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

I. Tổng quát: Bài 5: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) 1. Cấu tạo – ký hiệu: B C E N P NCực phát Cực nền Cực thu Transistor NPN và ký hiệu Cực thuP N PCực phát Cực nền B C E 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. 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) Có hai loại transistor lưỡng cực: NPN và PNP. Hình 5.2: Cấu tạo và ký hiệu BJT loại NPN Hình 5.1: Cấu tạo và ký hiệu BJT loại PNP 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. 2. Hình dáng và tên gọi: Hình 5.3: Hình dáng transistor Transistor trong ĐTDĐ 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. Phân cực transistor Ib Ic Ie e e N P N VCC VEE + + II. Phaân cöïc transistor: IE = IC+ IB IB IE IC Thể hiện dòng điện chảy trong transistor 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: Alpha  = IC/ IE Beta  = IC/ IB Mối quan hệ giữa  và   =  / ( 1 - )  =  / ( 1+ ) Mối quan hệ giữa các dòng điện trong transistor RL Vin + Rc + C3 RL RE R2 R1 Q1 NPN + C1 Vin Vcc + C2 Vout 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. 1. Cấu hình B chung ( B_C) RL Vin + Rc + C3 RER2 R1 Q1 NPN + C2 Vin Vcc + C1 Vout 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. 2.Cấu hình E chung (E-C): RL Vin RL RE R2 R1 Q1 NPN + C2 Vout Vcc + C1Vin 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. 3.Cấu hình C chung ( C_C): Bảng tóm tắt 3 caùch gheùp transistor: Cách ráp Tổng trở vào rI Tổng trở ra r0 Độ khuếch đại điện thế Av Độ khuếch đại dòng điện AI Pha giữa tín hiệu vào và ra E chung Vài KΩ Vài chục KΩ Vài trăm lần Vài chụcvài trăm Đảo pha B Chung Vài KΩ Vài trăm KΩ Vài trăm lần  1 Đồng pha C Chung Vài trăm KΩ Vài chục Ω  1 Vài chục vài trăm Đồng pha I. Phân cực transistor: 1.Phân cực bằng hai nguồn điện riêng: RE VCC VBB RB RC VCC IC VCE ICmax Q(ICQ, VCEQ) Đường tải tĩnh (dc) VCEQ ICQ Mạch phân cực Transistor bằng hai nguồn riêng và đường tải 2. Phân cực bằng nguồn điện chung: RE VCC RB RC Mạch phân cực transistor bằng nguồn điện chung  RR R VV BB B CCBB 21 2   RE VCC RB1 RC RB2 RE VCC VBB RB RC Mạch phân cực dùng cầu phân thế Mạch tương đương 3. Phân cực cho cực B bằng cầu phân thế: Công thức đổi nguồn theo Thevenine là:  RR RR R BB BB B 21 21 .   4. Dùng điện trở RE để ổn định nhiệt: RE VCC RB1 RC RB2 Mạch ổn định nhiệt transistor dùng điện trở RE 5. Dùng điện trở RB hồi tiếp từ cực C: RE VCC RB RC Mạch ổn định nhiệt transistor dùng điện trở RB hồi tiếp từ cực C IB (A) V 0.45 0.5 0.55 0.6 RE VCC VBB RB RC Mạch điển hình Đặc tuyến ngõ vào transistor Đặc tuyến ngõ vào (IB/IC)  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 100 20 2  A mA I I B C   IC ( mA) V 0.45 0.5 0.55 0.6 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. 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. • Độ khuếch đại dòng điện thường có trị số lớn từ vài chục đến vài trăm lần. IC(mA) IC1 IC2 IC3 IC4 IC5 IB1 IB3 IB4 IB5 IB2 VCE Đặc tuyến ngõ ra ( IC/VCE) • Đặc tuyến ngõ ra transistor Vùng ngắt Vùng bão hòa Vùng khuếch đại VCE IC E C B C E  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 IB của transistor xấp xỉ bằng 0, dẫn đến IC  0 và VCE  VCC.  Mối nối BE : PCN.  Mối nối BC: PCN. III. Các trạng thái hoạt động của transistor: 1.Chế độ ngắt (dùng transistor hoạt động ở trạng thái này làm tiếp điểm hở) • • Transistor hoạt động như tiếp điểm hở EC B C E 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. IC trong trường hợp này gọi là IC bão hòa. Để transistor hoạt động bão hòa thì: mối nối BE và BC phân cực thuận. Transistor hoạt động như tiếp điểm đóng 2.Chế độ bão hòa (dùng transistor làm tiếp điểm đóng):  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 3. Chế độ khuếch đại: 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 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. IV. Ứng dụng: Dùng transistor làm tiếp điểm điện tử R1 47k R3 50k R2 10k PB C1 100F C Đèn ~ 12v NO Transistor 2N3904 Rơle 1k, 3.2mA cuộn dây Tụ điện 100F –10v Mạch ứng dụng 2 E 1 B 3 C 3 2 1 SOT-23 hoặc TO-236AB 3 2 1 1 E 2 B 3 C TO-46 hoặc TO-206AB Nhìn từ dưới transistor, cực E sát với thân transistor 3 2 1 H1061 BCE 1 E 2 B 3 C 1 2 3 1 E 2 B 3 C TO-92 hoặc TO-226AA •Các dạng vỏ transistor 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. 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. 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