điện trong PNP chảy từ bộ phát đến bộ thu . Điều này có nghĩa là bộ phát thường phải ở điện áp cao hơn bộ thu.

Nếu bạn bị đốt cháy trên các công cụ khái niệm, hãy đi đến phần tiếp theo. Cách tốt nhất để tìm hiểu làm thế nào một bóng bán dẫn hoạt động là kiểm tra nó trong các mạch thực tế. Hãy xem xét một số ứng dụng!

Ứng dụng I: Công tắc

Một trong những ứng dụng cơ bản nhất của bóng bán dẫn là sử dụng nó để điều khiển dòng điện đến một phần khác của mạch - sử dụng nó như một công tắc điện. Điều khiển nó ở chế độ cắt hoặc bão hòa, bóng bán dẫn có thể tạo hiệu ứng bật / tắt nhị phân của công tắc.

Công tắc bóng bán dẫn là các khối xây dựng mạch quan trọng; chúng được sử dụng để tạo ra các cổng logic , tiếp tục 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 bóng bán dẫn

Hãy xem xét mạch chuyển đổi bóng bán dẫn cơ bản nhất: công tắc NPN. Ở đây chúng tôi sử dụng NPN để điều khiển đèn LED công suất cao:

Đầu vào điều khiển của chúng tôi chảy vào cơ sở, đầu ra được gắn với bộ thu và bộ phát được giữ ở một điện áp cố định.

Trong khi một công tắc bình thường sẽ yêu cầu một bộ truyền động được lật vật lý, thì công tắc này được điều khiển bởi điện áp ở chân đế. Một chân I / O của vi điều khiển, giống như chân trên Arduino , có thể được lập trình để tăng hoặc giảm để bật hoặc tắt đèn LED.

Khi điện áp ở đế lớn hơn 0,6V (hoặc bất cứ thứ V nào của bóng bán dẫn của bạn ), bóng bán dẫn bắt đầu bão hòa và trông giống như một mạch ngắn giữa bộ thu và bộ phát. Khi điện áp ở mức dưới 0,6V, bóng bán dẫn ở chế độ cắt - không có dòng điện vì nó trông giống như một mạch mở giữa C và E.

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

Tương tự như mạch NPN, cơ sở là đầu vào của chúng ta và bộ phát được gắn với một điện áp không đổi. Tuy nhiên, lần này, bộ phát được buộc cao và tải được kết nối với bóng bán dẫn ở phía mặt đất.

Mạch này hoạt động tốt như công tắc dựa trên NPN, nhưng có một điểm khác biệt lớn: bật "tải", cơ sở phải thấp. Điều này có thể gây ra các biến chứng, đặc biệt là nếu điện áp cao của tải (V CC là 12V kết nối với bộ phát V E trong hình này) cao hơn điện áp cao của đầu vào điều khiển của chúng tôi. Ví dụ, mạch này sẽ không hoạt động nếu bạn đang cố sử dụng Arduino hoạt động 5V để tắt động cơ 12V. Trong trường hợp đó, nó muốn được không thể bật công tắc tắt vì V B (kết nối với pin điều khiển) sẽ luôn luôn được ít hơn V E .

Điện trở cơ sở!

Bạn sẽ nhận thấy rằng mỗi mạch đó sử dụng một điện trở nối tiếp giữa đầu vào điều khiển và đế của bóng bán dẫn. Đừng quên thêm điện trở này! Một bóng bán dẫn không có điện trở trên đế giống như một đèn LED không có điện trở giới hạn dòng điện .

Hãy nhớ lại rằng, theo một cách nào đó, một bóng bán dẫn chỉ là một cặp điốt được kết nối với nhau. Chúng tôi đang phân cực thuận cho diode phát cơ sở để bật tải. Các diode chỉ cần 0,6V để bật, điện áp nhiều hơn có nghĩa là nhiều dòng điện hơn. Một số bóng bán dẫn chỉ có thể được định mức cho dòng điện tối đa 10-100mA để chạy qua chúng. Nếu bạn cung cấp dòng điện trên mức tối đa, bóng bán dẫn có thể sẽ nổ tung.

Các điện trở nối tiếp giữa nguồn điều khiển của chúng tôi và cơ sở giới hạn dòng điện vào cơ sở . Nút phát cơ sở có thể giảm điện áp hạnh phúc 0,6V và điện trở có thể giảm điện áp còn lại. Giá trị của điện trở và điện áp trên nó sẽ đặt dòng điện.

Chuyển đổi một đèn LED với một bóng bán dẫn

Các điện trở cần phải đủ lớn để có hiệu quả hạn chế hiện nay, nhưng cũng đủ nhỏ để nuôi cơ sở đủ hiện hành. 1mA đến 10mA thường sẽ là đủ, nhưng hãy kiểm tra bảng dữ liệu của bóng bán dẫn của bạn để đảm bảo.

Logic kỹ thuật số

Các bóng bán dẫn có thể được kết hợp để tạo ra tất cả các cổng logic cơ bản của chúng tôi : VÀ, HOẶC và KHÔNG.

(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.)

Biến tần

Đây là một mạch bán dẫn thực hiện một biến tần , hoặc cổng KHÔNG:

Một biến tần được xây dựng từ các bóng bán dẫn.

Ở đây một điện áp cao vào cơ sở sẽ bật bóng bán dẫn, sẽ kết nối hiệu quả bộ thu với bộ phát. Vì bộ phát được kết nối trực tiếp với mặt đất, bộ thu cũng sẽ như vậy (mặc dù nó sẽ cao hơn một chút, ở đâu đó quanh V CE (sat) ~ 0,05-0,2V). Nếu đầu vào thấp, mặt khác, bóng bán dẫn trông giống như một mạch mở và đầu ra được kéo lên tới VCC

(Đây thực sự là một cấu hình bóng bán dẫn cơ bản được gọi là bộ phát chung . Thêm về điều đó sau.)

Và cổng

Dưới đây là một cặp bóng bán dẫn được sử dụng để tạo cổng AND 2 đầu vào :

Cổng 2 đầu vào được xây dựng từ các bóng bán dẫn.

Nếu một trong hai bóng bán dẫn bị tắt, thì đầu ra tại bộ thu của bóng bán dẫn thứ hai sẽ bị kéo xuống mức thấp. Nếu cả hai bóng bán dẫn đều "bật" (cả hai đều cao), thì đầu ra của mạch cũng cao.

Cổng OR

Và cuối cùng, đây là cổng OR 2 đầu vào :

Cổng OR 2 đầu vào được xây dựng từ các bóng bán dẫn.

Trong mạch này, nếu một trong hai (hoặc cả hai) A hoặc B cao, bóng bán dẫn tương ứng đó sẽ bật và kéo đầu ra cao. Nếu cả hai bóng bán dẫn đều tắt, thì đầu ra được kéo thấp qua điện trở.

Cầu H

Cầu H là một mạch dựa trên bóng bán dẫn có khả năng điều khiển động cơ cả theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ . Đó là một mạch cực kỳ phổ biến - động lực đằng sau vô số robot phải có khả năng di chuyển cả tiến và lùi.

Về cơ bản, cầu H là sự kết hợp của bốn bóng bán dẫn với hai dòng đầu vào và hai đầu ra:

Bạn có thể đoán tại sao nó được gọi là cầu H không?

(Lưu ý: thường có thêm một chút nữa cho cây cầu H được thiết kế tốt bao gồm điốt flyback, điện trở cơ sở và bộ kích hoạt Schmidt.)

Nếu cả hai đầu vào là cùng một điện áp, đầu ra cho động cơ sẽ có cùng điện áp và động cơ sẽ không thể quay. Nhưng nếu hai đầu vào ngược nhau, động cơ sẽ quay theo hướng này hay hướng khác.

Cây cầu H có một bảng chân lý trông giống như thế này:

Đầu vào A	Đầu vào B	Đầu ra A	Đầu ra B	Hướng 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)

Dao động

Một bộ tạo dao động là một mạch tạo ra tín hiệu định kỳ dao động giữa điện áp cao và thấp. Bộ tạo 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 các tinh thể thạch anh, các ampe kế và tất nhiên là các bóng bán dẫn.

Đây là một mạch dao động ví dụ, mà chúng ta gọi là một bộ đa năng đáng kinh ngạc . Bằng cách sử dụng thông tin phản hồi, chúng ta có thể sử dụng một cặp bóng bán dẫn để tạo ra hai tín hiệu bổ sung, dao động.

Ngoài hai bóng bán dẫn, các tụ điện là chìa khóa thực sự cho mạch này. Các nắp thay thế sạc và xả, làm cho hai bóng bán dẫn thay thế bật và tắt.

Phân tích hoạt động của mạch này là một nghiên cứu xuất sắc trong hoạt động của cả nắp và bóng bán dẫn. Để bắt đầu, giả sử C1 được sạc đầy (lưu trữ điện áp khoảng V CC ), C2 được xả, Q1 bật và Q2 tắt. Đây là những gì xảy ra sau đó:

Nếu Q1 bật, thì tấm bên trái của C1 (trên sơ đồ) được kết nối với khoảng 0V. Điều này sẽ cho phép C1 xả qua bộ thu của Q1.
Trong khi C1 đang xả, C2 nhanh chóng sạc qua điện trở giá trị thấp hơn - R4.
Khi C1 xả hoàn toàn, tấm bên phải của nó sẽ được kéo lên khoảng 0,6V, sẽ bật lên Q2.
Tại thời điểm này, chúng tôi đã hoán đổi trạng thái: C1 được xả, C2 được sạc, Q1 tắt và Q2 được bật. Bây giờ chúng tôi thực hiện cùng một điệu nhảy theo cách khác.
Q2 đang bật cho phép C2 xả qua bộ thu của Q2.
Trong khi Q1 tắt, C1 có thể sạc, tương đối nhanh chóng thông qua R1.
Khi C2 xả hoàn toàn, Q1 sẽ được bật lại và chúng tôi trở lại trạng thái chúng tôi bắt đầu.

Nó có thể khó khăn để quấn đầu của bạn xung quanh. Bạn có thể tìm thấy một bản demo tuyệt vời của mạch này ở đây .

Bằng cách chọn các giá trị cụ thể cho C1, C2, R2 và R3 (và giữ cho R1 và R4 tương đối thấp), chúng tôi có thể đặt tốc độ của mạch đa hệ số:

Vì vậy, với các giá trị cho mũ và điện trở được đặt thành 10 10FF và 47kΩ, tần số dao động của chúng tôi là khoảng 1,5 Hz. Điều đó có nghĩa là mỗi đèn LED sẽ nhấp nháy khoảng 1,5 lần mỗi giây.

Như bạn có thể đã thấy, có rất nhiều mạch điện sử dụng bóng bán dẫn. Nhưng chúng tôi hầu như không trầy xước bề mặt. Những ví dụ này chủ yếu chỉ ra làm thế nào bóng bán dẫn có thể được sử dụng trong các chế độ bão hòa và cắt như một công tắc, nhưng về khuếch đại thì sao? Thời gian cho nhiều ví dụ!

Ứng dụng II: Bộ khuếch đại

Một số ứng dụng bóng bán dẫn mạnh nhất liên quan đến khuếch đại: biến tín hiệu công suất thấp thành công suất cao hơn. Bộ khuếch đại có thể tăng điện áp của tín hiệu, lấy thứ gì đó từ phạm vi daoV và chuyển đổi nó thành mức mV hoặc V hữu ích hơn. Hoặc chúng có thể khuếch đại dòng điện, hữu ích cho việc biến dòngA của dòng được tạo ra bởi điốt quang thành dòng có cường độ cao hơn nhiều. Thậm chí có những bộ khuếch đại lấy dòng điện trong và tạo ra điện áp cao hơn hoặc ngược lại (được gọi là transresistance và transconductance tương ứng).

Các bóng bán dẫn là một thành phần quan trọng cho nhiều mạch khuếch đại. Có rất nhiều bộ khuếch đại bóng bán dẫn dường như vô tận, nhưng may mắn thay, rất nhiều trong số chúng dựa trên một số các mạch nguyên thủy hơn này. Hãy nhớ các mạch này, và, hy vọng, với một chút khớp mẫu, bạn có thể hiểu được các bộ khuếch đại phức tạp hơn.

Cấu hình chung

Ba trong số các bộ khuếch đại bóng bán dẫn cơ bản nhất là: bộ phát chung, bộ thu chung và cơ sở chung. Trong mỗi ba cấu hình, một trong ba nút được gắn vĩnh viễn với một điện áp chung (thường là nối đất) và hai nút còn lại là đầu vào hoặc đầu ra của bộ khuếch đại.

Emitter chung

Bộ phát chung là một trong những cách sắp xếp bóng bán dẫn phổ biến hơn. Trong mạch này, bộ phát được gắn với một điện áp chung cho cả đế và bộ thu (thường là mặt đất). Cơ sở trở thành đầu vào tín hiệu và bộ thu trở thành đầu ra.

Mạch phát phổ biến là phổ biến vì nó phù hợp để khuếch đại điện áp , đặc biệt là ở tần số thấp. Chúng tuyệt vời để khuếch đại tín hiệu âm thanh, ví dụ. Nếu bạn có tín hiệu đầu vào cực đại 1,5V nhỏ, bạn có thể khuếch đại tín hiệu đó đến điện áp cao hơn nhiều bằng cách sử dụng mạch phức tạp hơn một chút, như:

Tuy nhiên, một điều khó hiểu của bộ phát chung là nó đảo ngược tín hiệu đầu vào (so sánh nó với biến tần từ trang cuối!).

Collector chung (Người theo dõi Emitter)

Nếu chúng ta buộc pin collector với một điện áp chung, sử dụng cơ sở làm đầu vào và bộ phát làm đầu ra, chúng ta có một bộ thu chung. Cấu hình này còn được gọi là một người theo dõi phát .

Bộ thu chung không thực hiện bất kỳ khuếch đại điện áp nào (trên thực tế, điện áp ra sẽ thấp hơn 0,6V so với điện áp trong). Vì lý do đó, mạch này đôi khi được gọi là tín hiệu điện áp .

Mạch này có tiềm năng lớn như một bộ khuếch đại hiện tại . Thêm vào đó, mức tăng dòng điện cao kết hợp với mức tăng điện áp gần thống nhất làm cho mạch này trở thành bộ đệm điện áp tuyệt vời . Một bộ đệm điện áp ngăn chặn mạch tải khỏi sự can thiệp không mong muốn vào mạch điều khiển nó.

Ví dụ: nếu bạn muốn cung cấp 1V cho tải, bạn có thể đi một cách dễ dàng và sử dụng bộ chia điện áp hoặc bạn có thể sử dụng bộ theo dõi phát.

Khi tải trở nên lớn hơn (ngược lại, có nghĩa là điện trở thấp hơn) đầu ra của mạch phân chia điện áp giảm. Nhưng đầu ra điện áp của bộ theo dõi phát vẫn ổn định, bất kể tải là gì. Tải lớn hơn không thể "tải xuống" một người theo dõi phát, giống như họ có thể mạch với trở kháng đầu ra lớn hơn.

Cơ sở, nền tảng chung

Chúng ta sẽ nói về cơ sở chung để cung cấp một số đóng cho phần này, nhưng đây là cấu hình cơ bản ít phổ biến nhất trong ba cấu hình cơ bản. Trong một bộ khuếch đại cơ sở chung, bộ phát là đầu vào và bộ thu là đầu ra. Các cơ sở là chung cho cả hai.

Cơ sở chung giống như người chống phát. Đây là một bộ khuếch đại điện áp khá, và dòng điện vào gần bằng với dòng điện ra (thực tế dòng điện vào lớn hơn một chút so với dòng điện ra).

Các mạch cơ sở phổ biến hoạt động tốt nhất như một bộ đệm hiện tại . Nó có thể lấy dòng điện đầu vào ở mức trở kháng đầu vào thấp và cung cấp gần như dòng điện đó cho đầu ra trở kháng cao hơn.

Tóm tắt

Ba cấu hình bộ khuếch đại này là trung tâm của nhiều bộ khuếch đại bóng bán dẫn phức tạp hơn. Chúng đều có các ứng dụng mà chúng tỏa sáng, cho dù chúng khuếch đại dòng điện, điện áp hoặc bộ đệm.

	Emitter chung	Người sưu tầm chung	Cơ sở, nền tảng chung
Tăng điện áp	Trung bình	Thấp	Cao
Lợi ích hiện tại	Trung bình	Cao	Thấp
Trở kháng đầu vào	Trung bình	Cao	Thấp
Trở kháng đầu ra	Trung bình	Thấp	Cao

Bộ khuếch đại đa tầng

Chúng ta có thể tiếp tục và về rất nhiều bộ khuếch đại bóng bán dẫn ngoài kia. Dưới đây là một vài ví dụ nhanh để thể hiện điều gì xảy ra khi bạn kết hợp các bộ khuếch đại một tầng ở trên:

Anh yêu

Bộ khuếch đại Darlington chạy một bộ thu chung vào một bộ thu khác để tạo ra bộ khuếch đại khuếch đại dòng điện cao .

Điện áp ra là về giống như điện áp trong (trừ khoảng 1.2V-1.4V), nhưng mức tăng hiện nay là sản phẩm của hai tăng transistor. Đó là β 2 - lên tới 10.000!

Cặp Darlington là một công cụ tuyệt vời nếu bạn cần lái một tải lớn với dòng điện đầu vào rất nhỏ.

Bộ khuếch đại vi sai

Bộ khuếch đại vi sai trừ hai tín hiệu đầu vào và khuếch đại sự khác biệt đó. Đây là một phần quan trọng của các mạch phản hồi, trong đó đầu vào được so sánh với đầu ra, để tạo ra đầu ra trong tương lai.

Đây là nền tảng của amp vi sai:

Mạch này cũng được gọi là một cặp đuôi dài . Đó là một cặp mạch phát chung được so sánh với nhau để tạo ra một đầu ra khác biệt. Hai đầu vào được áp dụng cho các cơ sở của bóng bán dẫn; đầu ra là một điện áp vi sai trên hai bộ thu.

Ampli kéo

Bộ khuếch đại kéo đẩy là "giai đoạn cuối" hữu ích trong nhiều bộ khuếch đại nhiều tầng. Đó là một bộ khuếch đại năng lượng hiệu quả năng lượng, thường được sử dụng để lái loa.

Bộ khuếch đại kéo cơ bản sử dụng bóng bán dẫn NPN và PNP, cả hai đều được cấu hình là bộ thu chung:

Bộ khuếch đại kéo không thực sự khuếch đại điện áp (điện áp ra sẽ nhỏ hơn một chút so với), nhưng nó khuếch đại dòng điện. Nó đặc biệt hữu ích trong các mạch hai cực (những nguồn có nguồn cung cấp tích cực và tiêu cực), bởi vì nó có thể "đẩy" dòng điện vào tải từ nguồn cung cấp tích cực, và "kéo" dòng điện ra và chìm vào nguồn cung cấp âm.

Nếu bạn có nguồn cung cấp hai cực (hoặc thậm chí nếu bạn không), thì kéo đẩy là giai đoạn cuối cùng tuyệt vời cho bộ khuếch đại, hoạt động như một bộ đệm cho tải.

Đặt chúng lại với nhau (Bộ khuếch đại hoạt động)

Hãy xem xét một ví dụ cổ điển về mạch bán dẫn nhiều tầng: Op Amp . Có thể nhận ra các mạch bóng bán dẫn thông thường, và hiểu mục đích của chúng có thể giúp bạn đi một chặng đường dài! Đây là mạch bên trong LM3558 , một amp op thực sự đơn giản:

Các bộ phận bên trong của một bộ khuếch đại hoạt động LM58. Nhận biết một số bộ khuếch đại?

Chắc chắn có sự phức tạp ở đây nhiều hơn bạn có thể chuẩn bị để tiêu hóa, tuy nhiên bạn có thể thấy một số cấu trúc liên kết quen thuộc:

Q1, Q2, Q3 và Q4 tạo thành giai đoạn đầu vào. Trông rất giống một bộ sưu tập chung (Q1 và Q4) thành một bộ khuếch đại vi sai , phải không? Nó chỉ nhìn lộn ngược, bởi vì nó đang sử dụng PNP. Các bóng bán dẫn này giúp hình thành tầng vi sai đầu vào của bộ khuếch đại.
Q11 và Q12 là một phần của giai đoạn thứ hai. Q11 là một bộ sưu tập chung và Q12 là một bộ phát chung . Cặp bóng bán dẫn này sẽ đệm tín hiệu từ bộ thu của Q3 và cung cấp mức tăng cao khi tín hiệu đi đến giai đoạn cuối cùng.
Q6 và Q13 là một phần của giai đoạn cuối và chúng cũng trông quen thuộc (đặc biệt nếu bạn bỏ qua R SC ) - đó là một cú hích ! Giai đoạn này đệm đầu ra, cho phép nó lái tải lớn hơn.
Có nhiều cấu hình phổ biến khác trong đó mà chúng ta chưa nói đến. Q8 và Q9 được cấu hình như một tấm gương hiện tại , nó chỉ đơn giản là sao chép lượng dòng điện qua một bóng bán dẫn khác.

Sau khóa học sự cố này trong bóng bán dẫn, chúng tôi sẽ không mong bạn hiểu những gì đang diễn ra trong mạch này, nhưng nếu bạn có thể bắt đầu xác định các mạch bán dẫn phổ biến thì bạn đang đi đúng hướng!

Transitor mua hàng

Giờ đây, khi bạn đang kiểm soát nguồn kiểm soát, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng Bộ công cụ của SparkFun Inventor để mang lại kiến thức mới tìm thấy của bạn. Chúng tôi cũng đã cung cấp các liên kết đến một bộ bán dẫn và các bóng bán dẫn duy nhất để chèn vào các dự án của riêng bạn.