การใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์

ทรานซิสเตอร์สามารถใช้เป็นสวิตช์เพื่อควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้า DC แรงดันต่ำ เช่น LED ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำงานในสถานะอิ่มตัว (saturated) หรือสถานะตัดการนำไฟฟ้า (cut-off) ในการใช้งานนี้ ทรานซิสเตอร์จะทำหน้าที่เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถสลับระหว่างสถานะ "ON" และ "OFF" ได้

การทำงานพื้นฐาน

ทรานซิสเตอร์ที่ใช้เป็นเครื่องขยายสัญญาณ AC จะถูกไบแอสให้ทำงานในบริเวณที่ทำงานเชิงเส้น(active region) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เป็นเชิงเส้น แต่เมื่อใช้เป็นสวิตช์ ทรานซิสเตอร์จะทำงานในลักษณะที่ต่างออกไป โดยทรานซิสเตอร์ทั้งแบบ NPN และ PNP สามารถปรับไบแอสที่ขั้วเบสเพื่อทำงานเป็นสวิตช์แบบโซลิดสเตตได้

การใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์จะควบคุมสถานะ "ON" และ "OFF" ของเอาต์พุต DC อุปกรณ์บางชนิด เช่น LED นั้นต้องการกระแสไฟเพียงไม่กี่มิลลิแอมแปร์และสามารถขับเคลื่อนได้โดยตรงจาก ลอจิกเกต แต่สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการพลังงานไฟฟ้ามากขึ้น เช่น มอเตอร์หรือตะเกียง จะต้องใช้ทรานซิสเตอร์สวิตช์ในการควบคุม

พื้นที่การทำงาน

เมื่อใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เป็นสวิตช์ จำเป็นต้องเข้าใจพื้นที่การทำงานหลักสองส่วนคือ บริเวณอิ่มตัว (Saturation Region) และบริเวณคัตออฟ (Cut-off Region) ซึ่งกำหนดพฤติกรรมการสลับของทรานซิสเตอร์

บริเวณคัตออฟ (Cut-off Region)

ในบริเวณคัตออฟ  ทรานซิสเตอร์จะปิดสนิท ไม่มีกระแสที่ขั้วเบส (IB) ไม่มีกระแสที่ขั้วคอลเลคเตอร์ (IC) และแรงดันที่ขั้วคอลเลคเตอร์ (VCE) จะอยู่ที่ค่ามากที่สุด สภาพนี้ส่งผลให้เกิดชั้นดีพลีชั่น (depletion layer) ขนาดใหญ่ ทำให้กระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลผ่านอุปกรณ์ได้ ทรานซิสเตอร์ทำงานเหมือนสวิตช์เปิด

• ขั้วอินพุตและขั้วเบสถูกต่อกราวด์ (0V)
• แรงดันระหว่างขั้วเบสและอิมิตเตอร์ (VBE) น้อยกว่า 0.7V
• ขั้วต่อระหว่างเบส-อิมิตเตอร์มีไบแอสย้อนกลับ
• ขั้วต่อระหว่างเบส-คอลเลคเตอร์มีไบแอสย้อนกลับ
• ไม่มีกระแสไหลผ่านคอลเลคเตอร์ (IC = 0)
• VOUT เท่ากับ VCE และเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย (VCC)
• ทรานซิสเตอร์ทำงานเหมือนสวิตช์เปิด

ในสถานะนี้ ขั้วต่อทั้งสองถูกไบแอสย้อนกลับ ทำให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานะ "OFF"

บริเวณอิ่มตัว (Saturation Region)

ในบริเวณอิ่มตัว ทรานซิสเตอร์จะเปิดอย่างสมบูรณ์ กระแสขั้วเบสจะอยู่ที่ค่าสูงสุด ทำให้กระแสไฟฟ้าคอลเลคเตอร์สูงสุดและแรงดันไฟฟ้าระหว่างคอลเลคเตอร์-อิมิตเตอร์ต่ำที่สุด  ชั้นดีพลีชั่นจะมีขนาดเล็กที่สุด ทำให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านทรานซิสเตอร์ได้สูงสุด ทรานซิสเตอร์ทำงานเหมือนสวิตช์ปิด

• ขั้วอินพุตและขั้วเบสถูกต่อกับ VCC
• แรงดันระหว่างขั้วเบสและอิมิตเตอร์ (VBE) มากกว่า 0.7V
• ขั้วต่อระหว่างเบส-อิมิตเตอร์มีไบแอสตรง
• ขั้วต่อระหว่างเบส-คอลเลคเตอร์มีไบแอสตรง
• กระแสคอลเลคเตอร์ไหลสูงสุด (IC = VCC/RL)
• VCE ประมาณศูนย์ (สภาวะอิ่มตัวที่สมบูรณ์แบบ)
• VOUT เท่ากับศูนย์
• ทรานซิสเตอร์ทำงานเหมือนสวิตช์ปิด

ในสถานะนี้ ขั้วต่อทั้งสองจะมีไบแอสตรง และทรานซิสเตอร์จะอยู่ในสถานะ "ON" อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด ทรานซิสเตอร์สวิตช์ทำงานเหมือนสวิตช์แบบหนึ่งขั้วสองทิศทาง (SPST) เมื่อไม่มีสัญญาณที่ขั้วเบส ทรานซิสเตอร์จะ "OFF" และไม่มีกระแสไหล เมื่อมีสัญญาณบวกที่ขั้วเบส ทรานซิสเตอร์จะ "ON" ทำให้กระแสสูงสุดไหลผ่าน

การใช้งานที่พบบ่อยคือการใช้ทรานซิสเตอร์ NPN เพื่อควบคุมรีเลย์ ในวงจรที่มีโหลดเหนี่ยวนำ เช่น รีเลย์หรือโซลินอยด์ จะมีการใช้ไดโอดฟลายวีลเพื่อกระจาย EMF ย้อนกลับที่เกิดขึ้นเมื่อทรานซิสเตอร์ปิดการทำงานเพื่อป้องกันความเสียหาย

ข้อควรพิจารณาในการใช้งานจริง

ทรานซิสเตอร์สวิตช์ในอุดมคติจะมีความต้านทานระหว่างคอลเลคเตอร์และอิมิตเตอร์เป็นอนันต์เมื่อปิด ทำให้ไม่มีกระแสไหล และมีความต้านทานเป็นศูนย์เมื่อเปิด ทำให้กระแสไหลสูงสุด ในความเป็นจริง มีการรั่วของกระแสเล็กน้อยเมื่อปิดและมีแรงดันอิ่มตัวเล็กน้อย (VCE) เมื่อเปิด แต่สิ่งเหล่านี้เป็นค่าน้อยมาก

เพื่อให้ทรานซิสเตอร์เปิดเต็มที่ กระแสที่ขั้วเบสต้องเพียงพอ ขั้วอินพุตเบสจะต้องมีศักย์มากกว่าขั้วอิมิตเตอร์อย่างน้อย 0.7V สำหรับทรานซิสเตอร์ซิลิคอน ตัวต้านทานขั้วเบส (Rb) กำหนดแรงดันอินพุตและกระแสขั้วเบสที่ต้องการ

การคำนวณตัวอย่าง

• ‍การคำนวณตัวต้านทานเบส: สำหรับทรานซิสเตอร์ที่มี β = 200, IC = 4mA และ IB = 20μA ให้คำนวณตัวต้านทานเบสเพื่อให้สวิตช์โหลดเปิดเต็มที่เมื่อแรงดันอินพุตเกิน 2.5V‍
• กระแสเบสต่ำสุด: สำหรับโหลดที่ต้องการกระแสไฟฟ้า 200mA ให้คำนวณกระแสเบสต่ำสุดและตัวต้านทานเบสที่สอดคล้องกันเมื่อแรงดันอินพุตเป็น 5.0V

การประยุกต์ใช้งาน

ทรานซิสเตอร์สวิตช์ถูกใช้ในหลายงานต่าง ๆ เช่น การเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่มีกระแสไฟฟ้าสูงหรือแรงดันไฟฟ้ากับอุปกรณ์ดิจิทัลแรงดันไฟฟ้าต่ำ เช่น  เอาต์พุตของเกตลอจิกดิจิทัลที่มีแรงดัน +5V สามารถควบคุมอุปกรณ์ที่ต้องการ 12V หรือมากกว่าได้ ทรานซิสเตอร์สวิตช์ทำให้การควบคุมง่ายและรวดเร็วกว่าสวิตช์เชิงกล

ทรานซิสเตอร์สวิตช์ PNP

ทรานซิสเตอร์ PNP ก็สามารถใช้เป็นสวิตช์ได้เช่นกัน ในการใช้งานนี้ โหลดจะเชื่อมต่อกับกราวด์และทรานซิสเตอร์จะสลับพลังงานไปยังโหลด การเปิดทรานซิสเตอร์ PNP จะทำโดยการต่อขั้วเบสเข้ากับกราวด์หรือศูนย์โวลต์

ทรานซิสเตอร์สวิตช์ดาร์ลิงตัน (Darlington Transistor Switch)

เมื่อการเพิ่มกระแสไฟฟ้า DC ของทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ตัวเดียวไม่เพียงพอ จะใช้ทรานซิสเตอร์หลายตัวในรูปแบบดาร์ลิงตัน (Darlington Configuration) ซึ่งให้การเพิ่มกระแสไฟที่สูงมากขึ้น ทำให้กระแสอินพุตขนาดเล็กสามารถสลับกระแสเอาต์พุตที่ใหญ่กว่าได้มาก

ในทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน การเพิ่มกระแสไฟรวมกันจะเป็นผลคูณของการเพิ่มของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ทำให้มีประสิทธิภาพที่สูงกว่าทรานซิสเตอร์สวิตช์ตัวเดียวอย่างมาก

สรุป

ทรานซิสเตอร์สวิตช์มีความหลากหลายและมีประสิทธิภาพในการควบคุมโหลดต่าง ๆ ตั้งแต่ LED ธรรมดาไปจนถึงมอเตอร์ที่ซับซ้อน การเข้าใจการใช้ทรานซิสเตอร์ในบริเวณอิ่มตัวและบริเวณคัตออฟเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบวงจรสวิตช์ที่มีประสิทธิภาพ