Transcript ppt transistor

Electronics for Analytical
Instrument
Assoc. Prof. Dr. Jaroon Jakmunee
Department of Chemistry, Faculty of
Science, Chiang Mai University
E-mail: [email protected]
28 November 2011
อุปกรณ์อเิ ล็กทรอนิกส ์
• แหล่งจ่ายไฟฟ้ า (power
supply)
• กระแสตรง
– แบตเตอรี
– AC/DC adapter
• กระแสสลับ
•
•
•
•
•
•
•
– หม้อแปลงไฟฟ้ า
– ผลึกจ่ายความถี่
สายไฟ / ลวดตัวนา
สวิทซ ์
ฟิ วส ์
ความต ้านทาน
ตัวเก็บประจุ
ขดลวด
รีเลย ์
•
•
•
•
่ วนา
อุปกรณ์สารกึงตั
ไดโอด
ทรานซิสเตอร ์
วงจรรวม
– อะนาลอก - ออปแอม
– ดิจต
ิ อล
2
ทรานซิสเตอร ์ (transistor)
่ วนา
•ทรานซิสเตอร ์เป็ นอุปกรณ์สารกึงตั
่
ทีสามารถท
าหน้าที่ ขยาย
สัญญาณไฟฟ้ า เปิ ด/ปิ ดสัญญาณไฟฟ้ า
คงค่าแรงดันไฟฟ้ า หรือกลา้
สัญญาณไฟฟ้ า (modulate) เป็ นต ้น
•การทางานของทราสซิสเตอร ์เปรียบไดก้ บั
่ กควบคุมด ้วยสัญญาณไฟฟ้ าขา
วาล ์วทีถู
่
เข ้า เพือปร
ับขนาดกระแสไฟฟ้ าขาออก
่
ทีมาจากแหล่
งจ่ายแรงดัน คล ้ายกับการ
่ แรงดันอยู่ด ้านหนึ่ ง
เปิ ดก๊อกน้าให ้น้าซึงมี
ไหลไปยังอีกด ้าน
•ลักษณะของทรานซิสเตอร ์แสดงดังรูป
3
ประวัติ
•ในปี ค.ศ. 1928 สิทธิบต
ั รใบแรกของ
หลักการทางานของทรานซิสเตอร ์ได ้ถูก
จดทะเบียนโดย Julius Edgar Lilienfeld
ในประเทศเยอรมนี ต่อมาในปี ค.ศ. 1934
นักฟิ สิกส ์ชาวเยอรมันชือ่ Dr. Oskar
้
Heil ได ้ขึนทะเบี
ยนหลักการทางานของ
ทรานซิสเตอร ์แบบสนามไฟฟ้ า และในปี
1947 นักวิจยั ชือ่ John Bardeen,
Walter Brattain และ William
Shockley ก็ประสบความสาเร็จในการ
่
้ ง
สร ้างทรานซิสเตอร ์ทีเบลแล็
บ พร ้อมทังส่
เข ้าสูส
่ ายการผลิตที่ เวสเทอร ์น
อิเล็กทรอนิ กส ์ ออลเลนทาวน์ ร ัฐ
เพนซิลวาเนี ย เพียงสองทศวรรษ
ต่อจากนั้น ทรานซิสเตอร ์ก็ได ้เข ้าไป
4
ชนิ ดของทรานซิสเตอร ์
• ทรานซิสเตอร ์แบ่งได ้เป็ นสองประเภท
คือ ทรานซิสเตอร ์แบบรอยต่อคู่
(Bipolar Junction Transistor,
BJTs) และทรานซิสเตอร ์แบบ
สนามไฟฟ้ า (Field Effect
Transistors, FETs)
่
• ทรานซิสเตอร ์จะมีขาเชือมต่
อสามจุด
่ การปร ับเพิม
่
อธิบายโดยย่อคือเมือมี
่
่ งจะส่งผลให ้ความ
แรงดันไฟฟ้ าทีขาหนึ
่ อสูงขึนอั
้ นทา
นาไฟฟ้ าระหว่างขาทีเหลื
ให ้สามารถควบคุมการไหลของ
กระแสไฟฟ้ าได ้
5
ทรานซิสเตอร ์แบบไบโพลาร ์ (BJT
transistor)
สัญญลักษณ์ดงั
รูป หัวลูกศร
แสดงทิศทางการ
ไหลของกระแส
่ วนาชนิ ด p และ
ทรานซิสเตอร ์เป็ นอุปกรณ์ทประกอบด
ี่
้วยสารกึงตั
n ต่อกัน 3 ชัน้ คล ้ายกับการนาไดโอด 2 ตัวมาต่อเข ้าด ้วยกัน ดัง
่
้
่ นประตู
รูป ซึงอาจเป็
น NPN หรือ PNP โดยชันกลางท
าหน้าทีเป็
่
หรือก๊อกทีจะควบคุ
มการไหลของกระแสไฟฟ้ าขนาดใหญ่ผ่านชัน้ 6
้
BJT ทรานซิสเตอร ์
ทรานซิสเตอร ์แบบ
รอยต่อคูจ่ ะทางานโดยใช ้
กระแสไฟฟ้ าควบคุมที่
ขาเบส
่
กระแสเล็กน้อยทีขาเบส
จะทาให ้กระแสไหลผ่าน
CE จานวนมาก ทิศ
ทางการไหลของกระแส
แสดงดังหัวลูกศร
7
ั ย์ไฟฟ้ าใน
กระแสและศก
ิ เตอร์
ทรานซส
• ทิศทางการไหลของกระแสใน
ิ เตอร์แสดงดังรูป
ทรานซส
• IE = IB + IC
• ß = IC/IB (ใน data sheet ของ
่ อ
ทรานซิสเตอร ์จะเรียกว่า hFE ซึงคื
อัตราการขยายสัญญาณ)
• α = IC/IE
•  = IE/IB
• ß = α / (1- α)
ิ เตอร์
การไบแอสทรานซส
•
การไบแอสทรานซิสเตอร ์หรือการต่อวงจรไฟฟ้ าให ้
ทรานซิสเตอร ์ทางาน จะต ้องต่อแบบไบแอสตรง
ระหว่างขาเบสกับอิมส
ิ เตอร ์ และต่อแบบไบแอสกลับ
่
่
ระหว่างขาเบสกับคอลเล็กเตอร ์ เมือไบแอสตรงที
ขา
เบสกับอิมส
ิ เตอร ์จะทาให ้ชน้ั depletion แคบลง
ทาให ้กระแสไฟฟ้ าไหลระหว่างขา คอลเล็กเตอร ์
และอิมส
ิ เตอร ์ได ้
• มีวธิ ต
ี อ
่ 3 แบบ
1. Common emitter
2. Common base
3. Common collector (emitter follower)
การต่อแบบอิมส
ิ เตอร ์ร่วม
การไบแอสแบบอิมต
ิ เตอร ์ร่วม
สาหร ับ NPN transistor
Light sensor
10
การต่อแบบอิมส
ิ เตอร ์ร่วม
่
สเตอร ์จะทางาน
การทีทรานซิ
ได ้ต ้องต่อขาเบสเข ้ากับไฟ
บวกหรือไฟลบให ้ถูกต ้อง
•ชนิ ด NPN ขาเบสต่อกับไฟ
บวก
•ชนิ ด PNP ขาเบสต่อกับไฟ
ลบ
การต่อแบบอิมส
ิ เตอร ์ร่วมมี
การไบอัสแบบอิมต
ิ เตอร ์ร่วม
สาหร ับ PNP transistor
การจัดวงจรง่ายและสามารถ
ควบคุมตัวแปรต่างๆ ได ้ง่าย
่ มีเสถียรภาพทาง
กว่าแบบอืน
อุณหภูมส
ิ งู จึงนิ ยมใช ้มากกว่
า
11
การไบแอสทรานซิสเตอร ์แบบเบสร่วม
แบบเบสร่วมมีอต
ั ราการขยายแรงดันสูงมาก มีอน
ุ พุต
อิมพีแดนซ ์ต่า
12
การไบแอสทรานซิสเตอร ์
่ ้กระแสแก่ขาเบส
เมือให
่ นจะท
้
เพิมขึ
าให ้กระแส
ไหลผ่านขาคอลเล็กเตอร ์
่ นอย่
้
(C) เพิมขึ
างเป็ น
สัดส่วนกัน และทาให ้
ศักย ์ตกคร่อมขา CE
ต่าลง สามารถเขียน
กราฟความสัมพันธ ์
ระหว่างกระแส IC กับ VCE
สาหร ับกรณี กระแส IB
ต่างๆ ได ้ดังรูป จุดการ
้
ทางาน Q1 – Q3 ขึนอยู
่
กับขนาดของความ 13
่
่
เส ้นโหลด (load line)
จุดทางานและเส ้นโหลดสามารถสร ้างได ้จากการทดลอง
่
่
เมือลากเส
้นต่อไปตัดเส ้นที่ IB = 0 จะได ้จุด cutoff ซึงมี
่ ั านขา C เรียกว่า ICBOทีจุ่ ดนี ้ TR จะมีความ
กระแสรวผ่
ต ้านทานสูงมาก VCE จึงมีคา่ สูง ส่วนการลากไปตัดแกน y
14
้
การสร ้างเสนโหลด
• ตัวอย่างวงจรอิมส
ิ เตอร ์
ร่วมดังรูป หากทราบค่า
้
ไฟเลียงวงจร
Vcc และ
ความต ้านทานโหลด RL ก็
สามารถสร ้างเส ้นโหลดได ้
จากการพิจารณา 2 กรณี
คือ
่ TR ทางานถึงจุด
• เมือ
่ ว (saturation) : VCE
อิมตั
= 0; IC = VCC/RL
่ TR หยุดทางาน (cut• เมือ
้
การสร ้างเสนโหลด
่ VCE = 0; IC =
• เมือ
VCC/RL = 6/300 = 20
mA กาหนดจุดลงบน
่
แกนกระแสทีแกน
Y
่ IC = 0; VCE = VCC
• เมือ
=6 V กาหนดจุดลงบน
แกน X ของกราฟ
ลักษณะสมบัตด
ิ งั รูป
• จากนั้นลากเส ้นต่อ
้
ระหว่างจุดทังสอง
จะได ้
เส ้นโหลด
• การหาจุดทางานของ
วงจรโดยกาหนดกระแส
ทรานซิสเตอร ์แบบสนามไฟฟ้ า (Fieldeffect transistor)
(A ) N channel; (B) P channel
•ทรานซิสเตอร ์แบบสนามไฟฟ้ า(FET)
มีขาต่อสามขา คือ ขา เดรน(drain)
เกท(gate) ซอร ์ส(source)
หลักการทางานแตกต่างจาก
ทรานซิสเตอร ์แบบหัวต่อไบโพลาร ์
(BJT) นั่นคืออาศัยสนามไฟฟ้ าในการ
่ ้
สร ้างช่องนากระแส(channel) เพือให
เกิดการนากระแสของตัว
ทรานซิสเตอร ์
•ทรานซิสเตอร ์แบบสนามไฟฟ้ าฟ้ า
แบ่งเป็ น 3 ประเภทหลักๆ คือ
- JFET
- MESFET
- MOSFET
17
ทรานซิสเตอร ์แบบสนามไฟฟ้ าประเภท
ทรานซิสเตอร ์แบบสนามไฟฟ้ า (Fieldeffect transistor)
18
่
ควบคุมกระแสทีไหลผ่
านด ้วยการใช ้ VGS ให ้เหมาะสม
19
การทดสอบหาขาทรานซิสเตอร ์
การทดสอบทรานซิสเตอร ์ด้วยโอห ์มมิเตอร ์
่ ดจากทรานซิสเตอร ์ทีพบเสมอคื
่
ความผิดพลาดทีเกิ
อ การจัดวงจร และการเปิ ดวงจร
่ วนาของทรานซิสเตอร ์ ถ ้าให ้ไบอัสกลับแก่อม
ระหว่างรอยต่อของสารกึงตั
ิ ต
ิ เตอร ์ไดโอด
และคอลเลคเตอร ์ไดโอดของทรานซิสเตอร ์ ความต ้านทานจะมีคา่ สูง แต่ถ ้าความ
ต ้านทานมีคา่ ต่าให ้สันนิ ษฐานว่ารอยต่อระหว่างขาของทรานซิสเตอร ์เกิดลัดวงจร ใน
ทานองเดียวกันถ ้าไบอัสตรงแล ้ววัดค่าความต ้านทานได ้สูงก็ให ้สันนิ ษฐานว่ารอยต่อ
ระหว่างขาเกิดลัดวงจร
่
การทดสอบเพือหาต
าแหน่ งขาทรานซิสเตอร ์
ในการพิสจ
ู น์หาตาแหน่ งของทรานซิสเตอร ์ โดยการสังเกตดูวา่ ขาใดอยู่ใกล ้กับ
่ ่ตรงข ้ามเป็ นขา C ส่วนตาแหน่ งกลางคือขา B
ขอบเดือยเป็ นขา E ขาทีอยู
การทดสอบหาชนิ ดของทรานซิสเตอร ์ NPN และ PNP
1. เลือกขาตาแหน่ งกลาง แล ้วสมมุตใิ ห ้เป็ นขาเบส จากนั้นนาสายวัด(--) ของโอห ์ม
่
่ อ
มิเตอร ์มาแตะทีขาเบส
ส่วนสายวัด ( + ) ให ้นามาแตะกับสองขาทีเหลื
่ านได ้จากการแตะขาทังสองมี
้
่ าแหน่ ง
2. ถ ้าความต ้านทานทีอ่
คา่ ต่า สรุปได ้ทันทีวา่ ขาทีต
่ าการวัดนี เป็
้ นชนิ ด PNP
กลางเป็ นขาเบส และทรานซิสเตอร ์ทีท
่ ่ใกล ้ตาแหน่ งเดือย และขาทีเหลื
่ อคือขาคอลเลคเตอร ์
3. สาหร ับขาอิมต
ิ เตอร ์ คือ ขาทีอยู
นั่นเอง
่ านได ้มีคา่ สูงให ้สลับสายวัด
20
4. ถ ้าความต ้านทานทีอ่
่ านได ้จากการแตะขาทังสองมี
้
5. ถ ้าความต ้านทานทีอ่
คา่ ต่า สรุปได ้ทันที ขาตาแหน่ ง
21
22
การใช ้งานทรานซิสเตอร ์
•ใช ้เป็ นสวิทซ ์
่ β คือ อัตราการขยาย
•ใช ้ขยายกระแส โดย ICE = β IBE เมือ
สัญญาณ
•ในวงจรอนาลอก นั้นทรานซิสเตอร ์จะถูกใช ้ขยายสัญญาณต่างๆ
เช่น สัญญาณเสียง สัญญาณความถีวิ่ ทยุ หรือควบคุมระดับ
้ นแหล่งจ่ายไฟฟ้ าแบบสวิชชิงในเครื
่
่
แรงดัน รวมทังเป็
อง
คอมพิวเตอร ์ด ้วย
•ทราสซิสเตอร ์ก็ยงั ถูกใช ้ในวงจรดิจท
ิ ลั เพียงแต่ใช ้งานในลักษณะ
การเปิ ด/ปิ ดเท่านั้น วงจรดิจท
ิ ลั เหล่านั้นได ้แก่ วงจรตรรกะ (Logic
gate), หน่ วยความจาแบบสุม
่ (Random Access Memory,
RAM) และไมโครโพรเซสเซอร ์ เป็ นต ้น
23