Diode và transistor: bài tập có lời giải từng bước
Bài tập Diode và transistor miễn phí có hình vẽ, gợi ý và lời giải đầy đủ. Số liệu mới mỗi lần, ở ba mức độ: mạch diode, điểm phân cực BJT, BJT làm khóa.
Bài tập miễn phíDễ
Một LED xanh lá có điện áp thuận 2,2 V chạy từ nguồn 24 V qua một điện trở nối tiếp. Tìm điện trở R để đặt dòng LED là 15 mA.
Điốt chỉ cho dòng điện chảy theo một hướng, như van một chiều trong ống nước. Mũi tên trong ký hiệu của nó chỉ hướng dòng điện có thể chảy.
Khi dẫn điện (nó được phân cực thuận), điốt silicon giữ khoảng 0,7 V trên nó, bất kể dòng điện. Đây là mô hình sụt áp không đổi.
Vậy một điốt đang dẫn hoạt động như một pin nhỏ 0,7 V lấy bớt điện áp. Điện trở nhận phần còn lại:
I = (Vs − n·0,7) / R
Ở đây n là số điốt đang dẫn mắc nối tiếp. Khi đảo ngược, điốt chặn và dòng điện bằng không.
Tự kiểm tra Một nguồn 9 V đẩy dòng điện qua điện trở 1 kΩ và hai điốt silicon phân cực thuận mắc nối tiếp. Dòng điện là bao nhiêu?
10,4 mA
7,6 mA
8,3 mA
9 mA
Đáp số: 7,6 mA. I = (9 − 2·0,7)/1 kΩ = 7,6 mA. Chỉ đếm một điốt cho 8,3 mA, bỏ qua các điốt cho 9 mA, và cộng điện áp của chúng cho 10,4 mA.
2Tranzito lưỡng cực
BJT (tranzito lưỡng cực) có ba cực: gốc (B), colector (C) và emitơ (E). Ở loại NPN, dòng điện chảy vào colector và gốc, và ra khỏi emitơ.
Một dòng gốc nhỏ IB điều khiển dòng colector lớn hơn nhiều IC. Nó hoạt động như một vòi nước: một lực nhỏ ở tay vặn điều khiển một dòng chảy lớn.
Trong dải làm việc bình thường, vùng tích cực, ba điều sau đúng:
VBE = 0,7 V IC = β·IB IE = (β + 1)·IB
Hệ số khuếch đại dòng β (beta) thường nằm giữa 50 và 300. Tiếp giáp gốc-emitơ là một điốt, đó là lý do VBE là 0,7 V.
Tự kiểm tra Một tranzito có β = 80 trong vùng tích cực có dòng gốc 0,05 mA. Dòng colector là bao nhiêu?
0,05 mA
0,625 µA
4 mA
4,05 mA
Đáp số: 4 mA. IC = β·IB = 80·0,05 = 4 mA. 4,05 mA là dòng emitơ (β + 1)·IB, và 0,625 µA chia cho β thay vì nhân.
3Vùng tích cực hay bão hòa
Dòng colector chạy qua RC, nên điện áp còn lại trên tranzito là:
VCE = VCC − IC·RC
IC không thể tăng vô hạn. Khi tranzito dẫn hoàn toàn, chỉ còn lại VCE(sat) ≈ 0,2 V nhỏ, và riêng RC quyết định dòng điện:
IC(sat) = (VCC − VCE(sat)) / RC
Vùng tích cực: β·IB nhỏ hơn IC(sat). Khi đó IC = β·IB. Dùng trong bộ khuếch đại.
Bão hòa: β·IB lớn hơn IC(sat). Khi đó IC = IC(sat), tranzito là một công tắc đóng.
Ngắt: không có dòng gốc, không có dòng colector. Tranzito là một công tắc mở.
Để dùng tranzito làm công tắc, bạn cấp ít nhất IB = IC(sat)/β, thường nhiều lần hơn để an toàn.
Tự kiểm tra Một tranzito có β = 100 với VCC = 10,2 V, RC = 2 kΩ và dòng gốc 0,1 mA. Lấy VCE(sat) = 0,2 V. IC là bao nhiêu?
0,1 mA
10 mA
5 mA
5,1 mA
Đáp số: 5 mA. IC(sat) = (10,2 − 0,2)/2 = 5 mA. β·IB = 10 mA lớn hơn mức đó, nên tranzito bão hòa và IC = 5 mA. Bỏ 0,2 V cho 5,1 mA.
4Phương pháp từng bước
Với một tranzito có điện trở gốc RB từ VCC (phân cực cố định):
Đi vòng mạch gốc: VCC sụt trên RB rồi 0,7 V trên tiếp giáp gốc-emitơ.
Tìm dòng gốc: IB = (VCC − 0,7)/RB.
Tìm dòng colector: IC = β·IB.
Tìm điện áp colector-emitơ: VCE = VCC − IC·RC.
Kiểm tra vùng làm việc: VCE phải trên khoảng 0,2 V. Nếu không, tranzito bão hòa và IC = IC(sat).
Với V theo volt và R theo kΩ, dòng điện ra theo mA. Điều đó giữ các con số dễ tính.
5Một ví dụ có lời giải
Theo dõi từng bước. Hãy thử đoán bước tiếp theo trước khi mở nó.
Ví dụ có lời giải
Một tranzito NPN có β = 100 với RB = 565 kΩ từ VCC = 12 V đến gốc, RC = 2,2 kΩ và emitơ nối đất. Lấy VBE = 0,7 V. Tìm IC và VCE.
1
Quan sát mạch
Dòng gốc đến từ VCC qua RB.
2
Dòng điện cực nền
IB = (12 − 0,7) / 565 = 0,02 mA
3
Dòng điện cực thu
IC = β·IB = 100·0,02 = 2 mA
4
Điện áp colector-emitơ
VCE = 12 − 2·2,2 = 7,6 V
5
Kiểm tra vùng làm việc
Dòng bão hòa sẽ là (12 − 0,2)/2,2 = 5,36 mA. 2 mA của chúng ta thấp hơn mức đó, và VCE = 7,6 V cao hơn nhiều so với 0,2 V.
Vậy tranzito thật sự ở vùng tích cực, và IC = β·IB là hợp lệ.
Đáp số
IC = 2 mA và VCE = 7,6 V.
6Lỗi thường gặp
Quên độ sụt 0,7 V của mỗi điốt đang dẫn, hoặc của tiếp giáp gốc-emitơ.
Dùng IC = β·IB khi tranzito bão hòa. Luôn kiểm tra VCE.
Nhầm IC và IE. Emitơ còn tải cả dòng gốc: IE = (β + 1)·IB.
Với công tắc, quên VCE(sat) = 0,2 V trong IC(sat), hoặc quên chia cho β.
Tự kiểm tra Một tranzito có β = 100 đóng cắt tải 100 Ω từ VCC = 5 V. Gốc được kích từ 5 V qua RB. Lấy VCE(sat) = 0,2 V. RB lớn nhất mà vẫn làm nó bão hòa là bao nhiêu?
10,4 kΩ
8,6 kΩ
8,96 kΩ
89,6 Ω
Đáp số: 8,96 kΩ. IC(sat) = 4,8/100 = 48 mA, nên IB ≥ 0,48 mA và RB = (5 − 0,7)/0,48 = 8,96 kΩ. Quên 0,7 V cho 10,4 kΩ, quên β cho 89,6 Ω, và bỏ 0,2 V cho 8,6 kΩ.
7Các câu hỏi thi trông như thế nào
Dễ: mạch điốt. Một nguồn, một điện trở và một hoặc hai điốt nối tiếp, hoặc một điốt song song với một điện trở. Bạn tìm dòng điện theo mA.
Trung bình: điểm phân cực BJT. Phân cực cố định như trong ví dụ, hoặc phân cực bằng cầu phân áp với điện trở emitơ. Bạn tìm IC hoặc VCE.
Khó: BJT làm công tắc. Bạn thiết kế RB để bão hòa, đôi khi với hệ số quá kích, hoặc quyết định xem một RB cho trước có làm tranzito bão hòa không.
Một điốt song song với một điện trở kẹp nút đó ở 0,7 V. Điện trở khi đó nhận 0,7/R, và điốt nhận phần dòng điện còn lại.
Với phân cực cầu phân áp, trước hết thay cầu phân áp bằng mạch tương đương Thévenin của nó:
Một diode Zener 3,3 V được cấp từ 18 V qua điện trở 470 Ω, không có tải. Tìm dòng điện IR trong điện trở.
Vin = 18 VVZ = 3,3 VR = 470 Ω
Tìm IR(mA)
Hiện các gợi ý
Zener giữ đầu ra ở VZ.
VR = 18 − 3,3 = 14,7 V.
I = V/R.
Hiện đáp án và lời giải từng bước
Bộ ổn áp Zener: một diode Zener phân cực ngược giữ điện áp VZ của nó trong khi dòng điện còn trên mức tối thiểu IZ,min. Điện trở nối tiếp R nhận phần chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra: IR = (Vin − VZ)/R. Dòng điện đó chia giữa tải, IL = VZ/RL, và Zener: IZ = IR − IL. Thiết kế cho các trường hợp xấu nhất: đầu vào thấp nhất với tải lớn nhất vẫn phải còn lại IZ,min, và đầu vào cao nhất khi không tải cho công suất Zener lớn nhất PZ = VZ·IZ.
Điện áp trên điện trở
VR = 18 − 3,3 = 14,7 V
Dòng điện
IR = 14,7/470 = 31,28 mA
Đáp số
IR = 31,28 mA
Ví dụ 2Trung bình
Một bộ ổn áp Zener 5,1 V được cấp từ 12 V qua 270 Ω và cấp điện cho tải 3300 Ω. Tìm dòng điện Zener IZ.
Vin = 12 VVZ = 5,1 VR = 270 ΩRL = 3300 Ω
Tìm IZ(mA)
Hiện các gợi ý
IR = (12 − 5,1)/270 = 25,56 mA.
IL = 5,1/3300 = 1,545 mA.
IZ = IR − IL.
Hiện đáp án và lời giải từng bước
Bộ ổn áp Zener: một diode Zener phân cực ngược giữ điện áp VZ của nó trong khi dòng điện còn trên mức tối thiểu IZ,min. Điện trở nối tiếp R nhận phần chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra: IR = (Vin − VZ)/R. Dòng điện đó chia giữa tải, IL = VZ/RL, và Zener: IZ = IR − IL. Thiết kế cho các trường hợp xấu nhất: đầu vào thấp nhất với tải lớn nhất vẫn phải còn lại IZ,min, và đầu vào cao nhất khi không tải cho công suất Zener lớn nhất PZ = VZ·IZ.
Dòng điện qua điện trở
IR = 6,9/270 = 25,56 mA
Dòng điện qua tải
IL = 5,1/3300 = 1,545 mA
Dòng điện Zener
IZ = 25,56 − 1,545 = 24,01 mA
Đáp số
IZ = 24,01 mA
Ví dụ 3Khó
Một transistor NPN có β = 200 đóng cắt một điện trở tải 150 Ω nối giữa VCC = 12 V và cực thu của nó. Cực phát được nối đất. Cực nền được điều khiển từ ngõ ra logic 5 V qua điện trở nền RB = 100 kΩ. Lấy VBE = 0,7 V và VCE(sat) = 0,2 V. Tìm dòng điện cực thu IC theo mA khi ngõ vào ở mức cao. Trước hết hãy xác định xem transistor có bão hòa không.
Tìm dòng điện cực nền từ vòng ngõ vào: IB = (Vin − 0,7)/RB.
So sánh β·IB với dòng điện lớn nhất mà tải cho phép, IC(sat) = (VCC − 0,2)/RC.
IB = 43 µA, IC(sat) = 78,67 mA.
Hiện đáp án và lời giải từng bước
BJT làm khóa: để bật hoàn toàn một tải, transistor được đưa vào bão hòa, nơi VCE = VCE(sat) và dòng điện cực thu do tải quyết định: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Bão hòa cần dòng cực nền ít nhất IB = IC(sat)/β. Nếu dòng điện cực nền nhỏ hơn, transistor ở lại vùng tích cực và IC = β·IB.
Dòng điện cực nền
IB = (5 − 0,7)/100 kΩ = 43 µA
Bão hòa hay tích cực?
β·IB nhỏ hơn IC(sat), nên transistor ở vùng tích cực.
β·IB = 8,6 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/150 = 78,67 mA
Dòng điện cực thu
IC = β·IB = 8,6 mA
Đáp số
IC = 8,6 mA
Transistor ở vùng tích cực, nên tải chưa được bật hoàn toàn.
Câu hỏi thường gặp
Diode và transistor là gì?
Khi dẫn điện (nó được phân cực thuận), điốt silicon giữ khoảng 0,7 V trên nó, bất kể dòng điện. Đây là mô hình sụt áp không đổi.
Vậy một điốt đang dẫn hoạt động như một pin nhỏ 0,7 V lấy bớt điện áp. Điện trở nhận phần còn lại:
Làm thế nào để giải bài tập Diode và transistor từng bước?
Bộ ổn áp Zener: một diode Zener phân cực ngược giữ điện áp VZ của nó trong khi dòng điện còn trên mức tối thiểu IZ,min. Điện trở nối tiếp R nhận phần chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra: IR = (Vin − VZ)/R. Dòng điện đó chia giữa tải, IL = VZ/RL, và Zener: IZ = IR − IL. Thiết kế cho các trường hợp xấu nhất: đầu vào thấp nhất với tải lớn nhất vẫn phải còn lại IZ,min, và đầu vào cao nhất khi không tải cho công suất Zener lớn nhất PZ = VZ·IZ.
Những lỗi thường gặp trong Diode và transistor là gì?
Zener giữ 3,3 V: chỉ Vin − VZ nằm trên R.
Điện áp điện trở là Vin − VZ, không phải VZ.
Đưa đáp án theo mA.
Các bài tập Diode và transistor bao gồm những gì?
Dễ: mạch diode
Trung bình: điểm phân cực BJT
Khó: BJT làm khóa
Mỗi bài tập có số liệu mới, nên bạn học phương pháp chứ không học thuộc đáp án. Bí rồi? Hãy mở một gợi ý nhỏ trước, và chỉ xem giải thích đầy đủ khi cần.
Cách luyện tập hoạt động
Mỗi bài tập có số liệu mới, nên bạn học phương pháp chứ không học thuộc đáp án.
Bí rồi? Hãy mở một gợi ý nhỏ trước, và chỉ xem giải thích đầy đủ khi cần.
Tiến độ, lỗi sai và các bài đã lưu của bạn được giữ lại, để bạn xem lại trước kỳ thi.