| หน้าแรก | สารบัญ | โครงงาน | การประกอบ | การบัดกรี | เรียนอิเล็กทรอนิกส์ | อุปกรณ์ | 555 | สัญลักษณ์ | ถามบ่อยๆ | ลิ้งค์ที่น่าสนใจ | กลับไอซีอี |
Electronicsหากจะมีส่วนให้ความรู้ให้ประโยชน์ต่อท่านบ้าง ติชม เสนอแนะ ถามปัญหา ได้ที่ บอร์ดอิเล็คทรอนิคส์เบื้องต้น กรุณาลงทะเบียนสมาชิกด้วยจะขอบคุณยิ่ง

 

วงจรทรานซิสเตอร์ (Transistor Circuits)

หน้านี้อธิบายการทำงานของทรานซิสเตอร์ในวงจร  ด้านการปฏิบัติ เช่น การทดสอบ ข้อควรระวังตอนบัดกรี และการดูขา จะมีรายละเอียดครอบคลุมที่หน้า ทรานซิสเตอร์

ทั่วไป:    ชนิด | กระแส | รูปแบบการทำงาน | คู่ดาลิงตัน
สวิทชิ่ง
:  การแนะนำ | ใช้รีเลย์? | เอาท์พุทไอซี | สำหรับNPN | สำหรับPNP | เซนเซอร์ | อินเวอร์เตอร์

หน้าต่อไป: ระบบอนาลอกและดิจิตอล
ควรอ่าน: ทรานซิสเตอร์ (การบัดกรี, การดูขา)ด้วย

ชนิดของทรานซิสเตอร์

NPN and PNP transistor symbols
สัญลักษณ์ทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์มาตรฐานมีสองชนิดคือ NPN และ PNP ซึ่งมีสัญลักษณ์ที่แตกต่างกัน ตัวอักษรแสดงถึงชั้ของวัสดุกึ่งตัวนำที่ใช้ทำทรานซิสเตอร์  ปัจจุบันทราน ซิสเตอร์ที่ใช้ส่วนใหญ่เป็นชนิด NPN เนื่องจากทำง่ายจากวัสดุซิลิคอน  ดังนั้นหน้านี้ส่วนมากจึงกล่าวถึงทรานซิสเตอร์ชนิด NPN และหากเราเป็นมือใหม่สำหรับ
อิเล็กทรอนิกส์  เป็นการดีที่จะเริ่มต้นด้วยการเรียนรู้ ถึงการใช้ทรานซิสเตอร์ก่อน

ขาทรานซิสเตอร์ประกอบด้วย เบส (B), คอลเล็คเตอร์ (C) และ อิมิตเตอร์ (E)
คำที่เรียกขานี้แสดงถึงหน้าที่ภายในทรานซิสเตอร์ แต่ก็ไม่ได้ช่วยให้เข้าใจว่าจะใช้ทรานซิสเตอร์อย่างไร ดังนั้นก็เพียงรู้ว่าเป็นป้ายบอกขา

  คู่ดาลิงตัน คือทรานซิสเตอร์สองตัวต่อกันภายในเพื่อให้ได้เกนขยายกระแสสูงมาก

นอกจากทรานซิสเตอร์มาตรฐาน(ไบโพลาร์)ยังมีฟิลด์เอฟเฟค ทรานซิสเตอร์ ซึ่งมักแทนด้วยตัวย่อ FET สัญลักษณ์และคุณสมบัติจะต่างออกไป แต่ยังไม่กล่าวถึงรายละเอียดในหน้านี้


กระแสทรานซิสเตอร์

transistor currents แผนภาพแสดงเส้นทางกระแสไฟผ่านทรานซิสเตอร์สองเส้น  เราสามารถสร้างวงจรกับ LED สีแดงมาตรฐานขนาด 5มม.กับทรานซิสเตอร์ NPN เอนก ประสงค์กำลังต่ำ (เช่น เบอร์ BC108, BC182 or BC548)

กระแสเบสน้อยๆควบคุมกระแสคอลเล็คเตอร์ที่สูง

เมื่อสวิทช์ปิด จะมีกระแสน้อยๆไหลผ่านเบส (B) ของทรานซิสเตอร์  พอที่จะทำให้ LED B เรืองแสง   ทรานซิสเตอร์จะขยายกระแสน้อยๆนี้ให้มีกระแสไหล มากผ่านคอลเล็คเตอร์ (C) ไปยังอิมิตเตอร์ (E)  กระแสคอลเล็คเตอร์นี้มากพอทำให้ LED C สว่างมาก

เมื่อสวิทช์เปิด ไม่มีกระแสเบสไหล ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงตัดกระแสคอลเล็คเตอร์  LED ทั้งสองก็ดับ

ทรานซิสเตอร์ขยายกระแส และสามารถใช้เป็นสวิทช์

การจัดวงจรแบบที่มีอิมิตเตอร์ (E) อยู่ในวงจรควบคุม (กระแสเบส) และในวงจรถูกควบคุม (กระแสคอลเล็คเตอร์) เรียกว่า โหมดคอมมอนอิมิตเตอร์  ซึ่งการจัดวงจรทรานซิสเตอร์แบบนี้มีใช้อย่าง กว้างขวางจึงควรจะเรียนรู้ก่อน


รูปแบบการทำงานของNPN 

Functional model of NPN transistor การทำงานของทรานซิสเตอร์ยากที่จะอธิบายและทำความเข้าใจในแง่ของโครงสร้างภายใน  แต่จะช่วยได้มากเมื่อใช้รูปแบบการทำงานดังนี้: หมายเหตุเพิ่มเติม: มีตารางข้อมูลเทคนิคแสดงสำหรับทรานซิสเตอร์ยอดนิยมในหน้า ทรานซิสเตอร์

Darlington pair
touch switch circuit
วงจรสวิทช์สัมผัส

คู่ดาลิงตัน

ทรานซิสเตอร์สองตัวต่อด้วยกันดังรูป ทำให้กระแสที่ขยายด้วยตัวแรกถูกขยายต่อด้วยทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง  เกนการขยายกระแสรวมจะเท่ากับเกนของ แต่ละตัวคูณกัน:

เกนกระแสของคู่ดาลิงตัน hFE = hFE1 hFE2
(hFE1 และ hFE2 คือเกนของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว)

ด้วยเหตุนี้ทำให้คู่ดาลิงตันมีเกนกระแสสูงมาก เช่น 10000 ดังนั้นจึงต้องการกระแสเบสเพียงเล็กน้อยก็ทำให้คู่ดาลิงตันสวิทช์ต่อได้

คู่ดาลิงตันแทนทรานซิสเตอร์ตัวเดียวที่มีเกนกระแสสูงมาก  มีสามขาเช่นกัน (BC และ E) ซึ่งเทียบเท่ากับขาของทรานซิสเตอร์ตัวเดียว ถ้าจะให้ คู่ดาลิงตันทำงานต้องมีแรงดัน 0.7Vระหว่างรอยต่อเบส-อิมิตเตอร์ของทั้งคู่ซึ่งต่ออนุกรมกันภายใน  ดังนั้นจึงต้องใช้ 1.4V เพื่อให้เปิด(on)

คู่ดาลิงตันสามารถหาได้เป็นแพคเกจสำเร็จรูป  แต่ก็สามรถทำเองได้เองจากทรานซิสเตอร์สองตัว  TR1 เป็นชนิดกำลังต่ำส่วน TR2 ปกติต้องการกำลังสูง กระแสคอลเล็คเตอร์สูงสุด IC(max)ของคู่ดาลิงตันจะเท่ากับ IC(max) ของ TR2.

คู่ดาลิงตันค่อนข้างจะไวต่อกระแสน้อยๆที่ไหลผ่านผิวเรา จึงสามารถใช้ทำเป็นวงจรสวิทช์สัมผัสดังแสดงในแผนภาพ  สำหรับวงจรนี้ใช้ทรานซิสเตอร์ เอนก ประสงค์กำลังต่ำสองตัวเมื่อเราแตะสัมผัสจะทำ LED ติด   ตัวต้านทาน 100kohm มีไว้จำกัดกระแสเบส


การใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิทช์

transistor and load เมื่อทรานซิสเตอร์เป็นสวิทช์ต้องทำหน้าที่ตัด (OFF) หรือ ต่อ (ON) ในสภาวะต่อ(ON) แรงดัน VCE คร่อมทรานซิสเตอร์เกือบศูนย์ และเราเรียกว่า ทรานซิสเตอร์อิ่มตัว(saturated) เพราะว่าไม่สามารถมีกระแสคอลเล็คเตอร์ IC มากกว่านี้อีกแล้ว  อุปกรณ์เอาท์พุทที่ถูกสวิทช์ต่อโดยทรานซิสเตอร์นี้
เรียกว่าโหลด

กำลังที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์สวิทช์นั้นต่ำมาก:

นั่นหมายความว่าทรานซิสเตอร์ที่ใช้จะไม่ร้อน จึงไม่ต้องคำนึงถึงอัตรากำลังสูงสุด แต่อัตราที่สำคัญในวงจรสวิทชิ่งก็คือ กระแสคอลเล็คเตอร์สูงสุด IC(max) และ เกนกระแสต่ำสุด hFE(min) อัตราแรงดันของทรานซิสเตอร์คงไม่ต้องคำนึงถึงยกเว้นแต่หากใช้กับแหล่งจ่ายไฟสูงกว่า 15V เรามีตาราง แสดงข้อมูลทางเทคนิคของทรานซิสเตอร์ที่นิยมใช้บ่อยๆในหน้า ทรานซิสเตอร์

สำำหรับข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานของทรานซิสเตอร์กรุณาดูที่ รูปแบบการทำงาน ด้านบน

Protection diode for a relay

ไดโอดป้องกัน

หากโหลดเป็น มอเตอร์, รีเลย์ หรือ โซลินอยด์ (หรืออุปกรณ์อื่นๆที่เป็นขดลวด) จะต้องต่อ ไดโอด คร่อมโหลดเพื่อป้องกันทรานซิสเตอร์(และไอซี) เสียหายตอนตัด(off)โหลด  ในแผนภาพแสดงการต่อกลับขั้วไดโอดซึ่งตอนปรกติจะไม่นำกระแส   การนำกระแสเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อโหลดถูกตัด(off)  ซึ่งในตอนนั้นกระแสที่เกิดการสะสมพลังงานในขดลวดพยายามที่จะไหลผ่านขดลวด และเนื่องจากทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะตัด(off) กระแสจึงไหล ผ่านไปทางไดโอด   หากไม่มีไดโอด กระแสก็ไม่สามารถไหลได้  ขดลวดจะผลิตแรงดันสูง(spike)ที่เป็นอันตรายและพยายามที่จะไหลให้ได้

เมื่อไหร่ใช้ รีเลย์

Relay, photograph ? Rapid Electronics
Relay, photograph ? Rapid Electronics
รีเลย์
ทรานซิสเตอร์ไม่สามารถสวิทช์ไฟ AC หรือ ไฟแรงดันสูง (เช่นไฟบ้าน) และก็ไม่เหมาะที่จะใช้เพื่อสวิทช์ที่กระแสสูงๆ (> 5A)  ในกรณีนี้ต้องใช้ รีเลย์ 
แต่ก็ยังจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์กำลังต่ำทำหน้าที่สวิทช์กระแสสำหรับขดลวดรีเลย์

ประโยชน์ของรีเลย์:

ข้อเสียของรีเลย์:

การต่อทรานซิสเตอร์กับเอาท์พุทจากไอซี

เอาท์พุทของไอซีส่วนใหญ่ไม่สามารถจ่ายกระแสได้มาก  ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ เพื่อสวิทช์กระแสที่สูงพอสำหรับอุปกรณ์เอาท์พุท เช่น หลอด มอเตอร์ และรีเลย์  แต่ไอซีไทเมอร์ เบอร์ 555 ปกติสามารถจ่ายกระแสได้สูงถึง 200mA ซึ่งสูงพอสำหรับอุปกรณ์เอาท์พุทที่ต้องการกระแสไม่สูงนัก เช่น หลอด ออด หรือรีเลย์ โดยไม่ต้องใช้ทรานซิสเตอร์ช่วย

ตัวต้านทาน RB มีไว้เพื่อจำกัดกระแสที่ไหลเข้าเบสของทรานซิสเตอร์ และป้องกันไม่ให้เสียหาย อย่างไรก็ตาม RB ต้องต่ำพอเพื่อให้มั่นใจว่าทรานซิสเตอร์จะอิ่มตัวป้องกันไม่ให้ร้อนมาก  นี่เป็น สิ่งสำคัญหากทรานซิสเตอร์สวิทช์ที่กระแสสูง(> 100mA)  ปลอดภัยที่สุดกระแสเบส IB ต้องสูงกว่าห้าเท่าของกระแสที่ทำให้ทรานซิสเตอร์อิ่มตัว

การเลือกทรานซิสเตอร์ NPN ที่เหมาะสม

แผนภาพวงจรแสดงการต่อทรานซิสเตอร์ NPN  วงจรนี้จะสวิทช์ให้โหลดต่อเมื่อเอาท์พุทจากไอซีสูง (+Vs) ในทางกลับกันหากต้องการให้โหลดต่อเมื่อเอาท์พุทจากไอซีต่ำ (0V) ให้ดูที่วงจร สำหรับ ทรานซิสเตอร์ PNP ทรานซิสเตอร์ ด้านล่าง

ขั้นตอนด้านล่างจะอธิบายวิธีเลือกสวิทชิ่งทรานซิสเตอร์ที่เหมาะสม
NPN transistor switch
NPN ทรานซิสเตอร์สวิทช์
(โหลดต่อเมื่อเอาท์พุทจากไอซีสูง)

 
การใช้หน่วยในการคำนวณ
จงอย่าลืมเมื่อใช้ V, A และ ohm หรือ
V, mA และ
kohm สำหรับรายละเอียด
กรุณาดูที่หน้า กฎของโอห์ม
 

  1. กระแสคอลเล็คเตอร์สูงสุด IC(max) ของทรานซิสเตอร์ต้องมากกว่ากระแสโหลด IC
    กระแสโหลด IC =   แรงดันแหล่งจ่าย Vs
    ความต้านทานโหลดRL
  2. เกนกระแสต่ำสุด hFE(min) ของทรานซิสเตอร์อย่างน้อยต้องเป็นห้าเท่าของกระแสโหลด IC หารด้วยกระแสเอาท์พุทสูงสุดของไอซี(chip)
    hFE(min)  >   5     กระแสโหลด IC  
    กระแสไอซีสูงสุด
  3. เลือกทรานซิสเตอร์ ซึ่งตรงกับความต้องการเหล่านี้และบันทึกคุณสมบัติ: IC(max) และ hFE(min)
    มีตารางแสดงข้อมูลทางเทคนิคของทรานซิสเตอร์ที่นิยมใช้บางเบอร์ที่หน้า ทรานซิสเตอร์

     

  4. คำนวณค่าโดยประมาณสำหรับตัวต้านทานที่เบส:
    RB = 0.2 RL hFE   หรือ   RB =   Vs hFE
    5 IC
    และเลือกค่ามาตรฐานที่ใกล้เคียงที่สุด

     

  5. สุดท้าย, ต้องจำว่าหากโหลดเป็นมอเตอร์หรือขดลวดรีเลย์ ต้องต่อ ไดโอดป้องกัน ด้วย

ตัวอย่าง
เอาท์พุทจากไอซี CMOS อนุกรม 4000  ต้องการขับรีเลย์คอยล์ 100ohm  
แรงดันแหล่งจ่าย
6V และไอซีสามารถจ่ายกระแสสูงสุด 5mA

  1. กระแสโหลด = Vs/RL = 6/100 = 0.06A = 60mA, ดังนั้นทรานซิสเตอร์ต้องจ่ายกระแส IC(max) > 60mA
  2. กระแสสูงสุดจากไอซีคือ 5mA, ดังนั้นทรานซิสเตอร์จะต้องมี hFE(min) > 60 (5  60mA/5mA).
  3. เลือกทรานซิสเตอร์กำลังต่ำเอนกประสงค์เบอร์ BC182 มี IC(max) = 100mA และ hFE(min) = 100
  4. RB = 0.2 RL hFE = 0.2 100 100 = 2000ohm ดังนั้นเลือก RB = 1k8 or 2k2
  5. คอยล์รีเลย์ต้องการ ไดโอดป้องกัน

PNP transistor switch
PNP ทรานซิสเตอร์สวิทช์
(โหลดต่อเมื่อเอาท์พุทจากไอซีต่ำ)

การเลือกทรานซิสเตอร์ PNP ที่เหมาะสม

แผนภาพวงจรแสดงการต่อทรานซิสเตอร์ PNP  วงจรนี้จะสวิทช์ต่อโหลดเมื่อเอาท์พุทไอซีต่ำ (0V) ในทางกลับกันหากต้องการให้สวิทช์ต่อโหลดเมื่อ
เอาท์พุทไอซีสูง (+Vs) กรุณาดูวงจรสำหรับ ทรานซิสเตอร์ NPN ด้านบน

ขั้นตอนการเลือกทรานซิสเตอร์ PNP ที่เหมาะสมคล้ายกับการเลือกทรานซิสเตอร์ NPN ที่อธิบายด้านบน


การใช้ทรานซิสเตอร์สวิทช์กับเซนเซอร์ 

transistor and LDR circuit 1
LED ติดเมื่อ LDR รับความมืด
transistor and LDR circuit 2
LED ติดเมื่อ LDR รับแสงสว่าง
 
วงจรแผนภาพด้านบนแสดงการต่อ LDR (เซนเซอร์แสง) เพื่อให้ LED ติดเมื่อ LDR ได้รับความมืด ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้สำหรับปรับให้สวิทช์ตัดต่อ
ตามความสว่างท่ีเราต้องการ  ทรานซิสเตอร์เอนกประสงค์กำลังต่ำทั่วไปสามารถใช้กับวงจรนี้ได้ 

ตัวต้านทานค่าคงที่ 10kohm มีไว้เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสเบสสูงเกินไป(ซึ่งอาจจะทำให้มันเสียได้) เมื่อตัวต้านทานปรับค่าได้ถูกลดค่าเป็นศูนย์   เพื่อที่จะให้
การสวิทช์ของวงจรนี้ทำงานเหมาะสมตามความสว่างของแสงที่เราต้องการ  อาจต้องทดลองเลือกค่าความต้านทานคงที่ร่วมกับการปรับค่าตัวต้านทาน แบบปรับค่าได้  แต่ต้องไม่น้อยกว่า 1kohm

หากทรานซิสเตอร์สวิทช์โหลดที่เป็นขดลวด เช่น มอเตอร์หรือรีเลย์ อย่าลืมเพิ่ม ไดโอดป้องกัน คร่อมโหลด

การสวิทช์สามารถทำงานในทางกลับกัน  คือทำให้ LED ติดเมื่อ LDR ได้รับแสงสว่าง   โดยการสลับที่กันระหว่าง LDR และตัวต้านทานเปลี่ยนค่าได้ 
ส่วนตัวต้านทานค่าคงที่ตัดทิ้งไปได้เพราะความต้านทานของ LDR ไม่สามารถลดค่าจนเป็นศูนย์อยู่แล้ว

ต้องเข้าใจว่าการทำงานสวิทชิ่งของวงจรนี้มิได้ดีเยี่ยม  เพราะในกรณีความสว่างของแสงอยู่ที่กลางๆ ทรานซิสเตอร์จะต่อ(on)บางส่วน(ไม่อิ่มตัว)  ในสภาวะนี้ทรานซิิสเตอร์จะร้อนเกินไปและเป็นอันตราย  นอกจากเป็นการสวิทช์ที่กระแสต่ำๆ เช่น ไม่เป็นปัญหาสำหรับกระแสน้อยๆของ LED   แต่ถ้ากระแสมากสำหรับหลอด มอเตอร์หรือรีเลย์ อาจก่อให้เกิดความร้อนสูงเกินไป

เซนเซอร์แบบอื่น เช่น เทอร์มิสเตอร์ สามารถใช้กับวงจรนี้ได้เช่นกัน แต่อาจต้องใช้ตัวต้านทานปรับได้ค่าอื่น  เราสามารถคำนวณค่าโดยประมาณของตัว
ต้านทานปรับได้(Rv) โดยใช้ มัลติมิเตอร์ วัดหาค่าความต้านทานต่ำสุดและสูงสุด(Rmin และ Rmax)ของเซนเซอร์:

ตัวต้านทานเปลี่ยนค่าได้ Rv = รากที่สองของ (Rmin Rmax)

ตัวอย่างเช่น LDR: Rmin = 100ohm, Rmax = 1Mohm, ดังนั้น Rv = รากที่สองของ (100  1M) = 10kohm.

เราสามารถสร้างวงจรสวิทชิ่งที่ดีกว่าโดยต่อเซนเซอร์กับไอซี  ซึ่งการสวิทช์จะคมกว่าไม่มีสภาวะต่อ(on)บางส่วนที่ทำให้เกิดความร้อน


ทรานซิสเตอร์อินเวอร์เตอร์ (NOT เกท)

transistor inverter circuitอินเวอร์เตอร์ (NOTเกท) หาได้จากไอซีโลจิก  แต่เราสามารถสร้างอินเวอร์เตอร์ง่ายๆจากทรานซิสเตอร์ดังวงจรนี้  สัญญาณเอาท์พุท (แรงดัน)จะกลับกัน กับสัญญาณอินพุท : ทรานซิสเตอร์ NPN เอนกประสงค์กำลังต่ำทั่วๆไปสามารถใช้ได้  สำหรับโดยทั่วไปใช้ RB = 10kohm และ RC = 1kohm  เอาท์พุทของอินเวอร์เตอร์สามารถต่อ
กับอุปกรณ์ที่มีอินพุทอิมพิแดนซ์ (ความต้านทาน) อย่างน้อย 10kohm เช่นไอซีโลจิกหรือไทเมอร์ 555  (ทริกเกอร์และรีเซท อินพุท)

หากเราต่อเข้ากับอินพุทของไอซีโลจิกชนิด CMOS (อิมพิแดนซ์สูงมาก) เราสามารถเพิ่ม RB ได้ถึง 100kohm และ RC ได้ถึง 10kohm ซึ่งจะช่วยลดกระแสที่ใช้ กับอินเวอร์เตอร์ด้วย


หน้าต่อไป: ระบบอนาลอกและดิจดตอล | เรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์

ไอซีอีแปลและเรียบเรียง เพื่อเผยแพร่สำหรับคนไทย ผู้ที่มีอิเล็กทรอนิกส์ในหัวใจ ขอขอบคุณ Mr. James Hewes