วงจรทรานซิสเตอร์ (Transistor Circuits)

ทั่วไป:    ชนิด | กระแส | รูปแบบการทำงาน | คู่ดาลิงตัน
สวิทชิ่ง:  การแนะนำ | ใช้รีเลย์? | เอาท์พุทไอซี | สำหรับNPN | สำหรับPNP | เซนเซอร์ | อินเวอร์เตอร์

หน้าต่อไป: ระบบอนาลอกและดิจิตอล
ควรอ่าน: ทรานซิสเตอร์ (การบัดกรี, การดูขา)ด้วย

ชนิดของทรานซิสเตอร์

สัญลักษณ์ทรานซิสเตอร์

ขาทรานซิสเตอร์ประกอบด้วย เบส (B), คอลเล็คเตอร์ (C) และ อิมิตเตอร์ (E)
คำที่เรียกขานี้แสดงถึงหน้าที่ภายในทรานซิสเตอร์ แต่ก็ไม่ได้ช่วยให้เข้าใจว่าจะใช้ทรานซิสเตอร์อย่างไร ดังนั้นก็เพียงรู้ว่าเป็นป้ายบอกขา

  คู่ดาลิงตัน คือทรานซิสเตอร์สองตัวต่อกันภายในเพื่อให้ได้เกนขยายกระแสสูงมาก

นอกจากทรานซิสเตอร์มาตรฐาน(ไบโพลาร์)ยังมีฟิลด์เอฟเฟค ทรานซิสเตอร์ ซึ่งมักแทนด้วยตัวย่อ FET สัญลักษณ์และคุณสมบัติจะต่างออกไป แต่ยังไม่กล่าวถึงรายละเอียดในหน้านี้

กระแสทรานซิสเตอร์

กระแสเบสน้อยๆควบคุมกระแสคอลเล็คเตอร์ที่สูง

เมื่อสวิทช์ปิด จะมีกระแสน้อยๆไหลผ่านเบส (B) ของทรานซิสเตอร์  พอที่จะทำให้ LED B เรืองแสง   ทรานซิสเตอร์จะขยายกระแสน้อยๆนี้ให้มีกระแสไหล มากผ่านคอลเล็คเตอร์ (C) ไปยังอิมิตเตอร์ (E)  กระแสคอลเล็คเตอร์นี้มากพอทำให้ LED C สว่างมาก

เมื่อสวิทช์เปิด ไม่มีกระแสเบสไหล ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงตัดกระแสคอลเล็คเตอร์  LED ทั้งสองก็ดับ

ทรานซิสเตอร์ขยายกระแส และสามารถใช้เป็นสวิทช์

การจัดวงจรแบบที่มีอิมิตเตอร์ (E) อยู่ในวงจรควบคุม (กระแสเบส) และในวงจรถูกควบคุม (กระแสคอลเล็คเตอร์) เรียกว่า โหมดคอมมอนอิมิตเตอร์  ซึ่งการจัดวงจรทรานซิสเตอร์แบบนี้มีใช้อย่าง กว้างขวางจึงควรจะเรียนรู้ก่อน

รูปแบบการทำงานของNPN 

• รอยต่อเบส-อิมิตเตอร์ เป็นเหมือน ไดโอด.
• กระแสเบส I_B ไหลเฉพาะเมื่อแรงดัน V_BE ระหว่างเบส-อิมิตเตอร์เท่ากับ 0.7V หรือมากกว่า
• กระแสเบส I_B น้อยๆควบคุมกระแสคอลเล็คเตอร์ I_C ที่สูง
• I_C = h_FE × I_B   (เว้นแต่ทรานซิสเตอร์ต่อ(on)เต็มที่และอิ่มตัว)
  h_FE  คือเกนการขยายกระแส (เป็นเกนกระแส DC) ค่าปรกติสำหรับ h_FE คือ 100 (ไม่มีหน่วยเพราะเป็นอัตราส่วน)
• ความต้านทานระหว่างคอลเล็คเตอร์-อิมิตเตอร์ R_CE ถูกควบคุมโดยกระแส I_B โดย:
  • I_B = 0   R_CE = ค่าอนันต์   ทรานซิสเตอร์ตัด(off)
  • I_B น้อย   R_CE ลด   ทรานซิสเตอร์ต่อ (on)บางส่วน
  • I_B เพิ่ม   R_CE = 0   ทรานซิสเตอร์ต่อ(on)เต็มที่ (อิ่มตัว'saturated')

• จำเป็นต้องต่อตัวต้านทานอนุกรมกับเบส เพื่อจำกัดกระแสเบส I_B และป้องกันทรานซิสเตอร์เสียหาย
• ทรานซิสเตอร์มีค่าอัตรากระแสคอลเล็คเตอร์ I_C สูงสุด
• เกนของกระแส h_FE สามารถมีค่าแตกต่างกัน ถึงจะเป็นชนิดเดียวกัน
• ทรานซิสเตอร์ที่ต่อ(on)เต็มที่ (เมื่อ R_CE = 0) เรียกว่าอิ่มตัว (saturated)
• เมื่อทรานซิสเตอร์อิ่มตัว แรงดันอิมิตเตอร์-คอลเล็คเตอร์ V_CE จะลดเป็น 0V
• เมื่อทรานซิสเตอร์อิ่มตัวกระแสคอลเล็คเตอร์ I_C ถูกกำหนดโดยแรงดันแหล่งจ่ายและความต้านทานภายนอกในวงจรคอลเล็คเตอร์ ไม่เกี่ยวกับเกนกระแสของทรานซิสเตอร์ ด้วยเหตุนี้อัตรา ส่วน I_C/I_B ของทรานซิสเตอร์อิ่มตัวจึงน้อยกว่าเกนกระแส h_FE
• กระแสอิมิตเตอร์ I_E = I_C + I_B แต่ I_C จะมากกว่า I_B มาก หรือถ้าคิดคร่าวๆ I_E = I_C

วงจรสวิทช์สัมผัส

คู่ดาลิงตัน

เกนกระแสของคู่ดาลิงตัน h_FE = h_FE1 × h_FE2
(h_FE1 และ h_FE2 คือเกนของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว)

ด้วยเหตุนี้ทำให้คู่ดาลิงตันมีเกนกระแสสูงมาก เช่น 10000 ดังนั้นจึงต้องการกระแสเบสเพียงเล็กน้อยก็ทำให้คู่ดาลิงตันสวิทช์ต่อได้

คู่ดาลิงตันแทนทรานซิสเตอร์ตัวเดียวที่มีเกนกระแสสูงมาก  มีสามขาเช่นกัน (B, C และ E) ซึ่งเทียบเท่ากับขาของทรานซิสเตอร์ตัวเดียว ถ้าจะให้ คู่ดาลิงตันทำงานต้องมีแรงดัน 0.7Vระหว่างรอยต่อเบส-อิมิตเตอร์ของทั้งคู่ซึ่งต่ออนุกรมกันภายใน  ดังนั้นจึงต้องใช้ 1.4V เพื่อให้เปิด(on)

คู่ดาลิงตันสามารถหาได้เป็นแพคเกจสำเร็จรูป  แต่ก็สามรถทำเองได้เองจากทรานซิสเตอร์สองตัว  TR1 เป็นชนิดกำลังต่ำส่วน TR2 ปกติต้องการกำลังสูง กระแสคอลเล็คเตอร์สูงสุด I_C(max)ของคู่ดาลิงตันจะเท่ากับ I_C(max) ของ TR2.

คู่ดาลิงตันค่อนข้างจะไวต่อกระแสน้อยๆที่ไหลผ่านผิวเรา จึงสามารถใช้ทำเป็นวงจรสวิทช์สัมผัสดังแสดงในแผนภาพ  สำหรับวงจรนี้ใช้ทรานซิสเตอร์ เอนก ประสงค์กำลังต่ำสองตัวเมื่อเราแตะสัมผัสจะทำ LED ติด   ตัวต้านทาน 100k มีไว้จำกัดกระแสเบส

การใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิทช์

กำลังที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์สวิทช์นั้นต่ำมาก:

• ในสภาวะตัด (OFF) : กำลัง = I_C × V_CE, แต่ I_C = 0, ดังนั้นกำลังจึงเป็นศูนย์
• ในสภาวะต่อ (ON) : กำลัง = I_C × V_CE, แต่ V_CE = 0 (ส่วนมาก), ดังนั้นกำลังจึงต่ำมาก

สำำหรับข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานของทรานซิสเตอร์กรุณาดูที่ รูปแบบการทำงาน ด้านบน

ไดโอดป้องกัน

เมื่อไหร่ใช้ รีเลย์

รีเลย์

ประโยชน์ของรีเลย์:

• รีเลย์สามารถสวิทช์ไฟ AC และ DC, ทรานซิสเตอร์สามารถสวิทช์เฉพาะไฟ DC
• รีเลย์สามารถสวิทช์ไฟ แรงดันสูง, ทรานซิสเตอร์ทำไม่ได้
• รีเลย์เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในการสวิทช์ไฟ กระแสสูง (> 5A).
• รีเลย์สามารถสวิทช์ หลายๆคอนแทคท์พร้อมกัน

• รีเลย์ ใหญ่เกินไป เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ในการสวิทช์กระแสน้อยๆ
• รีเลย์ ไม่สามารถสวิทช์ด้วยความเร็ว, ทรานซิสเตอร์สามารถสวิทช์หลายครั้งต่อวินาที
• รีเลย์ ต้องใช้กำลังมากกว่า ดูจากกระแสที่ไหลผ่านขดลวด
• รีเลย์ ต้องการกระแสมากเกินที่ไอซีจะขับได้, ดังนั้นจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์กำลังต่ำในการสวิทช์กระแสขดลวดรีเลย์้

การต่อทรานซิสเตอร์กับเอาท์พุทจากไอซี

ตัวต้านทาน R_B มีไว้เพื่อจำกัดกระแสที่ไหลเข้าเบสของทรานซิสเตอร์ และป้องกันไม่ให้เสียหาย อย่างไรก็ตาม R_B ต้องต่ำพอเพื่อให้มั่นใจว่าทรานซิสเตอร์จะอิ่มตัวป้องกันไม่ให้ร้อนมาก  นี่เป็น สิ่งสำคัญหากทรานซิสเตอร์สวิทช์ที่กระแสสูง(> 100mA)  ปลอดภัยที่สุดกระแสเบส I_B ต้องสูงกว่าห้าเท่าของกระแสที่ทำให้ทรานซิสเตอร์อิ่มตัว

การเลือกทรานซิสเตอร์ NPN ที่เหมาะสม

ขั้นตอนด้านล่างจะอธิบายวิธีเลือกสวิทชิ่งทรานซิสเตอร์ที่เหมาะสม

NPN ทรานซิสเตอร์สวิทช์ (โหลดต่อเมื่อเอาท์พุทจากไอซีสูง)   การใช้หน่วยในการคำนวณ จงอย่าลืมเมื่อใช้ V, A และ หรือ V, mA และ k สำหรับรายละเอียด กรุณาดูที่หน้า กฎของโอห์ม

1. กระแสคอลเล็คเตอร์สูงสุด I_C(max) ของทรานซิสเตอร์ต้องมากกว่ากระแสโหลด I_C

   กระแสโหลด IC =	แรงดันแหล่งจ่าย Vs
   	ความต้านทานโหลดRL

2. เกนกระแสต่ำสุด h_FE(min) ของทรานซิสเตอร์อย่างน้อยต้องเป็นห้าเท่าของกระแสโหลด I_C หารด้วยกระแสเอาท์พุทสูงสุดของไอซี(chip)

   hFE(min)  >   5 ×	กระแสโหลด IC
   	กระแสไอซีสูงสุด

3. เลือกทรานซิสเตอร์ ซึ่งตรงกับความต้องการเหล่านี้และบันทึกคุณสมบัติ: I_C(max) และ h_FE(min)
   มีตารางแสดงข้อมูลทางเทคนิคของทรานซิสเตอร์ที่นิยมใช้บางเบอร์ที่หน้า ทรานซิสเตอร์

    

4. คำนวณค่าโดยประมาณสำหรับตัวต้านทานที่เบส:

   RB = 0.2 × RL × hFE   หรือ   RB =	Vs × hFE
   	5 × IC

   และเลือกค่ามาตรฐานที่ใกล้เคียงที่สุด

    

5. สุดท้าย, ต้องจำว่าหากโหลดเป็นมอเตอร์หรือขดลวดรีเลย์ ต้องต่อ ไดโอดป้องกัน ด้วย

ตัวอย่าง
เอาท์พุทจากไอซี CMOS อนุกรม 4000  ต้องการขับรีเลย์คอยล์ 100  
แรงดันแหล่งจ่าย 6V และไอซีสามารถจ่ายกระแสสูงสุด 5mA

1. กระแสโหลด = V_s/R_L = 6/100 = 0.06A = 60mA, ดังนั้นทรานซิสเตอร์ต้องจ่ายกระแส I_C(max) > 60mA
2. กระแสสูงสุดจากไอซีคือ 5mA, ดังนั้นทรานซิสเตอร์จะต้องมี h_FE(min) > 60 (5 × 60mA/5mA).
3. เลือกทรานซิสเตอร์กำลังต่ำเอนกประสงค์เบอร์ BC182 มี I_C(max) = 100mA และ h_FE(min) = 100
4. R_B = 0.2 × R_L × h_FE = 0.2 × 100 × 100 = 2000 ดังนั้นเลือก R_B = 1k8 or 2k2
5. คอยล์รีเลย์ต้องการ ไดโอดป้องกัน

PNP ทรานซิสเตอร์สวิทช์ (โหลดต่อเมื่อเอาท์พุทจากไอซีต่ำ)

การเลือกทรานซิสเตอร์ PNP ที่เหมาะสม

ขั้นตอนการเลือกทรานซิสเตอร์ PNP ที่เหมาะสมคล้ายกับการเลือกทรานซิสเตอร์ NPN ที่อธิบายด้านบน

การใช้ทรานซิสเตอร์สวิทช์กับเซนเซอร์ 

LED ติดเมื่อ LDR รับความมืด

LED ติดเมื่อ LDR รับแสงสว่าง

ตัวต้านทานค่าคงที่ 10k มีไว้เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสเบสสูงเกินไป(ซึ่งอาจจะทำให้มันเสียได้) เมื่อตัวต้านทานปรับค่าได้ถูกลดค่าเป็นศูนย์   เพื่อที่จะให้
การสวิทช์ของวงจรนี้ทำงานเหมาะสมตามความสว่างของแสงที่เราต้องการ  อาจต้องทดลองเลือกค่าความต้านทานคงที่ร่วมกับการปรับค่าตัวต้านทาน แบบปรับค่าได้  แต่ต้องไม่น้อยกว่า 1k

หากทรานซิสเตอร์สวิทช์โหลดที่เป็นขดลวด เช่น มอเตอร์หรือรีเลย์ อย่าลืมเพิ่ม ไดโอดป้องกัน คร่อมโหลด

การสวิทช์สามารถทำงานในทางกลับกัน  คือทำให้ LED ติดเมื่อ LDR ได้รับแสงสว่าง   โดยการสลับที่กันระหว่าง LDR และตัวต้านทานเปลี่ยนค่าได้ 
ส่วนตัวต้านทานค่าคงที่ตัดทิ้งไปได้เพราะความต้านทานของ LDR ไม่สามารถลดค่าจนเป็นศูนย์อยู่แล้ว

ต้องเข้าใจว่าการทำงานสวิทชิ่งของวงจรนี้มิได้ดีเยี่ยม  เพราะในกรณีความสว่างของแสงอยู่ที่กลางๆ ทรานซิสเตอร์จะต่อ(on)บางส่วน(ไม่อิ่มตัว)  ในสภาวะนี้ทรานซิิสเตอร์จะร้อนเกินไปและเป็นอันตราย  นอกจากเป็นการสวิทช์ที่กระแสต่ำๆ เช่น ไม่เป็นปัญหาสำหรับกระแสน้อยๆของ LED   แต่ถ้ากระแสมากสำหรับหลอด มอเตอร์หรือรีเลย์ อาจก่อให้เกิดความร้อนสูงเกินไป

เซนเซอร์แบบอื่น เช่น เทอร์มิสเตอร์ สามารถใช้กับวงจรนี้ได้เช่นกัน แต่อาจต้องใช้ตัวต้านทานปรับได้ค่าอื่น  เราสามารถคำนวณค่าโดยประมาณของตัว
ต้านทานปรับได้(Rv) โดยใช้ มัลติมิเตอร์ วัดหาค่าความต้านทานต่ำสุดและสูงสุด(Rmin และ Rmax)ของเซนเซอร์:

ตัวต้านทานเปลี่ยนค่าได้ Rv = รากที่สองของ (Rmin × Rmax)

ตัวอย่างเช่น LDR: Rmin = 100, Rmax = 1M, ดังนั้น Rv = รากที่สองของ (100 × 1M) = 10k.

เราสามารถสร้างวงจรสวิทชิ่งที่ดีกว่าโดยต่อเซนเซอร์กับไอซี  ซึ่งการสวิทช์จะคมกว่าไม่มีสภาวะต่อ(on)บางส่วนที่ทำให้เกิดความร้อน

ทรานซิสเตอร์อินเวอร์เตอร์ (NOT เกท)

• เมื่ออินพุทสูง (+Vs) เอาท์พุทจะต่ำ (0V).
• เมื่ออินพุทต่ำ (0V) เอาท์พุทจะสูง (+Vs).

หากเราต่อเข้ากับอินพุทของไอซีโลจิกชนิด CMOS (อิมพิแดนซ์สูงมาก) เราสามารถเพิ่ม R_B ได้ถึง 100k และ R_C ได้ถึง 10k ซึ่งจะช่วยลดกระแสที่ใช้ กับอินเวอร์เตอร์ด้วย

• หน้าแรกอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น
• สารบัญ
• ตัวอย่างโครงงาน
• การสร้าง-ประกอบโครงงาน
• วิธีการบัดกรี
• เรียนอิเล็กทรอนิกส์
• อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์
• ไอซีวงจรเวลา 555
• สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร
• คำถามที่ถามบ่อยๆ
• ลิ้งค์อิเล็กทรอนิกส์ที่น่าสนใจ