วงจรขยายสัญญาณ – ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง มีสามขา มีชื่อเรียกแต่ละขาว่า Emitter, Base, Collector

ความพิเศษของทรานซิสเตอร์คือ ถ้าเราให้กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านขา Emitter และ Base ค่าหนึ่ง กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขา Base กับ Collector จะแปรผันมากน้อยตามกระแสที่ผ่าน Emitter-Base ด้วย พูดอีกแบบหนึ่งก็คือ เราสามารถควบคุมกระแสที่ไหลผ่านขาคู่หนึ่งทรานซิสเตอร์ได้ด้วย ปริมาณกระแสที่ไหลผ่านขาอีกคู่หนึ่งได้

ฟังดูแล้วก็งงว่า แล้วมันมีประโยขน์ยังไง จริงๆ แล้ว ทรานซิสเตอร์ ถือว่าเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่เปลี่ยนโลกเลยทีเดียว เพราะคุณสมบัติที่ว่านี้สามารถนำมาใช้ประยุกต์ทำวงจรต่างๆ ที่มีประโยชน์ได้อย่างมากมาย และเป็นนวัตกรรมที่นำพาโลกของเราเข้าสู่ยุคดิจิทัลเลยทีเดียวscreen-shot-2559-10-26-at-10-43-39-am

สัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์เป็นดังรูปนะครับ ขาที่มีลูกศรนั้นจะเรียกว่า Emitter ส่วนขาที่แยกออกจากเส้นตรงกลางเรียกว่า Base และอีกขาที่เหลือด้านบนเรียกว่า Collector นะครับ

ทรานซิสเตอร์แบบที่ว่ามานี้เรียกว่า Bipolar Transistor ซึ่งจะมีสองชนิดคือ NPN (Q1) กับ PNP (Q2) ซึ่งมีสัญลักษณ์ต่างกันตรงลูกศรที่ชี้ออกและชี้เข้าตามลำดับ

นอกจากนี้ยังมีทรานซิสเตอร์อีกตระกูลหนึ่งเรียกว่า FET (Q3) ซึ่งมีหลักการคล้ายๆ กัน แต่มักทนกระแสได้มากกว่า Bipolar นะครับ

เพื่อเป็นการยกตัวอย่างการนำทรานซิสเตอร์มาใช้ประโยชน์สักหนึ่งเรื่อง ขอพูดถึงการเอาทรานซิสเตอร์หนึ่งตัว มาใช้ประดิษฐ์เป็นวงจรขยายสัญญาณแบบง่ายๆ (แอมฟลิพลายเออร์)

screen-shot-2559-10-26-at-10-54-03-am

จากภาพข้างต้น แหลงกำเนิดแรงดันทางซ้ายมือสมมติว่าเป็นไมโครโฟน ส่วนโหลดที่ R2 อาจจะเป็นลำโพงก็ได้

แบตตารี่ข้างบนสุดคือไฟฟ้ากระแสตรงที่เลี้ยงทรานซิสเตอร์ Q1 ทีนี้เวลาที่สัญญาณเสียงออกจากไมโครโฟนวิ่งเข้ามาที่ขา Base ของทรานซิสเตอร์ มันจะทำให้เกิดกระแสที่ไหลผ่าน Collector ของทรานซิสเตอร์ด้วย ในแบบที่ล้อกัน แต่มีปริมาณมากกว่า เช่น 20-200 เท่าเป็นต้น ดังนั้นเมื่อเอาลำโพง (R2) ไปรับกระแสที่ไหลจาก Collector ก็จะได้สัญญาณเสียงที่ดังขึ้น ทรานซิสเตอร์จึงทำงานเป็นเครื่องขยายสัญญาญเสียงนั่นเอง ส่วนจะขยายได้กี่เท่านั้นขึ้นกับรุ่นของทรานซิสเตอร์ที่ใช้ ซึ่งดูได้จากค่าเบต้า (หรือ hFE) ของทรานซิสเตอร์รุ่นนั้นๆ

ในการใช้งานทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่มักจะต่อให้ลักษณะที่เรียกว่า common emitter หมายถึง ข้างหนึ่งเราต่อ emitter กับ base เข้าด้วยกัน และอีกข้างหนึ่งต่อ emitter กับ collector เข้าได้ด้วยกัน กระแสที่ไหลผ่าน emitter-collector จะแปรผันตามกระแสท่ีไหลผ่าน emitter-base โดยขยายขนาดขึ้น hFE เท่า และมักจะต้องมีแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่ collector ด้วย เพื่อทำหน้าที่เลี้ยงทรานซิสเตอร์

อีกเรื่องที่ควรรู้คือ ที่จริงแล้วบริเวณจาก base ไป emitter นั่นมีลักษณะเหมือนไดโอด ดังนั้นหากต่อทรานซิสเตอร์ในลักษณะที่กระแสไหลผ่านตามลูกศร แรงดันที่ตกคร่อม base-emitter จะมีค่า 0.7V ด้วย ส่วนแรงดันที่ตกคร่อม collector-emitter นั่นจะแปรผันไปขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่าน และขนาดของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงข้างบน

screen-shot-2559-10-28-at-1-55-33-pm

2N3904
2N3904

เพื่อให้เข้าใจมากขึ้น ลองลงมือต่อวงจรจริงๆ ดูสักหน่อย เวลาทำของจริง ทรานซิสเตอร์จะมีรุ่นที่มีขายอยู่ในท้องตลาด ซึ่งจะมีค่าต่างๆ เป็นของมันเอง เราไม่สามารถเลือกได้ตามชอบใจ ดังนั้นในชีวิตจริง จะมีข้อจำกัดเรื่องสเปคของอุปกรณ์ด้วย ทรานซิสเตอร์ที่ผมหยิบมาลองเล่นคือ 2N3904 ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์แบบ bi-polar และเป็น NPN

เรื่องที่ต้องดู คือ ระดับกระแสที่ Collector ของทรานซิสเตอร์รุ่นนี้ทำงานได้ พบว่าต้องไม่เกิน 200mA ในขณะที่กำลังขยาย (hFE) ของทรานซิสเตอร์ตัวนี้อยู่ระหว่าง 20-100 เท่า (ขึ้นอยู่กับขนาดกระแสด้วย) เราก็ต้องเลือกค่า R ของตัวต้านทานและแรงดันของแบตตารี่ให้เหมาะสม เพื่อมิให้กระแสสูงเกินไป (อาศัยความสัมพันธ์ V=IR ธรรมดา) ทรานซิสเตอร์ก็จะไม่เสียหาย แต่ถ้าขึ้เกียจคำนวณ จริงๆ แล้ว มีโปรแกรมสำเร็จรูปไว้สำหรับการ simulate วงจร เช่น OrCAD หรือ PSPICE ก็ใช้ได้

img_1681ข้อสังเกตคือ กระแสที่ไหลผ่าน collector จะไม่ขึ้นกับความต้านทานหรือแหล่งกำเนิดแรงดัน แต่จะแปรผันตามกระแสที่ไหลผ่าน base เพราะนั่นคือความพิเศษของทรานซิสเตอร์ และ แรงดันระหว่าง collector กับ emitter จะแปรผันไปตามกระแสอีกที ซึ่งทรานซิสเตอร์ตัวนี้สามารถทนแรงดันระหว่าง collector กับ emitter ได้ช่วงกว้างมาก ตั้งแต่ 0-50V เลยไม่ต้องเป็นห่วง

img_1671

ทดลองใช้มิเตอร์วัดแรงดันและกระแสที่จุดต่างๆ แล้วพบว่าเป็นไปตามที่เราคิด ก็น่าจะเป็นทรานซิสเตอร์ที่ทำงานได้โดยปลอดภัยแล้ว

ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์สารพัดประโยชน์ ขึ้นอยู่กับว่าจะนำไปออกแบบวงจรให้ใช้ประโยชน์อะไร จะว่าไปแล้ว วงจรอิเล็กทรอนิกส์แทบทุกอย่างก็หนีไม่พ้น ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ ต่อเข้าด้วยกันเพื่อให้ทำงานบางอย่างตามที่เราต้องการได้ แม้แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากๆ อย่าง ซีพียู ก็ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์นับล้านๆ ตัวทำงานร่วมกัน

ตัวอย่างเช่น ภาพข้างล่าง คือ วงจรขยายเสียงอย่างง่าย โดยใช้ทรานซิสเตอร์แค่ตัวเดียว เป็นต้น ขออนุญาตยังไม่อธิบายการทำงานของวงจรนี้ แค่ยกมาให้ดูเป็นตัวอย่างเฉยๆ ในตอนนี้ว่าเขาเอาทรานซิสเตอร์ไปใช้ประโยชน์อย่างไรก็พอ เอาไว้จะพูดถึงวงจรขยายเสียงแบบเต็มๆ โดยเฉพาะเลย ในโอกาสต่อไป

img_1685

(ที่มา: หนังสือ electronics from the ground up)

 

Share

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *