ทรานซิสเตอร์สวิตซ์

aps_elec

* ทรานซิสเตอร์สวิตซ์
ทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์มีหลายชนิดหลายเบอร์โดยมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น ค่าทนกระแสอัต ราขยาย การตอบสนองความถี่ ค่าอิมพีแดนซ์ และย่านการทำงาน

      สภาวะการทำงานแบ่งเป็น 3 ย่าน คือ

- คัทออฟ เป็นย่านที่ทรานซิสเตอร์ไม่ทำงานหรือไม่นำกระแส (สวิตซ์ตัดวงจร OFF)

- ย่านอิ่มตัว เป็นย่านที่เมื่อเพิ่มกระแสให้ทรานซิสเตอร์จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง  (สวิตซ์ต่อวงจร ON)

- ย่านแอคทีฟ เป็นย่านอยู่ระหว่างทรานซิสเตอร์คัทออฟและอิ่มตัว (ขยายสัญญาณ Amplifier)

       ทรานซิสเตอร์สวิตซ์ เป็นการกำหนดจุดทำงานให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในย่านคัตออฟ(OFF ไม่มีกระแสไหล) และอิ่ม ตัว (ON มีกระแสไหลสูงสุด)

การทำงานของทรานซิสเตอร์

        ทรานซิสเตอร์ถูกผลิตขึ้นมามีอยู่หลายชนิด หลายลักษณะสมบัติ รูปร่าง และคุณสมบัติต่าง ๆ ที่แตกต่างกันเช่น ค่า ทนกระแส อัตราขยาย การตอบสนองความถี่ ค่าอิมพีแดนซ์ ย่านการทำงานที่เหมาะสม

        กราฟลักษณะสมบัติของทรานซิสเตอร์ จะบอกลักษณะการทำงานของทรานซิสเตอร์  (ตัวนั้นๆ)  ด้วยการกำหนด ย่านการทำงานเฉพาะตัว เลือกจุดทำงานให้เหมาะสม สภาวะการทำงานของทรานซิสเตอร์แบ่งออกเป็น 3 สภาวะ

                                                            

                                               กราฟแสดงสภาวะการทำงานของตัวทรานซิสเตอร์ทางอุดมคติ

จากรูป  เป็นกราฟแสดงสภาวะการทำงานทางเอาท์พุตของวงจรชนิดอีมิเตอร์ร่วม

กราฟแนวตั้งเป็นกระแส คอลเล็คเตอร์(IC)

กราฟแนวนอนแสดงค่าแรงดันคอลเล็คเตอร์และ อีมิเตอร์(VCE)

กลุ่มเส้นกราฟแนวนอนขนานเป็นกระแสเบส(IB)ที่เปลี่ยนแปลงเป็นลำดับจากน้อยไปมาก

กราฟแสดงย่านการทำงาน

• ย่านคัตออฟ (Cutoff Region) เป็นย่านที่ทรานซิสเตอร์ไม่ทำงาน เมื่อหยุดจ่ายกระแสเบส (B) ทำให้กระแส   คอลเล็คเตอร์(Ic)หยุดไหลตามไปด้วย
  

• ย่านทำงาน (Active Region) เป็นย่านที่ทรานซิสเตอร์ทำงาน มีกระแสไหลในตัวทรานซิสเตอร์ ค่าปริมาณ กระแสคอลเล็คเตอร์(IC) เปลี่ยนแปลงไปตามกระแสควบคุม(IB) ในการทำงานย่านนี้จะใช้ทรานซิสเตอร์ ขยายสัญญาณได้โดยเลือกจุดทำงานได้ตามต้องการ
• ย่านอิ่มตัว(Saturation Region) เป็นย่านที่ทรานซิสเตอร์นำกระแสถึงจุดอิ่มตัว มีแรงดันคอลเล็คเตอร์( VCE) คงที่ ถึงแม้จะเพิ่มกระแสไบอัสอินพุต(IB)อีกก็ตาม
  

การใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตซ์จะเลือกการทำงานที่จุดอิ่มตัวและคัตออฟ

สวิตซ์ทรานซิสเตอร์ในอุดมคติ

       การใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตซ์ ขณะที่ทรานซิสเตอร์ทำงานค่าความต้านทานในตัวทรานซิสเตอร์จะต่ำสุดเหมือน ช็อตวงจร สวิตซ์ต่อวงจร(ON) และขณะทรานซิสเตอร์ไม่ทำงานค่าความต้านทานในตัวทรานซิสเตอร์เสมือนเป็นสวิตซ์ ในสภาวะตัดวงจร(OFF)
                                                                     
                                                                           
                                                                                สวิตซ์ทรานซิสเตอร์ NPN ทางอุดมคติ

        จากรูป  สวิตซ์ทรานซิสเตอร์ NPN ทางอุดมคติพร้อมสัญญาณที่วัดได้ คุณสมบัติของทรานซิสเตอร์เป็นสวิตซ์ ต่อวงจร (ON) หรือตัดวงจร(OFF) โดยไม่คำนึงถึง   คุณสมบัติ  อื่น ๆ ของทรานซิสเตอร์
                     

                              
                                   การทำงานของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ตามการจ่ายไบอัสที่ขาเบส

aps_elec

ในช่วงเวลาหยุดทำงาน(tOFF) เป็นช่วงเวลาที่ TR เปลี่ยนสภาวะนำกระแสเป็นสภาวะหยุดนำกระแส มีแรงดันตก คร่อม TR จาก 0%-90% ในช่วงเวลา tOFF แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ได้แก่ ช่วงเวลาสะสม(Storage Time:ts) เป็นช่วงเวลาที ่แรงดันตกคร่อมตัวทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้นจาก  0%-10% (เวลา t3-t4) และช่วงเวลาเคลื่อนลง(tr)เป็นช่วงเวลาที่แรงดันตก คร่อม TR เพิ่มจาก 10%-90%(เวลา t4-t5)

           คุณลักษณะสมบัติของสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ ทั้งเวลาหน่วง(td) เวลาสะสม(ts) เวลาเคลื่อนขึ้น(tr) และ เวลาเคลื่อน ลง (tf) จะบอกไว้ในคู่มือผู้ผลิตทรานซิสเตอร์ในรูป  คุณสมบัติทางไฟฟ้า ค่าเวลาทำงาน(tON) และค่าเวลา    หยุดงาน(tOFF) หาได้จากสมการ

tON = td+tr …………………..(2-1)

tOFF = ts+tf …………………..(2-2)

การเพิ่มความเร็วในการสวิตซ์ทรานซิสเตอร์

          ทำได้โดยการเพิ่มกระแสเบส(IB) เพื่อลดเวลาเคลื่อนขึ้น(tr)ให้น้อยลงที่สุด เพราะสภาวะการเปลี่ยนแปลงการทำ งานของ TR ในวงจรทรานซิสเตอร์สวิตซ์จะขึ้นอยู่กับค่าเวลาคงที่ RC ระหว่างรอยต่อเบส-อีมิเตอร์(CBC) และตัวต้าน ทานโหลด(RL) วงจรสมมูลของสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ในสภาวะต่อวงจร(ON)แสดงในรูป
                                                        

                                จากรูป เป็นวงจรสวิตซ์ทรานซิสเตอร์และวงจรสมมูลในสภาวะต่อวงจร ส่วนรูป  (ข) แสดงวงจรสมมูล  
ของวงจรสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ขณะตัวทรานซิสเตอร์ต่อวงจร (ON)

    ระหว่างขา C และ B จะแสดงคุณสมบัติเป็นตัวเก็บประจุ (CBC)

    ส่วนขา B และ E จะแสดงคุณสมบัติเป็นตัวต้านทาน (RBE)                แต่เนื่องจากได้รับไบอัสตรงจึงเสมือนมีค่าความต้านทานต่ำมากเป็น 0  ทำให้เวลาคงที่() ในการทำงานของ TR ขึ้นอยู่กับค่า RL และ CBC เขียนสมการได้ดังนี้

t = RLCBC …………….(2-3)

เมื่อ  t   = ค่าเวลาคงที่

      RL = ความต้านทานโหลด

      CBC= ความจุระหว่างรอยต่อขา B และ C ของทรานซิสเตอร์

         ถ้าเพิ่มกระแส IB ให้มากขึ้นทำให้ IC ไหลมากขึ้น ทำได้โดยลดความต้านทาน R1 แต่จะทำให้เวลาสะสม (ts) เพิ่มขึ้น แต่ถ้าต่อตัวเก็บประจุขนานกับ R1 จะทำให้ทรานซิสเตอร์ถึงจุดอิ่มตัวได้เร็วขึ้นโดยเรียกตัวเก็บประจุนี้ว่า ตัวเก็บประจุ เพิ่มความเร็ว(SpeedUP Capacitor) ดังรูป

                                                                     

                                                                    รูป วงจรสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ที่เพิ่มตัวเก็บประจุ

          จากรูป  แสดงวงจรสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ที่เพิ่มตัวเก็บประจุ จะช่วยเพิ่มกระแสเบส (IB) ให้ไหลเข้าขาเบสเพิ่ม มากขึ้น ในจังหวะที่มีพัลส์บวกป้อนเข้ามา กระแสเบส(IB)ที่ไหลผ่าน TR มี 2 ส่วน คือ

ส่วนหนึ่งเกิดจากการประจุแรงดันของ C1

ส่วนที่สองเป็นกระแสไหลปกติผ่าน R1 ดังแสดงในรูป
                                                                  
            
                                                                        

                                                            รูปกระแส IB  ที่เกิดในวงจรสวิตซ์ทรานซิสเตอรเมื่อใส่  C1

          จากรูป  (ก) แสดงสภาวะกระแส IB1 ไหล เกิดขึ้นจากตัวเก็บประจุแรงดันไว้ เมื่อมีแรงดันพัลส์อินพุตเป็นบวก ป้อนเข้ามา  (เวลา t0) ขณะ C1 ประจุแรงดันครั้งแรกจะเกิดกระแส IB ไหลสูงมากและค่อย ๆ น้อยลง เมื่อแรงดันประจุใน C1 มากขึ้นจนกระทั้งเต็มกระแส IB จะหยุดไหล ถ้าสัญญาณอินพุตที่ป้อนตกลงเป็น 0 V (เวลา t1) ตัวเก็บประจุจะทำ หน้า ที่เป็นแหล่งจ่ายแรงดันแทน โดยมีขั้วแรงดัน VBE เป็นไบอัสกลับช่วยให้ ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสได้เร็วขึ้นลดเวลา สะสม(ts) ในการทำงานของทรานซิสเตอร์ กระแส IB1 ที่เกิดจากการประจุแรงดัน C1 สามารถเสริมกระแส IB2 ที่ไหลปกติ ผ่าน R1

aps_elec

จากรูป  (ก) เป็นการจ่ายไบอัสตรงที่ขาเบสให้ทรานซิสเตอร์ และรูป  (ข) เป็นการจ่ายไบอัสตรงให้กับทราน ซิสเตอร์ การทำงานอธิบายได้ดังนี้

        ช่วงเวลา t0 ถึง t1 สัญญาณ Ei มีระดับ +E ปรากฏ    จุดที่ 1 เป็นบวกเมื่อเทียบกราวด์ ขาเบสของทรานซิสเตอร์ ได้รับไบอัสตรง ทรานซิสเตอร์ทำงานเสมือนสวิตซ์ต่อวงจร (ON) ต่อขาคอลเล็คเตอร์ลงกราวด์ เอาท์พุต Eo = 0 V

        ช่วงเวลา t1 ถึง t2 สัญญาณ Ei มีระดับ -E ปรากฏ     จุดที่ 1 เป็นลบเมื่อเทียบกราวด์ ขาเบสของทรานซิสเตอร์ ได้ รับไบอัสกลับ ทรานซิสเตอร์ทำงานเสมือนสวิตซ์ตัดวงจร (OFF) ตัดขาคอลเล็คเตอร์ออกจากอีมิเตอร์ เอาท์พุต        Eo = +Vcc

2.3 สวิตซ์ทรานซิสเตอร์ใช้งานจริง

สวิตซ์ในอุดมคติถือว่าทรานซิสเตอร์เสมือนสวิตซ์ทางไฟฟ้าคือ

-ขณะสวิตซ์ต่อวงจร (ON) มีกระแส IC ไหลสูงสุดและแรงดัน VCE เป็น 0 V

-ขณะสวิตซ์ตัดวงจร(OFF) กระแส IC เป็น 0 mA และแรงดัน VCE มีค่าเท่ากับแรงดัน Vcc โดยไม่คำนึงถึงคุณสม บัติ อื่นของทรานซิสเตอร์

           ทรานซิสเตอร์ที่ถูกนำมาใช้งานจริงจำเป็นต้องคำนึงถึงค่ากระแสรั่วไหลและแรงดันตกคร่อมตัวทรานซิสเตอร์ เพราะทั้งสองนี้มีผลต่อการควบคุมการทำงาน กราฟลักษณะสมบัติของทรานซิสเตอร์แต่ละเบอร์จะแตกต่างกันซึ่งทำ ให้ทรานซิสเตอร์แต่ละเบอร์จะนำไปออกแบบวงจรเพื่อใช้งานได้แตกต่าง
                                                                        

                                                                             รูปที่  กราฟคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ใช้งานจริง

           จากรูป แสดงกราฟคุณสมบัติสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ใช้งานจริง แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสคอลเล็ค เตอร์ (IC) กระแสเบส (IB) และแรงดันคอลเล็คเตอร์อิมิตเตอร์ (VCE) จากกราฟส่วน

อักษร A เป็นย่านการทำงานของทรานซิสเตอร์อิ่มตัว

                     B การทำงานของทรานซิสเตอร์ในสภาวะคัตออฟ

                     C การทำงานของทรานซิสเตอร์ทำงานตามการกระตุ้น

           ที่จุดทำงานเมื่อสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ต่อวงจร(ON) ทรานซิสเตอร์ที่จุดอิ่มตัวแรงดันตกคร่อมระหว่างคอลเล็ค เตอร์กับอิมิเตอร์(VCE) มีแรงดันประมาณ 0.3 V เรียกแรงดันนี้ว่าแรงดันอิ่มตัว (VCE(sat) ) โดยทั่วไปจะมีค่าประมาณ 0.1-0.5 V ขึ้นอยู่กับชนิดของสารกึ่งตัวนำที่ใช้ผลิตทรานซิสเตอร์ (Si=0.3 V และ Ge=0.1 V)

          ที่จุดทำงานในตำแหน่งสวิตซ์ตัดวงจร (OFF) ในตำแหน่งนี้ ขณะที่เบสของทรานซิสเตอร์ได้รับแรงดันไบอัส กลับ ไม่มีกระแสเบส(IB)ไหล แต่ยังมีกระแสคอลเล็คเตอร์(IC)ไหลภายในเล็กน้อย วงจรสมมูล(Equivalent Circuit) ของ สวิตซ์ทรานซิสเตอร์ใช้งานจริงในสภาวะอิ่มตัว

การทำงานของสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ใช้งานจริง            การใช้งานสวิตซ์ทรานซิสเตอร์นั้นเมื่อได้รับไบอัสตรงหรือไบอัสกลับจะมีช่วงเวลาของสัญญาณเกิดขึ้นส่งผลให้ สัญญาณเอาท์พุตที่ได้อาจเปลี่ยนแปลงไปได้โดยแยกเป็นช่วงเวลาทำงาน(Turn - ON Time:tON)และช่วงเวลาหยุดทำงาน (Turn - OFF Time:tOFF) ทำให้ช่วงเวลาของการสวิตซ์ล่าช้า
                                                                   

                                                                             สวิตซ์ทรานซิสเตอร์ใช้งานจริง

           จากรูป  แสดงสวิตซ์ทรานซิสเตอร์ใช้งานจริง เมื่อป้อนสัญญาณพัลส์ -E2 ถึง +E1 สัญญาณพัลส์ที่ระดับ -E2 ทรานซิสเตอร์คัตออฟ และที่ระดับ +E1 ทรานซิสเตอร์     อิ่มตัวได้กระแสคอลเล็คเตอร์ IC ไหลในวงจร และแรงดัน พัลส์ออกเอาท์พุต Eo มีช่วงเวลาเกิดพัลส์ช้ากว่าพัลส์อินพุต Ei

           ในช่วงเวลาทำงาน(tON) เป็นช่วงที่ TR เปลี่ยนสภาวะจากหยุดนำกระแสเป็นสภาวะนำกระแส มีระดับแรงดันตก คร่อม TR เปลี่ยนแปลงจาก 100% ลดลงมาเหลือ 10%

ในช่วงเวลา tON แบ่งเป็น 2 ส่วนคือ ช่วงเวลาหน่วง(Delay Time:td)เป็นช่วงที่แรงดันตกคร่อมลดลงจาก 100%-90%(เวลา t0-t1) และช่วงเวลาเคลื่อนขึ้นเป็นช่วงเวลาที่แรงดันตกคร่อม TR ลดลงจาก 90%-10% (เวลา t1-t2)

nooomcomputech

โฮ้วววววปาดดดด คักกกกกกกกกกกกกกอีหลีเด้อครับ{:124:}{:103:}{:58:}

peepeepo

ยาวเหยียดเลย ขอบคุณครับ

kaifaro

ขอบคุณมากครับ น้ำใจงามจริงๆๆ{:52:}{:52:}{:52:}

admin

ขอบคุณข้อมูลดีๆครับ เดี๋ยวพี่เอาไว้ประกอบ คลิ๊ปที่จะทำขึ้นมาเร็วๆนี้ครับ

mcp67mv

บอกได้คำเดียวว่า สุดยอดคับผม ขอบคุณที่สละเวลามาแบ่งความรู้คับ

vejitum_ong

จัดเต็มกันเลยที่เดียวนะครับ ขอบคุณมากครับ ชอบๆ{:38:}

pitak1307

ขอบคุณมากครับ  เจ๋งสุุดๆๆ