คำนวณกระแสเบสสำหรับทรานซิสเตอร์สวิตช์แรงดันต่ำ

ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ใช้สวิตช์โหลดขนาดเล็กได้ แต่ขาควบคุมต้องจ่ายกระแสเบสอย่างเหมาะสม การรู้เพียงอัตราขยายกระแสจากมิเตอร์หรือค่าทั่วไปในเอกสารยังไม่พอ เพราะอัตราขยายในย่านขยายกับเงื่อนไขแรงดันตกต่ำขณะอิ่มตัวเป็นคนละเรื่อง ตัวอย่างในบทนี้เป็นสวิตช์ด้านกราวด์สำหรับตัวต้านทานโหลดบนไฟ 5 โวลต์ และใช้ค่าทางไฟฟ้าที่กำหนดขึ้นเพื่อสอนวิธีคำนวณ

กระแสคอลเลกเตอร์ไม่ได้เพิ่มตามเบสได้ไม่จำกัด

ในย่านขยายกระแสคอลเลกเตอร์สัมพันธ์กับกระแสเบสผ่านอัตราขยายที่เปลี่ยนตามกระแส อุณหภูมิ และชิ้นส่วน แต่เมื่อใช้เป็นสวิตช์ กระแสโหลดถูกจำกัดด้วยแหล่งจ่ายและโหลดภายนอก พอขับจนแรงดันคอลเลกเตอร์เทียบอิมิตเตอร์ต่ำลงมาก การเพิ่มเบสต่อไม่ได้ทำให้กระแสโหลดเพิ่มตามอัตราขยายเดิมอย่างไม่สิ้นสุด เพราะวงจรเข้าสู่บริเวณอิ่มตัวแล้ว

เอกสารจึงมักระบุแรงดันอิ่มตัว VCE(sat) พร้อมกระแสคอลเลกเตอร์ IC และกระแสเบส IB การออกแบบต้องดูคู่นี้ให้ตรงภาระ อัตราส่วน IC / IB ที่กำหนดเพื่อขับสวิตช์บางครั้งเรียกว่าอัตราขยายบังคับ แต่ค่าที่เลือกไม่ใช่ค่ามาตรฐานเดียวสำหรับทุกเบอร์ หากใช้กระแสเบสมากเกินจำเป็นอาจเพิ่มภาระขาควบคุมและเวลาในการดึงประจุออกเมื่อปิด

1. 1
   หากระแสโหลด

   คำนวณ IC จากแรงดันจ่าย โหลด และแรงดันตกที่ทรานซิสเตอร์

2. 2
   อ่านเงื่อนไขอิ่มตัว

   VCE(sat) ระบุพร้อม IC และ IB ให้ใช้คู่นี้ประเมินกระแสเบสที่ต้องการ

3. 3
   ตรวจแรงดันขับ

   ใช้แรงดันสูงต่ำสุดของขาควบคุมขณะมีภาระ หัก VBE เพื่อหาแรงดันคร่อม Rเบส

4. 4
   ตรวจภาระขา

   Rเบสต้องให้กระแสพอและไม่ดึงขาควบคุมเกินพิกัดในกรณีแรงดันสูงสุด

อัตราขยายกระแสทั่วไปไม่ใช่เงื่อนไขแรงดันอิ่มตัวที่รับรอง

สถานการณ์สมมติ: ควบคุมโหลด 240 โอห์มด้วยสัญญาณ 3.3 โวลต์

สมมติต่อโหลด 240 โอห์มจากไฟ 5 โวลต์มายังคอลเลกเตอร์ของทรานซิสเตอร์เอ็นพีเอ็น และอิมิตเตอร์ต่อศูนย์โวลต์ หากประมาณแรงดันอิ่มตัว 0.20 โวลต์ กระแสโหลดคือ (5 − 0.20) / 240 = 20 มิลลิแอมป์ สมมติเงื่อนไขข้อมูลชิ้นส่วนที่เลือกต้องการกระแสเบส 2 มิลลิแอมป์สำหรับจุดนี้ และประมาณแรงดันเบสเทียบอิมิตเตอร์ 0.80 โวลต์ ค่า Rเบส จากสัญญาณ 3.3 โวลต์จึงเป็น (3.3 − 0.8) / 0.002 = 1250 โอห์ม

หากเลือกค่ามาตรฐาน 1.2 กิโลโอห์มในแบบจำลอง จะได้กระแสเบสประมาณ 2.08 มิลลิแอมป์ กำลังที่ตัวต้านทานเบสรับประมาณ 2.5² / 1200 = 5.21 มิลลิวัตต์ และส่วนกำลังคอลเลกเตอร์ของทรานซิสเตอร์ประมาณ 0.20 × 0.020 = 4 มิลลิวัตต์ การคำนวณความร้อนของทรานซิสเตอร์อย่างละเอียดควรรวมกำลังเข้าจากเบสด้วย ตัวเลขทั้งหมดนี้ต้องตรวจซ้ำกับค่าขอบเขต ไม่ใช่เพียงค่าประมาณกลาง

ขาควบคุมต้องจ่ายกระแสได้โดยแรงดันไม่ยุบเกินไป

แรงดันสูงของขาควบคุมขณะไม่มีโหลดอาจไม่เท่ากับขณะจ่ายกระแสเบส หากข้อกำหนดรับรองแรงดันสูงเพียง 2.9 โวลต์เมื่อมีกระแส และ VBE อาจเป็น 0.9 โวลต์ จะเหลือแรงดันคร่อม Rเบส เพียง 2.0 โวลต์ ตัวต้านทาน 1.2 กิโลโอห์มจะให้ประมาณ 1.67 มิลลิแอมป์ ซึ่งต่ำกว่ากระแสสมมติที่ตั้งไว้สองมิลลิแอมป์ การเลือก R จึงต้องใช้แรงดันควบคุมต่ำสุดขณะรับภาระร่วมกับ VBE สูงสุดที่เกี่ยวข้อง

ขณะเดียวกันต้องตรวจปลายที่กระแสเบสสูงสุดเมื่อแรงดันควบคุมสูงและ VBE ต่ำ เพื่อไม่ให้เกินความสามารถขาควบคุม ถ้าข้อจำกัดสองด้านขัดกัน การลด R อย่างเดียวอาจไม่ใช่คำตอบ ควรพิจารณาวงจรขับหรือชิ้นส่วนที่เหมาะกับโหลดมากขึ้น และตรวจพิกัดกระแสรวมของอุปกรณ์ควบคุมด้วยเมื่อมีหลายขาทำงานพร้อมกัน

1. 1
   กระแสโหลด

   สมมติ VCE(sat) 0.20 โวลต์ ได้ IC = (5 − 0.20) / 240 = 20 มิลลิแอมป์

2. 2
   แรงดันขับเบส

   สมมติ VBE 0.80 โวลต์ เหลือแรงดันคร่อม Rเบส 3.3 − 0.8 = 2.5 โวลต์

3. 3
   ค่า Rเบส

   2.5 / 0.002 = 1250 โอห์มสำหรับ IB เป้าหมาย 2 มิลลิแอมป์

4. 4
   ค่ามาตรฐาน

   เลือก 1.2 กิโลโอห์มจะได้ประมาณ 2.08 มิลลิแอมป์ในแบบจำลองกลาง ต้องตรวจขอบเขตอีกครั้ง

ใช้ไฟโหลด 5 โวลต์ สัญญาณควบคุม 3.3 โวลต์ และกระแสเบสเป้าหมาย 2 มิลลิแอมป์

วิธีนำไปใช้กับสวิตช์สาธิต

1. ตรวจการจัดขาและชนิดทรานซิสเตอร์จากรหัสจริง รวมทั้งแยกทรานซิสเตอร์ที่มีตัวต้านทานภายในออกจากชนิดเปล่า
2. คำนวณ IC จากโหลดและแรงดันตกที่คาด แล้วใช้เงื่อนไข VCE(sat) เพื่อกำหนด IB ที่เหมาะสม
3. หาช่วง Rเบส ที่ให้กระแสพอในกรณีแรงดันขับต่ำ และไม่ทำให้ขาควบคุมเกินภาระในกรณีแรงดันขับสูง
4. ประกอบโหลดตัวต้านทานบนไฟ 5 โวลต์ที่จำกัดกระแส วัด VBE, VCE และแรงดันคร่อม Rเบส
5. ทดสอบสถานะเปิดและปิด โดยกำหนดสถานะขาเบสไม่ให้ลอย และเก็บข้อมูลที่ภาระต่ำก่อนพิจารณาการสวิตช์เร็ว

ข้อผิดพลาดจากการใช้ค่าอัตราขยายกระแสตัวเดียว

การใช้ค่าอัตราขยายที่วัดด้วยมิเตอร์ภายใต้กระแสเล็กแล้วคำนวณ IB = IC / ค่านั้น อาจให้กระแสเบสไม่พอเมื่อใช้กระแสโหลดต่างกัน อีกทั้งค่าอัตราขยายทั่วไปไม่ใช่ค่าต่ำสุดทุกอุณหภูมิ การวัดแรงดันคอลเลกเตอร์ต่ำขณะไม่มีโหลดก็แทบไม่บอกความสามารถสวิตช์จริง ต้องทดสอบกับโหลดที่ทราบและอยู่ภายในข้อกำหนด

อย่าถอดตัวต้านทานเบสแล้วต่อขาควบคุมตรงเพื่อให้เปิดแรงขึ้น เพราะรอยต่อเบสกับอิมิตเตอร์ต้องจำกัดกระแส และอย่านำค่า VBE คงที่ไปใช้โดยไม่สนอุณหภูมิ หากเปลี่ยนโหลดเป็นขดลวดจะเกิดประเด็นพลังงานเหนี่ยวนำและวงจรหนีบซึ่งอยู่นอกตัวอย่างตัวต้านทานนี้ จึงห้ามถือว่าวงจรเดียวกันพร้อมขับอุปกรณ์รถได้ทันทีโดยไม่ออกแบบการป้องกันเพิ่มเติม

กระแสอิมิตเตอร์เป็นผลรวมของกระแสคอลเลกเตอร์และกระแสเบส หากใช้ตัวต้านทานวัดกระแสที่ขาอิมิตเตอร์ ค่าที่อ่านจึงมากกว่ากระแสโหลดอยู่ส่วนหนึ่ง การนำค่าจุดนี้ไปแทนกระแสคอลเลกเตอร์โดยตรงจะทำให้อัตราส่วนกระแสที่ประเมินคลาด และควรรวมแรงดันตกของตัวต้านทานวัดเข้าในแรงดันขับเบสด้วย

ตรวจสอบผลจากกระแสเบสและแรงดันคอลเลกเตอร์พร้อมกัน

หาก VCE สูงกว่าที่คาด ให้ตรวจ IB ที่คำนวณจากแรงดันคร่อม Rเบสก่อน แล้วตรวจขาทรานซิสเตอร์และแรงดันขาควบคุมภายใต้โหลด หาก IB พอแต่ผลยังต่างมาก ต้องดูเงื่อนไขอุณหภูมิและกระแสในเอกสาร ไม่สรุปว่าเพิ่มเบสได้เรื่อย ๆ เมื่อปิดให้ตรวจว่ากระแสโหลดลดลงตามขอบเขตการวัด ส่วนการปิดช้าเป็นประเด็นประจุสะสมที่ต้องดูรูปคลื่น การบันทึกทั้ง IB, IC และ VCE ทำให้บอกได้ว่าสวิตช์ทำงานที่จุดใด ไม่ใช่เพียงบอกว่าโหลดติดหรือดับ