ไดโอดและทรานซิสเตอร์: แบบฝึกหัดพร้อมเฉลยทีละขั้นตอน

Q: ไดโอดและทรานซิสเตอร์ คืออะไร

เมื่อมันนำไฟฟ้า (ไบอัสไปข้างหน้า forward-biased) ไดโอดซิลิกอนรักษาแรงดันประมาณ 0.7 V คร่อมตัวมันเอง ไม่ว่ากระแสเท่าใด นี่คือแบบจำลองแรงดันตกคงที่ ไดโอดที่นำไฟฟ้าจึงทำตัวเหมือนแบตเตอรี่เล็ก 0.7 V ที่เอาแรงดันออกไป ตัวต้านทานได้ส่วนที่เหลือ:

Q: จะแก้โจทย์ ไดโอดและทรานซิสเตอร์ ทีละขั้นได้อย่างไร

ตัวควบคุมแรงดันซีเนอร์: ซีเนอร์ไดโอดที่ไบอัสย้อนกลับรักษาแรงดัน VZ ไว้ตราบที่กระแสของมันสูงกว่าค่าต่ำสุด IZ,min ตัวต้านทานอนุกรม R รับส่วนต่างระหว่างอินพุตกับเอาต์พุต: IR = (Vin − VZ)/R กระแสนั้นแบ่งระหว่างโหลด IL = VZ/RL กับซีเนอร์: IZ = IR − IL ออกแบบสำหรับกรณีเลวร้ายที่สุด: อินพุตต่ำสุดกับโหลดสูงสุดต้องยังเหลือ IZ,min และอินพุตสูงสุดขณะไม่มีโหลดให้กำลังซีเนอร์สูงสุด PZ = VZ·IZ

Q: ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยใน ไดโอดและทรานซิสเตอร์ มีอะไรบ้าง

ซีเนอร์รักษา 3.3 V ไว้: เฉพาะ Vin − VZ ตกคร่อม R แรงดันตัวต้านทานคือ Vin − VZ ไม่ใช่ VZ ตอบในหน่วย mA

Q: แบบฝึกหัด ไดโอดและทรานซิสเตอร์ ครอบคลุมเรื่องอะไรบ้าง

ง่าย: วงจรไดโอด ปานกลาง: จุดไบแอสของ BJT ยาก: BJT เป็นสวิตช์ โจทย์ทุกข้อใช้ค่าใหม่ คุณจึงเรียนรู้วิธีทำ ไม่ใช่จำคำตอบ ติดขัดใช่ไหม เปิดคำใบ้เล็ก ๆ ก่อน และเปิดคำอธิบายฉบับเต็มเมื่อจำเป็นเท่านั้น

แบบฝึกหัด ไดโอดและทรานซิสเตอร์ ฟรี พร้อมแผนภาพ คำใบ้ และเฉลยละเอียด ตัวเลขใหม่ทุกครั้ง สามระดับ: วงจรไดโอด, จุดไบแอสของ BJT, BJT เป็นสวิตช์

โจทย์ฝึกฟรีง่าย

LED เขียว ที่มีแรงดันไปข้างหน้า 2.2 V ทำงานจากแหล่งจ่าย 24 V ผ่านตัวต้านทานอนุกรม จงหาความต้านทาน R ที่ตั้งกระแส LED เป็น 15 mA

V_s = 24 VV_F = 2.2 VI = 15 mA

โจทย์ถัดไป →

ฝึก ไดโอดและทรานซิสเตอร์ ฟรี ฝึก ไดโอดและทรานซิสเตอร์ เลยโจทย์ฟรีวันละ 5 ข้อ ไม่ต้องใช้บัตร

สิ่งที่คุณจะได้ฝึก

ง่ายวงจรไดโอด
ปานกลางจุดไบแอสของ BJT
ยากBJT เป็นสวิตช์

สูตรสำคัญ

ไดโอด (แรงดันตกคงที่): V_D = 0.7 V when conducting
บริเวณแอกทีฟ: V_BE = 0.7 V, I_C = β·I_B, I_E = (β + 1)·I_B
ไบแอสคงที่: I_B = (V_CC − 0.7)/R_B
ไบแอสแบบแบ่งแรงดัน: I_B = (V_TH − 0.7)/(R_TH + (β + 1)R_E)
เทวินินของตัวแบ่งแรงดัน: V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂
ลูปคอลเลกเตอร์: V_CE = V_CC − I_CR_C − I_ER_E
ภาวะอิ่มตัว: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C, I_B ≥ I_C(sat)/β

เรียนรู้ ไดโอดและทรานซิสเตอร์ ตั้งแต่ต้น

ก่อนหน้านี้: ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

1ไดโอด: วาล์วทางเดียว

ไดโอด (diode) ให้กระแสไหลทางเดียวเท่านั้น เหมือนวาล์วทางเดียวในท่อน้ำ ลูกศรในสัญลักษณ์ชี้ทิศทางที่กระแสไหลได้

เมื่อมันนำไฟฟ้า (ไบอัสไปข้างหน้า forward-biased) ไดโอดซิลิกอนรักษาแรงดันประมาณ 0.7 V คร่อมตัวมันเอง ไม่ว่ากระแสเท่าใด นี่คือแบบจำลองแรงดันตกคงที่

ไดโอดที่นำไฟฟ้าจึงทำตัวเหมือนแบตเตอรี่เล็ก 0.7 V ที่เอาแรงดันออกไป ตัวต้านทานได้ส่วนที่เหลือ:

I = (V_s − n·0.7) / R

ที่นี่ n คือจำนวนไดโอดที่นำไฟฟ้าอนุกรมกัน เมื่อกลับขั้ว ไดโอดกั้นและกระแสเป็นศูนย์

ตรวจสอบตนเอง แหล่งจ่าย 9 V ขับกระแสผ่านตัวต้านทาน 1 kΩ และไดโอดซิลิกอนไบอัสไปข้างหน้าสองตัวอนุกรมกัน กระแสคือเท่าใด

10.4 mA
7.6 mA
8.3 mA
9 mA

คำตอบ: 7.6 mA. I = (9 − 2·0.7)/1 kΩ = 7.6 mA การนับไดโอดเพียงตัวเดียวได้ 8.3 mA การมองข้ามไดโอดได้ 9 mA และการบวกแรงดันของมันได้ 10.4 mA

2ทรานซิสเตอร์สองขั้ว

BJT (bipolar junction transistor) มีสามขา: เบส (B) คอลเลกเตอร์ (C) และอิมิตเตอร์ (E) ในชนิด NPN กระแสไหลเข้าคอลเลกเตอร์และเบส และออกจากอิมิตเตอร์

กระแสเบสเล็ก I_B ควบคุมกระแสคอลเลกเตอร์ I_C ที่ใหญ่กว่ามาก ทำงานเหมือนก๊อกน้ำ: แรงเล็กน้อยที่ด้ามควบคุมการไหลมาก

ในช่วงการทำงานปกติ คือย่านแอกทีฟ (active region) ข้อเท็จจริงสามข้อเป็นจริง:

V_BE = 0.7 V I_C = β·I_B I_E = (β + 1)·I_B

อัตราขยายกระแส β (เบตา) โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 50 ถึง 300 รอยต่อเบส-อิมิตเตอร์เป็นไดโอด ซึ่งเป็นเหตุผลที่ V_BE เป็น 0.7 V

ตรวจสอบตนเอง ทรานซิสเตอร์ที่มี β = 80 ในย่านแอกทีฟมีกระแสเบส 0.05 mA กระแสคอลเลกเตอร์คือเท่าใด

0.05 mA
0.625 µA
4 mA
4.05 mA

คำตอบ: 4 mA. I_C = β·I_B = 80·0.05 = 4 mA ส่วน 4.05 mA คือกระแสอิมิตเตอร์ (β + 1)·I_B และ 0.625 µA หารด้วย β แทนที่จะคูณ

3ย่านแอกทีฟหรือซาทูเรชัน

กระแสคอลเลกเตอร์ไหลผ่าน R_C แรงดันที่เหลือคร่อมทรานซิสเตอร์จึงเป็น:

V_CE = V_CC − I_C·R_C

I_C เพิ่มโดยไม่จำกัดไม่ได้ เมื่อทรานซิสเตอร์เปิดเต็มที่ เหลือเพียง V_CE(sat) ≈ 0.2 V และ R_C เพียงอย่างเดียวกำหนดกระแส:

I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat)) / R_C

ย่านแอกทีฟ: β·I_B น้อยกว่า I_C(sat) แล้ว I_C = β·I_B ใช้ในวงจรขยาย
ซาทูเรชัน (saturation): β·I_B มากกว่า I_C(sat) แล้ว I_C = I_C(sat) ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ปิดวงจร
คัตออฟ (cut-off): ไม่มีกระแสเบส ไม่มีกระแสคอลเลกเตอร์ ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์เปิดวงจร

เพื่อใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ คุณให้มันอย่างน้อย I_B = I_C(sat)/β มักมากกว่าหลายเท่าเพื่อความปลอดภัย

ตรวจสอบตนเอง ทรานซิสเตอร์ที่มี β = 100 มี V_CC = 10.2 V, R_C = 2 kΩ และกระแสเบส 0.1 mA ให้ V_CE(sat) = 0.2 V I_C คือเท่าใด

0.1 mA
10 mA
5 mA
5.1 mA

คำตอบ: 5 mA. I_C(sat) = (10.2 − 0.2)/2 = 5 mA β·I_B = 10 mA มากกว่านั้น ทรานซิสเตอร์จึงซาทูเรตและ I_C = 5 mA การตัด 0.2 V ออกได้ 5.1 mA

4วิธีทำทีละขั้น

สำหรับทรานซิสเตอร์ที่มีตัวต้านทานเบส R_B จาก V_CC (ไบอัสคงที่):

ไล่วงเบส: V_CC ตกคร่อม R_B แล้ว 0.7 V คร่อมรอยต่อเบส-อิมิตเตอร์
หากระแสเบส: I_B = (V_CC − 0.7)/R_B
หากระแสคอลเลกเตอร์: I_C = β·I_B
หาแรงดันคอลเลกเตอร์-อิมิตเตอร์: V_CE = V_CC − I_C·R_C
ตรวจย่าน: V_CE ต้องสูงกว่าประมาณ 0.2 V ถ้าไม่ ทรานซิสเตอร์ซาทูเรตและ I_C = I_C(sat)

เมื่อ V เป็นโวลต์และ R เป็น kΩ กระแสออกมาเป็น mA ทำให้ตัวเลขง่าย

5ตัวอย่างที่แก้ให้ดู

ทำตามทุกขั้นตอน ลองทำนายขั้นถัดไปก่อนเปิดดู

ตัวอย่างที่แก้ให้ดู

ทรานซิสเตอร์ NPN ที่มี β = 100 มี R_B = 565 kΩ จาก V_CC = 12 V ไปที่เบส, R_C = 2.2 kΩ และอิมิตเตอร์ต่อลงกราวด์ ให้ V_BE = 0.7 V จงหา I_C และ V_CE

ดูวงจร

กระแสเบสมาจาก V_CC ผ่าน R_B

กระแสเบส

I_B = (12 − 0.7) / 565 = 0.02 mA

กระแสคอลเลกเตอร์

I_C = β·I_B = 100·0.02 = 2 mA

แรงดันคอลเลกเตอร์-อิมิตเตอร์

V_CE = 12 − 2·2.2 = 7.6 V

ตรวจย่าน

กระแสซาทูเรชันจะเป็น (12 − 0.2)/2.2 = 5.36 mA 2 mA ของเราต่ำกว่านั้น และ V_CE = 7.6 V สูงกว่า 0.2 V มาก

ทรานซิสเตอร์จึงอยู่ในย่านแอกทีฟจริง และใช้ I_C = β·I_B ได้

คำตอบ

I_C = 2 mA และ V_CE = 7.6 V

6ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ลืมแรงดันตก 0.7 V ของไดโอดที่นำไฟฟ้าแต่ละตัว หรือของรอยต่อเบส-อิมิตเตอร์
ใช้ I_C = β·I_B เมื่อทรานซิสเตอร์ซาทูเรต ตรวจ V_CE เสมอ
สับสน I_C และ I_E อิมิตเตอร์นำกระแสเบสด้วย: I_E = (β + 1)·I_B
สำหรับสวิตช์ ลืม V_CE(sat) = 0.2 V ใน I_C(sat) หรือลืมหารด้วย β

ตรวจสอบตนเอง ทรานซิสเตอร์ที่มี β = 100 สวิตช์โหลด 100 Ω จาก V_CC = 5 V เบสขับจาก 5 V ผ่าน R_B ให้ V_CE(sat) = 0.2 V R_B ที่ใหญ่ที่สุดที่ยังทำให้ซาทูเรตคือเท่าใด

10.4 kΩ
8.6 kΩ
8.96 kΩ
89.6 Ω

คำตอบ: 8.96 kΩ. I_C(sat) = 4.8/100 = 48 mA ดังนั้น I_B ≥ 0.48 mA และ R_B = (5 − 0.7)/0.48 = 8.96 kΩ การลืม 0.7 V ได้ 10.4 kΩ การลืม β ได้ 89.6 Ω และการตัด 0.2 V ออกได้ 8.6 kΩ

7ข้อสอบมีหน้าตาอย่างไร

ง่าย: วงจรไดโอด แหล่งจ่าย ตัวต้านทาน และไดโอดหนึ่งหรือสองตัวอนุกรมกัน หรือไดโอดขนานกับตัวต้านทาน คุณหากระแสเป็น mA
ปานกลาง: จุดไบอัสของ BJT ไบอัสคงที่ตามตัวอย่าง หรือไบอัสแบบแบ่งแรงดันพร้อมตัวต้านทานอิมิตเตอร์ คุณหา I_C หรือ V_CE
ยาก: BJT เป็นสวิตช์ คุณออกแบบ R_B ให้ซาทูเรต บางครั้งพร้อมตัวประกอบขับเกิน หรือตัดสินว่า R_B ที่ให้ทำให้ทรานซิสเตอร์ซาทูเรตหรือไม่

ไดโอดขนานกับตัวต้านทานตรึงโหนดนั้นที่ 0.7 V ตัวต้านทานจึงรับ 0.7/R และไดโอดรับกระแสที่เหลือ

สำหรับไบอัสแบบแบ่งแรงดัน ให้แทนตัวแบ่งด้วยวงจรสมมูลเทวินินก่อน:

V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂) R_TH = R₁ ∥ R₂

I_B = (V_TH − 0.7) / (R_TH + (β + 1)·R_E) V_CE = V_CC − I_C·R_C − I_E·R_E

ด้วยตัวประกอบขับเกิน k ออกแบบให้ได้ k เท่าของกระแสเบสต่ำสุด: R_B = (V_in − 0.7) / (k·I_C(sat)/β)

เรียนรู้ทีละขั้นในแอป เรียนรู้ทีละขั้นในแอป

ตัวอย่างวิธีทำ

ตัวอย่างที่ 1ง่าย

ซีเนอร์ไดโอด 3.3 V ได้รับแรงดันจาก 18 V ผ่านตัวต้านทาน 470 Ω โดยไม่ต่อโหลด จงหากระแส I_R ในตัวต้านทาน

V_in = 18 VV_Z = 3.3 VR = 470 Ω

จงหา I_R (mA)

แสดงคำใบ้

ซีเนอร์รักษาเอาต์พุตไว้ที่ V_Z
V_R = 18 − 3.3 = 14.7 V.
I = V/R.

แสดงคำตอบและเฉลยทีละขั้นตอน

ตัวควบคุมแรงดันซีเนอร์: ซีเนอร์ไดโอดที่ไบอัสย้อนกลับรักษาแรงดัน V_Z ไว้ตราบที่กระแสของมันสูงกว่าค่าต่ำสุด I_Z,min ตัวต้านทานอนุกรม R รับส่วนต่างระหว่างอินพุตกับเอาต์พุต: I_R = (V_in − V_Z)/R กระแสนั้นแบ่งระหว่างโหลด I_L = V_Z/R_L กับซีเนอร์: I_Z = I_R − I_L ออกแบบสำหรับกรณีเลวร้ายที่สุด: อินพุตต่ำสุดกับโหลดสูงสุดต้องยังเหลือ I_Z,min และอินพุตสูงสุดขณะไม่มีโหลดให้กำลังซีเนอร์สูงสุด P_Z = V_Z·I_Z

แรงดันตัวต้านทาน

V_R = 18 − 3.3 = 14.7 V

กระแส

I_R = 14.7/470 = 31.28 mA

คำตอบ

I_R = 31.28 mA

ตัวอย่างที่ 2ปานกลาง

ตัวควบคุมซีเนอร์ 5.1 V ได้รับแรงดันจาก 12 V ผ่าน 270 Ω และจ่ายให้โหลด 3300 Ω จงหากระแสซีเนอร์ I_Z

V_in = 12 VV_Z = 5.1 VR = 270 ΩR_L = 3300 Ω

จงหา I_Z (mA)

แสดงคำใบ้

I_R = (12 − 5.1)/270 = 25.56 mA.
I_L = 5.1/3300 = 1.545 mA.
I_Z = I_R − I_L.

แสดงคำตอบและเฉลยทีละขั้นตอน

กระแสตัวต้านทาน

I_R = 6.9/270 = 25.56 mA

กระแสโหลด

I_L = 5.1/3300 = 1.545 mA

กระแสซีเนอร์

I_Z = 25.56 − 1.545 = 24.01 mA

คำตอบ

I_Z = 24.01 mA

ตัวอย่างที่ 3ยาก

ทรานซิสเตอร์ NPN ที่ β = 200 สวิตช์ตัวต้านทานโหลด 150 Ω ที่ต่อระหว่าง V_CC = 12 V กับคอลเลกเตอร์ อีมิตเตอร์ต่อกราวด์ เบสถูกขับจากเอาต์พุตลอจิก 5 V ผ่านตัวต้านทานเบส R_B = 100 kΩ ให้ V_BE = 0.7 V และ V_CE(sat) = 0.2 V หากระแสคอลเลกเตอร์ I_C ใน mA เมื่ออินพุตสูง ตัดสินใจก่อนว่าทรานซิสเตอร์อิ่มตัวหรือไม่

V_CC = 12 VR_C = 150 Ωβ = 200V_in = 5 VV_BE = 0.7 VV_CE(sat) = 0.2 VR_B = 100 kΩ

จงหา I_C (mA)

แสดงคำใบ้

หากระแสเบสจากลูปอินพุต: I_B = (V_in − 0.7)/R_B
เปรียบเทียบ β·I_B กับกระแสสูงสุดที่โหลดยอมให้ I_C(sat) = (V_CC − 0.2)/R_C
I_B = 43 µA, I_C(sat) = 78.67 mA.

แสดงคำตอบและเฉลยทีละขั้นตอน

BJT เป็นสวิตช์: เพื่อเปิดโหลดเต็มที่ ทรานซิสเตอร์ถูกขับให้อิ่มตัว ซึ่ง V_CE = V_CE(sat) และกระแสคอลเลกเตอร์ถูกกำหนดโดยโหลด: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C การอิ่มตัวต้องมี I_B อย่างน้อย I_C(sat)/β หากกระแสเบสน้อยกว่านั้น ทรานซิสเตอร์จะอยู่ในบริเวณแอกทีฟและ I_C = β·I_B

กระแสเบส

I_B = (5 − 0.7)/100 kΩ = 43 µA

อิ่มตัวหรือแอกทีฟ

β·I_B น้อยกว่า I_C(sat) ทรานซิสเตอร์จึงอยู่ในบริเวณแอกทีฟ

β·I_B = 8.6 mA

I_C(sat) = (12 − 0.2)/150 = 78.67 mA

กระแสคอลเลกเตอร์

I_C = β·I_B = 8.6 mA

คำตอบ

I_C = 8.6 mA

ทรานซิสเตอร์อยู่ในบริเวณแอกทีฟ โหลดจึงไม่ถูกเปิดเต็มที่

คำถามและคำตอบ

ไดโอดและทรานซิสเตอร์ คืออะไร

จะแก้โจทย์ ไดโอดและทรานซิสเตอร์ ทีละขั้นได้อย่างไร

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยใน ไดโอดและทรานซิสเตอร์ มีอะไรบ้าง

ซีเนอร์รักษา 3.3 V ไว้: เฉพาะ V_in − V_Z ตกคร่อม R
แรงดันตัวต้านทานคือ V_in − V_Z ไม่ใช่ V_Z
ตอบในหน่วย mA

แบบฝึกหัด ไดโอดและทรานซิสเตอร์ ครอบคลุมเรื่องอะไรบ้าง

ง่าย: วงจรไดโอด
ปานกลาง: จุดไบแอสของ BJT
ยาก: BJT เป็นสวิตช์

โจทย์ทุกข้อใช้ค่าใหม่ คุณจึงเรียนรู้วิธีทำ ไม่ใช่จำคำตอบ ติดขัดใช่ไหม เปิดคำใบ้เล็ก ๆ ก่อน และเปิดคำอธิบายฉบับเต็มเมื่อจำเป็นเท่านั้น

การฝึกทำงานอย่างไร

โจทย์ทุกข้อใช้ค่าใหม่ คุณจึงเรียนรู้วิธีทำ ไม่ใช่จำคำตอบ
ติดขัดใช่ไหม เปิดคำใบ้เล็ก ๆ ก่อน และเปิดคำอธิบายฉบับเต็มเมื่อจำเป็นเท่านั้น
ความก้าวหน้า ข้อที่ผิด และโจทย์ที่บันทึกไว้จะถูกเก็บไว้ เพื่อให้คุณทบทวนก่อนสอบได้

หัวข้อก่อนและหลังหัวข้อนี้

ควรเรียนก่อน

ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

เครื่องคำนวณ

เครื่องคำนวณตัวต้านทานสำหรับ LED เครื่องคำนวณไทเมอร์ 555 (แอสเทเบิลและโมโนสเตเบิล)

รายวิชาที่มีหัวข้อนี้

อิเล็กทรอนิกส์ 1 ฝึกข้อสอบ FE ไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์

หัวข้ออื่นในไฟฟ้า

ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน การซ้อนทับ เทวินินและนอร์ตัน การวิเคราะห์โหนด การวิเคราะห์เมช ทรานเซียนต์ RC และ RL อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง เรโซแนนซ์ LC ตัวประกอบ Q และแบนด์วิดท์กำลังไฟฟ้าสามเฟส หม้อแปลงไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง วงจรออปแอมป์ตัวแปลง DC-DC ตรรกะดิจิทัล: เกต แผนที่คาร์โนห์ และฟลิปฟล็อป บริดจ์วีตสโตนและสเตรนเกจ การได้มาซึ่งข้อมูลและการสุ่ม การแปลงลาปลาซ แผนภาพบล็อก การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได แผนภาพโบดและขอบเสถียรภาพ เสถียรภาพ: เกณฑ์ราอ์ท–เฮอร์วิตซ์และรูตโลกัส ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PID คอนโวลูชันและระบบ LTI

ใบงานสำหรับพิมพ์

ใบงาน ไดโอดและทรานซิสเตอร์ พร้อมเฉลย