Transistor BJT: NPN, PNP, cách xác định chân và hệ số khuếch đại

Transistor BJT là gì: cấu tạo NPN, PNP, ký hiệu và chiều dòng, hệ số khuếch đại β, ba vùng tắt, khuếch đại, bão hòa, thông số BC547, 2N2222A, S8050, cách xác định chân và đo transistor.

Transistor là phát minh làm nên điện tử hiện đại: một dòng điện nhỏ điều khiển được một dòng điện lớn hơn nhiều. Nhờ đó transistor vừa làm công tắc (bật tắt relay, động cơ, đèn từ chân vi điều khiển) vừa làm bộ khuếch đại (micro, loa, cảm biến). Bài viết giới thiệu transistor lưỡng cực (BJT): cấu tạo NPN và PNP, ký hiệu và chiều dòng, hệ số khuếch đại β, ba vùng làm việc, các thông số cần đọc, cách xác định chân và kiểm tra transistor bằng đồng hồ vạn năng. Hai bài sau sẽ dùng transistor làm công tắc và làm bộ khuếch đại.

1. Cấu tạo NPN, PNP và ký hiệu

• Transistor BJT gồm ba lớp bán dẫn: NPN (n – p – n) hoặc PNP (p – n – p). Ba chân là E (emitter, cực phát), B (base, cực gốc, lớp giữa rất mỏng) và C (collector, cực thu).
• Trên ký hiệu, mũi tên luôn nằm ở chân E và chỉ chiều dòng quy ước qua tiếp giáp B–E: NPN mũi tên hướng ra ngoài, PNP mũi tên hướng vào trong.
• Với NPN: dòng nhỏ đi vào B, dòng lớn đi vào C, cả hai cùng chảy ra ở E: IE = IB + IC. PNP thì ngược chiều: dòng vào ở E, ra ở B và C.
• Muốn NPN dẫn, B phải cao hơn E khoảng 0,6–0,7 V (tiếp giáp B–E phân cực thuận, giống một diode). PNP thì B phải thấp hơn E khoảng 0,6–0,7 V.

2. Dòng base điều khiển dòng collector: hệ số β

• Ở vùng khuếch đại, dòng collector tỉ lệ với dòng base: IC = β × IB. Hệ số β (còn ghi là h_FE) thường từ khoảng 50 đến 400 tùy loại; ví dụ β = 200 thì 0,1 mA ở base điều khiển 20 mA ở collector.
• β không phải con số chính xác: nó lệch nhiều giữa các con cùng mã, thay đổi theo dòng và nhiệt độ. Datasheet thường ghi khoảng tối thiểu – tối đa, có khi chia nhóm bằng chữ cái sau mã (BC547A, B, C).
• IC không tăng mãi theo IB: dòng collector còn bị giới hạn bởi tải và nguồn. Khi IB đủ lớn để tải nhận hết dòng có thể, transistor bão hòa; tăng IB thêm cũng không làm IC tăng.

3. Ba vùng làm việc

Khi làm công tắc, transistor chỉ ở hai vùng tắt và bão hòa, ít tỏa nhiệt (P = UCE × IC nhỏ ở cả hai trạng thái). Nếu dòng base không đủ, transistor nằm ở vùng khuếch đại, UCE lớn, transistor nóng và tải không đủ điện áp: đây là lỗi hay gặp khi tự thiết kế mạch đóng cắt.

4. Các thông số cần đọc

Số liệu là giá trị thường gặp trong datasheet và khác nhau đôi chút giữa các hãng. Dùng dưới khoảng 70 % giới hạn để transistor bền. Tải lớn hơn vài trăm mA nên dùng transistor công suất (TIP31, TIP120 Darlington) hoặc MOSFET (bài 20).

5. Xác định chân và kiểm tra transistor

• Transistor vỏ TO-92 cùng hình dạng nhưng thứ tự chân khác nhau theo mã: BC547 là C–B–E, còn 2N2222A, 2N3904, S8050 là E–B–C (nhìn mặt phẳng, chân hướng xuống). Luôn tra datasheet đúng mã, đúng hãng.
• Đo bằng thang diode của đồng hồ vạn năng: với NPN, base giống "anode chung" của hai diode tới C và tới E. Que đỏ ở B, que đen lần lượt ở C và E đều hiện khoảng 0,6–0,7 V; mọi cách đo khác hiện "1.". PNP thì que đen ở B.
• Chân có kết quả đo B–E cao hơn B–C một chút thường là E. Ổ hFE trên đồng hồ cho biết β gần đúng và giúp kiểm tra lại thứ tự chân.
• Đo được thấp gần 0 giữa C và E là transistor bị chập; không có tiếp giáp nào dẫn là transistor đứt.

6. Khi nào dùng NPN, khi nào dùng PNP

• NPN đặt ở phía dưới tải (giữa tải và GND, gọi là đóng cắt phía thấp): tải nối lên nguồn dương, E nối GND, base điều khiển bằng mức cao từ vi điều khiển. Đây là cách phổ biến nhất (bài 19).
• PNP đặt ở phía trên tải (giữa nguồn dương và tải): E nối nguồn, base kéo xuống thấp để dẫn. Dùng khi tải phải giữ chung GND, ví dụ cấp nguồn cho một module. Nếu nguồn tải cao hơn 3,3 V, base PNP phải được điều khiển qua một transistor NPN nữa.

7. Tự kiểm tra

1. Transistor có β = 150, IB = 0,2 mA, đang ở vùng khuếch đại. IC và IE bằng bao nhiêu? (Đáp án: IC = 30 mA, IE = 30,2 mA.)
2. Trên ký hiệu, mũi tên hướng vào trong là transistor gì? (Đáp án: PNP.)
3. Vì sao không dùng BC547 để bật một relay 12 V lấy 150 mA? (Đáp án: vượt IC tối đa 100 mA; dùng 2N2222A, S8050 hoặc module relay.)

8. Xem thêm

• ESP32 điều khiển module relay: trên module có transistor kéo cuộn relay.
• Động cơ bước với ULN2003: IC chứa 7 cặp transistor Darlington.
• Cảm biến quang: phototransistor là transistor có base nhận ánh sáng.
• Bài tiếp theo của loạt điện tử căn bản: dùng transistor làm công tắc, bật tải 5 V, 12 V từ ESP32.