บทที่ 8 มารู้จักทรานซิสเตอร์กันเถอะ EP2 (Cut-off & Satuation Region)

สัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์

การทำงานของทรานซิสเตอร์ แบ่งเป็น 3 รูปแบบดังนี้

          1. Cut-off Region (บทที่ 8 , 9 , 10)

          2. Satuation Region (บทที่ 8 , 9 , 10)

          3. Active Region (ผมยังไม่เชี่ยวชาญโหมดนี้ ขอมาเพิ่มเติมบทความในอนาคตนะครับ)

          1. Cut-off Region หรือ โหมดหยุดการทำงานของทรานซิสเตอร์ เกิดจากสภาวะไม่มีกระแส IB ไหลในวงจร เมื่อไม่มีกระแส IB ไหล ก็จะทำให้ขา C,E ของทรานซิสเตอร์ มีค่าความต้านทานสูงมาก โดยทั่วไปมีค่าประมาณ 500kΩ - 10MΩ ซึ่งจะทำให้กระแส IC ไหลได้น้อยมากๆ จนเรามองว่ามันไม่ไหลและทรานซิสเตอร์หยุดทำงานนั่นเอง

          วิธีใช้งาน Cut-off Region โหมดง่ายๆคือ ป้อนแรงดันให้ขา B และ E ของทรานซิสเตอร์เท่ากัน เช่น ชนิด NPN เราจะต่อขา B ลง GND ตรงๆเลย หรือต่อผ่านตัวต้านทานลง GND (เรียกว่าการ Pull Down) ก็สามารถทำได้ ตัวอย่างวงจรแสดงดังรูปที่ 1

รูปที่ 1

ส่วนถ้าเป็นชนิด PNP ก็ใช้หลักการเดียวกัน แต่เปลี่ยนจากการต่อลง GND ไปต่อกับแรงดันที่ขา E แทน โดยจะต่อขา B ไปที่ขา E โดยตรง หรือต่อผ่านตัวต้านทาน(เรียกว่าการต่อ Pull Up) ก็สามารถทำได้ ตัวอย่างวงจรแสดงดังรูปที่ 2

รูปที่ 2

*ผมแนะนำให้ต่อผ่านตัวต้านทาน เพราะว่าเราจะสามารถนำวงจรไปประยุกต์ใช้กับวงจรอื่นที่จะมาต่อร่วมได้อีกทอดหนึ่ง อีกส่วนหนึ่งคือเราไม่ควรปล่อยให้ขา B ลอยไว้เฉยๆโดยไม่ต่ออะไรดังแสดงในรูปที่ 3 เนื่องจากอาจมีสัญญาณจากภายนอกมารบกวน ซึ่งอาจจะทำให้มีกระแส IB รั่วไหลได้ และเมื่อมี IB รั่วไหลก็จะทำให้กระแส Ic ไหลตามไปด้วยนั่นเอง วิธีการแก้ไขอย่างง่าย แสดงดังรูปที่ 4 โดยเพิ่ม RB2 เข้าไปอีกตัว ซึ่งค่าที่แนะนำให้ใช้ ให้ใส่ค่ามากกว่า RB1 10 เท่า

รูปที่ 3

รูปที่ 4

จากตัวข้างต้นก็คือวงจรตัวอย่างพื้นฐานซึ่งยังไม่ได้มีการคำนวณใดๆ ส่วนการคำนวณจะขอรวมตัวอย่างกับ Satuation Region เนื่องจากส่วนใหญ่แล้ว เราจะออกแบบวงจรทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานแบบ Satuation Region ให้สามารถ Cut-off ได้ด้วย เพราะวงจรส่วนใหญ่ที่นำไปใช้คือวงจรสวิตช์ครับ โดยผมจะขออธิบายต่อจากนี้ไปครับ

          2. Satuation Region หรือ โหมดการทำงานของทรานซิสเตอร์ แบบอิ่มตัว เกิดจากสภาวะกระแส IC ไหลในวงจรแบบสูงสุดเพื่อให้ได้ค่า VCE ต่ำที่สุด โดยทั่วไป อยู่ประมาณ 0.3V - 1.2V และนี่คือเหตุผลที่เราใช้  Satuation Region มาออกแบบเป็นวงจรสวิตช์นั่นเอง ว่าแล้วมาดูวงจรตัวอย่างพร้อมการคำนวณกันเลยครับ

ตัวอย่างที่ 1 ทำวงจรสวิตช์ทรานซิสเตอร์แบบใช้แหล่งจ่ายเดียว (NPN)

รูปที่ 5

มารวบรวมค่าพารามิเตอร์ต่างๆจากดาต้าชีทของ BC547 กัน

รูปที่ 6

จากรูปที่ 6 เราจะได้ค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญในการคำนวณดังนี้

          VCB              = 50V
          VCE              = 45V
          VCE(sat)(max)   = 0.3V
          VBE(max)        = 1.1V
          IC                     = 100mA
          PC                   = 625mW
          hfe(β)(min)    = 110
          f                  = 150MHz
          rth               = 200⁰C/W

เมื่อเราจะออกแบบวงจรให้ทำงานในโหมด Satuation Region เราต้องกำหนดค่าพารามิเตอร์บางตัวใหม่ดังนี้

          IC(sat) = IL
                     = 50mA
     
          hfe(β) = hfe(β)(min) / 2
                     = 110/2
                     = 55

          PC      = PC(max) - ((85 - อุณหภูมิห้อง) / rth)
                     = 0.625 - ((85-25) / 200) 
                     = 0.625 - 0.300
                     = 0.325W
         
          Vload = Vcc - VCE(sat)
                     = 12 - 0.3
                     = 11.7V อยู่ในช่วงที่โหลดต้องการคือ 10V - 14Vดังนั้นทรานซิสเตอร์ตัวนี้สามารถใช้งานได้

          PC(max) ของวงจรนี้คือ 
                     = VCE(sat)  ×  IC(sat) 
                     = 0.3  ×  50mA
                     = 15mW ไม่เกินจากที่ทรานซิสเตอร์ทนได้ ดังนั้นทรานซิสเตอร์ตัวนี้สามารถใช้งานได้
    
         IB(sat) = IC(sat) / hfe
                     = 50mA/55
                     = 0.91mA

เมื่อรวบรวมพารามิเตอร์ที่สำคัญครบแล้วเราก็มาคำนวณหาค่า RB1 RB2 กันครับ โดยที่ RB2 = 10 × RB1

          RB1 = (Vcc - 1.1VBE) / IB(sat)
                  = (12 - 1.1 × 1.1) / 0.91mA
                  = 11.86kΩ

          RB2 = 10 × 11.86
                  = 118.6kΩ

ดังนั้นจากวงจรตัวอย่างที่ 1 สรุปได้ว่า ค่า RB1 ที่ผมเลือกใช้คือ 12kΩ และค่า RB2 ที่ผมเลือกใช้คือ 120kΩ รวมถึงค่า Vload PC ก็อยู่ในเงื่อนไขที่กำหนด ดังนั้นวงจรนี้สามารถทำงานได้ตามที่ต้องการ

ตัวอย่างที่ 2 จากตัวอย่างที่ 1 เปลี่ยนตัวควบคุมเป็นรับสัญญาณมาจาก Arduino หรือ Microcontroller อื่นๆ (NPN)

รูปที่ 7

พารามิเตอร์ต่างๆใช้จากตัวอย่างที่ 1 เปลี่ยนเพียงสูตรหาค่า RB1
โดยเราสามารถสร้างวงจรใหม่ได้ 2 แบบดังนี้
1.แบบไม่ใส่ RB2 จะได้สมการดังนี้
          
         RB1 = (VON - VBE) / IB(sat)
                  = (5 - 1.1) / 0.91mA
                  = 4.29kΩ

2.แบบใส่ RB2 เหมือนเดิมจะได้สมการดังนี้
          
         RB1 = (VON - 1.1VBE) / IB(sat)
                  = (5 - 1.1) / 0.91mA
                  = 4.16kΩ

          RB2 = 10 × 4.16
                  = 41.6kΩ

*ผมขอแนะนำว่าถ้าต้องการให้ทรานซิสเตอร์หยุดทำงานได้เร็วขึ้น(ที่ความถี่มากกว่า1kHz) หรือในกรณีที่มีการลากสายมาจาก Arduino ยาวๆ เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนอื่นๆที่อาจรบกวนวงจรได้อีกทาง หากมีพื้นที่บน PCB มากพอ ผมแนะนำให้ใช้แบบที่ 2 แต่ถ้าวงจรที่นำไปใช้งานไม่ได้มีสัญญาณรบกวนมาก ไม่ได้มีการ ON/OFF เร็วๆ(น้อยกว่า1kHz) หรือไม่ได้มีการลากสายไฟจาก Arduino ก็สามารถใช้แบบที่ 1 ได้เช่นเดียวกันครับ ขอจบบทที่ 8 แต่เพียงเท่านี้ แต่ยังมีวงจรทรานซิสเตอร์อีกหลายแบบให้ได้ศึกษากันในบทความต่อๆไป ฝากติดตามกันด้วยนะครับ 

การคำนวณทั้งหมดเพื่อให้เข้าใจง่ายผมจึงไม่ได้รวมค่าความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทานเข้าไปแต่โดยทั่วไปคำนวณแค่นี้ก็เพียงพอแล้วครับ หากท่านใดมีข้อสงสัยเพิ่มเติม อินบล็อคเข้ามาสอบถามได้เลยครับ เจอกันบทความหน้าครับ**สำคัญมาก "คำแนะนำทั้งหมดเป็นเพียงแนวทางในการออกแบบเท่านั้น ไม่ได้เป็นการยืนยันว่าจะไม่เกิดความผิดพลาดหรือข้อบกพร่องขึ้นกับวงจรที่ออกแบบ ดังนั้นผู้ออกแบบต้องออกแบบวงจรด้วยความระมัดระวังรอบคอบนะครับ" ขอบคุณครับ

ข้อมูลอ้างอิง

https://www.maritex.com.pl/product/attachment/38841/BC546.BC547.BC548.pdf

บทความโดย Pomtep Narak

2019/03/23