ปัญหากระแสรั่วไหลจากการขับทรานซิสเตอร์ไม่ถูกต้อง

ผมค้นพบปัญหานี้ด้วยตัวเองเมื่อตอนพยามจะทำวงจรตัดไฟให้กับ ESP8266 เพื่อให้ใช้กระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ปัญหากระแสรั่วไหลจากการออกแบบวงจรโดยคาดไม่ถึงว่าคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์จะทำให้เกิดปัญหากระแสรั่วไหล ไปขับมอสเฟสให้ปล่อยกระแส ผลคือมอสเฟสไม่ตัดวงจรสนิท ทำให้มีกระแสในระดับ 5mA รั่วไหลเข้าวงจร ทั้ง ๆ ที่ผลที่ได้ควรจะเป็น 0A โดยสมบูรณ์

ตัวอย่างของวงจรที่ออกแบบผิดพลาด

ผลการค้นหาใน Google ด้วยคำว่า “transistor npn switching circuit” ผลที่ได้คือ วงจรจำนวนมากผู้ออกแบบได้คาดการ และได้ป้องกัรกระแสรั่วไหลแล้ว แต่ยังมีวงจรไม่น้อยที่ยังออกแบบผิด ๆ อยู่ ส่งผลให้คนนำไปใช้เข้าใจผิด แล้วส่งต่ออะไรที่ผิด ๆ นี้ไปด้วย

วงจรที่ถูกต้อง

ขอบคุณรูปภาพจาก electronics-tutorials.ws

วงจรที่ผิด

ขอบคุณรูปภาพจาก daenotes.com

จุดที่แตกต่างกัน

จะเห็นได้ว่าวงจรทั้ง 2 นี้จะมีจุดแตกต่างกันที่มีตัวต้านทานต่อลากจากขาเบส (B) ลงกราว์ด โดยวงจรที่ผมบอกว่าผิดนั้น ไม่มีตัวต้านทานจากขาเบส (B) ลงกราวด์

ทำไมจึงต้องมีตัวต้านทานที่ต่อขาเบสลงกราวด์ ?

เนื่องจากทรานซิสเตอร์นั้น เป็นอุปกรณ์ที่ไวต่อการรับรู้เป็นอย่างมาก การปล่อยขาเบส (B) ลอยกลางอากาศจะทำให้มีสัญญาณรบกวนมากมายเข้ามา แล้วส่งผลให้สัญญาณนั้นไปไบอัสให้ทรานซิสเตอร์ทำงาน ส่งผลให้มีกระแสรั่วไหลจำนวนหนึ่งไหลผ่านทรานซิสเตอร์ไปยังอุปกรณ์ได้

การต่อตัวต้านทานลากขาเบส (B) ลงกราวด์สำหรับทรานซิสเตอร์ชนิด NPN หรือลากขาเบส (B) ของทรานซิสเตอร์ชนิด PNP เข้าไฟบวก จะทำให้สัญญาณรบกวนที่เข้ามา จะผ่านตัวต้านทานลงกราว์ดไปหมด ทำให้ทรานซิสเตอร์ต้องใช้กระแสไบอัสเพิ่มขึ้น สัญญาณรบกวนที่มีกระแสน้อยจึงไม่สามารถไหลเข้าไปยังทรานซิสเตอร์ได้ ส่งผลให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานะ Cut-off อย่างแท้จริง

ตัวต้านทานที่เพิ่มขึ้นมา จะก่อเป็นวงจรแบ่งแรงดันหรือไม่ ?

หากพิจารณาดี ๆ แล้ว ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกันก่อนเข้าทรานซิสเตอร์ มันสามารถทำงานเป็นวงจรแบ่งแรงดันได้เช่นเดียวกัน แต่ไม่ต้องกังวลเรื่องเรื่องแรงดันที่ขาเบส (B) เปลี่ยนไป เพราะตามการใช้งานจริงแล้ว ตัวต้านทานที่ต่อกับขาเบส (B) ลงกราวด์ (NPN) หรือไฟบวก (PNP) มักจะใช้ค่าที่สูงมาก ๆ อย่างน้อย 100kΩ แต่ตัวต้านทานด้านอินพุตเบส (B) มักจะมีค่าอยู่ในช่วง 1kΩ – 10kΩ เท่านั้น ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่เข้ามาไบอัสส่วนใหญ่ยังตกคร่อมทรานซิสเตอร์อยู่เหมือนเดิม ทำให้ทรานซิสเตอร์สามารถทำงานได้ไม่มีปัญหา ทั้งนี้กระแสที่ใช้ไบอัสที่ใช้ขับทรานซิสเตอร์จะสูงขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

วงจรแบบไหนควรต่อตัวต้านทานป้องกันกระแสรั่วนี้เพิ่ม ?

วงจรที่ขาเบส (B) มีโอกาศถูกปล่อยลองกลางอากาศ ควรต่อตัวต้านทานป้องกันกระแสรั่วนี้เพิ่ม โดยจะมีตัวอย่างข้อจำกัดของวงจรต่าง ๆ มาอธิบายให้ได้อ่านกัน

วงจรที่ 1 วงจรนี้ถูกต้องแล้ว ลอจิกเกตจะปล่อยแรงดันทางด้านเอาต์พุตออกมาแค่ 5V หรือ 0V เท่านั้น จะเห็นว่าทรานซิสเตอร์ขาเบส (B) ไม่มีโอกาศถูกปล่อยลอยกลางอากาศได้เลย เพราะลอจิกเกตคอยป้อนแรงดันให้ตลอดเวลา

ขอบคุณรูปภาพจาก electronics-tutorials.ws

วงจรที่ 2 วงจรไม่เชิงถูก หรือผิด เพราะโดยปกติแล้วคำว่า GPIO คือขาของไมโครคอนโทรลเลอร์ ถ้าไมโครคอนโทรลเลอร์กำหนดขา GPIO ที่ต่อเป็น OUTPUT แรงดันที่ป้อนเข้าจะเป็น 0 หรือ 1 เท่านั้น

แต่เมื่อไมโครคอนโทรลเลอร์เริ่มทำงานครั้งแรก สถานะโดยส่วนใหญ่ของขา GPIO เป็น INPUT หมายความว่าขณะนั้นขาเบส (B) ถูกทิ้งให้ลอยกลางอากาศแล้ว โอกาศเกิดกระแสรั่วไหลมีมาก

ขอบคุณรูปภาพจาก elinux.org

วงจรที่ 3 เป็นวงจรที่อันตรายพอสมควร เพราะด้านอินพุตใช้สวิตซ์ ในขณะที่สวิตซ์เปิดวงจรอยู่ จะทำให้มีขาเบสของ Q2 ลอยกลางอากาศ แล้วส่งผลให้เกิดกระแสรั่วไหลขึ้นได้ แต่จะไม่มีผลกับ Q1 เพราะด้านขาเบสของ Q1 มีตัวต้านทาน R2 ต่อ Pull-up สัญญาณอยู่ สัญญาณรบกวนมีกระแสน้อย ทำให้ค่าความต้านทานของ Q2 ยังมีมากอยู่ แล้วส่งผลให้แรงดันส่วนใหญ่ยังตกคร่อมที่ Q2 แล้วทำให้ Q1 ปล่อยกระแสไฟฟ้าไหลออกมาได้ไม่มากพอที่จะถึงจุดที่ทำงานได้

วงจรที่ 4 เป็นวงจรที่ผิดกับบ่อยมาก ในขณะที่ออปโต้มีแสงออกมา ฝั่งทรานซิสเตอร์ภายในออปโต้จะนำกระแส แล้วปล่อยกระแสไหลเข้าขาเบสของ TIP120 ได้ปกติ แต่ถ้าออปโต้ไม่ส่งแสงออกมา โอกาศมีกระแสรั่วไหลจะเกิดขึ้นทันที และมีมากด้วย เพราะเมื่อทรานซิสเตอร์ภายในออปโต้ไม่นำกระแส จะเหมือนกับขาเบสถูกตัดออกจากวงจรทันที และทำให้ขาเบสลอยอยู่กลางอากาศ ส่งผลให้มีสัญญาณรบกวนเข้ามาได้ และหากเข้ามาจะเกิดกระแสรั่วไหลได้มาก เพราะ TIP120 โครงสร้างภายในเป็นแบบการต่อแบบดาร์ลิงตัน ซึ่งจะทำงานได้ไวกว่าทรานซิสเตอร์ปกติมาก

ขอบคุณรูปภาพจาก bristolwatch.com

จะเห็นได้ว่าผู้ออกแบบวงจรบางส่วนยังไม่คำนึงถึงปัญหากระแสรั่วไหลนี้ และเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นได้บ่อยแต่ไม่มีใครสนใจ หรือไม่ใส่ใจที่จะแก้ไข หรืออาจจะไม่ทราบด้วยซ้ำว่าการออกแบบวงจรขับที่ไม่รัดกุมจะทำให้เกิดกระแสรั่วไหลได้

โดยทั่วไปแล้วกระแสรั่วไหลที่เกิดขึ้นจะไม่ส่งผลกับการทำงานของวงจรมากนัก แต่จะส่งผลก็ต่อเมื่อวงจรมีความซับซ้อนขึ้นในระดับนึงแล้ว การออกแบบโดยคำนึงถึงผลที่อาจจะเกิดรอบด้านย่อมดีกว่าในอนาคตแน่นอน รวมทั้งคนอื่นมองว่าเราเป็นมืออาชีพได้ด้วยครับ