Tất tần tật về linh kiện Transistor và ứng dụng trong điều khiển động cơ DC

Trong bài viết này, tôi chỉ trình bày những khía cạnh cơ bản và đơn giản nhất của Transistor, phù hợp với nhu cầu kiến thức của người dùng các linh kiện điện tử. Một số thuật ngữ, cách giải thích về transistor cũng được tôi cố gắng làm giảm để phù hợp với tất cả các đối tượng không chuyên về điện tử.
Tầm quan trọng của Transistor trong điện tử?
Transistor là chìa khóa cho hầu hết các hoạt động của các thiết bị điện tử hiện đại, từ các bộ vi xử lý cao cấp với hàng tỷ transistor trên mỗi cm2 cho tới những cục sạc điện thoại bạn vẫn dùng hàng này. Nhiều người coi nó là một trong những phát minh quan trọng nhất thế kỉ XX, sánh ngang với mạng Internet.

Mặc dù ngày nay, có hàng tỷ con transistor được sản xuất ra mỗi năm, phần lớn số transistor lại được tích hợp trong các vi mạch tích hợp mà chúng ta hay gọi là IC (Intergrated-Curcuit) cùng với các linh kiện khác như điện trở, tụ điện,.... Vi điều khiển trên các mạch Arduino được cấu thành từ những thứ như thế. Nếu không có transistor, sẽ chẳng thế có những khái niệm như "tính toán" hay "xử lí thông tin" như hiện nay.

Thống kê vào năm 2002, nếu lấy tất cả transistor loài người sản xuất được đem chia cho dân số toàn thế giới thì mỗi người sẽ được khoảng ... 60 triệu cái. Hiện nay, năm 2014, con số ấy ắt hẳn còn khủng khiếp hơn thế nhiều.

Giá thành, sự linh hoạt trong cách sử dụng và độ bền cao đã giúp transistor len lỏi đến mọi ngóc ngách trong cuộc sống của con người. Có thể lấy một ví dụ nho nhỏ về vai trò của transistor, đó là sự phát triển của đồng hồ. Trước đây, đồng hồ là một khối cơ khí phức tạp, hay hỏng hóc, cồng kềnh, đòi hỏi người dùng phải bảo dưỡng thường xuyên cũng như hàng ngày phải lên dây cót cho nó,... và hàng tá phiền phức khác. Nhờ có transistor, giờ đây bạn đã chứng kiến một sự thay đổi đáng kinh ngạc của cái gọi là "đồng hồ". Như thế nào thì chắc hẳn bạn cũng đã biết.

Vào năm 2012, NASA (Mỹ) và NanoFab (Hàn Quốc) đã tuyên bố chế tạo được một loại transistor chỉ có kích thước ở mức 150 nano mét. Loại transistor này có khả năng hoạt động tương đương như những transistor thông thường.

Hình ảnh minh họa

Transistor đầu tiên của loài người trông như thế này



Hiện nay, chúng trông như thế này



Nhà phát minh ra Transistor


Hình ảnh (từ trái sang) của John Bardeen, William Shockley và Walter Brattain - các nhà phát minh ra transistor năm 1948 tại Bell Labs. Đây là một trong một loạt các hình ảnh công khai được công bố bởi Bell Labs trong khoảng thời gian công khai sáng chế (30/06/1948). Mặc dù Shockley không tham gia vào các sáng chế, và chưa bao giờ được liệt kê trên các ứng dụng bằng sáng chế, Bell Labs vẫn quyết định rằng Shockley phải xuất hiện trên tất cả các hình ảnh công khai cùng với Bardeen và Brattain.

Phân loại Transistor
Transistor có rất nhiều loại với hàng tá chức năng chuyên biệt khác nhau

• Transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar junction transistor)
  
  
• Transistor hiệu ứng trường (Field-effect transistor)
  
  
• Transistor mối đơn cực UJT (Unijunction transistor)
  
  
• ...
  

Trong đó, transistor lưỡng cực BJT là phổ biến nhất. Có nhiều người thường xem khái niệm transistor như là transistor lưỡng cực BJT. Do vậy bạn nên chú ý đến điều đó để tránh nhầm lẫn cho mình.

Tìm hiểu về hoạt động của Transistor
Một số quy ước về kí hiệu:

• IB: (cường độ) dòng điện qua cực Base của transistor.
  
  
• IC: (cường độ) dòng điện qua cực Collector của transistor.
  
  
• IE: (cường độ) dòng điện qua cực Emitter của transistor.
  
  
• IR: (cường độ) dòng điện qua điện trở R.
  
  
• VBE: (độ lớn) hiệu điện thế giữa 2 cực Base và Emitter của transistor. Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự.
  
  
• UB: điện áp ở cực Base. Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự.
  

Transistor ngược NPN
Xét mạch điện sau



Nếu bạn quyết định mắc thử mạch ...

• Có thể sử dụng nguồn điện là pin tiểu, pin vuông 9V. Sử dụng các loại pin sạc là tốt nhất.
  
  
• Nếu chưa biết các cực của transistor, hãy tìm trên Google với từ khóa là tên của transistor bạn đang dùng. Trong mạch mình sử dụng loại TIP120(cấu tạo). Bạn nên sử dụng các transistor kiểu như vậy.
  
  
• Khi đóng khóa K, hãy cẩn thận khi chạm tay vào điện trở R, tôi không nói rằng bạn cần chạm tay trực tiếp vào đó.
  
  
• Không nên đóng khóa K quá lâu để tránh làm cháy điện trở R.
  

Quan sát, đo đạc

• Khi khóa K mở, không có dòng điện qua cực Base, điện trở R không tỏa nhiệt chứng tỏ không có dòng điện qua nó.
  
  
• Khi khóa K đóng, điện trở R tỏa nhiệt chứng tỏ có dòng điện qua nó, đồng thời cũng có dòng điện qua cực Base của transistor.
  
  • Có dòng điện qua R chứng tỏ có dòng điện đã đi vào transistor ở Collector. Điều này khẳng định rằng phải có dòng điện đi ra từ Emitter để về cực âm của nguồn.
    
    
  • Không thể có dòng điện đi ra từ cực Base, chỉ có thể là chiều ngược lại vào cực này.
    
    
  • Xét về độ lớn, nếu lấy đồng hồ đo IB, IC (IR = IC), IE thì ta thấy IB nhỏ hơn rất nhiều so với IC và IE, còn IE thì luôn lớn hơn IC một chút xíu. Có thể kết luận dòng điện trong mạch chủ yếu là dòng đi từ Collector đến Emitter của transistor. Điều này giải thích lí do vì sao trong kí hiệu transistor, người ta sử dụng một mũi tên ám chỉ chiều dòng điện.
    
    
  • Nếu tính toán một tí từ độ lớn của IB, IC, IE, ta nhận thấy IE gần bằng IB + IC. Hãy thử giảm 2 điện trở trong mạch xuống một chút xíu (thay điện trở khác) để nâng cường độ dòng điện lên, bạn sẽ thấy IE gần bằng IB + IC hơn. Như vậy, khi transistor hoạt động, dòng điện ra khỏi Emitter là dòng điện đi vào từ Collector đến Emitter và dòng điện đi vào từ Base đến Emitter.
    

Thử nghiệm 1
Thay vì mắc điện trở R ở phía Collector, ta thử mắc nó ở phía Emitter của transistor. Rõ ràng điều này không có khác biệt gì nhiều về mặt hoạt động so với cách mắc trước.



Bây giờ, ta sử dụng một cầu phân áp để thay đổi điện áp đặt vào cực Base của transistor. Tính toán lại các điện trở sao cho cường độ dòng điện vào Base vẫn không đổi.



Khi đóng khóa K, kiểm tra điện trở R, ta thấy nó tỏa nhiệt ít hơn hẳn so với ban đầu. Tại sao vậy ? Cường độ dòng điện qua điện trở vẫn không đổi, nhưng công suất tỏa nhiệt của nó giảm chứng tỏ hiệu điện thế giữa 2 đầu điện trở giảm. Sử dụng đồng hồ đo điện áp tại 3 cực của transistor, ta nhận thấy rằng UB gần bằng UE.

Thay đổi các điện trở phân áp, ta thay đổi UB. Bằng các phép đo bởi đồng hồ, ta nhận thấy rằng hiệu UB - UEluôn bằng khoảng 0.5V trong mọi trường hợp thay đổi UB. Có thể kết luận rằng trong quá trình hoạt động của transistor, UB luôn gần bằng UE.

Thử nghiệm 2
Thay đổi điện trở Rg, sau đó đo dòng IB và IC. Ta nhận thấy khi IB tăng thì ICcũng tăng. Với nhiều giá trị Rg, ta thấy IB luôn tăng/giảm tỉ lệ thuận với IC.

Quay trở lại Thử nghiệm 1, bằng đồng hồ đo điện, ta thấy hiệu UB - UE càng lớn khi dòng IC cũng như IBcàng lớn.

Khi UB = UC (VBC = 0), IB đạt cực đại khiến IC cũng đạt cực đại, transistor được gọi là mở hoàn toàn. Khi UB = 0V (VBC = UC), IB = 0A khiến IC = 0A, transistor được gọi là đóng hoàn toàn, không có dòng điện chạy trong mạch.

• Về bản chất, transistor là linh kiện điện tử được đóng/mở bằng cường độ dòng điện qua cực Base. Trên thực tế, theo định luật Ôm, cường độ dòng điện I trong mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U đặt vào 2 đầu mạch. Do vậy, nhiều người nhầm lẫn rằng transistor được điều khiển đóng/mở bằng điện áp đặt vào cực Base. Họ quên mất rằng cường độ dòng điện trên mạch còn tỉ lệ nghịch với điện trở R. Ở đây, hiệu điện thế và điện trở chỉ là 2 yếu tố quyết định cường độ dòng điện qua cực Base.

Nếu ví dòng điện như dòng nước, còn hiệu điện thế là áp lực nước trong ống dẫn thì transistor được xem như là một cái vòi nước. Dòng nước chảy ra khỏi vòi mạnh hay yếu hoàn toàn phụ thuộc vào cách ta điều khiển vòi nước.

Kết luận sơ lược về hoạt động của transistor NPN

• Khi xuất hiện dòng IB, transistor cho phép dòng điện đi từ Collector đến Emitter.
  
  
• Trong lúc xuất hiện dòng IB, transistor mở với:
  
  • IC tăng giảm tỉ lệ thuận với IB.
    
    
  • IE = IB + IC.
    
    
  • UB luôn gần bằng UE. Chênh lệch UB - UEcàng lớn khi dòng điện qua transistor càng lớn.
    Transistor là một linh kiện bán dẫn khá phức tạp. Vẫn còn có rất nhiều thứ khác về transistor mà tôi chưa nêu ra ở đây, và để hiểu được chúng không phải là chuyện ngày một ngày hai. Những người không biết gì về transistor có thể xem như chẳng biết gì về điện tử. Qua bài viết này, hy vọng sẽ giúp bạn hiểu phần nào về linh kiện Transiss