หน่วยที่ 6 ทรานซิสเตอร์สวิตช์

หนว่ ยท่ี 6ทรานซสิ เตอร์สวติ ช์จัดทาโดย ครูปราณทิพย์ ชนวรี ์จารณุ ฐั

วิชา วงจรพลั ส์และสวติ ชิง 2105-2006 หน่วยที่ 6 ทรานซสิ เตอร์สวิตช์สาระการเรียนรู้ 1. การทางานของทรานซิสเตอร์ 2. แนวคดิ ทางอดุ มคติของสวิตช์ทรานซสิ เตอร์ 3. การใชง้ านจรงิ ของสวติ ช์ทรานซสิ เตอร์ 4. ช่วงเวลาการทางานของสวิตชท์ รานซิสเตอร์จุดประสงค์การเรยี นรู้ จดุ ประสงค์ท่วั ไป 1. เพ่อื ให้นักเรียนมีความรู้ และเข้าใจเกีย่ วกบั ทรานซิสเตอร์สวิตช์ 2. เพอื่ ใหม้ ีกจิ นสิ ัยในการพฒั นาคณุ ธรรม จรยิ ธรรมหนว่ ยท่ี 6 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ 1-23

วชิ า วงจรพลั ส์ และ สวิตชิง 2105-2006จดุ ประสงค์เชงิ พฤติกรรม1. อธบิ ายการทางานในสภาวะตา่ ง ๆ ของทรานซิสเตอรไ์ ด้2. อธบิ ายการทางานทางอดุ มคตขิ องสวิตชท์ รานซิสเตอร์ได้3. อธบิ ายการทางานของสวิตชท์ รานซสิ เตอรใ์ ช้งานจริงได้4. อธบิ ายช่วงเวลาการทางานของสวิตช์ทรานซสิ เตอร์ได้5. มกี ารพัฒนาคุณธรรม จรยิ ธรรม และคุณลกั ษณะอันพงึ ประสงค์ท่ีผสู้ อน สามารถสังเกตเห็นได้ในด้านมนษุ ยสมั พันธ์ มวี ินัยใชว้ ัสดอุ ุปกรณ์ ความ รับผดิ ชอบ ตรงต่อเวลาละเอียดรอบคอบ มีความกระตอื รือรน้ ในการทางาน เชือ่ ม่ันในตนเอง ซอ่ื สตั ย์สุจริต สนใจใฝร่ ู้ รกั สามัคคีหน่วยท่ี 6 ทรานซสิ เตอร์สวิตช์ 2-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006 1. การทางานของทรานซิสเตอร์ การทางานของทรานซิสเตอร์ เป็นตัวกาหนดถึงลักษณะการทางานของตัวทรานซิสเตอร์ เพ่ือที่จะได้เลือกจุดการทางานที่เหมาะสมมาใช้งานได้อย่างถูกต้องย่านการทางานแต่ละย่านแสดงได้ด้วยกราฟคุณสมบัติของตัวทรานซิสเตอร์ ซ่ึงจะกาหนดย่านการทางานเฉพาะของตวั ทรานซิสเตอร์ แบ่งออกไดเ้ ปน็ 3 ย่านหนว่ ยที่ 6 ทรานซิสเตอรส์ วติ ช์ 3-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวิตชิง 2105-2006 IC ย่านแอคทีฟ จดุ อิม่ ตวั (ON)VCC IB4 IB3 เสน้ โหลด IB2ย่านอ่ิมตัว IB1 จุดคตั ออฟ (OFF) VCE ย่านคัตออฟ รปู กราฟสภาวะการทางานของตวั ทรานซิสเตอร์หนว่ ยที่ 6 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ 4-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวติ ชิง 2105-2006 สภาวะการทางานของตัวทรานซิสเตอร์มียา่ นการทางาน 3 ยา่ น คือ ย่านคตั ออฟ (Cutoff Region) เป็นย่านที่ทรานซิสเตอร์ไม่ทางาน จะไม่มีกระแสไหลเพราะไม่มีการจ่ายแรงดันไบแอสให้ที่ขา B ทาให้ไม่มี IB ไหลเมื่อไม่มี IB ไหล IC ก็ไม่มีไหลเช่นเดียวกัน จึงเลือกจุดการทางานในยา่ นน้ีใช้เป็นสวติ ชใ์ นช่วงเปดิ วงจร “OFF” ย่านทางาน (Active Region) เป็นย่านท่ีทรานซสิ เตอร์ทางาน มีกระแสไหลในตัวทรานซิสเตอร์ ค่า IC ไหลเปลี่ยนแปลงตามค่าการไหลของ IBกราฟในช่วงนี้จะเป็นเส้นตรง เลือกจุดการทางานตามต้องการเพื่อนาไปใช้งานสาหรับสรา้ งวงจรขยายสญั ญาณได้ ย่านอ่ิมตัว (Saturation Region) เป็นย่านท่ีทรานซิสเตอร์ทางานนากระแสจนถึงจุดอ่ิมตัว มีแรงดันระหว่างขาคอลเลคเตอร์และอิมิตเตอร์(VCE) คงท่ีตลอด แม้ว่า IB จะมีการเปลี่ยนแปลง จึงเลือกจุดการทางานในยา่ นน้ีใชเ้ ปน็ สวิตชใ์ นชว่ งปิดวงจร “ON”หน่วยที่ 6 ทรานซิสเตอรส์ วิตช์ 5-23

วชิ า วงจรพัลส์ และ สวิตชิง 2105-2006 2. แนวคดิ ทางอุดมคตขิ องสวติ ชท์ รานซสิ เตอร์ ทรานซิสเตอร์สามารถนามาใช้แทนสวิตช์ได้ จัดอยู่ในประเภทสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ คอื ขณะเมื่อทรานซสิ เตอร์อยู่ในสภาวะทางาน คือต่อแรงดันไบแอสตรงที่ขาเบส (B) และขาอิมิตเตอร์(E) และต่อแรงดันไบแอสกลับระหว่างขาคอลเลคเตอร์ (C) กับขาอิมิตเตอร์ (E) ทรานซิสเตอร์จะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เปรียบเสมือนเป็นสวิตช์ปิดวงจร “ON” และขณะเมื่อทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะท่ีไม่ทางานคือต่อแรงดันไบแอสกลับที่ขาเบส (B) และขาอิมิตเตอร์(E) และต่อแรงดันไบแอสกลับระหว่างขาคอลเลคเตอร์ (C) กับขาอิมิตเตอร์ (E)ทรานซิสเตอร์จะไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน จึงเปรียบเสมือนเป็นสวิตช์เปิดวงจร “OFF”หน่วยท่ี 6 ทรานซสิ เตอร์สวิตช์ 6-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวิตชิง 2105-2006 IC RC VRC R1 + VCC ON Vout = 0 V - +VBE -รปู การทางานเป็นสวิตชป์ ดิ วงจร “ON” ขณะไดร้ บั แรงดันไบแอสตรงหน่วยที่ 6 ทรานซสิ เตอรส์ วิตช์ 7-23

วชิ า วงจรพลั ส์ และ สวิตชิง 2105-2006 IC = 0 RC VRC =0 V + R1 VCC OFF Vout = VCC - -VBE +รูป การทางานเปน็ สวติ ช์เปิดวงจร “OFF” ขณะไดร้ ับแรงดนั ไบแอสกลบัหน่วยที่ 6 ทรานซิสเตอรส์ วิตช์ 8-23

วชิ า วงจรพลั ส์ และ สวติ ชิง 2105-2006 การใช้แหล่งจ่ายไฟกระแสสลับจ่ายเป็นรูปคลื่นสัญญาณพัลส์ไบแอสให้กับทรานซิสเตอร์ ทรานซิสเตอร์จะทาหน้าที่เป็นสวิตช์ปิดวงจร “ON” และสวิตช์เปิดวงจร“OFF” +VCC + Vin 0 t RC IC - t0 t1 t2 R1 +IB t Q1 Vout IBVin IB 0 +VCC Vout t0t0 t1 t2 รูป วงจรสวิตช์ทรานซิสเตอรช์ นิด NPNหนว่ ยท่ี 6 ทรานซสิ เตอร์สวิตช์ 9-23

วิชา วงจรพัลส์ และ สวิตชิง 2105-2006 +VCC + RC IC Vin 0 t - t0 t1 t2 R1 Q1 ON Vout= 0 V IB +VCC + VoutVin - t0 t0 t1 t2รูป ขณะที่ทรานซิสเตอร์ NPN ไดร้ บั ไบแอสตรงเป็นสวติ ช์ปิดวงจร “ON” ทรานซิสเตอร์ NPN ได้รับไบแอสตรงท่ีขา B เมื่อช่วงเวลาท่ีสัญญาณVin คลืน่ พัลสซ์ ีกบวกปอ้ นเข้ามา ผ่านตัว R1หน่วยที่ 6 ทรานซิสเตอร์สวิตช์ 10-23

วชิ า วงจรพัลส์ และ สวิตชิง 2105-2006 +VCC + RC Vin 0 t - t0 t1 t2 R1 Q1 OFF Vout= Vcc IB +VCC - VoutVin +รูป ขณะท่ีทรานซสิ เตอร์ NPN 0 t0 t1 “t2OFFt” ไดร้ ับไบแอสกลับเป็นสวติ ชเ์ ปดิ วงจร ทรานซิสเตอร์ NPN ได้รับไบแอสกลับท่ีขา B เม่ือช่วงเวลาที่สัญญาณVin คล่นื พัลส์ซกี ลบปอ้ นเขา้ มา ผา่ นตัว R1หน่วยที่ 6 ทรานซิสเตอรส์ วติ ช์ 11-23

วชิ า วงจรพัลส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006 3. การใช้งานจริงของสวติ ช์ทรานซสิ เตอร์ การใช้งานจริงของสวิตชท์ รานซสิ เตอร์ เราจะพิจารณาจากกราฟคณุ สมบตั ิของทรานซิสเตอร์ พ้นื ที่ของกราฟจะถูกแบง่ ออกไดเ้ ปน็ 3 ส่วน คอื  สว่ นที่ 1 พ้นื ทที่ รานซสิ เตอรท์ างานอยใู่ นสภาวะคัตออฟ (Cutoff Region)  ส่วนท่ี 2 พื้นทท่ี รานซสิ เตอร์ทางานอยู่ในสภาวะแอคทีฟ (Active Region)  สว่ นท่ี 3 พนื้ ทท่ี รานซิสเตอร์ทางานอยใู่ นสภาวะอิ่มตัว (Saturation Region)หน่วยที่ 6 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ 12-23

วิชา วงจรพัลส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006 IC (max) VCC ON RL IB4 3 IB3 IC (mA) IB2 (OFF) 2 IB1ICBO I BO  0 VCE (V) VCC VCE (max) VCE(sat) 1 รูป กราฟคณุ สมบัตขิ องทรานซสิ เตอร์ในการใช้งานจรงิหน่วยท่ี 6 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ 13-23

วชิ า วงจรพัลส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006 4. ชว่ งเวลาการทางานของสวิตช์ทรานซิสเตอร์ ชว่ งเวลาการทางานของสวิตช์ทรานซสิ เตอร์ จะแบ่งได้เป็น 2 ช่วง คอื ช่วงเวลาการทางาน (Turn On Time: tON) ชว่ งเวลาหยุดการทางาน (Turn Off Time: tOFF) VCC +V 100% 90%Vin 0 t 10% 0 td ts t tr tf td ton toff รูป ชว่ งเวลาการทางานของสวติ ช์ทรานซสิ เตอร์หนว่ ยที่ 6 ทรานซสิ เตอรส์ วติ ช์ 14-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวติ ชิง 2105-2006 ช่วงเวลาการทางาน (Turn On Time : tON) จะเป็นช่วงเวลาที่นับจากแรงดันอินพุตเร่ิมต้นปรากฏไปจนถึงเวลาท่ีแรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงไปได้ 90 %ของแรงดนั เอาตพ์ ุตเดมิ ประกอบดว้ ย  ช่วงเวลาล่าช้า (Delay time : td) คือ ช่วงเวลาท่ีนับจากแรงดันอินพุต เริ่มต้นไปจนถึงช่วงเวลาที่แรงดันเอาต์พุตเปล่ียนแปลงไปถึง 10 % ของ แรงดันเอาต์พตุ เดมิ  ช่วงเวลาไต่ข้ึน (Rise time :tr) คือ ช่วงเวลาตั้งแต่ค่าแรงดันเอาต์พุต เปล่ียนแปลงจาก 10 % ถงึ 90 % ของแรงดนั เอาต์พตุ เดมิหนว่ ยที่ 6 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ 15-23

วชิ า วงจรพัลส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006 VCC +V 100% 90% Vin 0 t 10% td t 0 trรูป ช่วงเวลาการทางาน (Turn On Time : tON) ton ของสวิตชท์ รานซสิ เตอร์ สมการ (สมการที่ 6-1) ton = td + trหน่วยท่ี 6 ทรานซสิ เตอร์สวติ ช์ 16-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006tON คอื ช่วงเวลาท่นี บั จากแรงดันอินพุตเร่ิมปรากฏไปจนถึงเวลาที่ แรงดันเอาตพ์ ตุ เปลี่ยนแปลงไป 90% มีหนว่ ยเปน็ วนิ าที (sec)td คอื ช่วงเวลาทน่ี บั จากแรงดันอินพตุ เร่ิมต้นไปจนถึงชว่ งเวลาที่ แรงดนั เอาต์พตุ เปล่ียนแปลงไปถงึ 10% ของแรงดันเอาต์พุตเดิม มหี น่วยเป็นวนิ าที (sec)tr คือชว่ งเวลาต้งั แตค่ า่ แรงดนั เอาตพ์ ตุ เปลีย่ นแปลงจาก 10% ถึง 90% ของแรงดันเอาตพ์ ุตเดิม มีหน่วยเปน็ วินาที (sec)หนว่ ยที่ 6 ทรานซสิ เตอรส์ วิตช์ 17-23

วชิ า วงจรพลั ส์ และ สวติ ชิง 2105-2006 ช่วงเวลาหยุดการทางาน (Turn Off Time : tOFF) คือ ช่วงเวลาที่นับจากแรงดันอินพุตเริ่มมีค่าลดลงเป็นลบไปจนถึงเวลาท่ีค่าแรงดันเอาต์พุตมีค่าเพิ่มขึ้นเป็น90 % ของแรงดัน VCC ประกอบด้วย  ช่วงเวลาสะสม (Storage time : ts) คือ ช่วงเวลาที่นับจากแรงดันอินพุต เริ่มทาให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะ “Off” ไปจนถึงช่วงเวลาท่ีแรงดัน เอาตพ์ ุต มคี า่ เพิม่ ขึน้ เป็น 10 % ของแรงดนั VCC  ช่วงเวลาตก (Fall time : tf) คือ ช่วงเวลาที่นับจากค่าแรงดันเอาต์พุต เปลยี่ นแปลงจาก 10 % ถึง 90 % ของแรงดัน VCC  ช่วงเวลาล่าช้า (Delay time : td ) คือ ช่วงเวลาต่อจาก ช่วงเวลาตก เพ่ือทา ใหท้ รานซิสเตอร์อยู่ในภาวะไม่ทางานอยา่ งสมบรู ณ์ กล่าวคือแรงดันที่เอาต์พุต จะมคี า่ เทา่ กับแรงดัน VCCหน่วยท่ี 6 ทรานซสิ เตอร์สวิตช์ 18-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวิตชงิ 2105-2006 t ts t tf td toffรปู ช่วงเวลาหยุดการทางาน (Turn Off Time : tOFF) ของสวิตชท์ รานซิสเตอร์หนว่ ยที่ 6 ทรานซสิ เตอรส์ วิตช์ 19-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวิตชงิ 2105-2006ชว่ งเวลาตัดกระแส คือ ช่วงเวลาตัดกระแส (Turn OFF Time, toff) คือ ช่วงเวลาท่ีนับจากแรงดันอินพุตเริ่มมีค่าเป็นลบไปจนถึงเวลาที่ค่าแรงดันเอาต์พุตมีค่าเพิ่มข้ึนเป็น 90%ของแรงดัน VCC ประกอบด้วย ช่วงเวลาสะสม (Storage time, ts) คือ ช่วงเวลาที่นบั จากแรงดันอินพุตเร่ิมทาให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะ “OFF” ไปจนถงึ ช่วงเวลาที่แรงดันเอาต์พุต มีค่าเพิ่มขึ้นเป็น 10% ของแรงดัน และ ช่วงเวลาตก (Fall time, tf)คือ ช่วงเวลาท่ีนับจากค่าแรงดันเอาต์พุตเปล่ียนแปลงจาก 10% ถึง 90% ของแรงดันVCCสมการtoff = ts + tf + td (สมการที่ 6-2)หนว่ ยที่ 6 ทรานซสิ เตอร์สวติ ช์ 20-23

วิชา วงจรพลั ส์ และ สวิตชงิ 2105-2006tOFF คือช่วงเวลาท่ีนับจากแรงดันอนิ พุตเรม่ิ มคี า่ เปน็ ลบไปจนถงึ เวลา ที่ค่าแรง ดันเอาต์พุตมีคา่ เพ่มิ ขึ้นเปน็ 90% ของแรงดัน VCC มหี นว่ ยเป็นวินาที (sec)ts คือช่วงเวลาท่ีนบั จากแรงดนั อนิ พตุ เริ่มทาให้ทรานซสิ เตอร์อยู่ในสภาวะ “Off” ไปจนถึงช่วงเวลาที่แรงดนั เอาตพ์ ุต มีค่าเพม่ิ ขนึ้ เป็น 10% ของแรงดัน VCC มี หนว่ ยเปน็ วินาที (sec)tf คอื ช่วงเวลาท่ีนบั จากคา่ แรงดันเอาต์พตุ เปลย่ี นแปลงจาก 10% ถึง 90% ของ แรงดนั VCC มีหนว่ ยเป็นวินาที (sec)td คือช่วงเวลาตอ่ จาก ช่วงเวลาตก เพอ่ื ทาให้ทรานซิสเตอรอ์ ยู่ในภาวะไม่ทางาน อย่างสมบรู ณ์ กล่าวคอื แรงดันทีเ่ อาต์พตุ จะมีค่าเท่ากับแรงดัน VCCหนว่ ยท่ี 6 ทรานซิสเตอร์สวติ ช์ 21-23

วิชา วงจรพัลส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006สรปุ ทรานซิสเตอร์สวิตช์ เป็นทรานซิสเตอร์ท่ีกาหนดจุดทางานที่ย่านคัตออฟและย่านอิ่มตัวสลับกันไป ทาหน้าที่อยู่ 2 สภาวะ คือ ขณะสวิตช์ทรานซิสเตอร์ปิดวงจร “ON” จะมีกระแส IC ไหลสูงสุด มีแรงดัน VCE หรือ Vout มีค่าเป็น 0 Vและขณะสวิตช์ทรานซิสเตอร์เปิดวงจร “OFF” จะมีกระแส IC = 0 mA มีแรงดันVCE หรือ Vout เทา่ กับ VCC ทรานซิสเตอร์สามารถนามาใช้แทนสวิตช์ได้ ขณะเม่ือทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะทางาน หรือได้รับแรงดันไบแอสตรง จะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทรานซิสเตอร์จะอยู่ในสภาวะปิดวงจรเปรียบเสมือนสวิตช์ “ON” ขณะเมื่อทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะท่ีไม่ทางานหรือได้รับแรงดันไบแอสกลับจะไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ทรานซิสเตอร์จะอยู่ในสภาวะเปิดวงจร เปรียบเสมือนสวิตช์“OFF”หนว่ ยที่ 6 ทรานซสิ เตอรส์ วิตช์ 22-23

วชิ า วงจรพัลส์ และ สวติ ชงิ 2105-2006 ช่วงเวลาการทางานของสวิตช์ทรานซิสเตอร์ จะแบ่งได้เป็น 2 ช่วง คือช่วงเวลาการทางาน จะนับจากเมื่อแรงดันอินพุตเริ่มต้นปรากฏไปจนถึงเวลาที่แรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงไปได้ 90 % ของแรงดันเอาต์พุตเดิม ประกอบด้วยช่วงเวลาเวลาล่าช้าและช่วงเวลาไต่ขึ้น และช่วงเวลาหยุดการทางาน จะนบั จากเม่ือแรงดันอินพุตเร่ิมมีค่าลดลงเป็นลบไปจนถึงเวลาท่ีค่าแรงดันเอาต์พุตมีค่าเพ่ิมขึ้นเป็น 90 % ของแรงดัน VCC ประกอบด้วย ช่วงเวลาสะสม และช่วงเวลาตกและชว่ งเวลาล่าชา้ นาวงจรทรานซิสเตอร์สวิตช์ไปประยุกต์ใช้ในงานทางอิเล็กทรอนิกส์คือ วงจรขับรีเลย์ วงจรขับออปโต้คัปเปอร์ วงจรตรวจจับระดับด้วยอินฟราเรด วงจรตรวจจบั ระดบั นา้หน่วยที่ 6 ทรานซสิ เตอรส์ วติ ช์ 23-23