Một bóng bán dẫn có thể hoạt động như một công tắc điện tử để điều khiển dòng điện trong mạch. Nó sử dụng một tín hiệu nhỏ để BẬT hoặc TẮT tải lớn hơn, làm cho nó hữu ích trong nhiều hệ thống điện tử. Bài viết này giải thích chi tiết cách bóng bán dẫn BJT và MOSFET được sử dụng trong chuyển mạch, bao gồm điều khiển bên thấp và phía cao, điện trở cơ sở và cổng, bảo vệ tải cảm ứng và giao diện vi điều khiển.
Tổng quan về chuyển mạch bóng bán dẫn
Bóng bán dẫn là một thiết bị bán dẫn có thể hoạt động như một công tắc điện tử để điều khiển dòng điện trong mạch. Không giống như các công tắc cơ học mở hoặc đóng một đường dẫn vật lý, bóng bán dẫn thực hiện chuyển mạch điện tử bằng cách sử dụng tín hiệu điều khiển được áp dụng cho đế (BJT) hoặc cổng (FET) của nó. Trong các ứng dụng chuyển mạch, bóng bán dẫn chỉ hoạt động ở hai vùng chính: vùng cắt (trạng thái TẮT), nơi không có dòng điện và bóng bán dẫn hoạt động giống như một công tắc mở và vùng bão hòa (trạng thái BẬT), nơi dòng điện tối đa chạy với điện áp giảm tối thiểu qua nó, hoạt động giống như một công tắc đóng.
Trạng thái chuyển mạch bóng bán dẫn
| Khu vực | Chuyển đổi trạng thái | Mô tả | Cách sử dụng trong chuyển mạch |
|---|---|---|---|
| Cắt | TẮT | Không có dòng điện (hở mạch) | Đã qua sử dụng |
| Hoạt động | Tuyến tính | Dẫn điện một phần | Tránh (ampbộ khuếch đại) |
| Độ bão hòa | BẬT | Dòng điện tối đa (đường dẫn đóng) | Đã qua sử dụng |
Ứng dụng bóng bán dẫn trong mạch chuyển mạch
Rơ le và điều khiển điện từ
Bóng bán dẫn điều khiển rơle và điện từ bằng cách cung cấp dòng điện cuộn dây cần thiết mà bộ vi điều khiển không thể cung cấp trực tiếp. Một diode flyback được sử dụng để bảo vệ chống lại voltage tăng đột biến.
LED và Lamp Chuyển đổi
Bóng bán dẫn chuyển đổi đèn LED và đèn nhỏ sử dụng tín hiệu điều khiển thấp trong khi bảo vệ mạch điều khiển khỏi dòng điện dư thừa. Chúng được sử dụng trong các chỉ báo, màn hình và điều khiển ánh sáng.
Trình điều khiển động cơ
Bóng bán dẫn điều khiển động cơ DC bằng cách hoạt động như công tắc dòng điện cao. Power BJT hoặc MOSFET được sử dụng để điều khiển đáng tin cậy trong robot, quạt, máy bơm và hệ thống tự động hóa.
Mạch quản lý năng lượng
Bóng bán dẫn được sử dụng trong chuyển mạch, bảo vệ và điều chỉnh nguồn điện tử. Chúng xuất hiện trong bộ sạc pin, bộ chuyển đổi DC và mạch điều khiển công suất tự động.
Giao diện vi điều khiển
Bóng bán dẫn giao tiếp vi điều khiển với tải công suất cao. Chúng khuếch đại các tín hiệu logic yếu và cho phép điều khiển rơle, động cơ, còi và đèn LED dòng điện cao.
Bóng bán dẫn NPN như một công tắc
Bóng bán dẫn NPN có thể được sử dụng như một công tắc điện tử để điều khiển các tải như đèn LED, rơ le và động cơ nhỏ bằng cách sử dụng tín hiệu công suất thấp từ các thiết bị như cảm biến hoặc vi điều khiển. Khi bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc, nó hoạt động ở hai vùng: ngắt (trạng thái TẮT) và bão hòa (trạng thái BẬT). Trong vùng cắt, không có dòng điện cơ bản chạy và bóng bán dẫn chặn dòng điện ở phía bộ thu, do đó tải vẫn TẮT. Trong vùng bão hòa, đủ dòng điện cơ bản chạy để BẬT hoàn toàn bóng bán dẫn, cho phép dòng điện truyền từ bộ thu đến bộ phát và cấp nguồn cho tải.
Để sử dụng bóng bán dẫn NPN làm công tắc, cần có điện trở cơ sở (RB) để hạn chế dòng điện đi vào đế. Dòng điện cơ bản được tính bằng cách sử dụng:
trong đó IC là dòng điện qua tải và βforce là giá trị khuếch đại giảm được sử dụng để chuyển mạch an toàn, β/10. Điện trở cơ sở sau đó được tính toán bằng cách sử dụng:
trong đó VIN là điện áp điều khiển và VBE là điện áp phát cơ sở (khoảng 0.7V đối với bóng bán dẫn silicon). Các công thức này giúp đảm bảo bóng bán dẫn nhận đủ dòng điện cơ bản để chuyển đổi đúng cách mà không bị hỏng.
Bóng bán dẫn PNP như một công tắc
Bóng bán dẫn PNP cũng có thể được sử dụng như một công tắc, nhưng nó được áp dụng trong chuyển mạch phía cao, trong đó tải được kết nối với đất và bóng bán dẫn điều khiển kết nối với điện áp cung cấp dương. Trong cấu hình này, bộ phát của bóng bán dẫn PNP được kết nối với + VCC, bộ thu được kết nối với tải và tải kết nối với đất. Bóng bán dẫn bật khi đế được kéo xuống thấp (dưới điện áp của bộ phátage) và nó sẽ tắt khi đế được kéo lên cao (gần + VCC). Điều này làm cho bóng bán dẫn PNP phù hợp để chuyển mạch nơi tải phải được kết nối trực tiếp với đường ray dương, chẳng hạn như trong hệ thống dây điện ô tô và phân phối điện.
Để hạn chế dòng điện chạy vào đế, cần có điện trở cơ sở (RB). Dòng điện cơ bản được tính bằng cách sử dụng:
trong đó IC là dòng điện thu và βforce được coi là một phần mười độ lợi điển hình của bóng bán dẫn để chuyển mạch đáng tin cậy. Giá trị của điện trở cơ sở sau đó được tính bằng cách sử dụng:
Trong bóng bán dẫn PNP, VBE xấp xỉ -0,7V khi phân cực thuận. Tín hiệu điều khiển phải được kéo đủ thấp để phân cực về phía trước điểm nối cơ sở và BẬT bóng bán dẫn.
Điện trở cơ sở trong chuyển mạch BJT
Khi sử dụng bóng bán dẫn BJT làm công tắc, cần có điện trở cơ sở (RB) để điều khiển dòng điện đi vào đầu cuối cơ sở. Điện trở bảo vệ bóng bán dẫn và nguồn điều khiển, chẳng hạn như chân vi điều khiển, khỏi quá nhiều dòng điện. Nếu không có điện trở này, mối nối cơ sở-bộ phát có thể hút dòng điện quá mức và làm hỏng bóng bán dẫn. Điện trở cơ sở cũng đảm bảo rằng bóng bán dẫn chuyển đổi đúng cách giữa trạng thái TẮT và BẬT.
Để BẬT hoàn toàn bóng bán dẫn (chế độ bão hòa), phải cung cấp đủ dòng điện cơ bản. IB dòng cơ sở được tính bằng cách sử dụng IC dòng thu và giá trị khuếch đại an toàn được gọi là beta cưỡng bức:
Thay vì sử dụng độ lợi bình thường của bóng bán dẫn (beta), một giá trị thấp hơn được gọi là beta cưỡng bức được sử dụng để đảm bảo an toàn:
Sau khi tính toán dòng điện cơ sở, giá trị điện trở cơ sở được tìm thấy bằng Định luật Ohm:
Ở đây, VIN là điện áp điều khiển và VBE là điện áp phát cơ sở, khoảng 0,7V đối với silicon BJT.
Chuyển đổi MOSFET trong điều khiển mức logic
MOSFET được sử dụng làm công tắc điện tử trong các mạch hiện đại vì chúng mang lại hiệu suất cao hơn và tổn thất điện năng thấp hơn so với BJT. MOSFET hoạt động bằng cách đặt điện áp vào đầu cuối cổng của nó, điều khiển dòng điện giữa cống và nguồn. Không giống như BJT yêu cầu dòng điện cơ bản liên tục, MOSFET được điều khiển bằng điện áp và hầu như không hút dòng điện ở cổng, làm cho chúng phù hợp với các hệ thống chạy bằng pin và dựa trên vi điều khiển.
MOSFET được ưa chuộng cho các ứng dụng chuyển mạch vì chúng hỗ trợ tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, xử lý dòng điện cao hơn và RDS (on) điện trở BẬT rất thấp, giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt và năng lượng. Chúng thường được sử dụng trong trình điều khiển động cơ, dải đèn LED, rơ le, bộ chuyển đổi điện và hệ thống tự động hóa. MOSFET cấp logic được thiết kế đặc biệt để BẬT hoàn toàn ở điện áp cổng thấp, 5V hoặc 3.3V, khiến chúng trở nên lý tưởng để giao tiếp trực tiếp với các bộ vi điều khiển như Arduino, ESP32 và Raspberry Pi mà không cần mạch trình điều khiển cổng.
Các MOSFET cấp logic thường được sử dụng bao gồm:
• IRLZ44N - thích hợp để chuyển đổi tải công suất cao như động cơ DC, rơ le và dải đèn LED.
• AO3400 – MOSFET SMD nhỏ gọn phù hợp với các ứng dụng chuyển mạch kỹ thuật số công suất thấp.
• IRLZ34N - được sử dụng cho tải dòng điện từ trung bình đến cao trong robot và tự động hóa.
Chuyển đổi bên thấp và phía cao
Chuyển đổi phía thấp
Trong chuyển mạch phía thấp, bóng bán dẫn được đặt giữa tải và mặt đất. Khi bóng bán dẫn được BẬT, nó sẽ hoàn thành đường dẫn xuống đất và cho phép dòng điện chạy qua tải. Phương pháp này rất đơn giản và dễ sử dụng, đó là lý do tại sao nó phổ biến trong các mạch kỹ thuật số và dựa trên vi điều khiển. Chuyển mạch phía thấp được thực hiện bằng cách sử dụng bóng bán dẫn NPN hoặc MOSFET kênh N vì chúng dễ điều khiển với tín hiệu điều khiển được tham chiếu đến mặt đất. Phương pháp này được sử dụng cho các tác vụ như chuyển mạch đèn LED, rơ le và động cơ nhỏ.
Chuyển đổi bên cao
Trong chuyển mạch phía cao, bóng bán dẫn được đặt giữa nguồn điện và tải. Khi bóng bán dẫn BẬT, nó kết nối tải với điện áp dươngtage cung cấp. Phương pháp này được sử dụng khi tải phải được kết nối với đất vì lý do an toàn hoặc tham chiếu tín hiệu. Chuyển mạch phía cao được thực hiện bằng cách sử dụng bóng bán dẫn PNP hoặc MOSFET kênh P. Tuy nhiên, nó khó kiểm soát hơn một chút vì đế hoặc cổng phải được điều khiển đến điện áp thấp hơn nguồn cung cấp để BẬT. Chuyển mạch phía cao thường được sử dụng trong các mạch ô tô, hệ thống chạy bằng pin và các ứng dụng điều khiển công suất.
Bảo vệ chuyển mạch tải cảm ứng
Khi bóng bán dẫn được sử dụng để điều khiển tải cảm ứng như động cơ, rơ le, điện từ hoặc cuộn dây, nó cần được bảo vệ khỏi điện áp tăng đột biến. Những tải này tích tụ năng lượng trong từ trường trong khi dòng điện chạy qua chúng. Thời điểm bóng bán dẫn TẮT, từ trường sụp đổ và giải phóng năng lượng đó dưới dạng điện áp cao đột ngột. Nếu không có bảo vệ, mũi nhọn này có thể làm hỏng bóng bán dẫn và ảnh hưởng đến toàn bộ mạch.
Để ngăn chặn điều này, các thành phần bảo vệ được thêm vào trên tải. Loại phổ biến nhất là một diode flyback, chẳng hạn như 1N4007, được kết nối ngược lại trên cuộn dây. Diode này cung cấp cho dòng điện một đường dẫn an toàn để chạy khi bóng bán dẫn TẮT, dừng điện áp tăng đột biến. Trong các mạch phải kiểm soát nhiễu điện, một bộ giảm nhiễu RC (điện trở và tụ điện nối tiếp) được sử dụng để giảm xung sắc nét. Đối với các mạch xử lý vol cao hơntages, TVS (Transient Voltage Suptriction) diode được sử dụng để hạn chế gai nguy hiểm và bảo vệ các bộ phận điện tử.
Giao diện vi điều khiển với chuyển mạch bóng bán dẫn
Các bộ vi điều khiển như Arduino, ESP32 và STM32 chỉ có thể cung cấp dòng điện đầu ra nhỏ từ các chân GPIO của chúng. Dòng điện này được giới hạn ở khoảng 20–40 mA, không đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị như động cơ, rơ le, điện từ hoặc đèn LED công suất cao. Để kiểm soát các tải dòng điện cao hơn này, một bóng bán dẫn được sử dụng giữa bộ vi điều khiển và tải. Bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc điện tử cho phép một tín hiệu nhỏ từ bộ vi điều khiển điều khiển dòng điện lớn hơn từ nguồn điện bên ngoài.
Khi chọn bóng bán dẫn, hãy đảm bảo rằng nó có thể BẬT hoàn toàn với điện áp đầu ratage của bộ vi điều khiển. MOSFET cấp logic là một lựa chọn tốt cho tải lớn hơn vì chúng có điện trở BẬT thấp và luôn mát mẻ trong quá trình hoạt động. BJT như 2N2222 phù hợp với tải trọng nhỏ hơn.
| Vi điều khiển | Điện áp đầu ra | Bóng bán dẫn được đề xuất |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) hoặc IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3.3V | AO3400 (N-MOSFET) |
| STM32 | 3.3V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Kết luận
Bóng bán dẫn là công tắc điện tử đáng tin cậy được sử dụng để điều khiển đèn LED, rơ le, động cơ và mạch nguồn. Bằng cách sử dụng đúng điện trở đế hoặc cổng, thêm bảo vệ flyback cho tải cảm ứng và chọn phương pháp chuyển mạch phù hợp, các mạch trở nên an toàn và hiệu quả. Hiểu về chuyển mạch bóng bán dẫn giúp thiết kế các hệ thống điện tử ổn định với sự điều khiển và bảo vệ thích hợp.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Tại sao chọn MOSFET thay vì BJT để chuyển mạch?
MOSFET chuyển mạch nhanh hơn, tổn thất điện năng thấp hơn và không cần dòng điện cổng liên tục.
Nguyên nhân nào khiến bóng bán dẫn quá nóng trong mạch chuyển mạch?
Nhiệt là do mất điện trong quá trình chuyển mạch, được tính bằng P = V × I, nếu bóng bán dẫn không BẬT hoàn toàn.
RDS (on) trong MOSFET là gì?
Đó là điện trở BẬT giữa cống và nguồn. RDS (bật) thấp hơn có nghĩa là nhiệt thấp hơn và hiệu quả tốt hơn.
Bóng bán dẫn có thể chuyển đổi tải AC không?
Không trực tiếp. Một bóng bán dẫn duy nhất chỉ hoạt động cho DC. Đối với tải AC, SCR, TRIAC hoặc rơ le được sử dụng.
Tại sao không nên để cổng hoặc đế nổi?
Cổng nổi hoặc đế có thể thu tiếng ồn và gây ra chuyển mạch ngẫu nhiên, dẫn đến hoạt động không ổn định.
Làm thế nào để cổng MOSFET có thể được bảo vệ khỏi điện áp cao?
Sử dụng diode zener giữa cổng và nguồn để clamp điện áp bổ sung và ngăn ngừa hư hỏng cổng.