Javascript Transistor Simulator 2.0

การทดลองเรื่องทรานซิสเตอร์

 
Inputs

 Voltages
VCC 
 

Vbb  
    

VEE 

Component Values
Polarity 
Beta
R1  Ohms
R2  Ohms
R3  Ohms

Circuit Diagram
Calculated Results

 Voltages

V

 

V

 

 
 

V 

 Power
P  

Currents
Ic 
Ib 
Ie 

Conditions
 Saturation
 Cutoff   

 

ทดลองเปลี่ยนค่า Input  และกด Result  เพื่อดูผล

คลิก Reset Defaults  กลับเข้าสู่ค่าเริ่มต้น

แรงดันไฟฟ้าระหว่าง ขาเบส กับ อีมิตเตอร์ เริ่มที่ 0.7  โวลต์  ค่าจริงๆประมาณอยู่ที่ 0.5-0.8  โวลต์

ค่าโวลต์ทั้งหมดเทียบกับดินหรือกราวด์

ใช้เมาส์ชี้ไปที่ อักษรสีน้ำเงิน จะมีคำอธิบายปรากฎในช่องว่างข้างล่าง

- เป็นค่าประมาณเท่านั้น  ไม่สามารถใช้ได้กับทรานซิสเตอร์ทุกๆตัวในความเป็นจริงได้

ทดลองไม่ได้ให้ setup  Download จากฟิสิกส์ราชมงคล  ก่อนครับ


คำถามที่น่าสนใจ

ค่า Vb ที่เกิด Cutoff  และ Saturation ?

เมื่อเปลี่ยนค่า Vcc  จาก 10 ถึง 20 โวลต์  ค่า Vc และ Ic  เปลี่ยนไปอย่างไร ?


ทรานซิสเตอร์สองรอยต่อ


                ทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อถูกค้นพบครั้งแรกโดยคณะทำงานของห้องปฏิบัติการของบริษัท เบลเทเลโฟน (Bell Laboratories) ในปี ค.ศ.1947  นับได้ว่าเป็นการปลุกโลกของวิวัฒนาการการสร้างอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อเรียกด้วยตัวย่อว่า BJT (Bipolar Junction Transistor) ทรานซิสเตอร์ (BJT)  ถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลาย เช่น วงจรขยายในเครื่องรับวิทยุและเครื่องรับโทรทัศน์ หรือนำไปใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตซ์(Switching) เช่น เปิด-ปิดรีเลย์(Relay) เพื่อควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ เป็นต้น
โครงสร้างของทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อหรือ BJT นี้ ประกอบไปด้วยสารกึ่งตัวนำชนิดพีและเอ็นต่อกัน โดยการเติมสารเจือปน (Doping) จำนวน 3 ชั้น ทำให้เกิดรอยต่อ(Junction) ขึ้นจำนวน 2 รอยต่อ การสร้างทรานซิสเตอร์จึงสร้างได้ 2 ชนิด คือ ชนิดที่มีสารชนิดเอ็น 2 ชั้น หรือเรียกว่า ชนิด NPN และชนิดที่มีสารชนิดพี 2 ชั้นเรียกว่า ชนิด PNP โครงสร้างของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN แสดงในรูปที่ 1.1(a) และชนิด PNP แสดงในรูปที่ 1.1(b)

         

รูปที่ 1.1 แสดงโครงสร้างของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN และ PNP


                เมื่อพิจารณาจากรูปที่ 1.1 จะเห็นว่าโครงสร้างของทรานซิสเตอร์จะมีสารกึ่งตัวนำ 3 ชั้น แต่ละชั้นจะต่อลวดตัวนำจากเนื้อสารกึ่งตัวนำไปใช้งาน ชั้นที่เล็กที่สุด(บางที่สุด) เรียกว่า เบส (Base) ใช้อักษรย่อ B สำหรับสารกึ่งตัวนำชั้นที่เหลือคือคอลเลกเตอร์(Collector หรือ C) และอิมิตเตอร์ (Emitter หรือ E) นั้นคือทรานซิสเตอร์ทั้งชนิด NPN และชนิด PNP จะมี 3 ขา คือ ขาเบส ขาคอลเลกเตอร์ และขาอิมิตเตอร์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์นิยมเขียนทรานซิสเตอร์แทนด้วยสัญลักษณ์ ดังแสดงในรูปที่ 1.2 การสังเกตขาทรานซิสเตอร์นั้นจะบอกชนิดของทรานซิสเตอร์ได้ดูที่ขาอิมิตเตอร์ (E) ถ้าหัวลูกศรชี้ออกจะเป็นสัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN แต่ถ้าหัวลูกศรของขา E ตรงกันข้ามจะเป็นทรานซิสเตอร์ชนิด PNP หัวลูกศรนั้นจะแสดงทิศทางการไหลของกระแส นิยมในรอยต่อของทรานซิสเตอร์

รูปที่ 1.2 แสดงสัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์

การทำงานเบื้องต้นของทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์ทั้งชนิด NPN และชนิด PNP เมื่อนำไปใช้งานไม่ว่าจะใช้ในวงจรขยายสัญญาณ (Amplifier) หรือทำงานเป็นสวิตซ์ จะต้องทำการไบแอสให้ทรานซิสเตอร์ทำงานได้ โดยใช้หลักการไบแอสดังนี้

  • ไบแอสตรง ให้กับรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์กับเบส
  • ไบแอสกลับ ให้กับรอยต่อระหว่างคอลเลกเตอร์กับเบส


ดังแสดงในรูปที่ 1.3

รูปที่ 1.3 แสดงการไบแอสทรานซิสเตอร์



                พิจารณาการไบแอสทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ดังรูปที่ 1.3(a) จะเห็นว่าทำการไบแอสตรงให้กับรอยต่ออิมิตเตอร์-เบส โดยให้ศักดาบวกกับเบส (เพราะเบสเป็น P) และให้ศักดาลบกับอิมิตเตอร์ (เพราะอิมิตเตอร์เป็น N) เช่นเดียวกันต้องให้ไบแอสกลับกับรอยต่อคอลเลกเตอร์-เบส โดยให้ศักดาบวกกับคอลเลกเตอร์ (เพราะคอลเลกเตอร์เป็น N) และให้ศักดาลบกับเบส(เพราะเบสเป็น P) นี่คือการไบแอสทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ที่ถูกต้องตามเงื่อนไข 2 ข้อที่กำหนดไว้
การไบแอสทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ก็กระทำเช่นเดียวกันดังรูปที่ 1.3 (b) จะขอยกตัวอย่างโครงสร้างภายในของทรานซิสเตอร์เพียงชนิดเดียวคือชนิด NPN เพื่อให้เห็นปฏิกิริยาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน-โฮส ระหว่างรอยต่อต่างๆ ของทรานซิสเตอร์เมื่อได้รับไบแอส ดังแสดงในรูปที่ 1.4

รูปที่ 1.4 แสดงการไหลของกระแสไฟฟ้า(Electron) ภายในรอยต่อของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN เมื่อได้รับไบแอส



                พิจารณาการทำงานของทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ในรูปที่ 1.4(a) เมื่อให้ไบแอสตรงกับรอยต่อเบสและอิมิตเตอร์(BE Junction) จะทำให้บริเวณปลอดพาหะที่รอยต่อ BE แคบลง และที่รอยต่อระหว่างคอลเลกเตอร์กับเบสได้ไบแอสกลับจะทำให้บริเวณปลอดพาหะที่รอยต่อ BC มีความกว้างมากขึ้น จึงเกิดกระแสจำนวนเล็กน้อยไหลข้ามรอยต่อ BE ดังรูปที่ 1.4(b) กระแสนี้เรียกว่ากระแสเบส (IB) เป็นผลให้มีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งเคลื่อนที่อยู่ในรอยต่อ BE ในขณะเดียวกันที่คอลเลกเตอร์บริเวณรอยต่อ BC จะมีประจุพาหะบวกอยู่เป็นจำนวนมากดังรูปที่ 1.4(c) จะพยายามดึงดูดอิเล็กตรอนที่เบสข้ามรอยต่อ BC ทำให้เกิดกระแสคอลเลกเตอร์(IC) ไหลเป็นจำนวนมาก และไหลออกจากคอลเลกเตอร์มารวมกับกระแสเบส (IB) กระแสทั้งสองจำนวนนี้จะไหลไปสู่ขาอิมิตเตอร์เป็นกระแสอิมิตเตอร์(IC) เป็นไปตามสมการ (1-1)
(IE)         =     (IC)   +    (IB)                                                ---- (1-1)
เมื่อนำทิศทางการไหลของกระแสระหว่างรอยต่อต่างๆ ของทรานซิสเตอร์ทั้งชนิด NPN และ PNP (กระแสนิยมจะมีทิศทางตรงข้ามกับกระแสอิเล็กตรอนที่อธิบายในรูปที่ 1.4 (a) , (b) , (c)) สามารถเขียนได้ดังรูปที่ 1.5

 


รูปที่ 1.5 แสดงโมเดลของทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP และทิศทางของกระแส (IE) ,(IC) ,(IB)


เส้นแสดงลักษณะสมบัติของคอลเลกเตอร์ (Collector Characteristic Curves)
เส้นกราฟนี้จะแสดงคุณลักษณะของกระแสและแรงดันที่คอลเลกเตอร์ โดยที่มีกระแสเบสเป็นตัวควบคุมตามความสัมพันธ์ของสมการ
IC            =       bdc .  IB
พิจารณาจากวงจรในรูปที่ 1.6 (a) ให้แหล่งจ่าย VBB  เป็นแหล่งจ่ายปรับค่าได้ไบแอสตรงให้กับรอยต่อ B และ E การปรับค่า VBB  คือการปรับค่าของกระแส IB ถ้าปรับค่า IB ให้มีค่าคงที่ค่าหนึ่ง  ซึ่ง IB  >  0 และค่อยๆปรับค่าแรงดัน VCC   เพิ่มมากขึ้น จาก 0 โวลต์ จะปรากฏว่า IC ค่อยๆ เพิ่มขึ้นจนถึงจุด B ในรูปที่ 1.6 (b)  ค่า I จะคงที่และเป็นไปตามสมการ  IC  =    bdc .  IB

รูปที่ 1.6 แสดงเส้นลักษณะสมบัติของคอลเลกเตอร์



                เมื่อทำการกำหนดค่า IB หลายๆ ค่าจากค่าน้อยๆ ไปหาค่าที่มากขึ้นจะได้เส้นแสดงลักษณะสมบัติของคอลเลกเตอร์ ดังรูปที่ 1.6(c) เมื่อ IB1 <  IB2  <  IB3  

คัตออฟและจุดอิ่มตัว (Cutoff and Saturation) 
เมื่อให้กระแสเบส IB  =  0  ทรานซิสเตอร์จะไม่ทำงานคือคัตออฟ (Cutoff) นั่นคือไม่มีกระแสคอลเลกเตอร์ไหลจาก VCC  ไปสู่อิมิตเตอร์ แต่เมื่อพิจารณาวงจรในรูปที่ 1.7 อย่างรอบคอบ จะเห็นว่าจะเกิดกระแสรั่วไหลระหว่างรอยต่อคอลเลกเตอร์ไปสู่อิมิตเตอร์ เรียกว่า ICEO  ซึ่งมีค่าน้อยมาก (ปกติจะมีปริมาณเป็น mA เท่านั้น)

 


รูปที่ 1.7 แสดงการรั่วไหลที่คอลเลกเตอร์ (ICEO) ในสภาวะคัตออฟ



                จุดอิ่มตัว (Saturation) หมายถึง สภาวะที่มีกระแสคอลเลกเตอร์ไหลผ่านอิมิตเตอร์ จนทำให้แรงดันตกคร่อมรอยต่อระหว่าง C กับ E มีค่าคงที่ค่าหนึ่งซึ่งน้อยมาก  เรียกว่า VCE(sat) ในกรณีซิลิคอนทรานซิสเตอร์ค่าแรงดันจุดอิ่มตัวระหว่างรอยต่อ C กับ E  คือ  VCE(sat) = 0.2 โวลต์


ลักษณะภายนอกและการจัดวงจรทรานซิสเตอร์
เนื่องจากทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถนำไปใช้งานได้หลายแบบ เช่น ในวงจรขยาย
และใช้งานเป็นสวิตซ์  บริษัทผู้ผลิตจึงจำแนกชนิดของทรานซิสเตอร์ไว้หลายลักษณะดังต่อไปนี้
1. ทรานซิสเตอร์อเนกประสงค์  ทรานซิสเตอร์ขยายสัญญาณขนาดเล็ก (General Purpose / Small – Signal Transistor)  ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้จะมีขนาดเล็กบรรจุอยู่ในตัวถังพลาสติก (Plastic Package) หลายๆรูปแบบดังรูปที่ 1.8

 

รูปที่ 1.8  ทรานซิสเตอร์อเนกประสงค์ตัวถังพลาสติกมาตรฐาน JEDEC (Copyright of Motorola , Inc.)



                การบรรจุทรานซิสเตอร์ประเภทนี้อีกแบบหนึ่งคือ บรรจุในตัวถังที่เป็นกระป๋องโลหะ (Metal Can) มีหลายรูปแบบดังแสดงในรูปที่ 1.9

 

รูปที่ 1.9 ทรานซิสเตอร์อเนกประสงค์ตัวถังกระป๋องโลหะ (Copyright of Motorola , Inc.)



                นอกจากนี้ในวงจรขนาดเล็กที่มีความต้องการใช้ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กหลายๆตัว บริษัทผู้ผลิตยังมีการบรรจุลงในตัวถังแบบวงจรรวม เช่นแบบ Dual Metal Can ในรูปที่ 1.10(a) และบรรจุแบบ DIP (Dual Inline Package) เหมือน ไอ.ซี. ทั่วๆไป  ดังรูปที่ 1.10(b) นอกจากนี้ยังบรรจุแบบ SO (Small Outline) ดังรูปที่ 1.10(c) เป็นต้น

 

รูปที่ 1.10  ทรานซิสเตอร์อเนกประสงค์บรรจุลักษณะของวงจรรวม (IC) (Copyright of Motorola , Inc.)



                2. ทรานซิสเตอร์กำลัง (Power  Transistor) เป็นทรานซิสเตอร์ที่ทำงานเป็นสวิตซ์ ถูกออกแบบให้มีขนาดใหญ่ ทนกระแสคอลเลกเตอร์ได้ไม่น้อยกว่า 1 A สามารถทนพิกัดแรงดันได้สูงกว่าทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก และตัวถังของทรานซิสเตอร์กำลังจะเป็นโลหะ หรือพลาสติกด้านหลังเป็นโลหะ ซึ่งจะต่อกับขาคอลเลกเตอร์ของทรานซิสเตอร์ เพื่อทำหน้าที่เป็นแผ่นระบายความร้อนให้กับทรานซิสเตอร์ขณะที่ทำงานและมีกระแสไหลผ่านคอลเลกเตอร์ รูปร่างลักษณะของทรานซิสเตอร์กำลัง แสดงในรูปที่ 1.11

 



รูปที่ 1.11  แสดงตัวถังลักษณะต่างๆ ของทรานซิสเตอร์กำลัง  (Copyright of Motorola , Inc.)

รูปที่ 1.11 (ต่อ)
3. ทรานซิสเตอร์ อาร์.เอฟ. (RF Transistor) ถูกออกแบบให้ทำงานในวงจรขยายความถี่สูง (High Frequency) ซึ่งนำไปใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวกับระบบการสื่อสาร ตัวอย่างของทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ แสดงในรูปที่ 1.12

รูปที่ 1.12 ลักษณะของทรานซิสเตอร์ อาร์.เอฟ. (Copyright of Motorola , Inc.)



การไบแอสเบส
การไบแอสเบส (Base Bias) เป็นวิธีการไบแอสทรานซิสเตอร์เบื้องต้น ที่ประกอบไปด้วยแหล่งจ่ายไบแอสที่คอลเลกเตอร์(VCC) และแหล่งจ่ายไบแอสที่เบส (VBB) หรืออาจใช้แหล่งจ่ายไบแอสชุดเดียวกันก็ได้  ดังแสดงในรูปที่ 1.13(a) แสดงการไบแอสด้วยสัญลักษณ์ของแบตเตอรี่ (VCC) สำหรับรูปที่ 1.13 ใช้สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดันแทน

 

รูปที่ 1.13 แสดงวงจรไบแอส (Base Bias)



การไบแอสอิมิตเตอร์
วงจรไบแอสทรานซิสเตอร์แบบ Emitter Bias นี้มีเสถียรภาพของการทำงานดีกว่าแบบไบแอสเบส ต้องใช้แหล่งจ่ายไบแอส 2 ชุด คือ VCC เป็นแหล่งจ่ายแรงดันบวกไบแอสที่คอลเลกเตอร์และ -VEE  เป็นแหล่งจ่ายแรงดันลบไบแอสระหว่างอิมิตเตอร์กับเบส ดังแสดงในรูปที่ 1.14


รูปที่ 1.14 แสดงวงจรไบแอสอิมิตเตอร์
 


วงจรไบแอสป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์
การไบแอสด้วยวิธีป้อนกลับโดยใช้แรงดันคอลเลกเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงไป เมื่อ bdc เปลี่ยนแปลง เนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นมาควบคุมค่ากระแส IB เพื่อให้ค่ากระแส IB เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง และเพื่อให้ค่ากระแส IB ลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ทำให้ค่าของ IC และ ICE ค่อนข้างคงที่ ผลคือจุดทำงาน (Q-point)  ของวงจรจะคงที่ด้วย ลักษณะของวงจรไบแอสป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์แสดงในรูปที่ 1.15

รูปที่ 1.15 วงจรไบแอสป้อนกลับที่คอลเลกเตอร์ ()



  แหล่งที่มาของเนื้อหา

ชื่อหนังสือ : อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ชื่อผู้แต่ง : นายนภัทร วัจนเทพินทร์

ทฤษฎี เรื่องวงจรอิมิตเตอร์ร่วม

นำมาจากหนังสือ

หนังสืออิเล็กทรอนิกส์ฟิสิกส์ 2


 



กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล