หน่วยที่ 2 เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอรส์ วิตช์ prasit

ทรานซิสเตอร์สวติ ช์4.1 คุณสมบัตขิ องวงจรทรานซิสเตอร์สวติ ช์ สวิตช์แบบอิเล็กทรอนิกส์ ซ่ึงสามารถสร้างพลั ส์รูปต่างๆ ดงั ท่ีกล่าวมาแลว้ น้ัน ลว้ นแต่เป็ นวงจรทางไฟฟ้ าอิเล็กทรอนิกส์ซ่ึงมีไดโอดเป็ นส่วนประกอบท่ีสาคญั ในบทน้ีจะได้กล่าวถึงทรานซิสเตอร์ ซ่ึงนอกจากจะใช้สาหรับงานขยายสญั ญาณไฟฟ้ าแลว้ ยงั มีคุณสมบตั ิสามารถทางานในหนา้ ท่ีเป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ไดเ้ ป็นอยา่ งดีอีกดว้ ย4.1.1 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ในทางอดุ มคติ ทรานซิสเตอร์สามารถนามาใช้แทนสวิตช์ได้ กล่าวคือ ขณะท่ีทรานซิสเตอร์อย่ใู นภาวะที่ไม่ทางาน(ได้รับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลับ) ซ่ึงจะไม่ยอมให้กระแสไหลผ่านน้ันทรานซิสเตอร์กค็ ลา้ ยกบั เป็นสวิตชซ์ ่ึงเปิ ดออก ดงั แสดงในรูปท่ี 4.1 (ก) ในภาวะน้ีจะตรงกบัตาแหน่ง B ในกราฟคุณสมบตั ิความสัมพนั ธ์ระหว่างกระแสและแรงดนั ของทรานซิสเตอร์ดงั แสดงในรูปที่ 4.1 (ค) ภาวะน้ีเกิดข้ึนได้เนื่องจากรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์และเบสของทรานซิสเตอร์ ได้รับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลบั จากภายนอกทาให้กระแสคอลเลคเตอร์มีค่าศูนย์ (ไม่มีกระแสไหลผ่านทรานซิสเตอร์) แต่เม่ือรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์ และเบสของทรานซิสเตอร์ไดร้ ับแรงดนั ไบแอสตรงแลว้ จะทาให้ทรานซิสเตอร์ทางานได้ กล่าวคือ ยอมให้กระแสไหลผา่ นได้ และถา้ หากขนาดของแรงดนั ไบแอสน้ีมีค่ามากพอทรานซิสเตอร์กจ็ ะยอมให้กระแสไหลผา่ นไดม้ ากข้ึนกระทงั่ อยใู่ นภาวะอ่ิมตวั ดงั แสดงในรูปท่ี 4.1 (ข) นั่นคือกระแสคอลเลคเตอร์จะถูกกาหนดได้ดว้ ยขนาดค่าความตา้ นทานภายนอก RL เน่ืองจากในภาวะน้ีค่าความตา้ นทานของทรานซิสเตอร์มีค่าเป็ นศูนย์ (หรือนอ้ ยมากกระทง่ั พิจารณาไดว้ ่าเป็ นศูนย)์ ดงั น้ันแรงดนั ที่ตกคร่อมทรานซิสเตอร์จากคอลเลคเตอร์ถึงอิมิตเตอร์ก็จะมีค่าเท่ากบั ศูนยด์ ว้ ย และจะไม่ข้ึนอยกู่ บั กระแสคอลเลคเตอร์ ดงั น้นั ทรานซิสเตอร์จึงกระทาตวัคลา้ ยกบั สวิตช์ที่ปิ ดเพื่อให้กระแสไหลผา่ นไดด้ งั แสดงในรูปที่ 4.1 (ข) และในภาวะน้ีจะตรงกบั ตาแหน่ง A ในกราฟคุณสมบตั ิของทรานซิสเตอร์ดงั ในรูป 4.1 (ค)

รูปที่ 4.1 แสดงการทางานเป็นสวิตชใ์ นทางอุดมคติของทรานซิสเตอร์สาหรับในกรณีท่ีทรานซิสเตอร์ (ประเภทรอยตอ่ ) ถูกตอ่ อยใู่ นวงจรลกั ษณะอิมิตเตอร์ร่วม (common emitter) กระเบส IB จะทาหน้าที่ควบคุมขนาดของกระแสคอลเล็กเตอร์ ICท้งั น้ีโดยท่ี อตั ราการขยายของทรานซิสเตอร์) ดังน้ันในทางอุดมคติอาจกล่าวไดว้ า่ กระเบสขนาดเล็กนอ้ ยอาจควบคุมให้ไดก้ ระคอลเล็กเตอร์จานวนมากได้ ขนาดของกระแสเบสกาหนดได้โดยแรงดันท่ีตกคร่อมรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์และเบส เมื่อแรงดันอินพุตมีค่าเป็ นศูนยห์ รือทาให้รอยต่ออิมิตเตอร์และเบสอยู่ในลักษณะไบแอสยอ้ นกลบั (reverse bias) กระแสคอลเล็กเตอร์ IC จะมีค่าเป็ นศูนย์ และเม่ือแรงดนั อินพุตทาให้รอยต่ออิมิตเตอร์และเบสอยใู่ นลกั ษณะไบแอสตรง(forward bias) (จะตอ้ งมีค่าราว 0.7โวลต์ สาหรับทรานซิสเตอร์ที่ทาจากซิลิกอน) แลว้ ทรานซิสเตอร์จะทางานและอยใู่ นภาวะอ่ิมตวั (saturation) ดังน้ันการเปลี่ยนแปลงของแรงดันอินพุตเพียงเล็กน้อย (จาก 0 – 0.7โวลต์ ในซิลิกอนทรานซิสเตอร์) จะมีผลทาให้กระแสคอลเล็กเตอร์ที่เอาต์พุตมีการเปลี่ยนแปลงอยา่ งมากมายได้จากรูปที่ 4.1 (ค) ท่ีจุด A บนเส้นโหลด (load line) กระแสคอลเล็กเตอร์จะมีค่าสูง โดยที่แรงดันซ่ึงตกคร่อมระหว่างคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์มีค่าเป็ นศูนย์ ดังน้ันจึงไม่มีการสูญเสียกาลงั งานใดๆในทรานซิสเตอร์เลย และเมื่อพิจารณาที่จุด B บนเส้นโหลดจะเห็นว่า

กระแสคอลเลก็ เตอร์มี ค่าเป็ นศูนยแ์ ต่แรงดนั ระหวา่ งคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์มีค่าเท่ากบัVCC ดังน้ันจึงไม่มีการสู ญเสี ยกาลังงานใดๆในทรานซิ สเตอร์อีกเช่นกัน ซ่ึ งสาหรับทรานซิสเตอร์ในอุดมคติเมื่อมีกระแสไหลผา่ นทรานซิสเตอร์กาลงั งานส่วนใหญ่จะปรากฏท่ีโหลด RL และทรานซิสเตอร์จะมีการสูญเสียกาลงั งานเพียงเล็กนอ้ ย และกาลงั งานจะสูญเสียที่ทรานซิสเตอร์เฉพาะช่วงของการเปลี่ยนแปลงภาวะการทา งานของทรานซิสเตอร์ จากลกั ษณะของสวิตชป์ ิ ด(ON)ไปเป็นลกั ษณะของสวติ ชเ์ ปิ ด(OFF) เทา่ น้นั4.1.2 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ทใี่ ช้งาน รูปท่ี 6.2 เป็ นรูปท่ีแสดงคุณสมบตั ิลกั ษณะความสัมพนั ธ์ระหว่างกระแสและแรงดนัของทรานซิสเตอร์ท่ีใช้งานจริงๆ ในวงจรแบบอิมิตเตอร์ร่วม ซ่ึงจะเห็นได้ว่าแตกต่างจากคุณสมบตั ิของทรานซิสเตอร์ในทางอุดมคติ กล่าวคือพ้ืนที่ส่วนท่ี I แสดงยา่ นที่ทรานซิสเตอร์ทางานอยใู่ นภาวะอิ่มตวั (Saturation region) ซ่ึงในยา่ นน้ีรอยต่อระหวา่ งอิมิตเตอร์กบั เบส และคอลเล็กเตอร์กบั เบสจะไดร้ ับไบแอสตรง ในพ้ืนท่ีส่วนที่ II แสดงยา่ นที่ทรานซิสเตอร์ทางานอย่ใู นภาวะแอคทีฟ (active region) ซ่ึงเป็ นยา่ นการทางานของทรานซิสเตอร์ในวงจรขยายประเภท A โดยทวั่ ไป ซ่ึงรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์กบั เบสจะไดร้ ับแรงดนั ไบแอสตรง แต่รอยต่อระหว่างคอลเล็กเตอร์กบั เบสจะไดร้ ับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลบั และในส่วนที่ III ของรูปท่ี 4.2 แสดงย่านคัตออฟ (cut off region) ของทรานซิสเตอร์ในย่านน้ีรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์กบั เบสและคอลเล็กเตอร์กบั เบสจะไดร้ ับแรงดนั ไบแอสกลบั นอกจากน้ีเส้นกราฟ ซ่ึงแสดงค่ากาลังงานสูงสุดท่ีจะสูญเสียในทรานซิสเตอร์ได้(maximum power dissipation) ดงั แสดงในรูปท่ี 4.2 และเขียนแทนดว้ ย PMAX น้นั คือค่าสูงสุดของกาลงั งานที่ทรานซิสเตอร์จะทนได้ ซ่ึงก็คือผลคูณของแรงดนั สูงสุดระหว่างคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์VCE MAX ท่ี ทรานซิสเตอร์จะทนได้ กบั ค่ากระแสสูงสุดขดงคอลเล็กเตอร์ IC MAX ท่ีสามารถไหลผ่านทรานซิสเตอร์ได้ ทรานซิสเตอร์ซ่ึงถูกนาไปใช้งานใดๆก็ตาม เช่นเป็ นตวั ขยายสัญญาณหรือทาหน้ที่สวิตช์ก็ดี ค่าของกระแส หรือแรงดนั หรือกาลงั งานที่ทรานซิสเตอร์ไดร้ ับ จะตอ้ งมีค่าไม่เกินคา่ สูงสุดเหล่าน้ี

ในรูปที่ 4.2 ซ่ึงเป็นกราฟความสมั พนั ธ์ของกระแสและแรงดนั ของทรานซิสเตอร์ท่ีใช้งานจริงและถูกต่ออยใู่ นวงจรแบบอิมิตเตอร์ร่วมจะเห็นวา่ ท่ีจุด A บนเส้นโหลด (load line)แรงดนั ระหวา่ งคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์ (VCE) จะไม่เป็ นศูนยเ์ หมือนในรูปท่ี 4.1 แต่จะมีค่าราว 0.3 โวลต์ แรงดนั น้ีเรียกว่า “แรงดันตกคร่อมคอลเล็กเตอร์ และอิมิตเตอร์ในภาวะอม่ิ ตวั ” (collector – emitter voltage at saturation) และเขียนแทนดว้ ย VCE sat สาหรับซิลิกอนทรานซิสเตอร์ค่า VCE sat จะมีค่าราว 0.3 โวลต์ ซ่ึงค่าที่แทจ้ ริงของทรานซิสเตอร์แต่ละตวั น้นัจะข้ึนอยกู่ บั กระแสคอลเลก็ เตอร์และอาจมีค่าอยใู่ นช่วง 0.1 – 0.5 โวลต์ และในเยอรมนั เนียมปกติมีค่าราว 0.1 โวลต์ ที่จุด B บนเส้นโหลดของรูปท่ี 4.2 ก็เช่นเดียวกนั ถึงแมก้ ระแสเบสซ่ึงเป็ นกระแสอินพตุ จะมีค่าเป็ นศูนยก์ ็ตาม ต่ากระแส คอลเล็กเตอร์หรือกระแสเอาต์พตุ จะไม่เป็ นศูนย์ กระแสคอลเล็กเตอร์ดงั กล่าวน้ีเกิดข้ึนจากกระแสอ่ิมตวั ยอ้ นกลบั ของรอยต่อคอลเล็กเตอร์ซ่ึงเขียนแทนไดด้ ว้ ย ICBOรูปที่ 4.2 แสดงลกั ษณะคุณสมบตั ิความสมั พนั ธ์ระหวา่ งกระแสและแรงดนัของทรานซิสเตอร์ท่ีใชง้ านจริงและถูกต่ออยใู่ นวงจรแบบอิมิตเตอร์ร่วม

กระแสคอลเลก็ เตอร์ซ่ึงไหลขณะท่ีอิมิตเตอร์ถูกเปิ ดวงจรออกและรอยตอ่ ระหวา่ งคอลเลคเตอร์กบั เบสไดร้ ับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลบั น้ีเราเรียกวา่ “ กระแสย้อนกลบั ของรอยต่อคอลเลก็ เตอร์ ” ( reverse collector – Saturation current ) เขียนแทนไดด้ ว้ ย ICO หรือ ICBOกระแสน้ีจะประกอบดว้ ยกระแสยอ่ ยสองส่วนคือ กระแสร่ัวท่ีเกิดข้ึนบริเวณรอบๆรอยต่อคอลเลก็ เตอร์ (ไมไ่ หลผา่ นรอยต่อ) และกระแสอิ่มตวั ซ่ึงเกิดข้ึนเนื่องจากความร้อน สาหรับขนาดกระแสร่ัวข้ึนอยกู่ บั แรงดนั ไบแอสส่วนขนาดกระแสอิ่มตวั จะข้ึนอยกู่ บั อณุ หภูมิเป็นส่วนใหญ่ ในทางปฏิบตั ิขนาดของกระแส ICO จะเพม่ิ ข้ึนเป็ น 2 เทา่ ทกุ ๆ 10C ที่เพ่มิ ข้ึน ในวงจรขณะท่ีทรานซิสเตอร์ถูกตอ่ แบบอิมิตเตอร์ร่วมและกระแสเบสมีคา่ IBกระแสคอลเล็กเตอร์ ICอตั ราการขยายกระแสตรงของทรานซิสเตอร์ในภาวะน้ีเขียนแทนดว้ ย hFE โดยท่ี =hFE IICB…………..(4.1) และในช่วงของการเปล่ียนแปลงของกระแสเบส IB ทาให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสคอลเเล็กเตอร์ IC อัตราส่วนดังกล่าวน้ีจะแสดงอตั ราการขยายกระแสสลับของทรานซิสเตอร์ ซ่ึงเขียนแทนไดด้ ว้ ย hfe โดยที่ =hfe IC ………….(4.2) IB ดงั น้นั จะเห็นวา่ ค่าของ hFEท่ีตาแหน่งของ ICค่าต่างๆอาจมีค่าแตกต่างกนั ได้ เหตุน้ีการกาหนดค่า hFE ของแตล่ ะวงจรจะตอ้ งคานึงถึงวา่ กระแสคอลเล็กเตอร์ในวงจรมีคา่ เท่าใด

4.1.3 การเปิ ด – ปิ ด ของทรานซิสเตอร์สวติ ช์ในทางอุดมคติ จากวงจรของทรานซิสเตอร์ในรู ปท่ี 4.1 (ก) และ (ข) ซ่ึงแสดงการทางานของทรานซิสเตอร์คลา้ ยกบั สวิตช์ซ่ึงเปิ ดและปิ ดตามลาดบั ดงั น้นั ถ้าหากวงจรทางด้านอินพุต มีแหล่งจ่ายแรงดนั สัญญาณพลั ส์รูปส่ีเหลี่ยมมุมฉาก (rectangular voltage pulses) ต่ออยู่แทนแบตเตอร์ร่ีแล้วสัญญาณพลั ส์อินพุตดังแสดงในรูป 4.3 (ก) น้ีก็สามารถที่จะควบคุมให้ทรานซิสเตอร์ทางานเป็นสวิตชซ์ ่ึงเปิ ดและปิ ดได้4.1.4 การวเิ คราะห์วงจรสวติ ช์ของทรานซิสเตอร์ในทางอดุ มคติวงจรสวิตช์ของทรานซิสเตอร์อยา่ งงา่ ยๆแสดงไดด้ งั ในรูปท่ี 4.3 (ก) ถา้ หากตอ้ งการให้ขนาดของพารามิเตอร์ต่างๆของวงจรเป็นดงั น้ีeO = 20 Vpeak ein = 5 Vpeak ( 0 ~ +5)IC = 20 mA และโดยสมมติวา่ ทรานซิสเตอร์น้ีเป็นแบบ ซิลิกอน NPN ซ่ึงมีคุณสมบตั ิดงั น้ี hFE = 40 VBE = 0 (ในทางอดุ มคติ)VCesa = 0 (ในทางอดุ มคติ)ICBO = 0 (ในทางอุดมคติ)

รูปท่ี 4.3 แสดงคุณสมบตั ิการทางานของทรานซิสเตอร์ในวงจรในทางอดุ มคติ เน่ืองจากทรานซิสเตอร์ทาหนา้ ท่ีเป็ นสวิตชด์ งั คา่ ของ VCC จะเป็ นตวั กาหนดขนาดของแรงดนั ที่เอาตพ์ ตุ ดงั น้นั คา่ ของ VCC จะตอ้ งเป็ น +20 โวลต์ ถ้าหากค่าของกระแสคอลเล็กเตอร์ IC = 20 mA ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ทางานในภาวะอ่ิมตวั คา่ ของความตา้ นทาน RLจะตอ้ งมีคา่ ดงั น้ี VCC 20RL = IC = 20mA = 1 k ในภาวะอ่ิมตวั กระแสคอลเล็กเตอร์ IC = 20 mA และ hFE = 40 ดงั น้นั กระแสเบสท่ีทาใหท้ รานซิสเตอร์อยใู่ นภาวะอ่ิมตวั กค็ ือ IB = IC = 20mA = 0.5 mA hFE 40

ดงั น้ันที่เวลา t+0 แรงดนั ของสัญญาณอินพุต = +5 โวลต์ (ไบแอสตรง) จากกฎแรงดนัของเคอร์ชอฟฟ์ เมื่อพจิ ารณาวงจรทางดา้ นอินพตุ จะไดว้ ่า ein = ER1 + VBE = IB R1 + VBEและถา้ หากสมมติวา่ เป็ นทรานซิสเตอร์ในทางอดุ มคติ VBE = 0 โวลต์ดงั น้นั ReLinR==1 1=kIBeRIiBn,1 หรือ = 5v = 10 k R1 =0.150mAk นนั่ คือค่า VCC = +20 โวลต์ , เม่ือสญั ญาณอินพตุ +5 โวลต์ ทรานซิสเตอร์จะทางานในภาวะอ่ิมตวั มีกระแสไหลเตม็ ท่ี20 มิลลิแอมป์ ทรานซิสเตอร์จึงทาตวั คลา้ ยกบั สวิตช์ปิ ด และเม่ือเวลา t+1 สัญญาณอินพุตจะเป็นศนู ยท์ รานซิสเตอร์จะไม่ทางาน ขณะน้ีจะไม่มีกระแสไหลผา่ นทรานซิสเตอร์ทาใหแ้ รงดนัท่ีเอาตพ์ ตุ มีคา่ สูงสุดเป็น +20 โวลต์ ทรานซิสเตอร์จึงทาตวั คลา้ ยกบั เป็ นสวิตช์เปิ ด4.2 พารามเิ ตอร์ของวงจรทรานซิสเตอร์สวติ ช์4.2.1 การเปิ ด – ปิ ด ของทรานซิสเตอร์สวติ ช์ในทางปฏบิ ตั ิ จากการพิจารณาวงจรสวิตช่ิง ดงั แสดงในรูปท่ี 6.4 เม่ือพลั ส์ทางอินพตุ ถูกป้ อนเขา้ ไปในวงจร โดยทาให้รอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์และเบสได้รับแรงดันไบแอสตรงก็ตาม แต่ทรานซิสเตอร์จะไม่สามารถทางานไดอ้ ยา่ งทนั ทีทนั ใด แต่จะตอ้ งใชเ้ วลาช่วงหน่ึง ซ่ึงเวลาน้ีเราเรียกว่า “ออนไทม”์ (ON time) เขียนแทนด้วย ton อีกนยั หน่ึงอาจนิยามได้วา่ ช่วงเวลาออนไทม์ หมายถึงเวลาที่ใชเ้ พื่อใหค้ ่าแรงดนั ที่คอลเล็กเตอร์ของทรานซิสเตอร์เปลี่ยนแปลงไป 90เปอร์เซ็นตข์ องแรงดนั VCC ช่วงเวลา ton น้ีพิจารณาได้ว่าประกอบดว้ ยเวลาส่วนย่อยสองส่วนคือ ช่วงเวลาล่าช้า(Delay time) ซ่ึงเขียนแทนด้วย td และช่วงเวลาไต่ข้ึน(rise time) ซ่ึงเขียนแทนด้วย tr และ

ช่วงเวลาล่าช้า td ก็คือเวลาท่ีใช้สาหรับให้แรงดนั ที่เอาตพุตเปลี่ยนแปลงไป 10 เปอร์เซ็นต์ของแรงดนั VCC และช่วงเวลาไตข่ ้ึน tr ในที่น้ีกค็ ือช่วงเวลาที่แรงดนั อินพุตเปล่ียนแปลงจาก 10 เปอร์เซ็นต์ ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ของแรงดนั VCCและเมื่อพิจารณาจากรูปที่ 4.5 ซ่ึงเป็นรูปวงจรเสมือนของวงจรสวิตช์ในรูปที่6.4 จะเห็นวา่ ที่เวลา t-0 แรงดนั อินพุตจะมีค่าเป็ นลบซ่ึงทาให้รอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์และเบสไดร้ ับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลบัรูปที่ 4.4 แสดงคุณสมบตั ิของวงจรสวติ ช์ซ่ึงใชท้ รานซิสเตอร์ในทางปฏิบตั ิ ดงั น้นั รอยต่อน้ีจึงทาตวั คลา้ ยกบั เป็ นตวั ความตา้ นทานท่ีมีค่าสูงต่อขนานอยกู่ บั ตวั เก็บประจุไฟฟ้ าท่ีรอยต่อ (ดูรูปที่ 4.5 ก) ดังน้ันในขณะน้ีตวั เก็บประจุท่ีรอยต่อจะทาการประจุ(charge) ผา่ นตวั ตา้ นทาน R1 ที่เวลา t+0 แรงดนั อินพุตจะมีค่าเป็ นบวกทาให้รอยต่ออิมิตเตอร์และเบสไดร้ ับแรงดนัไบแอส ตรง ดงั แสดงในรูปท่ี 4.5 ข อยา่ งไรก็ดีก่อนที่รอยต่อน้ีจะไดร้ ับแรงดนั ไบแอสตรง

อยา่ งเต็มที่จะตอ้ งกินเวลาช่วงหน่ึงซ่ึงเราเรียกว่าช่วงเวลาล่าช้า td นน่ั เอง ในรูปท่ี 4.5 ค ซ่ึงแสดงวงจรสวิตชท์ ่ีเหมือนกบั วงจรในรูปที่ 4.4 และวงจรเสมือนขณะที่เวลา t-0 จะเห็นว่าขณะน้ีท้งั รอยต่อของอิมิตเตอร์กบั เบสและรอยต่อของคอลเล็กเตอร์กบั เบสจะไดร้ ับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลบั ดงั น้นั ตวั เก็บประจุไฟฟ้ าที่เกิดข้ึนบริเวณรอยต่ออิมิตเตอร์กบั เบสจะทาการประจุ (charge) เพื่อให้แรงดนั ตกคร่อมเป็ น –ein โวลต์ และท่ีรอยต่อคอลเล็กเตอร์กบั เบสก็เช่นเดียวกนั จะเกิดตวั เก็บประจุที่รอยต่อน้ีข้ึนและทาหนา้ ที่ประจุเพื่อให้มีแรงดนั ตกคร่อมเป็ นผลรวมระหว่างค่า VCC และ ein เม่ือเวลาผ่านไปเป็ น t+0กระแสคอลเล็กเตอร์จะยงั คงไมม่ ีจนกว่ารอยตอ่ ท่ีอิมิตเตอร์กบั เบสจะไดร้ ับแรงดนัไบแอสตรงอยา่ งเต็มท่ี (ตอ้ งใช้เวลา td ) และกระแสคอลเล็กเตอร์จะไม่สามารถเพ่ิมข้ึนจนถึงภาวะอ่ิมตวั อยา่ งทนั ทีทนั ใด เน่ืองจากตวั เกบ็ ประจุของรอยต่อของคอลเลคเตอร์กบั เบสจะทาการคายประจุ โดยการแพร่ของพาหะผ่านส่วนของเบสดงั น้ันกระแสคอลเลคเตอร์จึงค่อยๆเพิ่มข้ึนจนถึงภาวะอ่ิมตวั (ใชเ้ วลา tr) จากรูปที่ 4.4 ขณะที่เวลา t+1 แรงดนั อินพุตจะมีค่าเป็ นลบจะทาให้รอยต่อท่ีอิมิตเตอร์และเบสไดร้ ับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลบั อีกคร้ังหน่ึง แต่ค่าแรงดนั ท่ีเอาตพ์ ุตจะไม่เปลี่ยนแปลงอยา่ งทนั ทีทนั ใด กล่าวคือจะยงั มีกระแสคอลเล็กเตอร์ไหลอยู่ และทาใหแ้ รงดนั ที่เอาตพ์ ตุ ยงั คงมีค่าเป็ นศูนยห์ รือใกลเ้ คียงศูนย์ ท่ีเป็ นเช่นน้ีอธิบายไดว้ ่าขณะที่เวลา t-1 ทรานซิสเตอร์ทางานอยใู่ นภาวะอ่ิมตวั กระแสคอลเล็กเตอร์ไหลเต็มที่และกาหนดไดด้ ้วยความตา้ นทาน RLที่อยู่ภายนอก และเม่ือแรงดนั อินพตุ มีค่าลดลงเป็ นศนู ยห์ รือเป็ นลบแลว้ ก็ตาม แต่จะมีประจุพาหะอิเล็กตรอนสะสมอยบู่ ริเวณเบส (กรณี NPN ทรานซิสเตอร์) และตราบใดที่ประจุพาหะเหล่าน้ียงั มีอยู่ จะทาให้มีกระแสคอลเล็กเตอร์ไหลได้ เม่ือพาหะน้ีหมดไปกระแสคอลเล็กเตอร์จึงจะหยุดไหล ช่วงเวลาท่ีทาให้ประจุพาหะที่เบสน้ีหมดไปถูกเรียกว่า ช่วงเวลาสะสม (storagetime) เขียนแทนดว้ ย tS ดงั แสดงในรูปที่ 4.4 และเน่ืองจากการเกิดของ tS น้ีเองทาให้เกิดความกวา้ งของพลั ส์ที่เอาตพ์ ุตมีค่ามากกว่าพลั ส์ที่อินพุท ซ่ึงแสดงในรูปท่ี 4.4 คือช่วง tP และภายหลังที่แรงดันอินพุตเป็ นลบแล้วช่วงเวลาที่ทาให้แรงดนั เอาต์พตุ มีค่าเพ่ิมข้ึนจนกระทง่ั เป็ น +VCC (ในกรณีNPN) ถูกเรียกว่าเวลา “เวลาเทินออฟ” (turn off) เขียนแทนดว้ ย toff น่นั คือเวลา toff ประกอบดว้ ยเวลายอ่ ยๆสามส่วนคือ tS , tf และ td ซ่ึงอาจจะกล่าวสรุปไดว้ า่

รูปที่ 4.5 แสดงวงจรเสมือนของวงจรสวติ ชโ์ ดย (ก) ที่เวลา t-0 (ข) ท่ีเวลา t+0 (ค) ที่เวลา t-0

“เวลาสะสม” (storage time) tS ก็คือเวลาที่ใชใ้ นการทาให้ประจุพาหะที่สะสมอยบู่ ริเวณเบสหมดไป โดยอาศยั ขบวนการรวมตวั ของพาหะ (carrier recombination process) หลงั จากท่ีแรงดนั อินพตุ ลดลงเป็ นศูนยโ์ วลต์ ดงั น้นั ช่วงเวลา tS จึงข้ึนอยกู่ บั ขบวนการรวมตวั ของพาหะและขนาดของแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลบั ที่แรงดนั อินพตุ “เวลาตก” (fall time) tf ก็คือช่วงเวลาท่ีใช้ในการทาให้แรงดันที่เอาต์พุต (ของทรานซิสเตอร์แบบ NPN) มีคา่ เพ่ิมข้ึนจาก 10 เปอร์เซ็นตข์ องค่าแรงดนั VCCโดยท่ีเป็ นเวลาต่อจากเวลาสะสม “เวลาล่าช้า” (delay time) td ก็คือ ช่วงเวลาต่อจาก เวลาตก เพื่อทาให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในภาวะไมท่ างานอยา่ งสมบรู ณ์ กล่าวคือแรงดนั ท่ีเอาตพ์ ตุ จะมีค่าเท่ากบั แรงดนั VCC อยา่ งไรก็ดีในความเป็ นจริงแลว้ ช่วงเวลาเหล่าน้ีมีค่านอ้ ยมากเช่นราว 10-9 วินาที และโดยทว่ั ไปโรงงานผูผ้ ลิตทรานซิสเตอร์ท่ีเหมาะแก่การนาไปใช้งานในวงจรสวิตช์มกั จะบ่งบอกคุณสมบตั ิค่าของ ton และ toff ไวเ้ ป็ นสาคญั โดยที่ ton = td + tr……………(4.3)และ toff = tS + tf + td……………(4.4)

4.2.2 การลดค่า “เวลาไต่ขนึ้ ” โดยเพมิ่ กระแสเบส จากในรูปท่ี 4.4 ช่วงเวลาไต่ข้ึน trก็คือช่วงเวลาท่ีใช้ในช่วงกระแสคอลเล็กเตอร์เพ่ิมข้ึนจาก 10 เปอร์เซ็นต์ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ ของกระแสคอลเล็กเตอร์ในภาวะอ่ิมตัว เมื่อทรานซิสเตอร์ OFF

รูปท่ี 4.6 แสดงวงจรเสมือนและคุณสมบตั ิของรูปที่ 4.4 ขณะเวลา t-0 รอยต่อระหว่างคอลเล็กเตอร์กบั เบสจะ ได้รับแรงดนั ยอ้ นกลบั ดังน้ันจึงกระทาตวัคลา้ ยกบั เป็ นตวั เก็บประจุ (capacitor) CCB ดงั แสดงในรูปที่ 4.6 (ข) เม่ือพลั ส์ทางดา้ นอินพุตถูกป้ อนเขา้ มาและทาให้รอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์กบั เบสได้รับแรงดนั ไบแอสตรง ดงั น้ันความตา้ นทานของรอยต่อดงั กล่าวน้ีจึงมีค่าน้อยมาก (RBE = 0 ) ดงั น้ันในวงจรของรูปที่ 4.6(ก) ท่ีเวลา t+0 เราสามารถเขียนวงจรเสมือนไดด้ งั แสดงในรูปท่ี 4.6 (ข) ดงั น้ันกระแสคอลเล็กเตอร์จะไม่เพ่ิมข้ึนอยา่ งทนั ทีทนั ใดแต่จะค่อยๆเพ่ิมข้ึนโดยมีช่วงเวลาคงที่ค่าหน่ึง (RL . CCB) นนั่ คือ =ic IC(1-t/RL.CCB )………….(4.5) โดยท่ีกระแส IC = hFE IB หรือ = VCC RL จากนิยาม tr = ton – td = 90% - 10% = 80 % หรือ tr = 0.8 ดงั น้นั ในช่วง tr จะไดว้ า่ 0.8 IC = hFE IB (1-tr/RL.CCB ) , = RL . CCB0.8VCC VCC RL = RL (1-  tr /  ) 0.8 = 1-tr/

tr/ = 5 tr = . log 105 =  0.699 log 10 0.434 tr = 1.61 นน่ั คือช่วงเวลาไต่ข้ึน tr จะข้ึนอยกู่ บั คา่ ซ่ึงเป็ นผลคูณของค่า RLและ CCBแต่อยา่ งไรก็ดีในกรณี ที่ต้องการให้ค่า tr มีค่าน้อยลงโดยท่ีค่า RL , CCB และ hFE ไม่สามารถที่จะเปล่ียนแปลงได้ อาจจะทาไดโ้ ดยการพิจารณาจากรูปท่ี 4.6 (ง) และ (จ) ซ่ึงค่า ICมีคา่ มากกว่าเดิมจะเห็นวา่ ในกรณีที่กระแส ICเพมิ่ ข้ึนเป็ น 2 IC เวลาไตข่ ้ึน trจะมีค่านอ้ ยลงกวา่ เดิมโดย i C = IC . (1-tr/ )0.8VCC = 2 hFE IB(1-tr/ )0.8RVLCC VCC = 2 RL (1-tr/ ) RL 6tr/ = 1.67 log101.67 0.222 tr = . log10  =  0.434 = 0.511 ดงั น้นั tr = 0.511 หรืออาจกล่าวไดว้ า่ เมื่อกระแสเบสมีค่า IB คา่ เวลาไตข่ ้ึน tr = 1.61 และเม่ือกระแสเบสมีคา่ เพ่ิมข้ึนเป็ น 2 IB ค่าเวลาไต่ข้ึน tr = 1.61 ดงั น้นั จะเห็นว่าเมื่อกระแสเบสเพิ่มข้ึนจากเดิมเป็ นสองเท่า ค่าของเวลาไต่ข้ึน tr จะลดลงเหลือ 0.511 = 1 เทา่ ของเวลาไตข่ ้ึน 1.61 3 หรือถา้ หากวา่ พจิ ารณากระแสเบส IB เพ่มิ ข้ึนอีกเป็ น 3IBจะไดว้ า่0.8RVLCC = 3 hFE IB(1- tr/ )0.8RVLCC = 3 VRCLC (1- tr/ ) tr = 0.309

ซ่ึงอาจสรุปไดว้ ่าเม่ือกระแสเบสเพ่ิมข้ึนจากเดิมเป็ นสามเท่า ค่าของเวลาไต่ข้ึน trจะลดลงเหลือ 0.309  1 เท่าของเวลาไต่ข้ึนเดิม ในทางปฏิบตั ิเม่ือการลดค่าของเวลาไต่ข้ึน tr ของ 1.61 5วงจรสวิตช์ทรานซิสเตอร์ก็กระทาได้โดยการลดค่า R1 ในวงจรรูปที่ 4.6 (ก) เพ่ือให้ค่ากระแสเบส IBเพิ่มข้ึนอยา่ งไรกด็ ีการลดค่าของ tr ดว้ ยวิธีน้ีจะทาให้ “เวลาสะสม” (storagetime , tS) เพม่ิ ข้ึน ซ่ึงเป็ นผลเสียอยา่ งหน่ึง4.2.3 สปี ดอพั คาปาซิเตอร์ ในการลดค่าเวลาไต่ข้ึน โดยการเพิ่มกระแสเบส เพ่ือให้ทรานซิสเตอร์ทางาน ON ได้อยา่ งรวดเร็วดงั ท่ีกล่าวมาแลว้ น้นั นอกจากน้ีแลว้ การลดค่าเวลาไต่ข้ึน ยงั สามารถทาได้โดยการเพ่ิมตวั เก็บประจุ C เขา้ ไปในวงจรโดยต่อขนานอยกู่ บั ตวั ความตา้ นทาน RL ดงั แสดงในรูปที่ 4.7 ตวั เกบ็ ประจุน้ีถูกเรียกวา่ “ สปี ดอพั คาปาซิเตอร์ ”รูปท่ี 4.7 แสดงวงจรสวติ ชท์ รานซิสเตอร์ซ่ึงมีสปี ดอพั คาปาซิสเตอร์ ในขณะที่ทางอินพุตมีพลั ส์เข้ามา กระแสเบสจะทาการประจุผ่านตวั เก็บประจุน้ีดงั น้ันจะเห็นวา่ กระแสเบสประกอบดว้ ยกระแสยอ่ ยสองกระแสคือ ส่วนหน่ึงเป็ นกระแสที่ประจุผา่ นตวั เก็บประจุ C และอีกส่วนหน่ึงเป็ นกระแสปกติซ่ึงไหลผา่ นตวั ความตา้ นทาน R1

ผลของตวั เก็บประจุ C และ R1 ที่มีต่อกระแสเบส IBแยกเขียนแสดงไดด้ งั รูปท่ี 4.8 (ก) และ(ข) ตามลาดับ โดยที่รูปท่ี 4.8 (ก) แสดงผลของการประจุของตวั เก็บประจุ C ทาให้เกิดกระแสเบส IBส่วนหน่ึง โดยสมมติวา่ คา่ ความตา้ นทานของรอยต่อระหวา่ งอิมิตเตอร์และเบสมีค่าคงท่ี ดงั น้นั เม่ือพลั ส์ทางอินพตุ ถูกป้ อนเขา้ มาท่ีเวลา t+0 (ดูรูปท่ี 4.8 ก) แรงดนั จากอินพุตท้งั หมดจะปรากฏตกคร่อมที่รอยต่ออิมิตเตอร์และเบส (VBE) เม่ือเวลาผา่ นไปตวั เกบ็ ประจุ Cจะทาการประจุทาให้มีแรงดนั ตกคร่อมตวั เก็บประจุเพิ่มข้ึน(eC) ขณะท่ีมีการประจุกระแสเบส IB จะมีค่าลดลงในท่ีสุดจะมีค่าเป็ นศูนย์ ท่ีเวลา t+1 พลั ส์อินพุตจะมีค่าแรงดนั เป็ นศูนย์ดงั น้นั ตวั เก็บประจุ C จะทาหน้าที่เป็ นแหล่งจ่ายแรงดนั และทาให้รอยต่อระหวา่ งอิมิตเตอร์และเบสได้รับแรงดนั ไบแอสยอ้ นกลับ แรงดนั ไบแอสยอ้ นกลับดังกล่าวน้ีจะช่วยทาให้ช่วงเวลาสะสม(storage time) มีค่าน้อยลง ดงั น้ันจึงเห็นชัดว่าการประจุของตวั เก็บประจุ“สปี ดอพั คาปาซิเตอร์” น้ีจะช่วยเพม่ิ กระแสเบสซ่ึงจะมีผลใหเ้ วลาไต่ข้ึนมีค่านอ้ ยลง และเมื่อประจุแลว้ จะมีผลช่วยทาใหช้ ่วงเวลาสะสมลดนอ้ ยลง ดงั ในรูปท่ี 4.8( ก) ในรูปที่ 4.8 (ข) แสดงวงจรทางอินพุตของวงจรสวิตช์ทรานซิสเตอร์ โดยสมมติว่าค่าความตา้ นทานของรอยต่ออิมิตเตอร์และเบสมีค่าคงท่ีค่าหน่ึง rBE ดงั น้ันวงจรอินพุตจึงมีลกั ษณะคลา้ ยกบั วงจรแบ่งแรงดนั (voltage divider) และลกั ษณะของแรงดนั VBEและกระแสเบส IBแสดงดงั ในรูป ดงั น้นั เม่ือพิจารณาวงจรสวิตช์ทรานซิสเตอร์ซ่ึงมีสปี ดอพั คาปาซิเตอร์จะไดด้ งั แสดงในรูปท่ี 4.8 ค ซ่ึงแสดงลกั ษณะของกระแสเบสท้งั ทางทฤษฎีซ่ึงสมมติว่าค่าความจุไฟฟ้ าของรอยต่อระหว่างอิมิตเตอร์และเบสมีค่าน้อยมากจนไม่นามาพิจารณา และกระแสเบสในทางปฏิบตั ิการกาหนดคา่ ของสปี ดอพั คาปาซิเตอร์ทาไดโ้ ดย I = Q และ Q = C.Eดงั น้นั I t และ C = C.E = Itt E

โดยท่ี Q คือ ปริมาณของประจไุ ฟฟ้ า (คูลอมบ)์ I คือ IBซ่ึงเป็ นกระแสเบสส่วนเกินคา่ ปกติ (แอมแปร์) t คือ trซ่ึงเป็ นเวลาไต่ข้ึน (วนิ าที) E คือ ขนาดของแรงดนั ของพลั ส์ที่อินพทุ (โวลต)์ C คือ คา่ ความจไุ ฟฟ้ าของสปี ดอพั คาปาซิเตอร์ (ฟาหรัด)

รูปที่ 4.8 แสดงผลของสปี ดอพั คาปาซิเตอร์ในวงจรสวติ ชท์ รานซิสเตอร์ตวั อย่าง ถา้ หากตอ้ งการออกแบบวงจรสวิตช์ทรานซิสเตอร์ดงั รู ปที่ 4.7 ซ่ึงเดิมไม่มีสปี ดอพั คาปาซิเตอร์มีเวลาไต่ข้ึน tr= 3 sec ให้มีค่าลดลงเป็ น tr= 1 sec โดยใช้สปี ดอพั คาปาซิเตอร์จะตอ้ งใชต้ วั เก็บประจุซ่ึงมีค่าความจุไฟฟ้ าเท่าใดจาก IC = VCC = 20V = 20 mA RL 1kเนื่องจาก IB = IC I=B ปก2ต04ิ m0+A = 0.5 mA IB รวม IB ที่เกินคา่ ปกติ =hFE 2 mA = 0.5 mA + IB ทเ่ี กินค่าปกติ I B ทเ่ี กินคา่ ปกติ = 1.5 mAจาก C = IeBi.ntr = 1.5103mA1106S 5V ดงั น้นั C = 300 Fนนั่ คือตอ้ งใชต้ วั เกบ็ ประจทุ ่ีมีคา่ ความจุไฟฟ้ า 300 F มาต่อร่วมในวงจร