Máy điện - Transitor lưỡng cực

GIỚI THIỆU VÀ ỨNG DỤNG CỦA TRANSITOR Transitor Transitor lưỡng cực Biopolar Junction Transitor  Transistor là linh kiện bán dẫn được ứng dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trong các ứng dụng khuếch đại, điều khiển đóng ngắt bằng điện, điều chế tín hiệu hay tạo dao động. Transistor đóng vai trò các khối cơ bản trong các mạch điện của các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại... Transitor lưỡng cực Biopolar Junction Transitor  Cấu tạo: Transistor lưỡng cực cấu tạo gồm các miền bán dẫn pha tạp p và n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là npn và pnp như hình vẽ: Mũi tên bao giờ cũng được đặt giữa hai cực B và E. Chiều mũi tên cho biết transistor là loại npn hay pnp. Chiều mũi tên hướng từ p sang n Transitor lưỡng cực Biopolar Junction Transitor  Transistor có 3 điện cực:  E – Emitter  B – Base  C – Collector  Hai tiếp giáp:  tiếp giáp pn giữa Emitter và Base gọi là JE.  tiếp giáp pn giữa Collector và Base gọi là JC.  Về mặt cấu trúc, có thể coi transistor như hai diode mắc đối nhau như hình vẽ. Nhưng điều này không có nghĩa là cứ mắc hai diode như hình là có thể thực hiện chức năng của transistor. Transitor lưỡng cực Biopolar Junction Transitor Transitor lưỡng cực Biopolar Junction Transitor  Nguyên lý hoạt động Transistor có 2 tiếp giáp pn, mỗi tiếp giáp pn có 2 khả năng hoặc phân cực thuận hoặc phân cực ngược. Kết hợp lại, ta có thể có 4 trường hợp hoạt động của transistor như sau: JE JC Miền làm việc Ứng dụng Phân cực ngược Phân cực ngược Miền cắt Khóa Phân cực thuận Phân cực ngược Miền tích cực Khuếch đại Phân cực thuận Phân cực thuận Miền bão hòa Khóa Phân cực ngược Phân cực thuận Tích cực ngược Transitor lưỡng cực Biopolar Junction Transitor  Để transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại, JE phân cực thuận và JC phân cực ngược. Sự tác động qua lại của 3 lớp bán dẫn trong transistor tạo ra những liên hệ cơ bản trong transistor như sau: là hệ số khuếch đại dòng điện (50÷250) là hệ số truyền đạt dòng điện. (≈1) BCE III  B C I I  E C I I  1 1 1 1 1         C B C E I I I I Transitor lưỡng cực Biopolar Junction Transitor  Các dạng mắc mạch cơ bản của transistor: Khi sử dụng, về nguyên tắc có thể dùng 2 trong 3 cực của transistor làm đầu vào và cực thứ 3 còn lại cùng với 1 cực đầu vào làm đầu ra. Như vậy, có tất cả 6 cách mắc khác nhau. Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có 1 cực chung cho cả đầu ra và đầu vào. Trong 6 cách mắc đó, chỉ có 3 cách mắc là transistor có thể khuếch đại công suất đó là cách mắc chung Emitter (EC), chung Base (BC) và chung Collector (CC). Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế. Sau đây ta sẽ xem xét từng cách mắc, đặc tuyến vào ra tương ứng. Mạch chung Emitter(EC)  Mạch chung Emitter (EC):  Trong cách mắc E chung, cực E được lấy làm cực chung cho đầu vào và đầu ra. Điện áp vào là UBE, điện áp ra là UCE. Dòng điện vào là dòng IB, dòng điện ra là dòng IC. Mạch chung Emitter(EC)  Đặc tuyến vào:  Đặc tuyến vào của transistor mắc EC giống như đặc tuyến của diode phân cực thuận : dòng IB trong trường hợp này chính là 1 phần của dòng IE chảy qua chuyển tiếp JE phân cực thuận.  Với UBE=const, khi UCE càng lớn thì IB càng nhỏ và ngược lại. constUBEB CE UfI  )( Mạch chung Emitter(EC)  Đặc tuyến ra:  Khi điện áp UCE nhỏ, độ dốc của đặc tuyến là khá lớn. Quan hệ giữa IC và UCE gần như là đường thẳng.  Khi UCE lớn hơn 2V, dòng điện IC gần như không phụ thuộc vào UCE. Trong vùng này, giá trị của IC bằng khoảng 100 lần IB constICEC B UfI  )( Mạch chung Emitter(EC) Mạch chung Emitter(EC)  Nhận xét :  Đối với transistor mắc EC, miền tích cực là miền có JE phân cực thuận, JC phân cực ngược. JE phân cực thuận tương ứng với UBE>0, từ đặc tuyến vào ta thấy khi UBE>0 thì IB>0. JC phân cực ngược ứng với UBC<0. Miền tích cực được giới hạn bởi đường IB=0 và UBC=0.  Khi IB<0, JE phân cực ngược. Như vậy, vùng nằm dưới đường IB=0 có cả hai tiếp giáp phân cực ngược, vùng này được gọi là miền cắt.  Khi UBC>0, JC phân cực thuận. Như vậy, vùng nằm bên trái đường UBC=0 có cả hai tiếp giáp phân cực thuận, vùng này được gọi là miền bão hòa. Mạch chung Base(BC)  Trong cách mắc B chung, cực B được lấy làm cực chung cho đầu vào và đầu ra. Điện áp vào là UEB, điện áp ra là UCB. Dòng điện vào là dòng IE, dòng điện ra là dòng IC. Mạch chung Base(BC)  Đặc tuyến vào: constUEBE CBUfI  )( Mạch chung Base(BC)  Nhận xét  Vì tiếp giáp JE luôn phân cực thuận nên đặc tuyến vào của transistor mắc B chung cơ bản giống với đặc tuyến của diode phân cực thuận. IE chính là dòng điện qua diode, UEB chính là điện áp trên diode.  So với cách mắc EC, ta thấy dòng điện vào IE ở đây lớn hơn rất nhiều (đơn vị là mA).  Từ hình vẽ, ta thấy với UEB=const, dòng điện IE sẽ càng lớn khi UCB càng lớn và ngược lại. Mạch chung Base(BC)  Đặc tuyến ra:  Từ đặc tuyến ra ta thấy, với IE cố định, IC gần bằng IE và gần như không phụ thuộc vào điện áp ra UCB. Điều này có thể dễ thấy từ công thức: EC II . 1 Mạch chung Collector(CC)  Trong cách mắc C chung, cực C được lấy làm cực chung cho đầu vào và đầu ra. Điện áp vào là UBC, điện áp ra là UEC. Dòng điện vào là dòng IB, dòng điện ra là dòng IE Mạch chung Collector(CC)  Đặc tuyến vào:  Ta có: Với tiếp giáp JE phân cực thuận, UEB luôn giữ cố định (UEB=-0.7V cho Silic, UEB=-0.3V cho Gecmani). Vì vậy, UBC phụ thuộc hoàn toàn vào UEC, các họ đặc tuyến có dạng đường thẳng song song với trục tung. constUBCB EC UfI  )( BCEBEC UUU  Mạch chung Collector  Đặc tuyến ra:  Khi điện áp UCE nhỏ, độ dốc của đặc tuyến là khá lớn. Quan hệ giữa IC và UCE gần như là đường thẳng.  Khi UCE lớn hơn 2V, dòng điện IC gần như không phụ thuộc vào UCE. Trong vùng này, giá trị của IC bằng khoảng 100 lần IB. constIECE B UfI  )( Phân cực cho transistor  Phân cực là cấp điện áp một chiều cho transistor để transistor hoạt động ở chế độ mong muốn. Ví dụ, đối với trường hợp transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại thì cần thỏa mãn các điều kiện sau:  JE phân cực thuận  JC phân cực ngược  Đường tải tĩnh: là đường thẳng quan hệ giữa dòng điện và điện áp ra trong mạch cụ thể. Đường tải tĩnh được vẽ trên đồ thị cùng với đặc tuyến ra tĩnh của transistor.  Điểm công tác tĩnh: là điểm giao giữa đường tải tĩnh và đặc tuyến ra của transistor. Điểm công tác tĩnh xác định dòng điện và điện áp trên transistor, nghĩa là xác định điều kiện phân cực tĩnh cho transistor. Phân cực cho transistor Ổn định điểm công tác khi nhiệt độ thay đổi  Transistor là linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ. Ngoài các giới hạn nhiệt độ cực đại, ngay cả trong khoảng nhiệt độ transistor làm việc bình thường thì sự biến thiên của nhiệt độ cũng ảnh hưởng lớn đến các tham số của transistor. Hai tham số chịu ảnh hưởng lớn nhất là điện áp Base-Emitter UBE và dòng điện ngược trên tiếp giáp JC là dòng ICBo CBoBC III ).1(.   Ổn định điểm công tác khi nhiệt độ thay đổi  Khi nhiệt độ tăng, dòng điện ngược ICBo tăng làm cho IC tăng, IC tăng làm tăng sự va chạm giữa các hạt và làm nhiệt độ tăng. Nhiệt độ tăng lại làm cho ICbo tăng, quá trình cứ thế lặp lại làm hệ rất mất ổn định, hiện tượng này gọi là hiệu ứng quá nhiệt. Hiệu ứng quá nhiệt làm thay đổi điểm công tác tĩnh và có thể làm hỏng transistor.  Nhiệt độ tăng làm UBE tăng, UBE tăng làm IC tăng, tuy nhiên ảnh hưởng của UBE đến IC không lớn như ICBo. Vì vậy, khi nói ảnh hưởng của nhiệt độ đến điểm công tác thường chỉ nói đến tác động của ICBo. Ổn định điểm công tác khi nhiệt độ thay đổi  Hệ số ổn định nhiệt của transistor được định nghĩa như sau :  Hệ số ổn định nhiệt cho biết mức độ thay đổi của IC khi ICBo thay đổi. Như vậy, hệ số ổn định nhiệt S càng nhỏ thì tính ổn định nhiệt càng cao. CBo C I I S    C BCBo C I II I S         .1 1   Phân cực cho transistor bằng dòng cố định Phân cực cho transistor bằng dòng cố định  Áp dụng định luật Kirchhoff về vòng điện áp cho vòng (E,R1,BE) ta có:  Dòng điện IB=const không phụ thuộc vào các tham số của transistor nên mạch được gọi là mạch phân cực bằng dòng (IB) cố định. 11 1 7.0 0 R E R UE I URIE BE B BEB      Phân cực cho transistor bằng dòng cố định  Áp dụng định luật Kirchhoff về vòng điện áp cho vòng (E,R2,CE) ta có  Đây chính là phương trình đường tải tĩnh của mạch  Xét tính ổn định nhiệt của mạch, do IB=const nên: 0. 2  CEC URIE 0   C B I I 1 .1 1             C BCBo C I II I S Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi  Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng mạch (E,R2,R1,BE) ta có  (1)  thay vào ta có 0)( 0.. 12 122   BEBBC BEB URIRIIE URIRIE BC II . 21 12 )1( 0)1( RR UE I URIRIE BE B BEBB       Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi  Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng mạch (E,R2,CE) ta có  Đây chính là phương trình đường tải tĩnh của mạch. 0) 1 1( 0)( 2 2   CEC CEBC URIE URIIE  Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi  Xét tính ổn định nhiệt của mạch, từ biểu thức (1) ta có  Khi R2>>R1 thì ta có S=1. Như vậy, hệ số ổn định nhiệt S luôn lớn hơn hoặc bằng 1. 21 2 21 2 21 12 . 0)( RR R I I RR R I RR UE I URIRIIE C B C BE B BEBBC           21 2.1 1 .1 1 RR R I II I S C BCBo C                 Phân cực cho transistor bằng dòng Emitter (tự phân cực) Phân cực cho transistor bằng dòng Emitter (tự phân cực)  Áp dụng định lý Thevenin cho mạch phân áp chạy qua R1 và R2, ta có sơ đồ mạch tương đương như sau 21 2 21 21 . RR RE U RR RR R B B     Phân cực cho transistor bằng dòng Emitter (tự phân cực)  Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng điện áp (UB,RB,BE,RE) ta có  Vì giá trị ICBo rất nhỏ có thể bỏ qua được, khi đó     ECBoBEEBBB EBCBoBBEBBB BCBoBBCE EEBEBBB RIURRIU RIIIURIU IIIIIIMà RIURIU )1()1( 0)1( )1( 0        EB BEB B RR UU I )1(    Phân cực cho transistor bằng dòng Emitter (tự phân cực)  Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng điện áp (E,RC,CE,RE) ta có  Viết lại biểu thức vòng điện áp cho (UB,RB,BE,RE), ta có: 0 EECECC RIURIE BE E C B EB E C EB BEB B EBCBEBBB EEBEBBB RR R I I RR R I RR UU I RIIURIU RIURIU            . 0)( 0 Phân cực cho transistor bằng dòng Emitter (tự phân cực)  Hệ số ổn định nhiệt  Khi RE>>RB thì S  Khi RE<<RB thì S BE E C BCBo C RR R I II I S             .1 1 .1 1     1 1