ทรานซิสเตอร์ในวงจรสวิทช์ ชิ่ง

ทรานซิสเตอร์ในวงจรสวิทช์ชิ่ง

การประยุกต์ใช้งานทรานซิสเตอร์ในวงจรส วิทช์ชิ่งนี้ นอกจากจะเป็นประโยชน์ในงานควบคุมปิด - เปิดอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ แล้ว ยังเป็นจุดเริ่มต้นของการก้าวเข้าสู่ โลก ของ ดิจิตอล-อิเลคทรอนิคส์ได้อย่างมั่นใจ

ในตอนที่แล้วได้กล่าวถึงพื้นฐานของ ทรานซิสเตอร์และการประยุกต์ใช้งานในวงจรขยายสัญญาณไปแล้ว ในตอนนี้จะได้ กล่าวถึงการประยุกต์ทรานซิสเตอร์ในวงจรที่ ทำหน้าที่เป็นสวิทช์กันบ้าง แต่ในตอนนี้ได้มีการเปลี่ยนแปลงค่าแรง ดันระหว่างขา B และ E ของทรานซิสเตอร์ (Vbe) โดยได้แก้ไขจาก 0.65 โวลต์เป็น 0.6 โวลต์ เพื่อความ สะดวกในการคำนวณเริ่มเลยนะครับ

ใช้ทรานซิสเตอร์เป็น สวิทช์

อาศัยหลักการเดียวกันกับการขยายสัญญาณ ด้วยตัว b เป็นตัวสำคัญเช่นกัน แต่ในลักษณะ การทำงานของทรานซิสเตอร์จะทำงานอยู่ 2 สถานะ คือ สถานะที่ไม่นำกระแสเลย (OFF) และในสถานะที่นำกระแสเต็มที่จนอิ่มตัว (ON) ลองมาดูวงจรง่าย ๆ ในรูปที่ 1

รูปที่ 1 การใช้ ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN เป็นสวิทช์ โดยการควบคุมด้วยแรงดันที่ขา B

ในรูป (ก) เป็นการจำลอง ให้เห็นถึงการใช้ทรานซิสเตอร์ทำงานเหมือนกับสวิทช์ปิด - เปิด ซึ่งถูกควบคุม ด้วยแรงดันที่ขาเบส ในรูป (ข) เป็นตัวอย่างง่าย ๆ โดยใช้สวิทช์ควบคุมแรงดันที่ขาเบส ผ่าน R เพื่อปิด - เปิด หลอดไฟ เมื่อสวิทช์ปิดวงจรหรือที่ R มีแรงดันมากกว่า 0.6 โวลต์ จะเกิดกระแสเบสไหล เป็นผลให้มีกระแสไหลผ่าน หลอดไฟให้ติดสว่างด้วยแต่จุดประสงค์ของวงจรนี้ ส่วนใหญ่คือ ต้องการให้หลอดไฟสว่าง เต็มที่ นั่นคือค่าของ R และ Vin จะต้องทำให้ทรานซิสเตอร์อิ่มตัวได้ ด้วย วิธีคำนวณมีดังนี้

จากตัวอย่างในรูป (ข) แรงดัน Vin อาจไม่ได้จากการที่สวิทช์ปิดวงจรก็ได้ อาจจะได้มาจาก แหล่งกำเนิดแรงดันต่าง ๆ ซึ่งต้องการควบคุมหลอดไฟ หรือพูดง่าย ๆ ว่า ในกรณีนี้หลอดไฟจะถูกควบ คุมด้วยแรงดัน แทนที่จะต้องคอยมาใช้มือปิด - เปิด แทน โดยแรงดันที่ว่านี้หากมีค่าน้อยกว่า 6 โวลต์ ค่า R1 จะต้อง น้อยลงเพื่อให้ได้ Ib เท่าเดิม

รูปที่ 2 ตัวอย่าง การใช้แรงดันควบคุมที่ขา B ด้วยวงจร R, C เพื่อเป็นวงจรตั้งเวลา ส่วนรูป (ขา) แสดงแรงดันและกระแสตามเวลา

ในรูปที่ 2 เป็นการใช้แรงดันจากวงจร R, C มาควบ คุมหลอดไฟแทนสวิทช์ โดยที่แรงดัน Vc จะได้มาจากการประจุตัว C ซึ่งจะมีลักษณะของแรงดันตามเวลาดังรูป ที่ 2 (ข) เมื่อแรงดัน Vc ถูกประจุ จนมีค่าประมาณ 2 โวลต์ (Vd1 -Vd2+Vbe) จึงจะเริ่มมี กระแสเบสได้ ผลก็คือ ที่กระแสเบสค่าหนึ่งจะทำ ให้ทรานซิสเตอร์อิ่มตัวโดยเร็ว ลักษณะเช่นนี้ LED จะเริ่มสว่างและสว่างจน ถึงจุดมากสุดอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างวงจรในรูปที่ 2 นี้อาจใช้เป็นวงจรตั้ง เวลาได้ ในลักษณะที่เมื่อเริ่มจ่ายไฟเข้าวงจรแล้ว LED ยังไม่สว่าง ต้องรอเวลาสักระยะ (ตามค่า R, C) LED จึงสว่าง อย่างไรก็ตามค่าของ R ต้องมีค่าน้อยพอที่จะ กระแสเกิดกระแสเบสที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์อิ่มตัวได้ จึงทำให้เวลา ที่ตั้งได้มีค่าไม่นานมากนัก

รูปที่ 3 การใช้ ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN เป็นสวิทช์ แต่ Vin ต้องมีค่าต่ำๆ หลดไฟจึงจะ สว่าง

คราวนี้มาดูวงจรที่ใช้ทรานซิสเตอร์ ชนิด PNP บ้าง ตามรูปที่ 3 ลักษณะ เช่นนี้ แรง ดัน Vin จะต้องมีค่าต่ำ ๆ จึงจะทำให้หลอดไฟติดสว่างได้ เมื่อใช้สวิทช์ต่อลงกราวนด์หรือ Vin มีค่าเป็น 0 โวลต์ จะเกิดกระแสเบสไหลได้

จะเห็นว่าหลอดไฟจะมีกระแสไหลผ่านได้ก็ ต่อเมื่อ Vin มีค่าแรงดันน้อยกว่า Vcc -0.6 V เช่น Vcc มีค่าเป็น 6 โวลต์แรงดัน Vin จะต้องมีค่าน้อยกว่า 5.4 โวลต์ ทรานซิสเตอร์จึงนำกระแสได้

สรุปผลของการต่อทรานซิสเตอร์เป็น สวิทช์ทั้ง 2 ชนิดก็ คือ ในรูปที่ 1 ใช้ ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN แรงดัน Vin ต้องมีค่าสูง จึงจะทำให้ขา C, E ปิดวงจรและต้องต่อโหลด เข้ากับไฟบวก ส่วนทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ในรูปที่ 3 แรงดัน Vin ต้องมีค่าต่ำจึงจะทำให้ขา C, E ปิด วงจรและจะต่อโหลดเข้ากับไฟลบหรือกราวด์

เมื่อช่วงแรงดันควบ คุมมากเกินไป

จากรูปที่ 1 (ข) และรูปที่ 3 จะ เห็นว่าช่วงแรงดัน Vin มีค่าอยู่ในช่วงกว้างมากเกินไปคือ มากว่า 0.6 โวลต์ และน้อยกว่า Vcc -0.6 โวลต์ตามลำดับ จึงมีวิธีที่จะจำกัดช่วง Vin ให้แคบลงด้วยการต่อตัวต้านทานเพิ่ม เข้ามาอีก 1 ตัว ดังรูปที่ 4 ซึ่ง ในรูป (ก) เป็นของชนิด NPN จากรูปนี้จะเห็นว่าเมื่อแรงดัน Vin มีค่า 0.6 V จะเกิดการแบ่งแรงดัน ด้วย R1 และ R2 ทำให้ Vbe ต่ำลง เมื่อให้ R1 มีค่า 2kโอห์ม และ R2 มีค่า 1 kโอห์ม จะได้ Vbe มีค่าเพียง 0.2 จึงทำให้ทรานซิสเตอร์ไม่นำกระแส แต่จะนำกระแสได้ Vin ต้องมีค่ามากกว่า 1.8 V แทน ที่จะเป็ฯ 0.6 V ซึ่งจะเห็นว่าการเพิ่ม R2 เข้ามา 1 ตัวจะมีผลให้ระดับแรงดัน ที่ทำให้ทรานซิสเตอร์นำกระแสถูกยกขึ้นไป และที่ Vin มีค่า 1.8 โวลต์นี้ สามารถหาค่า Ib ได้ดังนี้

เมื่อแทนค่าต่าง ๆ ลงไปจะได้

ดังนั้น Vin จึงจ้องมีค่ามากกว่า 1.8 โวลต์ จึงเกิดกระแสเบสได้ ตัวอย่างเช่น ถ้า Vin มีค่า 5 โวลต์ จะได้ Ib = 1.6 mA การใช้ R2 เข้ามาช่วยนี้มีประโยชน์สำหรับการใช้ ทรานซิสเตอร์เป็นสวิทช์ ยกตัวอย่างเช่น ในรูปที่ 4 ข. แรงดัน Vin มีค่าขณะปกติ 2.4 โวลต์ต้องการให้รีเลย์ (สวิทช์ที่ควบคุมให้ปิด - เปิดด้วยแรงดัน) ไม่ทำงาน (ขา C ต่อกับขา NC ) และเมื่อ Vin เปลี่ยนระดับแรงดันเป็น 4.8 โวลต์ ต้องการให้รีเลย์ทำงาน (ขา C ต่อกับขา NO ) ขั้นตอนการออกแบบค่า R1, R2 มีดังนี้

ตัวต้านทานค่า 4 Kโอห์ม ไม่มีจำหน่ายในท้องตลาด แต่มีค่าใกล้เคียงคือ 3.9 Kโอห์ม กับ 4.7 Kโอห์ม ในที่นี้ควรจะเลือก 3.9 Kโอห์ม เพราะว่าถ้า R2 มี ค่าสูงกว่า 4 Kโอห์ม เมื่อ Vin มีค่า 2.4 V จะทำให้มี Ib ไหลได้ และถ้าค่า b ของทรานซิสเตอร์ตัวที่ใช้มีค่าสูงกว่า 100 เท่า ก็อาจจะขยาย Ib ที่ไหลนี้ จนเกิด Ic ที่ทำให้รีเลย์ทำงานได้ แต่ถ้าเลือก R2 เป็น 3.9 Kโอห์ม เมื่อ Vin มีค่า 2.4 V จะทำให้ไม่มีโอกาศเกิด Ib ได้เลยเพราะแรงดัน Vbe จะมีค่าต่ำกว่า 0.6 V เนื่องจากเกิดการแบ่งแรงดันระหว่าง R1 และ R2 (ในที่นี้จะได้เป็น 0.589 V) ทำนอง เดียวกัน ควรเลือก R1 นั้น หาซื้อไม่ได้

สำหรับการต่อทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ดังรูปที่ 5 ก็เพื่อลดช่วงแคบของ Vin ให้น้อยลงเช่นกัน ตัวอย่างเช่น Vcc มีค่า 6 โวลต์ ถ้าแรงดัน Vin มีค่าอยู่ในช่วง 0-3 โวลต์ โดยต้องการให้ที่แรงดัน 3 โวลต์ ทรานซิสเตอร์ไม่นำกระแสเลยและที่แรงดัน 0 โวลต์ต้องการให้ทรานซิสเตอร์นำกระแสจน อิ่มตัว การคำนวณหา R1 และ R2 ทำได้ดังนี้

I2 + Ib = I1

ในที่นี้แรงดันที่ R2 จะเท่ากับ Vbe หรือ 0.6 โวลต์ จึงได้

เมื่อทรานซิสเตอร์ตัว เดียวให้ เบต้าไม่สูงพอ

ที่กล่าวมาทั้งหมดแสดงให้เห็นการใช้ ทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียว ซึ่งอาจมีอัตราการขยายกระแสด (เบต้า) ต่ำ ไม่เพียงพอ สำหรับวงจรที่ต้องการขยายกระแสสูง จึงมีวิธีการต่อทรานซิสเตอร์ให้มีค่าเบต้าสูงขึ้นไป ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 การต่อ ทรานซิสเตอร์ 2 ตัว ร่วมกันเพื่อให้วงจรมีอัตราการขยายสูงมากขึ้น

ในรูป (ก) เป็นการต่อในลักษณะที่เรียกว่า "ดาร์ลิวตัน" (darlingion) โดยที่ทรานซิสเตอร์ทั้ง 2 มีค่า เบต้า ไม่เท่ากัน ให้มีค่าเป็น เบต้า1 และ เบต้า2 ตามลำดับจะได้

หรือประมาณ เบต้า1 x เบต้า2 x Ie ซึ่งจะเห็นว่ากระแสทางคอ ลเลคเตอร์จะถูกขยายด้วย เบต้า1 และเบต้า2 จึงทำให้อัตราขยายมีค่าสูงมาก ตัวอย่างเช่น ถ้าแต่ละตัวมีค่า เบต้า เท่ากันเป็น 100 เท่า จะได้กระแสคอลเลคเตอร์สูงถึง 10,000 เท่าของ Ib

ผลที่เกิดขึ้นอีกอย่างหนึ่งก็คือ แรงดัน Vin จะต้องมีค่ามากกว่า 1.2 โวลต์ จึงจะเกิด Ib ได้ ทั้งนี้เพราะกระแสเบสจะต้องวิ่งผ่านขา B, E และ Q1 และขา B, E และ Q2 จึงจะครบวงจร แต่ละตัวต้องการแรงดันคร่อมขา B, E เป็น 0.6 โวลต์ จึงจะนำกระแส เมื่อเป็น 2 ตัว เช่นนี้จึงต้องการแรงดันเป็น 1.2 โวลต์ และในที่นี้จะหาค่า Ib ได้ดังนี้

ตัวอย่างอีกวงจรหนึ่งในรูปที่ 6 (ข) แสดงให้เห็นการใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวเช่นกัน แต่เป็นคนละชนิด แต่ให้ผลเช่นเดียวกับรูปที่ 6 (ก) คือ

กระแสคอลเลคเตอร์ถูกขยายด้วยค่า เบต้า1 และ เบต้า2 เช่นกัน แต่วงจรนี้จะเกิด Ib ได้เมื่อ Vin มีค่ามากกว่า 0.6 โวลต์ เท่านั้นและ การต่อโหลดจะต่อลงกราวนด์เหมือนดังรูปที่ 3

รูปที่ 7 ตัวอย่าง ของวงจรตั้งเวลาเมื่อ Q1, Q2 ต่อร่วมกัน มีอัตราขยายสูงขึ้นทำให้ได้เวลานานมากขึ้น

วงจรในรูปที่ 7 เป็นตัวอย่างของวงจรตั้งเวลาอย่างง่าย ๆ โดย สามารถตั้งเวลาได้ตามค่า R, C ในรูปที่ 7 แรงดัน Vin จะต้องมีค่าประมาณ 3.9 V (0.65 X 6 ) จึงจะเกิดกระแสเบสและเวลาที่ต้องได้จะ มีค่าเท่ากับ R x C โดย ตรงเพราะที่เวลาเท่ากับ R x C นี้ จะได้ Vin = 0.636 x Vcc = 3.82 V หรือประมาณ 3.9 V ตัวอย่างเช่นถ้า R มีค่า 14 Mโอห์ม และ C มีค่า 100 microF จะได้เวลาที่ตั้งได้ประมาณ 100 วินาที การที่ต้องใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวขยายให้สูงขึ้นนี้ เนื่องจากจะทำให้ R มีค่าสูง มาก ๆ เพราะ R จะ เป็นตัวกำหนดกระแสเบสด้วย ถ้า R มีค่ามาก ๆ แล้ว กระแสเบสจะมีค่าน้อยมาก ถ้าใช้ทรานซิสเตอร์ตัวเดียว กระแสเบสจะมี ค่าน้อยเกินไปที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์อิ่มตัวได้ เมื่อ R มีค่ามาก ๆ ได้ ผล ก็คือทำให้เวลาที่ตั้งได้มีค่านานขึ้น

รูปที่ 8 การต่อ ทรานซิสเตอร์ 2 ตัว ร่วมกัน แต่ให้ผลการทำงานตรงกันข้ามวงจรที่กล่าวมา

รูปที่ 8 เป็นการใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวต่อ ด้วยกันแต่จะให้ผลทางด้านการทำงานแตกต่างจากรูปที่ 6 หรือ 7 คือ ขณะ Vin มีค่าเป็นศูนย์ ทรานซิสเตอร์ Q2 จะอิ่มตัวเพราะ I2 จะเท่ากับศูนย์ กระแส I1 จึงไหลเป็นกระแสเบสของ Q2 (I3) ทั้ง หมด และเมื่อ Vin มีค่ามากกว่า 0.6 โวลต์ จะทำให้ Q1 นำกระแสบ้าง กระแส I1 จึงไหล เข้าเป็นกระแสคอลเลคเตอร์ของ Q1 (I2) ทั้งหมดทำให้ Vbe ของ Q2 มีค่าต่ำมาก (คือแรงดันอิ่มตัวของ Q1 ประมาณ 0.2 โวลต์) I3 จึงมีค่าเป็นศูนย์ ผลก็คือทรานซิสเตอร์ไม่นำกระแส สรุปแล้วก็คือเมื่อ Vin มีค่าต่ำ Q2 จะนำกระแส

ใช้ทรานซิสเตอร์รักษาแรง ดันให้คงที่

การขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ยังสามารถ นำมาใช้เป็นวงจรแรงดันให้คงที่ (voltage regulator) ได้อีกด้วยโดย ต่อวงจรดังรูปที่ 9 ซึ่งจะ ได้แรงดันที่ขา E น้อยกว่าแรงดันที่ B ประมาณ 0.6 โวลต์ นั่นคือ

Vout = Vin - 0.6

จะเห็นว่าแม้ว่า Rl จะเปลี่ยนค่าไปเท่าไรก็ตาม Vout จะไม่เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ที่เป็นเช่นนี้ได้ ก็เพราะว่าเมื่อ Rl มีค่าน้อยลง Ib จะมีค่ามากขึ้น ผลก็คือ Ic จะมีค่ามากขึ้นจนทำให้ผลคูณของ Ic และ Rl (ได้เป็น Vout) มีค่าเท่าเดิมทำนองเดียวกัน ถ้า Rl มีค่ามากขึ้น Ic จะลดลงตามไปด้วยผลคูณของ Ic และ Rl ยังคงได้ผลเท่าเดิมเช่นกัน

รูปที่ 9 การใช้ทรานซิสเตอรืรักษา แรงดันให้คงที่ตามค่า Vin

จากหลักการในรูปที่ 9 จะได้แรงดัน Vout จะขึ้นอยู่กับ Vin โดยตรงและไม่ขึ้นกับโหลด (Rl) ดังนั้นจึงต้องหาแหล่งจ่าย Vin ให้คงที่ วิธีง่าง ๆ ก็คือใช้ซีเนอร์ไดโอดมาต่อดังรูปที่ 10 ซึ่งจะ ทำให้แรงดันที่ขา B ของทรานซิสเตอร์คงที่อยู่เสมอเท่ากับ Vz ของซีเนอร์ไดโอด แรงดัน Vout จึงมีค่าเป็ฯ Vz - 0.6 V เสมอ ตัวอย่างเช่น เมื่อต้องการแรงดัน Vout เป็น 4.5 โวลต์ ก็เลือกซีเนอร์ไดโอดขนาด 5.1 โวลต์ เป็นต้น

รูปที่ 10 การใช้ ซีเนอร์ไดโอดรักษาแรงดันให้คงที่โดยต่อร่วมกับ ทรานซิสเตอร์

การคำนวณหาค่า R นั้น จำเป็นต้องรู้ค่ากระแสสูงสุดของโหลด ตัวอย่างเช่น Vcc มีค่า 9 โวลต์ ต้องการแรงดัน Vout เป็น 5 โวลต์ และโหลดกินกระแสสูงสุด 1 A และที่กระแส Ic ขนาด 1 A ทรานซิสเตอร์มีค่า เบต้า เป็น 50 เท่า มีวิธีคำนวณดังนี้

ที่สภาวะ Ib = 20 mA ต้องให้ Iz มีค่าต่ำสุด(ศูนย์)คือไม่มีกระแสผ่านซีเนอร์ไดโอดเลย แต่ยังคงต้องการให้แรงดันที่ขา B มีค่าเป็น 5.6 โวลต์ได้ นั่นคือกระแสด I1 มีค่าเป้น 20 mA ด้วยไหลผ่าน R และมีแรง ดันตกคร่อมตัวมันเท่ากับ

ในการใช้งานจริง ๆ แล้ว จะต้องให้มี Iz ไหลเป็น 20% ของ Ib สูงสุด (20 mA) เพื่อรักษาเสถียรภาพของวงจรเพราะถ้า Iz เท่ากับศูนย์แล้ว แรงดันที่ขา B จะไม่ขึ้นอยู่กับ Vz เลย เมื่อเกิดความร้อนขึ้นที่ R จะทำให้ค่าของ R มากขึ้น ด้วย Ib จะลดลงแรงดัน Vout จะลดลงตามไปด้วย เสถียรภาพของวงจรจึง เปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ ถ้าหากเราเผื่อให้มี Iz เป็น 20% เสถียรภาพของวงจรจึงดี ขึ้นมาก จาก ตัวอย่างข้างบนนี้จึงควรได้ค่า R ใหม่ดังนี้

เมื่อโหลดไม่กินกระแสเลย แรงดัน Vout ยังคงได้ 5 V ดังเดิม และ Ib = 0 นั่นเอง จะเกิด Iz สูงสุด = 24 mA จึงสามารถหาอัตราทนกำลังวัตต์ของซีเนอร์ไดโอด ได้ดังนี้

ความจริงหัวข้อใช้ทรานซิสเตอร์รักษา แรงดันนี้ควรจะอยู่ในตอนที่แล้ว แต่ที่ยกมาไว้ในตอนท้ายก็เพื่อให้เป็น การง่ายในการเข้าใจ สำหรับตอนนี้ต้องขอจบ ไว้แค่นี้ก่อน แต่ยังมีแบบฝึกหัดไว้ให้ทดสอบความเข้าใจ พยายามทำให้ถูกทุกข้อก็แล้วกัน