Ở bài viết trước chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu những kiến thức cơ bản về ký hiệu, cấu tạo cũng như hoạt động của transistor, hôm nay dientuviet sẽ cùng các bạn có những tìm hiểu thêm về ứng dụng của linh kiện điện tử này qua các mạch thực tế nhé!
Transistor là loại linh kiện bán dẫn tích cực thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.
Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động.
Ứng dụng 1: Công tắc
Một trong những ứng dụng cơ bản nhất của transistor là sử dụng nó để điều khiển dòng công suất đến một phần khác của mạch – sử dụng nó như một công tắc điện. Bằng cách điều khiển nó ở chế độ ngắt hoặc bão hòa, transistor có thể tạo ra trạng thái đóng/mở như một công tắc thông thường.
Công tắc transistor là các khối xây dựng mạch quan trọng; chúng được sử dụng để tạo ra các cổng logic, từ đó 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 transistor
Hãy xem xét một mạch công tắc dùng transistor cơ bản nhất: công tắc NPN. Ở đây chúng ta sử dụng transistor NPN để điều khiển một đèn LED công suất cao:
Ở mạch trên, chúng ta thấy tín hiệu điều khiển (Control) được đưa vào cực gốc (B-Base), tải ngõ ra (đèn LED) được gắn ở cực thu (C-Collector) và cực phát (E-Emitter) được giữ ở một điện áp cố định.
Trong khi một công tắc bình thường sẽ cần một bộ dẫn động để thay đổi trạng thái, thì công tắc này được điều khiển bởi điện áp ở chân gốc. Một chân I/O của vi điều khiển, giống như chân trên Arduino, có thể được lập trình để lên cao hoặc xuống thấp để bật hoặc tắt đèn LED.
Khi điện áp ở cực gốc lớn hơn 0,6V thì transistor bắt đầu dẫn bão hòa, lúc này cực thu và cực phát được xem như nối tắt với nhau. Khi điện áp ở mức dưới 0,6V, transistor ở chế độ ngắt – không có dòng điện chảy qua transistor bởi vì nó giống như hở mạch giữa cực C và cực E.
Mạch ở trên được gọi là công tắc phía thấp, bởi vì công tắc – transistor của chúng ta – nằm ở phía thấp (mặt đất) của mạch. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng transistor PNP để tạo ra một công tắc phía cao:
Tương tự như mạch NPN, cực gốc là ngõ vào và cực phát được nối với một điện áp không đổi. Tuy nhiên, ở mạch này, cực phát được nối với nguồn và tải (động cơ) được kết nối với transistor ở phía mặt đất.
Mạch này hoạt động tốt như công tắc sử dụng transistor NPN, nhưng có một điểm khác biệt lớn: để điều khiển tải thì cực gốc phải có điện áp thấp. Điều này có thể gây ra một số rắc rối, đặc biệt là nếu điện áp cao của tải (điện áp nguồn 12V kết nối với cực phát VE trong hình này) cao hơn điện áp cao của ngõ vào điều khiển của. Ví dụ, mạch này sẽ không hoạt động nếu bạn sử dụng Arduino hoạt động với điện áp 5V để tắt động cơ 12V. Trong trường hợp đó, không thể tắt công tắc vì điện thế tại cực gốc VB sẽ luôn nhỏ hơn VE.
Điện trở cực gốc
Bạn sẽ nhận thấy rằng các mạch trên có sử dụng một điện trở nối tiếp giữa ngõ vào điều khiển và cực gốc của transistor. Bạn đừng quên thêm điện trở này! Một transistor không có điện trở trên thì giống như một đèn LED không có điện trở giới hạn dòng điện.
Hãy nhớ lại rằng, theo một cách nào đó, một transistor chỉ là một cặp diode được kết nối với nhau. Chúng ta phân cực thuận cho diode giữa cực gốc và cực phát để điều khiển tải. Các diode chỉ cần 0,6V để dẫn điện, nếu điện áp này lớn hơn thì đồng nghĩa với dòng điện chạy qua transistor sẽ lớn hơn. Một số transistor có dòng điện định mức chạy qua chúng có giá trị nằm trong khoảng 10-100mA. Nếu bạn cung cấp dòng điện vượt quá giá trị định mức này thì transistor có thể sẽ bị hỏng.
Điện trở nối tiếp giữa nguồn điều khiển và cực gốc sẽ giới hạn dòng điện chạy vào cực gốc. Điện áp giữa cực gốc và cực phát cần duy trì ở giá trị 0,6V để transistor hoạt động và điện trở ở cực gốc này có thể làm sụt giảm điện áp còn lại. Giá trị của điện trở và điện áp trên nó sẽ thiết lập dòng điện chạy vào cực gốc của transistor.
Điện trở ở cực gốc này cần phải có giá trị đủ lớn để hạn chế dòng điện một cách hiệu quả, nhưng đủ nhỏ để cung cấp đủ cho dòng điện cực gốc. 1mA đến 10mA thường sẽ là đủ, nhưng bạn cũng cần kiểm tra datasheet của transistor để đảm bảo mạch của bạn hoạt động tốt.
Logic số
Các transistor có thể được kết hợp với nhau để tạo ra tất cả các cổng logic cơ bản: AND, OR và NOT.
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.
Cổng NOT (Inverter)
Đây là một mạch transistor thực hiện một cổng ĐẢO, hay cổng NOT:
Khi có một điện áp cao đưa vào cực gốc sẽ làm cho transistor dẫn, cực thu xem như được nối với cực phát. Vì cực phát được nối trực tiếp với mặt đất nên cực thu cũng sẽ như vậy (mặc dù thực tế điện thế tại cực thu sẽ cao hơn một chút so với điện áp tại cực phát, điện áp giữa cực thu và cực phát khi transistor dẫn bảo hòa VCE (sat) ~ 0,05-0,2V). Ngược lại, nếu điện áp ngõ vào thấp, transistor sẽ không dẫn điện và ngõ ra được kéo lên tới VCC.
Cổng AND
Mạch dưới đây bao gồm một cặp transistor được sử dụng để tạo ra một cổng AND 2 ngõ vào:
Nếu một trong hai transistor bị tắt, thì điện áp ngõ ra tại cực thu của transistor bên dưới sẽ bị kéo xuống mức thấp. Nếu cả hai transistor đều dẫn (điện thế ở cả hai cực gốc đều cao), thì điện áp ngõ ra của mạch cũng sẽ ở mức cao.
Cổng OR
Và cuối cùng, đây là mạch cổng OR 2 ngõ vào.
Trong mạch này, nếu một trong hai ngõ vào (hoặc cả hai) A hoặc B cao, transistor tương ứng đó sẽ dẫn và kéo điện áp ngõ ra lên cao. Nếu cả hai transistor đều tắt, thì điện áp ngõ ra được kéo xuống thấp qua điện trở.
Mạch cầu H
Mạch cầu H là một mạch dựa trên transistor có khả năng điều khiển động cơ quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Đây là một mạch cực kỳ phổ biến – mạch động lực này được sử dụng trong vô số robot để giúp cho các robot di chuyển cả tiến và lùi.
Về cơ bản, mạch cầu H là sự kết hợp của bốn transistor với hai đường ngõ vào và hai ngõ ra:
Lưu ý: Trong mạch cầu H thực tế thường có thêm các diode flyback, điện trở cực gốc và mạch tạo xung kích cho các transistor.
Nếu cả hai ngõ vào có cùng một mức điện áp, thì các ngõ ra nối với động cơ sẽ có cùng một điện áp và động cơ sẽ không thể quay. Nhưng nếu hai ngõ vào có mức điện áp trái ngược nhau, động cơ sẽ quay theo hướng này hay hướng khác.
Mạch cầu H có bảng hoạt động như thế này:
| Ngõ vào A | Ngõ vào B | Ngõ ra A | Ngõ ra B | Hướng quay của 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) |
Mạch dao động
Mạch dao động là một mạch tạo ra một tín hiệu theo chu kỳ dao động giữa điện áp cao và thấp. Mạch 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: tinh thể thạch anh, op-amp, và tất nhiên, transistor.
Dưới đây là một ví dụ về mạch dao động, mà chúng ta gọi là mạch dao động đa hài phi ổn (astable multivibrator). Bằng cách sử dụng tín hiệu phản hồi, chúng ta có thể sử dụng một cặp transistor để tạo ra hai tín hiệu xung vuông đối lập nhau.
Ngoài hai transistor, các tụ điện là linh kiện quan trọng trong mạch này. Các tụ điện thay phiên nhau nạp và xả, làm cho hai transistor luân phiên nhau dẫn và tắt.
Phân tích hoạt động của mạch này là một cách rất tốt để tìm hiều về hoạt động của cả tụ điện và transistor. Để bắt đầu, giả sử C1 đã được sạc đầy (lưu trữ điện áp khoảng VCC), C2 đã được xả điện, Q1 dẫn và Q2 tắt. Đây là những gì xảy ra sau đó:
- Nếu Q1 dẫn, thì tụ C1 được nối đất. Điều này sẽ cho phép C1 xả điện qua cực thu của Q1.
- Trong khi C1 xả điện, C2 nhanh chóng nạp điện qua điện trở R4.
- Một khi C1 xả hết điện, điện áp tại cực gốc của Q2 sẽ được kéo lên khoảng 0,6V và làm cho transistor này dẫn điện.
- Đến thời điểm này, mạch đã hoán đổi trạng thái: C1 xả điện, C2 nạp điện, Q1 tắt và Q2 dẫn. Bây giờ chúng ta giải thích hoạt động của mạch tương tư như trên theo cách khác.
- Q2 dẫn điện sẽ cho phép C2 xả điện qua cực thu của Q2.
- Trong khi Q1 tắt, C1 có thể nạp điện tương đối nhanh chóng thông qua R1.
- Khi C2 xả hết điện, Q1 sẽ dẫn điện trở lại và mạch quay lại trạng thái như lúc bắt đầu.
Nếu bạn cảm thấy khó hiểu với hoạt động của mạch này thì bạn hãy xem mô phỏng mạch tại đây.
Bằng cách chọn các giá trị cụ thể cho C1, C2, R2 và R3 (cho giá trị của R1 và R4 tương đối nhỏ), chúng ta có thể tính được tần số của xung được tạo ra bởi mạch đa hài theo công thức sau:
Vì vậy, với các giá trị của tụ điện và điện trở là 10µF và 47kΩ, tần số dao động của mạch là khoảng 1,5 Hz. Điều đó có nghĩa là mỗi đèn LED sẽ nhấp nháy khoảng 1,5 lần mỗi giây.
Như các bạn đã thấy, có rất nhiều mạch điện tử sử dụng transistor. Nhưng chúng ta chỉ mới “cưỡi ngựa xem hoa”. Những ví dụ này chủ yếu chỉ ra làm thế nào transistor có thể được sử dụng trong chế độ bão hòa và ngắt như một công tắc, nhưng về khuếch đại thì sao? Mời các bạn xem tiếp các mạch ứng dụng ở phần 2 sau đây.
Ứng dụng 2: Mạch khuếch đại
Một số ứng dụng transistor mạnh mẽ nhất liên quan đến khuếch đại: biến tín hiệu công suất thấp thành công suất cao hơn. Mạch khuếch đại có thể tăng điện áp của tín hiệu, lấy thứ gì đó từ phạm vi µV 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 dòng điện có giá trị µA được tạo ra bởi điốt quang (photodiode) thành dòng điện có cường độ cao hơn nhiều. Thậm chí có những bộ khuếch đại lấy dòng điện vào và tạo ra điện áp cao hơn hoặc ngược lại (được gọi là transresistance và transconductance tương ứng).
Các transistor là một thành phần quan trọng cho nhiều mạch khuếch đại. Có vô số mạch khuếch đại sử dụng transistor trong thực tế, nhưng rất nhiều các mạch trong số này dựa trên các mạch cơ bản sau đây. Bạn hãy nhớ các mạch này vì nó sẽ giúp ích cho bạn rất nhiều trong việc phân tích và thiết kế các mạch khuếch đại phức tạp hơn.
Cấu hình chung
Ba trong số các mạch khuếch đại dùng transistor cơ bản nhất là: cực phát chung, cực thu chung và cực gốc chung. Trong mỗi ba cấu hình mạch này, một trong ba nút được gắn vĩnh viễn với một điện áp chung (thường là mặt đất) và hai nút còn lại hoặc là đầu vào hoặc đầu ra của mạch khuếch đại.
Cực phát chung
Cực phát chung là một trong những cách sắp xếp transistor phổ biến nhất. Trong mạch này, cực phát được gắn với một điện áp chung cho cả cực gốc và cực thu (thường là mặt đất). Cực gốc trở thành ngõ vào tín hiệu và cực thu trở thành ngõ ra.
Mạch cực phát chung 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 các tín hiệu âm thanh. Nếu bạn có một tín hiệu ngõ vào nhỏ với biên độ đỉnh-đỉnh 1,5V, 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 sau:
Tuy nhiên, mạch phát chung có đặc điểm là nó đảo ngược tín hiệu ngõ vào (tín hiệu ngõ ra ngược pha 180 độ so với tín hiệu ngõ vào).
Cực thu chung (Emitter Follower)
Nếu chúng ta nối chân cực thu với một điện áp chung, sử dụng cực gốc làm ngõ vào và cực phát làm ngõ ra, chúng ta có một mạch cực thu chung. Cấu hình này còn được gọi là mạch theo điện áp (emitter follower).
Mạch cực thu chung không thực hiện khuếch đại điện áp nào (trên thực tế, điện áp ra sẽ thấp hơn 0,6V so với điện áp vào). Vì lý do đó, mạch này đôi khi được gọi là mạch lặp điện áp (voltage follower).
Mạch này được sử dụng nhiều để khuếch đại dòng điện. Thêm vào đó, độ lợi dòng cao kết hợp với độ lợi điện áp gần bằng 1 làm cho mạch này trở thành một mạch đệm điện áp (voltage buffer) rất tốt. Một mạch đệm điện áp ngăn chặn một mạch tải khỏi sự can thiệp không mong muốn vào mạch điều khiển (lái) nó.
Ví dụ: nếu bạn muốn cung cấp 1V cho tải, bạn có thể thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng một mạch chia điện áp hoặc bạn có thể sử dụng mạch emitter follower.
Khi tải trở nên lớn hơn thì điện áp ở ngõ ra của mạch chia điện áp sẽ giảm xuống. Nhưng điện áp ngõ ra của mạch emitter follower vẫn ổn định, cho dù tải có thay đổi.
Cực gốc chung
Chúng ta sẽ nói về mạch cực gốc chung để khép lại phần này. Đây là cấu hình ít phổ biến nhất trong ba cấu hình cơ bản. Trong mạch khuếch đại cực gốc chung, cực phát là ngõ vào và cực thu là ngõ ra. Cực gốc là cực chung cho ngõ vào và ngõ ra.
Mạch cực gốc chung giống như ngược lại mạch emitter-follower. Đây là một mạch khuếch đại điện áp khá tốt, và dòng điện vào gần bằng với dòng điện ra (thực tế dòng điện vào lớn hơn một chút so với dòng điện ra).
Mạch cực gốc chung hoạt động tốt nhất khi là một mạch đệm dòng (current buffer). Nó có thể lấy dòng điện ngõ vào có trở kháng ngõ vào thấp và cung cấp dòng điện ra gần bằng dòng điện vào với ngõ ra có trở kháng cao hơn.
Tóm tắt
Ba cấu hình mạch khuếch đại này là trung tâm của nhiều mạch khuếch đại dùng transistor phức tạp hơn. Mỗi cấu hình mạch đều có các ứng dụng riêng, cho dù chúng được thiết kế để khuếch đại dòng điện, điện áp hay mạch đệm.
| Cực phát chung | Cực thu chung | Cực gốc chung | |
|---|---|---|---|
| Độ lợi áp | Trung bình | Thấp | Cao |
| Độ lợi dùng | Trung bình | Cao | Thấp |
| Trở kháng ngõ vào | Trung bình | Cao | Thấp |
| Trở kháng ngõ ra | Trung bình | Thấp | Cao |
Mạch khuếch đại đa tầng
Chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về rất nhiều mạch khuếch đại dùng transistor trong thực tế khác. Dưới đây là một vài ví dụ nhanh để thể hiện điều gì xảy ra khi bạn kết hợp các mạch khuếch đại một tầng ở trên:
Mạch darlington
Mạch khuếch đại Darlington bao gồm một mạch cực thu chung vào một mạch cực thu khác để tạo ra một mạch khuếch đại có độ lợi dòng cao.
Điện áp ra tương đương với điện áp vào (chênh lệch điện áp vào và ra khoảng 1,2V-1,4V), nhưng độ lợi dòng là tích độ lợi dòng của 2 transistor. Độ lợi dòng của mạch này là β2 – lên tới 10.000!
Cặp Darlington là một công cụ tuyệt vời nếu bạn cần lái một tải lớn với dòng điện ngõ vào rất nhỏ.
Mạch khuếch đại vi sai
Mạch khuếch đại vi sai trừ hai tín hiệu ngõ vào và khuếch đại sự khác biệt đó. Đây là một phần quan trọng của các mạch hồi tiếp, trong đó ngõ vào được so sánh với ngõ ra, để tạo ra tín hiệu ngõ ra tiếp theo.
Đây là cấu hình cơ bản của mạch khuếch đại vi sai:
Mạch này cũng được gọi là một cặp đuôi dài. Đó là một cặp mạch cực phát chung được so sánh với nhau để tạo ra một ngõ ra vi sai. Điện áp được đưa vào các cực gốc của transistor; ngõ ra là một điện áp vi sai trên hai cực thu.
Mạch khuếch đại đẩy-kéo
Mạch khuếch đại kéo đẩy là “tầng cuối cùng” hữu ích trong nhiều mạch khuếch đại nhiều tầng. Nó là một mạch khuếch đại công suất hiệu quả năng lượng, thường được sử dụng để lái loa.
Mạch khuếch đại đẩy kéo cơ bản sử dụng transistor NPN và PNP, cả hai đều được cấu hình là mạch cực thu chung:
Mạch khuếch đại đẩy kéo không thực sự khuếch đại điện áp (điện áp ra sẽ nhỏ hơn một chút so với điện áp vào), nhưng nó khuếch đại dòng điện. Nó đặc biệt hữu ích trong các mạch hai cực (những mạch mà nguồn cung cấp dương và âm), bởi vì nó có thể “đẩy” dòng điện vào tải từ nguồn cung cấp dương, và “kéo” dòng điện ra và chìm vào nguồn cung cấp âm.
Nếu bạn có nguồn cung cấp hai cực (hoặc thậm chí bạn không có), thì mạch kéo đẩy là giai đoạn cuối cùng tuyệt vời cho mạch khuếch đại, hoạt động như một mạch đệm cho tải.
Khuếch đại thuật toán (Op Amp – Operational Amplifier)
Chúng ta hãy cùng xem xét một ví dụ kinh điển về một mạch transistor nhiều tầng: Op Amp. Việc nhận ra các mạch transistor với cấu hình chung, và hiểu được mục đích của chúng có thể giúp bạn đi một chặng đường dài! Đây là mạch bên trong LM3558, một Op-Amp thực sự đơn giản:
Mạch này khá phức tạp để bạn có thể hiểu hết được, tuy nhiên bạn có thể thấy một số cấu trúc liên kết quen thuộc:
- Q1, Q2, Q3 và Q4 tạo thành tầng ngõ vào. Trông rất giống một mạch cực thu chung (Q1 và Q4) thành một mạch khuếch đại vi sai, đúng không? Nó chỉ nhìn lộn ngược, bởi vì nó đang sử dụng PNP. Những transistor này giúp hình thành tầng vi sai ngõ vào của mạch khuếch đại.
- Q11 và Q12 là một phần của tầng thứ hai. Q11 là một mạch cực thu chung và Q12 là một mạch cực phát chung. Cặp transistor này sẽ đệm tín hiệu từ cực thu của Q3 và cung cấp độ lợi cao khi tín hiệu đi đến tầng cuối cùng.
- Q6 và Q13 là một phần của tầng cuối cùng và chúng cũng sẽ trông quen thuộc (đặc biệt nếu bạn bỏ qua RSC) – đây là một mạch đẩy kéo! Tầng này đệm ngõ ra, cho phép nó lái tải lớn hơn.
- Có nhiều cấu hình chung khác trong mạch này mà chúng ta chưa nói đến. Q8 và Q9 được cấu hình như một gương dòng, nó chỉ đơn giản là sao chép lượng dòng điện qua một transistor này sang transistor khác.
Lời kết
Sau những nội dung được trình bày trong bài viết này cũng như bài viết trước đó, tôi sẽ không mong bạn hiểu hết những gì đang diễn ra trong mạch này, nhưng nếu bạn có thể bắt đầu xác định được các mạch transistor thông dụng thì bạn đang đi đúng hướng!