CÁC THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CỦA TRANSISTORS

TRANSISTOR –  CÁC  PHƯƠ NG  PHÁP  PHÂN C Ự C

9.1. TỔNG QUAN VỀ TRANSISTOR S

9.1.4. CÁC THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CỦA TRANSISTORS

Khi các transistor npn hay pnp được kết nối với các nguồn áp DC phân cực, gọi : VBBlà nguồn áp DC phân cực thuận mối nối nền phát và VCClà nguồn áp DC phân cực nghịch mối nối nền thu , xem hình H9.7.

9.1.4.1.HỆ SỐ DC

VÀ HỆ SỐ DC

:

Hệ số DC được gọi là độ lợi dòng điện DC và được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua cực thu IC so với dòng DC qua cực nền IB. Ta có:

DC C B

I

  I (9.2)

Hệ số DC còn được gọi là hFE là thông số của transistor trong mạch tương đương tính theo thông số h thường được áp dụng khi thiết kế các mạch khuếch đại dùng transistor. Giá trị của hệ số DC hFE trong phạm vi từ 20 đến 200 hay lớn hơn.

Hệ số DC được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua cực thu IC so với dòng DC qua cực phát IE. Ta có:

DC C E

I

  I (9.3)

Hệ số DC ít được sử dụng hơn so với hệ số DC trong quá trình tính toán hay thiết kế.

Giá trị của hệ số DC trong phạm vi từ 0,95 đến 0,98 hay lớn hơn.

9.1.4.2.GIẢI TÍCH ÁP VÀ DÒNG TRONG MẠCH PHÂN CỰC TRANSISTOR:

Trong mạch phân cực hình H9.8, gọi:

VBE: điện áp DC giữa cực nền và cực phát.

VCE: điện áp DC giữa cực thu và cực phát.

VCB: điện áp DC giữa cực thu và cực nền.2 VBB là áp phân cực thuận mối nối nền phát (BE) và VCC là áp phân cực ngược mối nối nền thu (BC). Khi mối nối BE phân cực thuận, tương tự như diode điện áp giữa mối nối BE là: VBE 0,7 V.

HÌNH H 9.7

HÌNH H 9.8

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

Mặc dù trong các transistor thực sự, áp VBE có thể cao đến mức 0,9 V và phụ thuộc vào dòng điện, trong tài liệu này chúng ta dùng giá trị 0,7 V để đơn giản trong quá trình phân tích các vấn đề cơ bản.

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mắt lưới phía cực nền, ta có quan hệ:

BB B B BE

V  R  I V (9.4)

Suy ra:

BB BE

B B

V V

I R

  (9.5)

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho mắt lưới phía cực thu, ta có quan hệ:

CC C C CE

V  R  I V (9.6)

Suy ra:

 

CE CC C C CC C DC B

V  V R I  V R   .I (9.7)

THÍ DỤ 9.1:

Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.9, biết transistor có hệ số DC  150. Xác định các dòng điện: IB;

IC ; IEvà các áp VCE và VCB. GIẢI:

Áp dụng quan hệ (9.5), ta có:

BB BE

B B

V V 5 V 0,7 V

I 0,43mA

R 10k

 

  



Áp dụng quan hệ (9.2) suy ra dòng qua cực thu là: IC  DC B.I 150 0,43 64,5mA  Áp dụng quan hệ (9.1) hay định luật Kirchhoff 1, ta có: IE  IC IB  64,5 0,43 64,93mA  Áp dụng quan hệ (9.7) để xác định áp VCE, ta có: VCE 10 100 0,0645 3,55 V   Áp dụng định luật Kirchhoff2 ta có: VCB  VCE VBE  3,55 0,7 2,85 V 

9.1.4.3.ĐẶC TUYẾN CỰC THU CỦA TRANSISTOR:

Áp dụng mạch điện trong hình H9.10 để xác định đặc tuyến cực thu bằng thực nghiệm. Đặc tuyến cực thu của transistor là đồ thị mô tả quan hệ giữa áp VCE theo dòng IC, khi chọn dòng IB làm thông số.

Đặc tuyến cực thu của transistor được trình bày trong hình H9.11.

HÌNH H 9.9

HÌNH H 9.10

Giả sử áp VBB được chỉnh để tạo ra giá trị IB bất kỳ và áp VCC 0 V. Tại điều kiện này các mối nối BE và BC phân cực thuận vì áp VBE  0,7 V trong khi áp VCE  0 V. Khi các mối nối BE và BC phân cực thuận, transistor hoạt động trong vùng bảo hòa.

Khi tăng áp VCC, áp VCEtăng dần khi dòng IC tăng; quá trình được xác định bởi đoạn đặc tuyến AB trong hình H9.11a. IC tăng khi VCC tăng vì VCEduy trì giá trị nhỏ hơn 0,7 V tùy thuộc vào sự phân cực thuận mối nối nền thu.

Một cách lý tưởng, khi VCE vượt cao hơn giá trị 0,7 V, mối nối BC bắt đầu phân cực nghịch và transistor bắt đầu đi vào vùng hoạt động hay vùng tuyến tính. Khi mối nối BC phân cực nghịch dòng ICngừng tăng và duy trì giá trị không đổi tương ứng với giá trị của dòng IB khi áp VCE tiếp tục gia tăng. Thực sự dòng IC có hơi gia tăng giá trị khi VCE gia tăng do độ rộng của vùng nghèo tại mối nối nền thu. Hệ quả này do một số ít lổ trống thực hiện quá trình tái hợp trong vùng nền làm hệ số DC hơi giảm thấp giá trị. Quá trình này được trình bày bằng đoạn BC trên đặc tuyến cực thu . Phần đặc tuyến này trình bày quan hệ IC  DC B.I .

Khi VCE tăng đến mức đủ lớn, mối nối BC phân cực nghịch đạt đến trạng thái phá vở phân cực nghịch và dòng cực thu gia tăng rất nhanh. Quá trình này được biểu diễn bằng đoạn đặc tuyến phía phải điển C trong hình H9.11a. Các transistor không được tính toán để hoạt động trong vùng phá vở phân cực nghịch của mối nối nền thu.

Họ đặc tuyến cực thu là các đồ thị trình bày quan hệ giữa dòng IC theo áp VCE khi thay đổi giá trị IB, hay chọn dòng IB làm thông số. Họ đặc tuyến cực thu được trình bày trong hình H9.11b.

Khi IB  0 transistor hoạt động trong vùng ngưng dẫn (cut off) mặc dù ta có thể định được giá trị rất nhỏ của dòng IC.

HÌNH H 9.11: Đặc tuyến cực thu của transistor

Vùng BREAK DOWN Vùng

bảo hòa

Vùng hoạt động

a. Quan hệ giữa dòng IC theo áp VCE tại môt giá trị của dòng IB

b. Quan hệ giữa dòng IC theo áp VCE khi thay đổi giá trị của dòng IB IB1 < IB2 < IB2 < . . .

Vùng ngưng dẫn

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

THÍ DỤ 9.2:

Cho mạch dùng xác định đặc tính cực thu như trong hình H9.10, giả sử transistor có hệ số khuếch đại DC  DC 100, giá trị của dòng IB khảo sát trong phạm vi từ : 5 A 25 A   .

Dạng của họ đặc tuyến cực thu được xác định theo phân tích trên trình bày trong hình H9.12 với thông số IB thay đổi nhày cấp tương ứng với 5 A .

9.1.4.4.VÙNG NGƯNG DẪN (CUT OFF):

Như đã trình bày trong mục trên khi dòng IB  0; transistor hoạt động trong vùng ngưng dẫn, trong hình H9.13 cực nền hở mạch mô tả dòng qua cực nền triệt tiêu. Trong điều kiện này, sẽ có dòng điện rò qua cực thu rất nhỏ , ICEO phụ thuôc vào điều kiện nhiệt tác động lên các hạt tải. Trong quá trình giải tích, thường bỏ qua giá trị ICEO tại vùng ngưng dẫn và xem như

CE CC

V  V . Trong vùng ngưng dẫn các mối nối pn nền phát và nền thu đều phân cực nghịch.

9.1.4.5.VÙNG BÀO HÒA (CUT OFF):

Khi mối nối nền phát phân cực thuận và dòng IB gia tăng, dòng cực thu ICcũng gia tăng theo quan hệ IC  DC B.I , lúc này áp VCE được xác định theo quan hệ (9.6) hay:

CE CC C C

V  V R .I

Tóm lại khi IB và IC tăng thì VCE giảm.

Khi VCE giảm đến trạng thái giá trị bảo hòa

CE SAT

V , mối nối nền thu bắt đầu phân cực thuận và dòng ICtăng nhanh. Tại lúc bảo hòa quan hệ IC  DC B.I không còn duy trì chính xác. Áp VCE SATthường được xác định tại điểm khuỷu của đặc tuyến cực thu và có giá trị khoảng VCE SAT 0,4V 0,5V đới với transistor Silicon.

HÌNH H 9.12: Họ đặc tuyến cực thu của transistor

HÌNH H 9.13: Dòng điện rò cực thu ICEO tại trạng thái ngưng dẫn (cut off).

HÌNH H 9.14: Dòng IB tăng làm ICtăng và VCEgiảm.

Khi transistor bảo hòa dòng ICtăng không phụ thuộc vào tốc độ tăng của dòngIB.

9.1.4.6.ĐƯỜNG TẢI DC (DC LOAD LINE):

Vùng bảo hòa và vùng ngưng dẫn trong đặc tuyến cực thu có quan hệ với đường tải điện DC.

Khi cấp nguồn cho transistor hoạt động theo mạch trong hình H9.10 hay H9.14; phương trình cân bằng áp trong mắt lưới chức cực thu phát của transistor được viết theo quan hệ (9.6), ta có: VCE  VCC R .IC C

Với giá trị VCC và RC cho trước, ta xem áp VCE là hàm theo biến số IC . Đồ thị mô tả quan hệ

 

CE C

V  f I có dạng đường thẳng chính là đường tải DC. Đường thẳng này cắt trục hoành tại điểm có tọa độ VCE  V ; ICC C  0tại vùng ngưng dẫn.

Đường tải DC còn cắt trục tung tại điểm có tọa độ CE C CC

C

V 0;I V R

 

 

 

 

 ; vị trí này nằm sâu

trung vùng bảo hòa, xem hình H9.15. Phạm vi còn lại của đường tải DC là vùng hoạt động tuyến tính của transistor.

THÍ DỤ 9.3:

Cho mạch transistor theo hình H9.16, giả sử áp bảo hòa VCE SAT 0,2 V; xác định trạng thái hoạt động của transistor.

GIẢI

Đầu tiên xác định dòng qua cực nền của transsitor theo điều kiện hiện có của mạch điện phân cực theo hình H9.16.

BB BE

B B

V V 3V 0,7V

I 0,23mA

R 10k

 

  

 Giả sử transistor hoạt động trong vùng tuyến tính, ta có quan hệ sau:

C DC B

I   .I  50 0,23mA 11,5mA 

Muốn biết transistor có hoạt động trong vùng bảo hòa hay không ta cần xác định giá trị của dòng IC lúc bảo hòa. Ta có quan hệ sau:

CC CE SAT CSAT

C

V V 10 V 0,2 V

I 9,8mA

R 1k

 

  



So sánh kết quả của dòng IC vừa tìm được với giá trị dòng ICSAT ta kết luận IC  ICSAT nên transistor đang làm việc trong trạng thái bảo hòa.

HÌNH H 9.15: Đường tải DC

HÌNH H 9.16

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 9.1.4.7.ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ LÊN HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI DÒNG DC:

Hệ số khuếch đại DC hay hFElà thôngsố quan trọng của transistor, khi phân tích hay thiết kế ta cần khảo sát thông số này một cách kỹ lưởng và chi tiết hơn. Thực sự DC không hoàn toàn là hằng số, giá trị này thay đổi khi dòng IC và nhiệt độ môi trường thay đổi , xem hình H9.17.

Khi duy trì nhiệt độ của các mối nối pn ổn định và gia tăng dòng IChệ số DCtăng đến mức tối đa.

Khi duy trì giá trị ICkhông đổi và thay đổi nhiệt độ, DC thay đổi trực tiếp khi nhiệt độ thay đổi: nhiệt độ tăng hệ số DCtăng và ngược lại nhiệt độ giảm hệ số DCgiảm.

Trong các tài liệu kỹ thuật thường cho giá trị DC hay hFEtại giá trị dòngICđịnh trước. Hơn nữa, với giá trị dòng IC tại nhiệt độ định trước, hệ số DC cũng thay đổi theo từng linh kiện dù rằng các linh kiện này có cùng mã số; sự kiện này phụ thuộc vào phương thức sản xuất của mỗi nhà sản xuất. Hệ số DCđược xác định ứng với giá trị nào đó của dòng ICvà thường là giá trị cực tiểu

DCmin

 mặc dù giá trị cực đại và các giá trị mẫu của DC đôi khi cũng được đề cập đến trong các tài liệu kỹ thuật.

9.1.4.8.CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA TRANSISTOR:

Transistor cũng như các linh kiện điện tử khác đều có giới hạn trong phạm vi hoạt động.

Các giới hạn này được xác định theo thông số định mức qui định bởi các nhà sản xuất và trình bày trong các tài liệu kỹ thuật. Theo tiêu chuẩn, giá trị tối đa cho phép của các thông số transistor bao gồm điện áp: VCB; VCE; VBE; dòng IC và công suất tiêu tán PD. Trong đó:

D CE C

P  V .I (9.8)

Tích số của VCE và IC không được vượt quá mức công suất tiêu tán cực đại cho phép PDmax và các giá trị VCE và IC không thể đạt giá trị tối đa cùng lúc.

HÌNH H 9.17: Ảnh hưởng cũa nhiệt độ lên hệ số khuếch đại DC DC

THÍ DỤ 9.4:

Cho Transistor trong hình H9.18 có các giá trị cực đại của các thông số như sau:

PDmax  800mW; VCEmax 15 V; ICmax 100mA Xác định giá trị tối đa cho phép của nguồn áp VCC có thể điều chỉnh không vượt qua các giới hạn cho phép. Thông số nào sẽ vượt giá trị cho phép trước tiên.

GIẢI

Dòng qua cực nền:

BB BE

B B

V V 5 V 0,7 V

I 0,195mA

R 22k

 

  

 Dòng qua cực thu:

C DC B

I   .I  100 0,195 19,5mA 

Dòng IC có giá trị nhỏ hơn dòng cực đại cho phép ICmax  100mA, hơn nữa giá trị này không phụ thuộc vào áp VCC mà chỉ phụ thuộc vào dòng IB và hệ số khuếch đại DC.

Điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở RC:

RC C C

V R .I  1k 19,5mA 19,5 V

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 trong mắt lưới chứa cực thu và phát, ta có:

CC CE RC

V  V  V Hay:

CE CC RC

V  V V Khi VCE đạt giá trị tối đa cho phép, ta có quan hệ:

CCmax CEmax RC

V  V V  15 19,5 34,5 V  Công suất tiêu tán trên transistor tại lúc đạt VCEmax: PD  VCEmaxIC  15 V 19,5 mA 292,5mW 

Giá trị PDtìm được nhỏ hơn giá trị PDmax  800mW. Tóm lại giá trị VCEmax 15 Vđạt giới hạn cho phép trước tiên khi thay đổi áp VCC không vượt quá giới hạn 34,5 V.

Tuy nhiên nên nhớ khi ngừng cấp dòng cực nền chuyển transistor sang trạng thái ngưng dẫn, áp VCE lúc này đạt giá trị bằng với áp VCCmax  34,5 V.

9.1.4.9.SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI THEO NHIỆT ĐỘ:

Tương tự như các linh kiện bán dẫn khác, giá trị công suất tiêu tán PDmax thường được cho tại điều kiện nhiệt độ 25oC. Khi nhiệt độ làm việc của môi trường tăng lên giá trị PDmaxcần hiệu chỉnh giảm thấp xuống. Hệ số giảm công suất tiêu tán KPD có đơn vị tính theo mVo

C

 

 

 , gọi PD là độ thay đổi công suất tiêu tán khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng T, ta có quan hệ sau:

 

D PD

P K T

    (9.9)

HÌNH H 9.18

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009

THÍ DỤ 9.5:

Cho Transistor bất kỳ có công suất tiêu tán cực đại cho phép là PDmax  1W tại 25oC. Hệ số thay đổi công suất tiêu tán của linh kiện là KPD 5mWo

 C. Xác định công suất tiêu tán tối đa cho phép của linh kiện khi làm việc tại 70oC.

GIẢI

Áp dụng quan hệ (9.9) ta có:

   

D PD

P K T 5 70 25 225mW

       

Suy ra công suất tiêu tán tối đa cho phép của transsitor khi làm việc tại 70oC là:

o o

Dmax 70 C Dmax25 C D

P  P  P 1000 225 775 mW 