Transistor (BJT) 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 Arduino. Một số thuật ngữ, cách giải thích về transistor cũng được tôi cố gắng tinh giảm để phù hợp với đối tượng người dùng Arduino hơn so với người chuyên về điện tử.

Giới thiệu

Trong điện tử, transistor (transfer-resistor) là một linh kiện bán dẫn. Khi hoạt động trong mạch điện, transistor có vai trò như một cái van cách li hay điều chỉnh dòng điện, điện áp trong mạch. Từ vai trò này, transistor được ứng dụng rộng rãi.

Bài viết này có các mục sau:

1. Tầm quan trọng.

2. Hình ảnh.

3. Nhà phát minh.

4. Phân loại.

5. Cấu tạo.

6. Kí hiệu trong mạch điện.

7. Tìm hiểu hoạt động.

Kết luận sơ lược về hoạt động của transistor NPN.

8. Các thông số cần quan tâm.

9. Ứng dụng để điều khiển động cơ.

10. Lời kết.

1. Tầm quan trọng

Transistor là chìa khóa cho hầu hết các hoạt động của các thiết bị điện tử hiện đại, từ các bộ vi xử lí cao cấp với hàng tỉ 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 tỉ 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 thườn 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.

2. Hình ảnh

Transistor đầu tiên của loài người trông như thế này

Hiện nay, chúng trông như thế này

3. Nhà phát minh

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.

4. Phân loại

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.

Trong khuôn khổ bài viết này, tôi sẽ nói về transistor lưỡng cực BJT. Để cho gọn thì tôi chỉ ghi là "transistor".

5. Cấu tạo

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn loại P và loại N ghép lại với nhau. Do đó có 2 loại transistor là NPN và PNP tương ứng với 2 cách sắp xếp 3 lớp bán dẫn trên.

Xét trên phương diện cấu tạo, transistor tương đương với 2 diode

Chú ý rằng không thể thay thế transistor bởi diode bằng cách mắc như sơ đồ trên. Transistor và Diode là 2 linh kiện điện tử hoàn toàn khác nhau.

Như hình vẽ, transistor có 3 cực là B (Base), C (Collector) và E (Emitter) tương ứng với 3 lớp bán dẫn. Sự phân hóa thành 3 cực này là do đặc tính vật lí của 3 lớp bán dẫn là khác nhau.

Bạn có thể dựa trên cấu tạo của transistor để đo điểm tra bất kì một loại transistor nào. Hãy thử tự mình tìm hiểu cách đo xem.

6. Kí hiệu trong mạch điện

Trong một số mạch điện, điển hình như sơ đồ vẽ bằng Fritzing, bạn cũng có thể sẽ gặp những kí hiệu như thế này

7. Tìm hiểu hoạt động

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 ICvà 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 - UE luôn 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 IC cũng 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 IB càng 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 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 - UE càng lớn khi dòng điện qua transistor càng lớn.

Transistor thuận PNP

Transistor loại PNP tương tự loại NPN như tôi đã trình bày ở trên, nhưng có một số điểm ngược lại như sau:

Dòng điện được điều khiển qua transistor PNP là dòng điện đi từ Emitter sang Collector.
Dòng IE và IB tỉ lệ nghịch với nhau. IB đạt cực đại thì IE = 0A. IB = 0A thì IE đạt cực đại.

Tới đây thì có lẽ bạn đã hiểu vì sao lại có transistor thuận - nghịch.

Thực tế hiện nay, mặc dù số lượng transistor NPN và PNP được sản xuất ra là như nhau, nhưng các transistor loại NPN lại được dùng nhiều hơn loại PNP. Phần lớn các tài liệu viết về transistor cũng thường lấy loại NPN làm ví dụ.

8. Các thông số cần quan tâm

Các kí hiệu ở đây được sử dụng cho transistor loại NPN. Transistor loại PNP cũng có những thông số hoàn toàn tương tự. Chúng được nhà sản xuất ghi rất cụ thể trong tài liệu kĩ thuật của mỗi loại transistor.

Dòng điện cực đại qua cực Base IB
- Mỗi loại transistor có các mức dòng IB cực đại khác nhau, đừng nghĩ rằng transistor càng to và hầm hố thì IB cực đại sẽ càng lớn hay ngược lại.
- Nếu dòng điện qua cực Base của transistor vượt quá mức IB cực đại, nó có thể làm hỏng transistor. Do vậy người ta luôn mắc nối tiếp với cực Base một điện trở hạn dòng.
Hệ số khuếch đại hFE (β)
- Là tỉ số IC / IB đặc trưng cho khả năng khuếch đại dòng điện của transistor. Mỗi loại transistor có một mức hệ số khuếch đại khác nhau. Trong những điều kiện làm việc khác nhau, hFE cũng khác nhau.
- Với các transistor có hFE lớn, bạn chỉ cần một dòng IB nhỏ là đã có thể kích cho nó mở hoàn toàn.
- hFE thường có trị số từ vài chục đến vài ngàn.
Cường độ dòng điện cực đại IC là dòng điện tối đa mà transistor có thể mở cho nó đi vào ở cực Collector. Các loại transistor lớn nhất thường chỉ có IC tối đa khoảng 5A và đòi hỏi phải có quạt tản nhiệt.
Hiệu điện thế:
- UCE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Emitter của transistor. UCE thường chỉ có trị số từ vài chục đến vài trăm volt. Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này.
- UCB: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Base của transistor. UBE thường chỉ có trị số từ vài chục đến vài trăm volt Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này.
- UBE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Base và Emitter của transistor (là hiệu UB - UE). Với dòng hoạt động nhỏ, UBE gần bằng 0V. Với dòng lớn hơn, UBE sẽ tăng lên lên khá nhanh. Với đa phần transistor, UBE hiếm khi vượt quá 5V.
Công suất tiêu tán năng lượng tối đa (Device Dissipation/Power Dissipation) đặc trưng cho công suất hoạt động lớn nhất của transistor, có giá trị bằng tích UCE * ICE. Một số loại transistor lớn có công suất lên đến 65W như TIP120/121/122 và tỏa ra rất nhiều nhiệt lượng nên cần phải gắn thiết bị tản nhiệt, một số khác như 2N3904 thì chỉ là 625mW và không cần tản nhiệt.

9. Ứng dụng để điều khiển động cơ

Xét một ứng dụng thực tế là chiếc xe dò đường tôi đã làm. 2 động cơ của nó được một mạch 2 transistor điều khiển.

Tham khảo sơ đồ mạch điều khiển một động cơ sau

Nếu sử dụng transistor TIP120 (cấu tạo) hoặc tương đương, bạn không cần mắc thêm diode như trong hình.

Giải thích

Bằng cách sử dụng một chân PWM trên Arduino, tôi có thể điều khiển điện áp đặt vào cực Base của transistor qua đó điều khiển được tốc độ động cơ theo ý muốn. Với cách mắc này, động cơ có thể chạy ở các mức điện áp từ 5V (gần đúng) trở xuống do Arduino điều khiển.

Bạn có thể tự mắc một mạch điện cho mình và thử chạy chương trình Arduino sau

int DC = 6;
int speed;

void setup() {
    pinMode(DC, OUTPUT);
}

void loop() {
    Tangtoc();
    Giamtoc();
}

void Tangtoc() {
    for (speed = 0; speed <= 255; speed++) {
        analogWrite(DC, speed);
        delay(80);
    }
}

void Giamtoc() {
    for (speed = 255; speed > 0; speed--) {
        analogWrite(DC, speed);
        delay(80);
    }
}

Trong Arduino IDE cũng có một Example tương tự chương trình này, đó là Fading.

Để ý rằng công suất tỏa nhiệt của transistor là P = UCE * ICE, transistor sẽ nóng lên vì 2 yếu tố này nếu như bạn mắc động cơ như sơ đồ mạch ở trên.

Hãy thử lắp động cơ về phía Collector của transistor, bạn sẽ nhìn thấy điều khác biệt so với cách lắp ở Emitter. Hãy tìm hiểu xem vì sao người ta thường dùng cách mắc này hơn.

Tôi sẽ không nói quá nhiều để ru ngủ bạn. Hãy tự mắc thử mạch điện và tự mình tìm ra điều thú vị. Bạn đến với Arduino bằng chính những gì bạn biết và làm được, chứ không phải là bằng những bài viết được đăng ở đây. Tôi chỉ tin vào bản thân mình chứ cũng ít khi tin vào ông thầy mình.

Transistor trong điều khiển động cơ DC