Bài giảng Điện tử căn bản - Bài 5: Transistor lưỡng cực (BJT)

Nội dung text: Bài giảng Điện tử căn bản - Bài 5: Transistor lưỡng cực (BJT)

1. Bài 5: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) I. Tổng quát: 1. Cấu tạo – ký hiệu: E E Cực phát N P N Cực thu B Cực phát P N P Cực thu B C C Cực nền Transistor NPN và ký hiệu Cực nền Transistor PNP và ký hiệu  Transistor gồm hai mối nối PN để hình thành nên 3 vùng . Cực nền B ( Base): rất mỏng và nồng độ tạp chất rất ít, do vậy mà có ít hạt mang điện. . Cực phát E ( Emitter): vùng này rộng và nồng độ tạp chất cao, do vậy mà có nhiều hạt mang điện. . Cực thu C ( Collector) vùng rộng nhất và nồng độ tạp chất thì ít hơn cực phát, do đó mà những hạt mang điện cũng ít hơn cực phát.
2. BJT được tạo thành bởi 2 chuyển tiếp P-N nằm rất gần nhau trong một phiến bán dẫn đơn tinh thể. Về mặt cấu tạo có thể xem BJT do 3 lớp bán dẫn tiếp xúc nhau tạo nên, trong đó lớp ở giữa có bề dày rất bé (cở 10- 4 cm) và khác loại với 2 lớp bên cạnh. Các lớp bán dẫn được đặt trong vỏ kính bằng plastic hoặc kim loại, chỉ có 3 sợi kim loại dẫn ra ngoài gọi là 3 cực của BJT và có tên là: + E : (Emitter) cực phát ; (cực gốc) + B : (Base) cực khiển (cực nền) + C : (Collector) cực thu (cực góp)
3. Có hai loại transistor lưỡng cực: NPN và PNP. Hình 5.1: Cấu tạo và ký hiệu BJT loại PNP Hình 5.2: Cấu tạo và ký hiệu BJT loại NPN
4. Do cấu tạo như trên mà hình thành nên hai mối nối P-N rất gần nhau. + Mối nối P-N ở ranh giới giữa miền phát và miền thu gọi là mối nối BE, ký hiệu là JE. + Mối nối P-N ở ranh giới giữa miền nền và miền thu gọi là mối nối BC, ký hiệu là JC. Hoạt động của BJT chủ yếu dựa trên sự tương tác giữa hai mối nối rất gần nhau này.
5. 2. Hình dáng và tên gọi: Transistor trong ĐTDĐ Hình 5.3: Hình dáng transistor
6. BJT thông dụng trên thị trường là theo ký hiệu của Nhật. Dùng 4 chữ A, B, C, D để đặt tên cho BJT với chữ đứng đầu là 2S. Ví dụ : 2SA1015: 2S: chỉ Transistor BJT; A: chỉ loaiï pnp; 1015: Mã số tra cứu. 2SC1815: 2S: chỉ Transistor BJT; C: chỉ loại npn; 1815: Mã số tra cứu.
7. II. Phaân cöïc transistor: e e I e I N P N c + VEE V + CC Ib Phân cực transistor
8. Mối quan hệ giữa các dòng điện trong transistor IE = IC+ IB IE I C Độ lợi dòng Transistor Transistor là một linh kiện khuếch đại. Có 1 dòng IB nhỏ sẽ làm tăng dòng IC lớn. Độ lợi dòng DC là: IB Alpha = IC/ IE Beta  = IC/ IB Thể hiện dòng điện chảy trong transistor Mối quan hệ giữa và   = / ( 1 - ) =  / ( 1+ )
9. 1. Cấu hình B chung ( B_C) +Vcc V in RL Rc R1 C3 + Vout C2 RL Q1 + NPN C1 + Vin R2 RE Cấu hình transistor ghép B-C Dòng vào là IE , dòng ra IC; điện áp vào VEB, còn điện áp ra VCB. Đối với mạch này thì tín hiệu giữa ngõ vào và ngõ ra đồng pha nhau. Trở kháng ngõ vào thấp còn trở kháng ngõ ra cao. Độ lợi dòng lớn nhất bằng 1. Cực nền được nối với mass AC.
10. + Vcc 2.Cấu hình E chung (E-C): Rc R1 C3 + Vout RL C1 Vin Q1 + NPN Vin R2 RE + C2 Cấu hình transistor ghép E-C Dòng vào là IB , dòng ra là IC, điện áp vào là VBE còn điện áp ra là VCE. Đối với mạch này thì tín hiệu giữa ngõ vào và ngõ ra đảo pha nhau. Trở kháng ngõ vào vài k ,còn trở kháng ngõ ra vài chục k. Đối với mạch này thì thường dùng trong mạch khuếch đại công suất vì vừa khuếch đại áp, dòng.
11. 3.Cấu hình C chung ( C_C): Vcc R1 Vin Vin C1 Q1 + NPN C2 + Vout R2 RE RL RL Cấu hình transistor ghép CC Dòng vào là dòng IB , dòng ra là dòng IE, điện áp vào là VBC còn điện áp ra là VEC. Đối với mạch này thì tín hiệu giữa ngõ vào và ngõ ra đồng pha nhau. Trở kháng ngõ vào cao trở kháng ngõ ra thấp. Độ lợi áp trong mạch này lớn nhất bằng 1.
12. Bảng tóm tắt 3 caùch gheùp transistor: Cách ráp Tổng trở Tổng trở Độ khuếch Độ khuếch Pha giữa tín vào rI ra r0 đại điện thế đại dòng hiệu vào và Av điện AI ra Vài chục Vài chụcvài E chung Vài KΩ Vài trăm lần Đảo pha KΩ trăm Vài trăm B Chung Vài KΩ Vài trăm lần 1 Đồng pha KΩ Vài trăm Vài chục Vài chục C Chung 1 Đồng pha KΩ Ω vài trăm
13. I. Phân cực transistor: 1.Phân cực bằng hai nguồn điện riêng: IC RC ICmax Đường tải tĩnh (dc) VCC Q(ICQ, VCEQ) ICQ RB R E V V VBB CC CE VCEQ Mạch phân cực Transistor bằng hai nguồn riêng và đường tải
14. 2. Phân cực bằng nguồn điện chung: RC RB VCC RE Mạch phân cực transistor bằng nguồn điện chung
15. 3. Phân cực cho cực B bằng cầu phân thế: RC RC RB1 V VCC CC R R B B2 R E RE VBB Mạch phân cực dùng cầu phân thế Mạch tương đương Công thức đổi nguồn theo Thevenine là: . RB2 RB1 RB2 V BB V CC RB RB1 RB2 RB1 RB2
16. 4. Dùng điện trở RE để ổn định nhiệt: RC RB1 VCC RB2 RE Mạch ổn định nhiệt transistor dùng điện trở RE
17. 5. Dùng điện trở RB hồi tiếp từ cực C: RC RB VCC RE Mạch ổn định nhiệt transistor dùng điện trở RB hồi tiếp từ cực C
18. Đặc tuyến ngõ vào (IB/IC) IB (A) RC VCC RB RE VBB V 0.45 0.5 0.55 0.6 Mạch điển hình Đặc tuyến ngõ vào transistor  Ở mỗi điện thế VBE thì dòng điện IB có trị số khác nhau ví dụ như • VBE 0,45V; IB 10A • VBE 0,5V ; IB 20A • VBE 0,55V; IB 30A • VBE 0,6V ; IB 40A  Đặc tuyến trên được vẽ ứng với điện thế VCE= 2v. Khi điện thế VCE > 2v thì đặc tuyến thay đổi không đáng kể
19. Đặc tuyến truyền dẫn:  Xét dịng điện IC theo điện thế VBE.  Đặc tuyến IC/ VBE cĩ dạng giống như đặc tuyến IB/ VBE nhưng dịng điện IC cĩ trị số lớn hơn IB nhiều lần. IC ( mA) Ở mỗi điện thế VBE, thì dòng điện IC có trị số khác nhau • VBE 0,45v ; IC= 1mA ; • VBE 0,5v ; IC = 2mA ; • VBE 0,55v ; IC 3mA; • VBE 0,6v ; IC 4mA;  Do đó ta có tỉ số • IC / IB =  gọi là độ khuếch đại dòng điện của transistor.  Ví dụ :Ở điện thế VBE = 0,5v.Thì IB = 20A, IC = 2mA. • 2mA  I C 100 20A I B V 0.45 0.5 0.55 0.6 Độ khuếch đại dòng điện thường có trị số lớn từ vài chục đến vài trăm lần.
20. Đặc tuyến ngõ ra ( IC/VCE) • Đặc tuyến ngõ ra transistor IC(mA) IB5 IC5 IB4 IC4 IB3 IC3 IB2 IC2 IB1 IC1 VCE
21. III. Các trạng thái hoạt động của transistor: 1.Chế độ ngắt (dùng transistor hoạt động ở trạng thái này làm tiếp điểm hở) I C Vùng ngắt Vùng khuếch đại Vùng bão hòa VCE . Khi điện áp phân cực VBE < V (điện áp ngưỡng của mối nối) thì xem như mối nối BE của transistor bị phân cực nghịch, dòng điện I của B C C transistor xấp xỉ bằng 0, dẫn đến IC 0 B và VCE VCC. . Mối nối BE : PCN. . Mối nối BC: PCN. E E • • Transistor hoạt động như tiếp điểm hở
22. 2.Chế độ bão hòa (dùng transistor làm tiếp điểm đóng): Khi phân cực cho transistor dẫn quá mạnh dẫn đến bão hòa. khi IB tăng thì IC tăng, làm cho VCE giảm dần cho đến khi VCE 0.2v gọi là điện áp bão hòa. I trong trường hợp này gọi là I C C C C bão hòa. Để transistor hoạt động bão hòa B thì: mối nối BE và BC phân cực thuận. E E Transistor hoạt động như tiếp điểm đóng
23. 3. Chế độ khuếch đại: . Khi ta phân cực cho transistor có VBE từ 0.5 – 0.7v thì transistor dẫn điện và có dòng điện IB. Dòng điện IC cũng tăng theo IB do chúng có mối liên hệ bởi biểu thức . IC = . IB (với  là hệ số khuếch đại dòng điện) . Khi IC tăng thì ta thấy rằng VCE sẽ giảm dần nhưng trong trường hợp này VCE sẽ không giảm đến mức còn 0.1v hay 0.2v như ở chế độ bão hoà. . Mối nối BE: PCT; BC: PCN. Mạch khuếch đại
24. Tóm lại: transistor hoạt động ở 3 chế độ : ngắt, bảo hoà và khuếch đại. Ở chế độ ngắt và bảo hoà thường được dùng như một tiếp điểm điện tử (tốc độ đóng ngắt cao), còn chế độ khuếch đại thì được dùng trong mạch khuếch đại tín hiệu. Vậy để transistor hoạt động một trong 3 vùng trên ta có nhận xét như sau: _ Transistor ở chế độ ngắt: mối nối BE: PCN; mối nối BC: PCN _ Transistor ở chế độ bảo hoà: mối nối BE: PCT; mối nối BC: PCT _ Transistor ở chế độ khuếch đại: mối nối BE: PCT; mối nối BC: PCN
25. Các thông số kỹ thuật của trasistor Độ khuếch đại dòng điện:  Điện thế giới hạn (BV: Breakdown Voltage): BVBCO, BVCEO, BVEBO. Dòng điện giới hạn: ICmax, IBmax. Công suất giới hạn: PDmax Tần số cắt: fcut-off Ví dụ như: Transistor 2SC458 có các thông số kỹ thuật sau:  = 230; BVCEO = 30v; BVEBO = 6v; BVCBO = 30v; PDmax = 200mW; fcut-off = 230Mhz ; ICmax = 100mA, loại NPN Si.
26. IV. Ứng dụng: Dùng transistor làm tiếp điểm điện tử PB C NO Đèn ~ R1 47k 12v Transistor 2N3904 Rơle 1k, 3.2mA cuộn dây C 100F R2 10k 1 Tụ điện 100F –10v R3 50k Mạch ứng dụng
27. •Các dạng vỏ transistor 3 C 3 C 3 1 2 1 B B 2 2 1 E 3 TO-46 hoặc TO-206AB SOT-23 hoặc TO-236AB 2 1 E 2 1 3 3 C Nhìn từ dưới transistor, cực E sát với thân transistor 2 3 C B 1 1 2 H1061 3 E 2 TO-92 hoặc B TO-226AA BCE 1 E
28. V. Phương pháp đo kiểm tra: 1. Xác định cực tính: a. Đo xác định chân B Nguyên tắc: Đặt đồng hồ VOM ở thang đo X1 Đặt một que đo cố định tại một chân, que còn lại đo hai chân kia kim lên hai lần bằng nhau khoảng 5Ω ÷ 7Ω. Chân có que đo cố định là chân B. + Nếu que đen cố định tại chân B thì transistor loại NPN. + Nếu que đen cố định tại chân B thì transistor loại NPN.
29. b. Đo xác định chân C và E: Đặt đồng hồ VOM ở thang đo X1K Đo giữa C và E hai lần đổi chiều que đo. Nếu transistor loại NPN trong mỗi lần đo dùng ngón tay chạm từ chân có que đen về chân B. Trong lần đo kim lên nhiều hơn que đỏ ở chân nào thì chân đó là E. Nếu transistor loại PNP trong mỗi lần đo dùng ngón tay chạm từ chân có que đỏ về chân B. Trong lần đo kim lên nhiều hơn que đỏ ở chân nào chân đó là chân C.
30. c. Xác định hư hỏng + Đo vào 2 chân BE và BC cả 2 chiều kim không lên  đứt mối nối BE hoặc BC + Đo vào 2 chân BE và BC cả 2 chiều kim lên = 0  chạm mối nối BE hoặc BC + Đo vào 2 chân CE cả 2 chiều kim lên = 0  Chạm mối nối CE + Đo vào 2 chân CE cả 2 chiều kim lên vài chục  đến vài chục K  rĩ mối nối CE