วันอังคารที่ 18 กันยายน พ.ศ. 2555

บทที่ 4 สวิตช์ทรานซิสเตอร์


บทที่ 4

สวิตช์ทรานซิสเตอร์



4.1  คุณสมบัติของวงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์

          สวิตช์แบบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งสามารถสร้างพัลส์รูปต่างๆ ดังที่กล่าวมาแล้วนั้น ล้วนแต่เป็นวงจรทางไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งมีไดโอดเป็นส่วนประกอบที่สำคัญ ในบทนี้จะได้กล่าวถึงทรานซิสเตอร์ ซึ่งนอกจากจะใช้สำหรับงานขยายสัญญาณไฟฟ้าแล้วยังมีคุณสมบัติสามารถทำงานในหน้าที่เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ได้เป็นอย่างดีอีกด้วย


4.1.1  ทรานซิสเตอร์สวิตช์ในทางอุดมคติ
          ทรานซิสเตอร์สามารถนำมาใช้แทนสวิตช์ได้ กล่าวคือ ขณะที่ทรานซิสเตอร์อยู่ในภาวะที่ไม่ทำงาน(ได้รับแรงดันไบแอสย้อนกลับ) ซึ่งจะไม่ยอมให้กระแสไหลผ่านนั้น ทรานซิสเตอร์ก็คล้ายกับเป็นสวิตช์ซึ่งเปิดออก ดังแสดงในรูปที่ 4.1 (ก) ในภาวะนี้จะตรงกับตำแหน่ง B ในกราฟคุณสมบัติความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันของทรานซิสเตอร์ดังแสดงในรูปที่ 4.1 (ค) ภาวะนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์และเบสของทรานซิสเตอร์ ได้รับแรงดันไบแอสย้อนกลับจากภายนอกทำให้กระแสคอลเลคเตอร์มีค่าศูนย์ (ไม่มีกระแสไหลผ่านทรานซิสเตอร์) แต่เมื่อรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์ และเบสของทรานซิสเตอร์ได้รับแรงดันไบแอสตรงแล้ว จะทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงานได้ กล่าวคือ ยอมให้กระแสไหลผ่านได้           และถ้าหากขนาดของแรงดันไบแอสนี้มีค่ามากพอทรานซิสเตอร์ก็จะยอมให้กระแสไหลผ่านได้มากขึ้นกระทั่งอยู่ในภาวะอิ่มตัวดังแสดงในรูปที่ 4.1 (ข) นั่นคือกระแสคอลเลคเตอร์จะถูกกำหนดได้ด้วยขนาดค่าความต้านทานภายนอก  RL เนื่องจากในภาวะนี้ค่าความต้านทานของทรานซิสเตอร์มีค่าเป็นศูนย์ (หรือน้อยมากกระทั่งพิจารณาได้ว่าเป็นศูนย์) ดังนั้นแรงดันที่ตกคร่อมทรานซิสเตอร์จากคอลเลคเตอร์ถึงอิมิตเตอร์ก็จะมีค่าเท่ากับศูนย์ด้วย และจะไม่ขึ้นอยู่กับกระแสคอลเลคเตอร์ ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงกระทำตัวคล้ายกับสวิตช์ที่ปิดเพื่อให้กระแสไหลผ่านได้ดังแสดงในรูปที่ 4.1 (ข) และในภาวะนี้จะตรงกับตำแหน่ง A ในกราฟคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ดังในรูป 4.1 (ค)            
 

รูปที่ 4.1  แสดงการทำงานเป็นสวิตช์ในทางอุดมคติของทรานซิสเตอร์


          สำหรับในกรณีที่ทรานซิสเตอร์ (ประเภทรอยต่อ) ถูกต่ออยู่ในวงจรลักษณะอิมิตเตอร์ร่วม (common emitter) กระเบส IB จะทำหน้าที่ควบคุมขนาดของกระแสคอลเล็กเตอร์ IC ทั้งนี้โดยที่ IC = ?IB (? : อัตราการขยายของทรานซิสเตอร์) ดังนั้นในทางอุดมคติอาจกล่าวได้ว่ากระเบสขนาดเล็กน้อยอาจควบคุมให้ได้กระคอลเล็กเตอร์จำนวนมากได้ ขนาดของกระแสเบสกำหนดได้โดยแรงดันที่ตกคร่อมรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์และเบส เมื่อแรงดันอินพุตมีค่าเป็นศูนย์หรือทำให้รอยต่ออิมิตเตอร์และเบสอยู่ในลักษณะไบแอสย้อนกลับ (reverse bias) กระแสคอลเล็กเตอร์ IC จะมีค่าเป็นศูนย์  และเมื่อแรงดันอินพุตทำให้รอยต่ออิมิตเตอร์และเบสอยู่ในลักษณะไบแอสตรง(forward  bias) (จะต้องมีค่าราว 0.7 โวลต์ สำหรับทรานซิสเตอร์ที่ทำจากซิลิกอน) แล้วทรานซิสเตอร์จะทำงานและอยู่ในภาวะอิ่มตัว (saturation) ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของแรงดันอินพุตเพียงเล็กน้อย (จาก 0 – 0.7 โวลต์  ในซิลิกอนทรานซิสเตอร์) จะมีผลทำให้กระแสคอลเล็กเตอร์ที่เอาต์พุตมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากมายได้
จากรูปที่ 4.1 (ค) ที่จุด A บนเส้นโหลด (load line) กระแสคอลเล็กเตอร์จะมีค่าสูง โดยที่แรงดันซึ่งตกคร่อมระหว่างคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์มีค่าเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียกำลังงานใดๆในทรานซิสเตอร์เลย และเมื่อพิจารณาที่จุด B บนเส้นโหลดจะเห็นว่ากระแสคอลเล็กเตอร์มี ค่าเป็นศูนย์แต่แรงดันระหว่างคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์มีค่าเท่ากับ VCC ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียกำลังงานใดๆในทรานซิสเตอร์อีกเช่นกัน ซึ่งสำหรับทรานซิสเตอร์ในอุดมคติเมื่อมีกระแสไหลผ่านทรานซิสเตอร์กำลังงานส่วนใหญ่จะปรากฏที่โหลด RL และทรานซิสเตอร์จะมีการสูญเสียกำลังงานเพียงเล็กน้อย และกำลังงานจะสูญเสียที่ทรานซิสเตอร์เฉพาะช่วงของการเปลี่ยนแปลงภาวะการทำ งานของทรานซิสเตอร์ จากลักษณะของสวิตช์ปิด(ON)ไปเป็นลักษณะของสวิตช์เปิด(OFF) เท่านั้น



4.1.2  ทรานซิสเตอร์สวิตช์ที่ใช้งาน

          รูปที่ 4.2 เป็นรูปที่แสดงคุณสมบัติลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันของทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานจริงๆ ในวงจรแบบอิมิตเตอร์ร่วม ซึ่งจะเห็นได้ว่าแตกต่างจากคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ในทางอุดมคติ กล่าวคือพื้นที่ส่วนที่ I แสดงย่านที่ทรานซิสเตอร์ทำงานอยู่ในภาวะอิ่มตัว (Saturation region) ซึ่งในย่านนี้รอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์กับเบส และคอลเล็กเตอร์กับเบสจะได้รับไบแอสตรง ในพื้นที่ส่วนที่ II แสดงย่านที่ทรานซิสเตอร์ทำงานอยู่ในภาวะแอคทีฟ (active region) ซึ่งเป็นย่านการทำงานของทรานซิสเตอร์ในวงจรขยายประเภท A โดยทั่วไป ซึ่งรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์กับเบสจะได้รับแรงดันไบแอสตรง แต่รอยต่อระหว่างคอลเล็กเตอร์กับเบสจะได้รับแรงดันไบแอสย้อนกลับ และในส่วนที่ III ของรูปที่ 4.2 แสดงย่านคัตออฟ (cut off region) ของทรานซิสเตอร์ในย่านนี้รอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์กับเบสและคอลเล็กเตอร์กับเบสจะได้รับแรงดันไบแอสกลับ
          นอกจากนี้เส้นกราฟ ซึ่งแสดงค่ากำลังงานสูงสุดที่จะสูญเสียในทรานซิสเตอร์ได้ (maximum power dissipation) ดังแสดงในรูปที่ 4.2 และเขียนแทนด้วย PMAX นั้นคือค่าสูงสุดของกำลังงานที่
ทรานซิสเตอร์จะทนได้ ซึ่งก็คือผลคูณของแรงดันสูงสุดระหว่างคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์ VCE  MAX  ที่ ทรานซิสเตอร์จะทนได้ กับค่ากระแสสูงสุดขดงคอลเล็กเตอร์ IC  MAX ที่สามารถไหลผ่านทรานซิสเตอร์ได้ ทรานซิสเตอร์ซึ่งถูกนำไปใช้งานใดๆก็ตาม เช่นเป็นตัวขยายสัญญาณหรือทำหน้ที่สวิตช์ก็ดี ค่าของกระแส หรือแรงดัน หรือกำลังงานที่ทรานซิสเตอร์ได้รับ จะต้องมีค่าไม่เกินค่าสูงสุดเหล่านี้
         ในรูปที่ 4.2 ซึ่งเป็นกราฟความสัมพันธ์ของกระแสและแรงดันของทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานจริงและถูกต่ออยู่ในวงจรแบบอิมิตเตอร์ร่วมจะเห็นว่าที่จุด A บนเส้นโหลด (load line) แรงดันระหว่างคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์ (VCE) จะไม่เป็นศูนย์เหมือนในรูปที่ 4.1 แต่จะมีค่าราว 0.3 โวลต์  แรงดันนี้เรียกว่า “แรงดันตกคร่อมคอลเล็กเตอร์ และอิมิตเตอร์ในภาวะอิ่มตัว” (collector – emitter voltage at saturation) และเขียนแทนด้วย VCE  sat  สำหรับซิลิกอนทรานซิสเตอร์ค่า VCE  sat  จะมีค่าราว 0.3 โวลต์          ซึ่งค่าที่แท้จริงของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวนั้นจะขึ้นอยู่กับกระแสคอลเล็กเตอร์และอาจมีค่าอยู่ในช่วง 0.1 – 0.5 โวลต์ และในเยอรมันเนียมปกติมีค่าราว 0.1 โวลต์ ที่จุด B บนเส้นโหลดของรูปที่ 4.2 ก็เช่นเดียวกัน ถึงแม้กระแสเบสซึ่งเป็นกระแสอินพุตจะมีค่าเป็นศูนย์ก็ตาม ต่ำกระแส คอลเล็กเตอร์หรือกระแสเอาต์พุตจะไม่เป็นศูนย์ กระแสคอลเล็กเตอร์ดังกล่าวนี้เกิดขึ้นจากกระแสอิ่มตัวย้อนกลับของรอยต่อคอลเล็กเตอร์ซึ่งเขียนแทนได้ด้วย ICBO

รูปที่ 4.2  แสดงลักษณะคุณสมบัติความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดัน
ของทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานจริงและถูกต่ออยู่ในวงจรแบบอิมิตเตอร์ร่วม

          กระแสคอลเล็กเตอร์ซึ่งไหลขณะที่อิมิตเตอร์ถูกเปิดวงจรออกและรอยต่อระหว่างคอลเลคเตอร์กับเบสได้รับแรงดันไบแอสย้อนกลับนี้เราเรียกว่า “ กระแสย้อนกลับของรอยต่อคอลเล็กเตอร์ ”  ( reverse collector – Saturation current ) เขียนแทนได้ด้วย ICO  หรือ ICBO กระแสนี้จะประกอบด้วยกระแสย่อยสองส่วนคือ กระแสรั่วที่เกิดขึ้นบริเวณรอบๆรอยต่อคอลเล็กเตอร์ (ไม่ไหลผ่านรอยต่อ) และกระแสอิ่มตัว ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากความร้อน สำหรับขนาดกระแสรั่วขึ้นอยู่กับแรงดันไบแอสส่วนขนาดกระแสอิ่มตัวจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นส่วนใหญ่ ในทางปฏิบัติขนาดของกระแส ICO จะเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่าทุกๆ 10°C ที่เพิ่มขึ้น ในวงจรขณะที่ทรานซิสเตอร์ถูกต่อแบบอิมิตเตอร์ร่วมและกระแสเบสมีค่า IB กระแสคอลเล็กเตอร์ IC อัตราการขยายกระแสตรงของทรานซิสเตอร์ในภาวะนี้เขียนแทนด้วย hFE



4.1.3  การเปิด – ปิด ของทรานซิสเตอร์สวิตช์ในทางอุดมคติ

          จากวงจรของทรานซิสเตอร์ในรูปที่ 4.1 (ก) และ (ข) ซึ่งแสดงการทำงานของทรานซิสเตอร์คล้ายกับสวิตช์ซึ่งเปิดและปิดตามลำดับ ดังนั้นถ้าหากวงจรทางด้านอินพุต มีแหล่งจ่ายแรงดันสัญญาณพัลส์รูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก (rectangular voltage pulses) ต่ออยู่แทนแบตเตอร์รี่แล้วสัญญาณพัลส์อินพุตดังแสดงในรูป 4.3 (ก) นี้ก็สามารถที่จะควบคุมให้ทรานซิสเตอร์ทำงานเป็นสวิตช์ซึ่งเปิดและปิดได้



4.1.4  การวิเคราะห์วงจรสวิตช์ของทรานซิสเตอร์ในทางอุดมคติ

          วงจรสวิตช์ของทรานซิสเตอร์อย่างง่ายๆแสดงได้ดังในรูปที่ 4.3 (ก) ถ้าหากต้องการให้ขนาดของพารามิเตอร์ต่างๆของวงจรเป็นดังนี้
eO   =  20  Vpeak
                  ein   =   5   Vpeak  ( 0 ~ +5)
   IC   =   20  mA

          และโดยสมมติว่าทรานซิสเตอร์นี้เป็นแบบ ซิลิกอน NPN ซึ่งมีคุณสมบัติดังนี้

                                                                      hFE   =  40
                     VBE   =   0  (ในทางอุดมคติ)
                  VCesa   =   0 (ในทางอุดมคติ)
                   ICBO   =   0 (ในทางอุดมคติ)