›
›

Bài giảng Điện tử ứng dụng trong kĩ thuật điều khiển công nghiệp và tự động hóa - TS. Nguyễn Hoàng Mai

ppt 259 trang phuongnguyen 3280
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điện tử ứng dụng trong kĩ thuật điều khiển công nghiệp và tự động hóa - TS. Nguyễn Hoàng Mai", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_dien_tu_ung_dung_trong_ki_thuat_dieu_khien_cong_ng.ppt

Nội dung text: Bài giảng Điện tử ứng dụng trong kĩ thuật điều khiển công nghiệp và tự động hóa - TS. Nguyễn Hoàng Mai

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: TỰ ĐỘNG HÓA BÀI GIẢNG Điện tử ứng dụng Trong kĩ thuật điều khiển công nghiệp và tự động hóa GVC. T.s. Nguyễn Hoàng Mai nguyenhoangbak 1
  2. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn $1: Khái niệm chất bán dẫn Vùng dẫn Ed Ed Ed Mức Mức chặt tự do Eo (hóa trị) Vùng hoá trị • Mức chặt còn gọi là mức hoá trị: năng lượng Eo • Mức tự do còn gọi là mức dẫn: năng lượng Ed • Năng lượng kích thích tối thiểu: Ed=Ed – Eo 2
  3. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Khái niệm chất bán dẫn Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng dẫn E lớn E nhỏ E E E E<0 Vùng hoá trị Vùng hoá trị Vùng hoá trị Cách điện Bán dẫn điện Dẫn điện • Độ tinh khiết của chất bán dẫn rất cao 1e+2 -:- 1e+4 nguyên tử trong một centimet khối Si hoặc Ge (lưu ý là có khoảng 1023 nguyên tử Si/centimet Vùng khối chung 3
  4. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • Đối với các điện tử lớp bên trong, nhiễu loạn do các nguyên tử láng giềng gây ra yếu nên chúng liên kết mạnh với hạt nhân • Các điện tử lớp ngoài chịu ảnh hưởng lớn của các điện tử láng giềng nên sự tách mức năng lượng xảy ra trên một vùng rộng, gây nên hiện tượng chồng phủ các mức năng lượng lên nhau. • Với Si, lớp ngoài cùng được tạo thành bởi 2 điện tử p và 2 điện tử s. Khi tinh thể được tạo thành thì các vùng do các mức 3p và 3s tách ra chồng phủ lên nhau, hai điện tử 3s và hai điện tử 3p tạo nên một vùng đầy gọi là vùng hóa trị, bốn vị trí còn lại trên mức 3p nhóm thành một vùng chưa biết gọi là vùng dẫn. 4
  5. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Liên kết mạng Si • Liên kết cộng hoá trị được sử dụng trong mạng. • Nếu có kích thích năng lượng sẽ tạo ra một ion dương và một điện tử tự do • Số lượng điện tích rất ít nên không ứng dụng được 5
  6. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 6
  7. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 7
  8. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 8
  9. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Điện tử phân bố theo thống kê Fermi-Dirac với xác suất chiếm mức năng lượng: 1 f (E) = E − E 1+ exp F KT Trong đó: K = 8,63.10-5eV/K là hằng số Boltzman T: nhiệt độ tuyệt đối EF là mức năng lượng Fermi được xác định từ biểu thức: n = 2N(E) f (E)d(E) 0 n là nồng độ điện tử, 9
  10. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 10
  11. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Bán dẫn pha tạp chất hoá trị 3 - loại p (plus) • Pha tạp chất hoá trị 3 (Al, B) để tăng khả năng thu hút điện tử, ta có loại dẫn điện bằng lỗ trống. 11
  12. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Bán dẫn pha tạp chất hoá trị 5 - loại n (negative) • Pha tạp chất hoá trị 5 (P) sẽ tạo 1 điện tử dư khi liên kết cộng hoá trị nên điện tử này sẽ dễ tự do và chuyển động trong điện trường tạo nên dòng điện tử, loại n được gọi là bán dẫn dẫn điện bằng điện tử. 12
  13. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 13
  14. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 14
  15. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 15
  16. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn $2. Tiếp giáp p-n và đặc tính V-A E0 E0 x U0 x • Phân bố hạt dẫn, điện trường nội tại và điện thế tiếp xúc trong hai miền 16 bán dẫn p-n
  17. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 17
  18. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 18
  19. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 19
  20. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Tiếp giáp p-n phân cực ngược E0 En Vùng nghèo Un • Khi phân cực ngược, miền cách điện được mở rộng ra do điện trường ngoài cùng chiều E0, có tác dụng kéo các hạt dẫn về hai phía của lớp bán dẫn, miền giữa chỉ còn các nguyên tử trung hoà trơ, điện trở cách điện được coi như vô cùng • Thực tế do kích thích của nhiệt độ, nên một số nguyên tử sẽ tạo thành cặp ion p và điện tử, sẽ gây một dòng rò nhiệt chảy ngược cỡ vài chục nA(nanoAmpe= 10-9A) 20
  21. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Tiếp giáp p-n phân cực thuận E 0 En Un • Khi phân cực thuận, các hạt dẫn sẽ chuyển động qua lại hai lớp và hoà trộn vào nhau, miền phân cách chứa đầy các hạt dẫn do đó mất tính cách điện. • Điện trở của tiếp giáp p-n lúc này coi như bằng 0, dòng điện chảy qua hoàn toàn. • Như vậy, tiếp giáp p-n chỉ cho dòng chảy qua một chiều nhất định. 21
  22. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 22
  23. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 23
  24. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 24
  25. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Đặc tính V-A của tiếp giáp p-n I 1 I Ut 0 U 2 U0 3 • Vùng 1: vùng phân cực thuận • Vùng 2: vùng phân cực ngược • Vùng 3: vùng đánh thủng, các nguyên tử bán dẫn bị ion hoá toàn bộ khi điện trường đủ lớn, gây ra hiệu ứng ion hoá dây chuyền do va 25 chạm
  26. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn DIODE E0 Anode A Cathode K • Là một tiếp giáp p-n • Tuỳ theo công dụng mà mật độ hạt dẫn trong khối bán dẫn khác nhau • Một số loại diode thông dụng: chỉnh lưu, tách sóng, zener, tunel, varicap, schotky, gunn đặc tính các lạo diode này được mô tả chi tiết trong các tài liệu kĩ thuật 26
  27. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • DIODE • Diode là một tiếp xúc p-n. • Có nhiều loại diode với nồng độ hạt dẫn khác nhau để tạo nên những đặc tính khác nhau. • Diode chỉnh lưu: nồng độ từ 1e+7 đến 1e+10, chịu được tần số thấp • Diode zener dùng để ổn áp, nồng độ 1e+13 đến 1e+19 (xem internet) • Diode tách sóng: là tiếp xúc kim loại – bán dẫn, dạng chỉnh lưu, chịu được tần số cao và dòng điện bé. (xem internet) 27
  28. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • DIODE • Diode đường hầm (tunnel), nồng độ cao hơn 1e+19. trong cả hai lớp, gọi là bán dẫn suy biến. Nên vùng chuyển tiếp có khoảng cách nhỏ (10A0). Nên diode loại này có vùng điện trở vi phân âm. (xem internet) • Diode Gunn GaAs: khi tác động vào mẩu tinh thể một điện trường mạnh thì trong tinh thể xuất hiện các dao động siêu cao tần, gọi là hiệu ứng Gunn. (xem internet) • Diode PIN: cấu tạo từ 3 lớp bán dẫn, trong đó hai lớp p+ và n+ pha tạp mạnh, kẹp giữa một miếng tinh thể I có độ dày lớn hơn. Loại này dùng chế tạo những bộ chỉnh lưu công suất lớn và tần số thấp. (xem internet) 28
  29. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Các loại diode thông dụng • Diode Varicap(Variable Capacator) biến dung, thường dùng trong kĩ thuật dao động để ổn định hay điều chỉnh tần số. (xem internet) • Diode Schotky: thường dùng trong kĩ thuật xung số để tạo xung dao động. (xem internet) 29
  30. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 30
  31. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn •Trong vùng chuyển tiếp phân cực ngược, xuất hiện một điện trường mạnh •Các điện tử liên kết có thể chuyển sang dạng tự do •Các điện tử có năng lượng E ở phía P có thể chuyển sang vùng dẫn bằng cách chui hàng rào thế (hiệu ứng tunnel) •Hiệu ứng tunnel xảy ra khi mật độ tạp chất cao, vùng chuyển tiếp hẹp (<500 A0) •Khi đó xuất hiện sự đánh thủng với điện thế dưới 5v hoặc 6v (E 108V/m) 31
  32. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 32
  33. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Đặc điểm diode tunnel • Nồng độ tạp chất rất cao (> 1e+19/cm3) nên xuất hiện các lớp bán dẫn suy biến • Có vùng điện trở vi phân âm, giản đồ năng lượng vùng chuyển tiếp bị biến điệu mạnh • Khi phân cực còn nhỏ, giản đồ năng lượng hơi giảm xuống phía P, nên có dòng điẹn tử lớn xuyên qua vùng cấm bằng hiệu ứng tunnel nên dòng thuận tăng • Phân cực thuận tiếp tục tăng cao: giản đồ năng lượng tiếp tục hạ thấp, hiệu ứng tunnel bị giảm xuống • Thế phân cực thuận tiếp tục tăng cao: chiều cao hàng rào thế giảm đến mức cho phép điện tử từ miền P+ phun sang N+ và lỗ trống từ N+ phun sang P+ nên dòng điện lại tăng. 33
  34. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn •Khi tác động một điện trường mạnh vào tinh thể bán dẫn thì trong tinh thể xuất hiện dao động siêu cao tần, gọi là hiệu ứng Gunn. •Các diode Gunn được lắp trong các hốc cộng hưởng để tạo ra sóng siêu cao tần, dùng chế tạo những radar công nghiệp. 34
  35. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 35
  36. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Tiếp xúc kim loại –bán dẫn • Khi KL tiếp xúc với bán dẫn thì ở bề mặt tiếp xúc xuất hiện hàng rào thế, cấu trúc các vùng năng lượng phụ thuộc công thóat điện tử của KL và bán dẫn. • Nếu bán dẫn loại N thì ở bán dẫn sẽ xuất hiện một vùng điện tích không gian dương, còn trong KL tích tụ một lớp mỏng điện tử ở gần bề mặt tiếp xúc. • Nếu bán dẫn là loại P thì điện tích trong các vùng không gian sẽ ngược dấu với loại N. • Dựa theo nguyên lí đo người ta chế tạo diode Schottky, nó dùng chỉnh lưu cao tần.(xem internet) 36
  37. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 37
  38. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn $3. Tranzitor lưỡng cực BJT-Bipolar Junction Tranzitor p n p n p n E B C E B C C C B B E E • Cấu tạo: là tiếp giáp p-n-p(thuận) hay n-p-n(ngược) • E: Emitter: cực phát, có bề dày trung bình và mật độ hạt dẫn lớn nhất • B: Base: cực gốc, có bề dày mỏng nhất và mật độ hạt dẫn nhỏ nhất • C: Collector: cực góp, có bề dày lớn nhất và mật độ hạt dẫn trung bình • BJT được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn hoặc khuếch tán, epetaxi 38
  39. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 39
  40. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 1. Nguyên lí hoạt động của BJT Vùng nghèo p n p Ic = Ib Ece Ie Ube Uce Ic Ebe Ube Ib Uce • Tiếp giáp B-E phải phân cực thuận, tiếp giáp B-C phải phân cực ngược • BJT hoạt động trên nguyên lí khuếch tán hạt dẫn(quan trọng-phải hiểu)40
  41. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 41
  42. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 2. Đặc tính V-A của BJT Ic Ib Uce0 A Ib2 Ib2 M Ib Ic I I b0 Ic0 Q b0 N Ib1 Ib1 U B be0 Uce0 U o U o Vc ce be Uce e(t) Ube • Đặc tính vào Ib = f(Ube) : lấy khi giữ Uce không đổi • Đặc tính ra Ic = f(Uce); lấy khi giữ Ib không đổi. 42
  43. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 43
  44. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Sơ đồ lấy đặc tính ra-sẽ thí nghiệm U A BR3 1 BR2 mA V1 BR1 V 44
  45. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 3. Các sơ đồ mắc BJT Sơ đồ E-C (E chung) • Sơ đồ mắc E-C (emitter common) • Sơ đồ B-C (base common) • Sơ đồ C-C (collector common) 45
  46. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Sơ đồ C-C (C chung) • Tín hiệu ra bị phản hồi âm mạnh nên trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ 46
  47. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Sơ đồ B-C (B chung) • Mạch này không có tính khuếch đại mà chỉ làm tầng đệm để phối hợp trở kháng 47
  48. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 48
  49. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Phân cực cho BJT • Là tạo một điện áp ban đầu cho cực B của BJT để vượt qua ngưỡng U0 ban đầu (Si là 0,6 vôn và Ge là 0,2 vôn) • Phân cực bằng điện áp • Phân cực bằng dòng điện • Phân cực bằng phản hồi • Điện áp tại chân B (mạch E-C) sau khi đã phân cực sẽ là: • Ub = Ube0 + e(t) • với e(t) là nguồn tín hiệu cần khuếch đại. Muốn khuếch đại được thì Ube0 phải lớn hơn hoặc bằng biên độ e(t)+U0+. 49
  50. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Phân cực bằng điện áp • Chọn dòng Ib0 (kí hiệu 0 chỉ đại lương V phân cực) I c c • Chọn dòng I2 = (5 -:- 10)Ib0 (qui ước I1 lấy I2=10Ib0). Dòng phân cực càng lớn càng tốt nhưng sẽ gây tổn hao công Ib0 suất nhiều. • Chọn U (0,6 vôn với Si và 0,2 vôn Uc0 be0 với Ge) hay U I2 Ub0 b0 Ub0 Vc −Ub0 R2 = ; R1 = I2 I2 + Ib0 Vc −U c0 Vc −U c0 Rc = = Ic0 Ib0 50
  51. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Phân cực bằng dòng điện Vc Vc −Ub0 Ic0 Rb = Ib0 Ib0 • Chọn trước Ube0, Ib0 51
  52. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Phân cực bằng phản hồi I0 = Ic0 + Ib0 = ( +1)Ib0 I0 U c0 = Vc − I0 Rc U c0 −Ube0 Rb = Ib0 Uc0 Ube0 Vc −U c0 Rc = I0 • Chọn trước Ib0, Ube0 • Chọn trước Uc0 52
  53. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn $4. Transitor trường FET (Field Effect Transitor) •JFET – Junction Field Effect Transitor •MOSFET – Metal Oxide Semiconductor FET •IGBT – Insulate Gate Bipolar Transitor 53
  54. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 54
  55. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Lớp n Lớp p (kênh dẫn) Vùng phân cực ngược 55
  56. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn •Cực cửa G: Gate •Cực nguồn S: Source •Cực máng D: Drain •Dòng điện theo qui ước chảy từ cực máng đến cực nguồn trong kênh n và ngược lại trong kênh p. Nguyên lý: Khi thay đổi điện áp UGS, sẽ làm thay đổi độ rộng vùng phân cực ngược, nên độ rộng kênh dẫn cũng thay đổi, từ đó sẽ khống chế (điều khiển) được dòng ID. •Đặc trưng cơ bản là FET được điều khiển bằng điện áp nên dòng vào rất nhỏ, công suất đầu vào sẽ rất nhỏ, thích hợp với những tín hiệu vào bé. •Tổng trở vào của FET có thể đến 1e+9 Ohm, MOSFET đến 1e+14 Ohm. 56
  57. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 57
  58. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 58
  59. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transitor 59
  60. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transitor 60
  61. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 61
  62. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 62
  63. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 63
  64. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 64
  65. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn VIII. GIÅÏI THIÃÛU IGBT: G (Insulated gate bipolar tranzitor): E Laì loaûi Tranzitor læåîng cæûc coï cæûc âiãöu khiãøn caïch ly. Noï kãút håüp hai æu - N+ N- - âiãøm cuía Tranzitor bipolar vaì P MOSFET laì chëu âæåüc doìng låïn vaì âiãöu khiãøn bàòng âiãûn aïp nhæ N- MOSFET. N+ + + + + P+ + + + + C IC C G E UCE 65
  66. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 66
  67. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 67
  68. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 68
  69. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • Trãn hçnh veî thãø hiãûn loaûi IGBT kãnh N, táút caí nhæîng mä taí åí âáy, âæåüc thãø hiãûn cho kãnh N nhæng loaûi IGBT kãnh P cuîng âæåüc phán têch theo nguyãn lyï tæång tæû. • Cáúu taûo cuía IGBT ráút giäúng våïi Transitor MOSFET khuãúch taïn, noï coï âàûc âiãøm laì coï vuìng khuãúch taïn keïm, mäüt trong vuìng P vaì mäüt trong vuìng N. • Tiãúp giaïp phán cæûc ngæåüc coï thãø âæåüc taûo ra dæåïi cæûc cæía bàòng caïch âæa âiãûn aïp tæång æïng vaìo cæûc cæía giäúng nhæ âäúi våïi MOSFET. Sæû khaïc nhau chênh laì viãûc duìng mäüt låïp baïn dáùn P+ cho cæûc maïng kãút quaí cuía sæû thay âäøi naìy laì kiãøu transitor læåîng cæûc tæïc laì viãûc phun caïc läù tæì vuìng baïn dáùn P vaìo vuìng baïn dáùn N. 69
  70. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • b. Hoaût âäüng chung: • IGBT thæåìng âæåüc âiãöu khiãøn åí traûng thaïi ON/OFF giäúng nhæ MOSFET bàòng caïch âàût âiãûn aïp lãn cæûc cæía VG (do vuìng tuyãún tênh nhoí nãn duìng kiãøu ON/OFF). • Nãúu âiãûn aïp âæa vaìo cæûc cæía so våïi Emitå nhoí hån âiãûn aïp ngæåîng Vth thç khäng taûo ra âæåüc vuìng tiãúp giaïp ngæåüc nhæ MOSFET. Cho nãn thiãút bë åí traûng thaïi OFF trong træåìng håüp naìy mäüt âiãûn aïp phán cæûc thuáûn seî âàût lãn tiãúp giuïp ngæåüc J2, luïc naìy chè doìng âiãûn roì chaíy qua tiãúp giaïp coï trë säú ráút nhoí. 70
  71. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • Âiãûn aïp âaïnh thuíng theo chiãöu thuáûn bàòng âiãûn aïp âaïnh thuíng cuía tiãúp giaïp naìy, âáy laì mäüt tham säú ráút quan troüng. Båíi vç trong trong thæûc tãú caïc thiãút bë cäng suáút naìy sæí duûng âiãûn aïp vaì doìng âiãûn khaï cao, âiãûn aïp âaïnh thuíng cuía tiãúp giaïp mäüt màût noï phuû thuäüc vaìo låïp baïn dáùn coï näöng âäü taûp cháút nhoí (N-) goüi laì låïp N-. • Âáy laì nguyãn nhán laìm cho låïp taûp cháút näöng âäü tháúp måí räüng ra vaì do váûy trong vuìng ngheìo diãûn têch naìy seî coï âiãûn træåìng cæûc âaûi. 71
  72. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • Trong vuìng naìy máût âäü taûp cháút cuía låïp N- phaíi êt hån nhiãöu so våïi låïp P kãú cáûn, cáúu taûo nhæ váûy noï cho pheïp thiãút bë coï thãø chëu âæåüc âiãûn aïp âaïnh thuíng lãn 600V. Låïp âãûm N+ coï taïc duûng taûo sæû khuãúch taïn dãù daìng qua tiãúp giaïp J2 cho caïc haût dáùn âãún colector P cuía Transitor læåîng cæûc. Taûp cháút cuía låïp naìy seî suy giaím ráút maûnh hçnh thaình nãn âiãûn dung tiãúp giaïp. Âiãûn dung naìy phuû thuäüc vaìo âiãûn aïp âaïnh thuíng cuía tiãúp giaïp J3 laì tiãúp giaïp phán cæûc ngæåüc khi chëu âiãûn aïp ngæåüc, taïc duûng cuía vuìng âãûm naìy laì âãø laìm moíng båït vuìng N . Do âoï laìm cho IGBT khoïa (måí) dãù daìng hån. 72
  73. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • Traûng thaïi laìm viãûc ON: • Khi ta âàût lãn mäüt âiãûn aïp VG låïn hån âiãûn aïp ngæåîng VTH noï seî laìm cho vuìng phán cæûc ngæåüc åí dæåïi cæûc cæía, hçnh thaình lãn mäüt kãnh liãn kãút giæîa nguäön tåïi vuìng N ( laì tiãúp giaïp J2), caïc âiãûn tæí seî âæåüc chaíy vaìo tæì nguäön vaìo vuìng naìy ngay thåìi âiãøm tiãúp xuïc J3 âæåüc phán cæûc thuáûn. Caïc läù träúng âæåüc chaíy vaìo vuìng ngheìo âiãûn têch N- ( J2). 73
  74. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • Sæû chaíy vaìo caïc haût dáùn naìy laìm thay âäøi âäü låïn cuía vuìng ngheìo âiãûn têch, trong âoï caí máût âäü âiãûn tæí vaì läù träúng seî låïn hån máût âäü ban âáöu trong låïp N- , âiãöu naìy seî laìm cho IGBT chuyãøn sang traûng thaïi ON, båíi vç âiãûn tråí cuía vuìng N- giaím xuäúng ráút nhanh, mäüt säú läù träúng chaíy vaìo seî âæåüc kãút håüp våïi âiãûn tæí trong vuìng N - tråí thaình nhæîng pháön tæí trung hoìa tæïc thåìi, räöi tiãúp tuûc khuãúch taïn âãún vuìng P (colector). 74
  75. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn • Hoaût âäüng cuía IGBT coï thãø âæåüc mä taí tæång tæû nhæ Transitor PNP. Trong âoï doìng âiãûn bazå âæåüc cung cáúp doìng cuía MOSFET thäng qua kãnh vaì maûch tæång âæång cuía thiãút bë naìy âæåüc mä taí trong hçnh (a), hçnh (b) mä taí mäüt maûch tæång âæång âáöy âuí gäöm mäüt Transitor NPN näúi song song thãø hiãûn âæåüc nguäön kiãøu MOSFET N+ nguäön P vaì vuìng dáùn N- noï âäöng thåìi thãø hiãûn caí âiãûn tråí cuía låïp P . Nãúu doìng âiãûn âi qua âiãûn tråí naìy âuí låïn noï laìm giaím âiãûn aïp råi trãn tiãúp giaïp phán cæûc thuáûn båíi vuìng N+ âæåüc kêch hoaût, do âoï noï coï thãø âæåüc xem nhæ så âäö tæång âæång mäüt Transitor khi cæûc âiãöu khiãøn (G) bë máút âiãûn aïp, caïc âiãûn tæí trong låïp N+ seî khäng chaíy vaìo låïp P næîa vaì IGBT chuyãøn qua traûng thaïi khoïa. 75
  76. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn GTO – Gate Turn-off Thyristorn+pnn+pCathode GateAnothe Về cơ bản, GTO cũng giống như Thyristor thông thường, nhưng nó có thêm một bộ phần để khóa (Turn-off) khi đã mở. Cathode Gate n+ p n n+ p Anothe 76
  77. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 77
  78. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 78
  79. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Như sơ đồ cấu tạo và sơ đồ tương đương, để khóa van, người ta cấp một dòng điện ngược vào Transitor npn trên từ cathode, khi đó npn sẽ bị khóa dẫn đến transitor phía dưới cũng bị khóa. Tuy nhiên, đặc điểm loại van này là dòng khóa khá lớn, nếu với van 1000A, cần xung dòng để mở từ 3-5% Iđm, khoảng 30A và kéo dài trong 10s, thì xung dòng khóa phải 30% (300A) và kéo dài 20-50s, biên độ xung áp khóa từ 10-20v. Mặc dù vậy, năng lượng cần cho quá trình khóa cũng không phải là quá lớn. 79
  80. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn MTO – MOS Turn-off Thyristor MTO do tập đoàn SPCO chế tạo. Nó kết hợp khéo léo giữa GTO và MOSFET, mục đích là để hạn chế năng lượng phun vào cực điều khiển và hạn chế tốc độ gia tăng dòng điện. Cathode Turn- Turn-off on n+ Gate p n n+ p Anothe • Nguyên lý cấu tạo như hình vẽ. Cấu trúc MOSFET cho phép tăng dòng điện khóa mà không bị vướng vào cực điều khiển mở. Loại van này có thể chịu đựng điện áp lên đến 10kV và dòng điện đến 4000A. 80
  81. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn ETO – EMITTER TURN-OFF Cũng như MTO, ETO là một dạng biến thể khác của thyristor và transitor, nghĩa là gồm GTO và MOSFET.Turn-off Turn-onTurn-onTurn-off Turn-off Turn-off Turn-on Turn-on 81
  82. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn INTERGRATED GATE-COMMUTATED THYRISTOR (GCT VÀ IGCT) Đây là loại linh kiện có tốc độ chuyển mạch nhanh và dòng xung lớn, như dòng làm việc. linh kiện này có thể đẩy tất cả dòng từ cathode đến cực cửa trong 1 s để khóa hoàn toàn van. Cấu tạo nguyên lí như hình vẽ. IGCT có khác một chút là có nhiều lớp mạch in của cực cửa hơn. Cả hai loại đều có diode ngược. Cấu trúc này cho phép tốc độ tăng dòng cửa đến 4kA/s với điện áp K-G là 20v. Trong 1 s transitor phía trên của GTO tắt và pnp phía dưới sẽ tắt vì chân B hở. Cathode Gate n+ p p n- DIODE GTO n n+ p+ Anode 82
  83. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 83
  84. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 84
  85. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Linh kiện quang điện tử • Linh kiện phát quang: dựa trên nguyên lí: hạt dẫn khi có điện trường kích thích sẽ đẩy điện tử lên mức cao với thời gian sống ngắn, khi quay trở về mức cũ, điện tử sẽ trả ra năng lượng đã kích thích dưới dạng photon. • Linh kiện thu quang: dựa trên nguyên lí: hạt dẫn khi có ánh sáng chiếu vào sẽ tạo ra điện tích khuếch tán, do đó sẽ làm thay đổi điện trở bán dẫn hoặc tạo điện áp hai đầu tiếp giáp p-n. • Màu sắc phụ thuộc vào bản chất nguyên tử tạp chất • Các linh kiện phát: LED(Light Emitter Diode). LCD(Liquid Crystal Display) • Các linh kiện thu: photodiode, phototranzitor • Linh kiện phối hợp: optocoupler 85
  86. Linh kiện phát quang – photoemettor Vùng dẫn Photon Ed Ed Ed Eo Vùng hoá trị • Hiện tượng này xảy ra với một số loại nguyên tử dễ bị quang kích thích ở điều kiện thường. Nhất là kim loại kiềm. Vật liệu bán dẫn khó hơn nên cần phải dùng liên kết p-n yếu. 86
  87. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 87
  88. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Đặc trưng phổ Độ nhạy 1.0 Si 0.8 Ge Mặt trời 0.6 0.4 CdS 0.2 Mắt  (m) 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.4 Vùng cực tím Vùng nhìn thấy Vùng hồng ngoại • Một loại vật liệu bán dẫn chỉ có thể hấp thụ hoặc phát xạ một số tia sáng xác định, được gọi là đặc trưng phổ. 88
  89. Chương 1: Dụng cụ bán dẫnSự hấp thụ quang học • Gọi thông lượng PI(E), năng lượng E, hệ số phản xạ R(E) • Pt(E) = PI(E) [1-R(E) ] • Hệ số hấp thụ a của vật liệu bán dẫn a = (1/dx) [dP(E)/P(E) ] • Do đó: P(E,x) = Pt(E) exp(-ax) • P(E,x) = Pt(E) [1-R(E) ]exp(-a(E)x) • Hệ số phản xạ R(E) phụ thuộc vào bản chất bán dãn và điều kiện bề mặt, giá trị của nó chủ yếu phụ thuộc góc đến của tia tới, sự phản xạ nhỏ nhất khi tia tới vuông góc bề mặt bán dẫn. • R(E) = [(n-1)2 + (ga/4 )2]/[(n+1) 2 + (ga/4 )2] • với n = n2/n1 ; n1 là chiết suất không khí, n2 là chiết suất chất bán dẫn. a là hệ số hấp thụ, g là bước sóng tia tới. 89
  90. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 90
  91. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 91
  92. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 92
  93. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 93
  94. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 94
  95. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 95
  96. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 96
  97. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 97
  98. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 98
  99. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 99
  100. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 100
  101. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 101
  102. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 102
  103. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 103
  104. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 104
  105. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 105
  106. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 106
  107. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn 107
  108. Chương 1: Dụng cụ bán dẫn Đặc trưng phổ 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Vùng cực tím Vùng nhìn thấy Vùng hồng ngoại • Một loại vật liệu bán dẫn chỉ có thể hấp thụ hoặc phát xạ một số tia sáng xác định, được gọi là đặc trưng phổ. 108
  109. Chương 2- Khuếch đại dùng BJT – Khái niệm Uvào Ura Khuếch đại • Khuếch đại là quá trình biến đổi một công suất tín hiệu vào nhỏ thành công suất tín hiệu ra lớn hơn. • Yêu cầu: • - Biên độ tín hiệu ra phải lớn hơn tín hiệu vào • - Không gây méo tín hiệu • - Không tạo phổ đồng loại 109
  110. Khuếch đại dùng sơ đồ EC và sơ đồ tương đương I1 Rcc Ic0 I I v b0 Uce0 Ube0 U Ut I2 c0 Uv Ub0 Ue0 Ie0 • Sơ đồ nguyên lí mạch khuếch đại EC. Tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào 113
  111. Khuếch đại dùng sơ đồ EC và sơ đồ tương đương Ic Ib Uce0 A Ib2 Ib2 M Ib Ic I I b0 Ic0 Q b0 N Ib1 Ib1 U B be0 Uce0 U o U o Vc ce be Uce e(t) Ube • Lấy đặc tính vào và ra để xác định phân cực Q: điểm công tác 118
  112. Khuếch đại dùng sơ đồ EC và sơ đồ tương đương • Tính phân cực một chiều: • Xác định dòng Ib0 (Ube0)(chọn trước). • Từ đặc tính vào xác định được Ube0 (Ibo) • Xác định Ube0 theo biên độ tín hiệu e(t) của tín hiệu vào, sao cho không bị méo • Xác định trước nguồn Vc, từ đó xác định đường tải AB. • Xác định Ic0 theo đặc tính ra • Xác định Uce0 • Chọn trước một giá trị của Re hoặc Rc. Thông thường chọn trước RE với giá trị từ vài ôm đến vài trăm ôm 119
  113. Tính phân cực một chiều I  = c0 Ib0 Vc −U ce0 −U e0 U e0 = ( +1)Ib0 Re → Rc = Ic0 I2 = (5 10)Ib0 →U b0 = U be0 +U e0 U b0 Vc −U b0 R2 = → R1 = I2 I 2 + Ib0 • Qui ước thống nhất: chọn I2 bằng 10 lần Ib0. 120
  114. Tính phân cực một chiều theo kinh nghiệm • Nếu không có đặc tính V-A của BJT, việc tính toán được chọn theo kinh nghiệm: • Với BJT loại Si chọn Ube0=0,6vôn, loại Ge chọn Ube0=0,2 vôn • Dòng Ic0 được chọn theo dòng cực đại cho phép của BJT. Chọn bằng một nữa giá trị cực đại. • Điện áp Uce0 được chọn bằng một nữa đến hai phần ba giá trị nguồn Vc. • Dòng Ib0=Ic0/ • Chọn một trong hai điện trở Rc hoặc Re. 121
  115. Tính phân cực một chiều theo kinh nghiệm U e0 = ( +1)Ib0 Re U e0 +U be0 Vc −U b0 R2 = ; R1 = 10Ib0 11Ib0 Vc −U ce0 −U e0 Rc = Ic0 122
  116. Sơ đồ xoay chiều tương đương Ib B Iv Ib C It Ic U v Ie I c U R1//R2 t E 123
  117. Tính toán xoay chiều khuếch đại • Bộ tham số tính toán: • Tổng trở ngõ vào Rv • Tổng trở ngõ ra Rr • Hệ số khuếch đại dòng điện Ki • Hệ số khuếch đại điện áp Ku • Hệ số khuếch đại công suất Kp Iv Mạch Uv = khuếch đại Ur=U2 e(t) BJT K 124
  118. Mô hình mạch khuếch đại hai cửa Rr E(t) Rv U2 Uv = Ib Rb + ( +1)Ib Re = Rb + ( +1)Re Ib Rv = R1 // R2 //Rb + ( +1)Re = R1 // R2 // rv ; Ib Rc + ( +1)Ib Re = Ib Rce = U r = Ut Rr = Rcc // Rce 125
  119. Tính toán các hệ số khuếch đại U K = t ; e(t) = (R + R )I u e(t) v n v rv Iv Rv = U v = Ibrv Iv = Ib Rv U r = Ut = Rt It = Ib (Rr // Rt ) Ib (Rr // Rt ) Rv Rv (Rr // Rt ) Ku = =  (Rv + Rn )Ib rv rv (Rv + Rn ) 126
  120. Tính toán các hệ số khuếch đại It Ki = ; It Rt = Ut = Ib (Rr // Rt ) Iv Ib (Rr // Rt ) It = Rt Rv (Rr // Rt ) (Rce // Rcc )// Rt Ki =  =  rv Rt Rt Pra Ut It K p = = = Ku Ki Pvao e(t) Iv • Sinh viên tự đọc khuếch đại C-C và B-C ở nhà 127
  121. Khuếch đại B-C và sơ đồ tương đương 128
  122. Khuếch đại B-C và sơ đồ tương đương UCE0 IE0 IC0 Ur UBE0 IB0 Un 129
  123. Iv Ie I Ib c It Uv Ur Ku = IRc Mạch ra Mạch vào Sơ đồ tương đương xoay chiều của khuếch đại B-C 130
  124. Tính toán tham số mạch xoay chiều mạch B-C * Tổng trở vào: tổng trở vào được tính theo mạch vòng E-B. dòng ra Ic= Ie Uv=RvIe = [re +(1- )rb]; Uc = (Rc//rc(B))Ic Rv = re + (1− )rb  Rr = Rc // rc(B) * Hệ số khuếch đại dòng điện It Ki = . mà Ic (Rc // Rt ) = It Rt Iv R // R R // R I = I c t = I c t t c R v R R // R t t c t Ki = Rt * Hệ số khuếch đại điện áp Ut It Rt Rt Rc // Rt Ku = = = Ki Ku = U I (r + R ) (r + R ) rn + Rv n v n v n v 131
  125. Khuếch đại C-C và sơ đồ tương đương Phân cực DC đợc tính toán tương tự như mạch E-C và I R1 c B-C. riêng điện trở định thiên R được xác định I E v theo hệ số phản hồi âm It dòng điện cần thiết. Các tính tóan dựa trên đặc Uv tính V-A vào và ra Ut R 2 I Độ ổn định của mạch có e thể tính tóan dựa trên tiêu chuẩn Routh hoặc các tiêu chuẩn tần số •Mạch khuếch đại C-C có hệ số phản hồi âm lớn nên dải tần công tác rộng. •Đặc tính tần số biên độ Logarit có độ dốc cao tần là -20dB/dec 132
  126. Sơ đồ tương đương xoay chiều của khuếch đại C-C I I v Ib c Ie Tính tham số xoay chiều: It UV * Dòng điện vào được tính là dòng Ib tại cực B của BJT Ie0 Ur Rv = rb + (1+  )(re + Re // Rt )// R1 // R2 Nếu điện trở vào được chọn lớn Rv = rb + (1+  )(re + Re // Rt )// R1 // R2 // rc(E) 133
  127. Điện trở ra của tầng C-C r //(r + R // R ) c(E) b 1 2 Rr = Re // re + 1+  r + R // R Với rc(E) lớn, ta có thể viết: ( b 1 2 ) Rr = Re // re + 1+  Hệ số khuếch đại dòng điện Iv Rv = Ibrv = Ib rb + (1+  )(re + Re // Rt ) It Rt = Ie (Re // Rt ) = (1+  )Ib (Re // Rt ) It Rv Re // Rt Ki = = (1+  ) Iv rv Rt Hệ số khuếch đại điện áp Ut It Rt Rt Ku = = = Ki U n Iv (Rv + Rn ) (Rn + Rv ) 134
  128. Ghép tầng trong bộ khuếch đại dùng điện dung Tụ ghép tầng • Thông thường, một mạch khuếch đại chỉ có hệ số khuếch dại cỡ vài chục lần. Muốn có hệ số khuếch đại lớn phải ghép nhiều mạch với 135 nhau, gọi là ghép tầng.
  129. Ghép tầng trong bộ khuếch đại dùng biến áp 136
  130. Khuếch đại công suất • - Các tầng khuếch đại công suất có dòng điện và điện áp cao • - Phân cực một chiều sẽ gây tổn thất công suất một chiều trong mạch khuếch đại • - Cần hạn chế tổn hao này. Ic0 Uce0 Ube0 Ut Uv Ue0 Ie0 137
  131. Tổn hao công suất trong mạch EC • Tổn hao chính là dòng phân cực Ic0 và điện áp Uce0 • P0 = Uce0Ic0. Khi làm việc trong chế độ khuếch đại cả hai nữa chu kì. • Vấn đề làm mát cho BJT, tăng công suất nguồn cung cấp. • Chế độ khuếch đại cả hai nửa chu kì gọi là chế độ A Ic Ib A Ib2 Ib2 M Ib Ic I I b0 Ic0 Q b0 N Ib1 Ib1 U B be0 Uce0 o U o be Uce Ube 138
  132. Khuếch đại công suất chế độ B (một nữa chu kì) Ib Ic Ibmax Ibmax Ube I =0 Uce Ib0=0 c0 e(t) • Để khuếch đại cả hai nửa chu kì cần có hai mạch khuếch đại riêng • Loại chế độ này sẽ không gây tổn hao một chiều 139
  133. Nguyên lí mạch khuếch đại ghép đẩy kéo T1 140 • Điện áp tại chân C và E của T1 luôn bằng nhau và ngược pha
  134. Khuếch đại Darlington Ic=Ic1+Ic2 Rc Ib1 T1 T2 • Hệ số khuếch đại bằng tích hai hệ số khuếch đại tương ứng của BJT • Mạch này thường dùng ở tầng khuếch đại cuối cùng. • Nhược điểm là hay bị dao động tự kích. 141
  135. Phản hồi trong bộ khuếch đại e âm Uv Ur Kh K (+) h z K ph = dương 1 Kh K p Kp • Phản hồi là lấy một phần tín hiệu ra đem quay trở lại trộn với tín hiệu đầu vào để cải thiện chất lượng bộ khuếch đại. • Theo tín hiệu có phản hồi điện áp và dòng điện • Theo hình thức phản hồi có phản hồi âm (ngược pha) và dương (cùng pha) • Theo cấu trúc có phản hồi song song và phản hồi nối tiếp. • Tác dụng làm tăng tổng trở vào và giảm tổng trở ra • Tăng độ rộng dải tần công tác • Ổn định hoá bộ khuếch đại • Nâng cao độ chống nhiễu và giảm khả năng dao động tự kích. 142
  136. Trong trường hợp tổng quát, một bộ khuếch đại được coi như một mạch điện với các phần tử tạo nên một quan hệ vào-ra tổng quát: x y Wh(p) -z Wf(p) d n y d n−1 y dy d m x d m−1x dx a + a + + a + a y = b + b + + b + b x 0 dt n 1 dt n−1 n−1 dt n 0 dt m 1 dt m−1 m−1 dt m Với điều kiện đầu không nguồn m m f b pm−k c pm f −l Y( p)  k Z( p)  l W ( p) = = k=0 l=0 h n W f ( p) = = n X ( p) n−i f Y ( p) n f −h ai p  gh p i=0  h=0 143
  137. Hàm truyền của hệ kín Wh ( p) Wk ( p) = 1+Wh ( p)Wf ( p) Trong miền Laplace: p = + j Trong miền tần số: p = j  Wh ( j) j () Wk ( j) = = Pk () + jQk () = A()e 1+Wh ( j)Wf ( j) Với hàm ảnh Furie của y(t) và x(t), ta có Y( j) = Y()e j () ; X ( j) = X ()e j () Y() Q () A() = ; () = arctan k X () Pk () Tùy thuộc góc lệch pha, tín hiệu ra có thể cùng pha hay ngược pha, hay lệch một góc pha bất kì so với tín hiệu vào 144
  138. Đặt A()=K j h () Khe j k () Wk ( j) = = Kk Khe j h () j f () 1+ Khe K f e Nhận xét: •Hệ số khuếch đại của mạch có phản hồi là một trị phức •Góc lệch pha phụ thuộc cấu trúc mạch phản hồi •Hệ số khuếch đại làm việc phụ thuộc tần số tín hiệu •Mạch phản hồi làm việc ổn định nếu góc lệch pha không làm đảo dấu tín hiệu phản hồi theo qui ước. •Quá trình quá độ phụ thuộc giá trị Kh, góc pha 145
  139. KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU BiẾN THIÊN CHẬM •Đặc điểm: -Tín hiệu biến thiên rất chậm -Không nối tầng bằng tụ hay biến áp -Dễ bị trôi do nguồn và nhiệt độ -Dễ mất cân bằng điện áp trên tải 146
  140. Ghép tầng trong khuếch đại một chiều Thường ghép tầng trực tiếp hay ghép quang Tín hiệu đầu vào bé, tổng trở tín hiệu biến thiên rộng Tính toán phân cực phức tạp 147
  141. KHUẾCH ĐẠI VI SAI +Vc R R + Ur - Uv1 T1 T2 Uv2 Ie1 Ie2 Io Không thể hiện phân cực của BJT cho khỏi rườm rà Ie1+Ie2=Io=hằng số 148
  142. KHUẾCH ĐẠI VI SAI-cùng pha +Vc R R Ur Uv1 T1 T2 Uv2 Ie1 Ie2 Io ~ ~ I e1+I e2=0 149
  143. khuếch đại vi sai - ngược pha +Vc R R Ur Uv1 T1 T2 Uv2 Ie1 Ie2 e1 e2 Io 150
  144. khuếch đại vi sai – trôi nhiệt +Vc R R Ur Uv1 T1 T2 Uv2 Ie1 Ie2 Io I0e1+I0e2=0 151
  145. khuếch đại vi sai – trôi nguồn +Vc R R Ur Uv1 T1 T2 Uv2 Ie1 Ie2 Io I0e1+I0e2=0 152
  146. Khuếch đại vi sai không cân bằng Offset null (có trường hợp nối GND) +Vc R2 R2 R1 R1 Ur Uv1 T1 T2 Uv2 Ie1 Ie2 Io Ie1+Ie2=Io=hằng số 153
  147. Đọc giá trị điện trở Sai số Vạch chuẩn Số thứ Số thứ ba (số chữ số 0) nhất (số) Số thứ • 0 Đen hai (số) 7 Tím • 1 Nâu 8 Xám • 2 Đỏ 9 Trắng • 3 Cam • 4 Vàng • 5 Xanh • 6 Lơ (blue) 154 260000 2%
  148. Phản hồi áp và dòng Kp 155
  149. Chương 3- KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN- OA Operational Amplifier +Vc - - Vi i Vi + V0 Vi+ i -Vc - + Rv = ; Rr = 0; i = i = 0; Kh = ; V0 = Kh Vi IC – Integrated Circuit 156
  150. Đặc tính vào ra của OA Vo Vi- +Vc Vi+ Vi Vi -Vc • Khi Vi+>Vi- ➔ Vo = +Vc (Vi- = 0) • Khi Vi+<Vi- ➔ Vo = -Vc (Vi- = 0) 4 6 • Do OA thực tế không thể có Kh = mà chỉ 10 -:-10 nên tồn tại Vi cỡ vài mV được khuếch đại tuyến tính • Thực tế người ta không dùng vùng khuếch đại này 157
  151. Các chế độ làm việc của OA A. Chế độ tuyến tính (khuếch đại): cần có phản hồi âm sâu để giảm hệ số khuếch đại. Nối mạch phản hồi đầu ra về chân đảo Luôn có: Vi+ = Vi- i+ = i- = 0 B. Chế độ xung (on – off) (Không có phản hồi) Vi+ > Vi- ➔ Vo = +Vc Vi+ < Vi- ➔ Vo = -Vc C. Chế độ tự dao động:sóng sin, tam giác, răng cưa, chữ nhật cần có phản hồi dương. Nối mạch phản hồi từ đầu ra về chân không đảo. 158
  152. Các ứng dụng tuyến tính của OA I2 R2 I1 R1 - - U1 Vi i + Ur Vi+ i Vi+ = Vi- = 0 Mạch khuếch đại đảo: Ur = -(R2/R1)U1 159
  153. Khuếch đại không đảo R2 R1 I2 - - Vi i I1 + i+ Vi Ur U1 • Vi+ = Vi- =U1 • Điện áp ra: Ur = (1+R2/R1)U1 160
  154. Mạch cộng đảo I3 I2 R U2 R R - - U1 Vi i I1 + Ur Vi+ i • Vi+ = Vi- = 0 • Ur = -(U1 + U2) 161
  155. Mạch cộng không đảo R R - - Vi i I1 R + Ur U1 Vi+ i U2 I2 R Vi+ = Vi- = Ur/2; Ur = U1 + U2 162
  156. Mạch trừ +5v I3 I1 R R U1 - - Vi i -5V R + Ur U2 Vi+ i R • Vi+ = Vi- = U2/2; Ur = U2 – U1 • U2 = Ur + U1  2 + 1= = 180 dộ 163
  157. Mạch vi phân đảo C R I2 I - i - U1 Vi + Ur Vi+ i • Vi+ = Vi- = 0 • Ur = - RC(dU1/dt) = -T.dU1/dt 164
  158. Mạch tích phân đảo C R - i - U1 Vi + Ur Vi+ i • Vi+ = Vi- = 0 1 Ur = − U1dt RC 165
  159. Mạch lặp điện áp R2 Vii + i+ Vi Ur U1 • Ur = U1; dùng tạo trở kháng nguồn thấp 166
  160. Mạch tích phân không đảo R R - i - Vi R I1 + i+Vi Ur U1 I3 R C I2 2 Ur = U1dt RC 167
  161. Mạch PI (Poprotional Integrated) R2 C R1 I2 - i - U1 Vi I1 + Ur Vi+ i R2 1 U = − U1− U1dt r R1 CR1 • Tỉ lệ Tích phân 168
  162. Mạch PID – Poprotional Integrated Derivative C1 I2 R2 C2 R1 I3 i- U1 - I1 Vi + Ur Vi+ i 1 dU kU + U dt + T 1 1 1 d Ti dt • Tỉ lệ Tích phân Vi phân 169
  163. Quan hệ I và U trong tiếp giáp p-n trong vùng điện áp thấp và dòng nhỏ =1 Uak • Trong Diode: IA = k.e • Uak = lnIA =1 Uce • Trong Tranzitor Ic = k.e • Uce = lnIc 170
  164. Mạch lấy logarit Uak R Ia - - U1 Vi i I1 + Ur Vi+ i Ia = I1 = U1/R → -Ur = Uak = ln(U1/R) Vậy điện áp ra tỉ lệ với logarit điện áp vào. 171
  165. Mạch lấy logarit bằng BJT R - - U1 Vi i + Ur Vi+ i 172
  166. Mạch lấy hàm mũ R I Ia - U1 i - Vi + Ur Vi+ i Ia = I = -Ur/R = keUak Ur = -kR.eU1 Vậy điện áp ra tỉ lệ với hàm mũ e của điện áp vào 173
  167. Mạch tạo tín hiệu hàm mũ bằng BJT R - U1 i - Vi + Ur Vi+ i 174
  168. Mạch nhân hai điện áp • Ur = U1xU2 • lnUr = ln(U1.U2) = lnU1 + lnU2 • Ur = e(lnU1 + lnU2) U1 ln cộng lấy hàm Ur mũ U2 ln 175
  169. Mạch nhân dùng OA U1 Ur U2 176
  170. Mạch chia hai điện áp • Ur = U1/U2 • lnUr = ln(U1/U2) = lnU1 - lnU2 • Ur = e(lnU1 - lnU2) U1 ln trừ lấy hàm Ur mũ U2 ln 177
  171. Mạch chia hai điện áp U1 Ur U2 178
  172. Mạch khai căn bậc hai 1 2 U r = U1 = U1 1 1 lnU1 == lnU = lnU == U = e 2 r 2 1 r U1 1/2 lấy hàm Ur ln mũ 179
  173. Mạch khai căn bậc hai Uv Ur 180
  174. Trong các mạch bù: - Nối đất nguồn vào Uv - Điều chỉnh các biến trở để điện áp ra Ur bằng 0 - Riêng hình c) , mạch C2-R2 dùng để chống dao động tự kích khi có sự tăng biên độ do hồi tiếp dương nếu có. 181
  175. R2 Vii + i+ Vi Ur U1 Rt • Nguồn áp: rn = 0 hoặc rn << Rt 184
  176. Ứng dụng OA trong chế độ so sánh U1 V0 U2 Vi 220v Vo +Vc -Vc • Mạch so sánh một ngưỡng 185
  177. Công dụng mạch so sánh một ngưỡng • Dùng trong các mạch bảo vệ tín hiệu • Dùng trong các mạch tạo góc mở điều khiển các bộ điện tử công suất lớn như chỉnh lưu, băm điện áp, biến tần. • Làm cơ sở để xây dựng các bộ chuyển đổi ADC, DAC trong kĩ thuật số hiện nay. • Tạo ngưỡng để dùng trong các thiết bị vừa đo lường, vừa điều khiển như bù cos , điều khiển nhiệt độ, cân điện tử và nhiều ứng dụng mở rộng khác. • Nhược điểm: • Mạch so sánh kiểu này quá nhạy nên thường sinh ra các xung động trong hệ thống. • rất khó tạo vùng trễ cũng như vùng chết trong kĩ thuật bảo vệ. 186
  178. Mạch so sánh 2 ngưỡng đối xứng Vi + U1 +Vi V0 + -Vi R1 Vo +Vc R2 R V + = 2 V -Vc i 0 R1 + R2 • Thường dùng trong các mạch tạo xung Trige và dao động đa hài 187
  179. Mạch so sánh 2 ngưỡng không đối xứng U 1 Vo1 V0 Uv V01 V02 V0 Vo2 U2 0 0 0 0 1 0 1 0 0 • V0 = V01 AND Vo2 1 1 1 188
  180. Đồ thị mạch so sánh hai ngưỡng không đối xứng Vi U1 U2 Vo +Vc -Vc 189
  181. Chế độ dao động của OA R U1 V0 R1 R2 190
  182. Biểu đồ thời gian dao động của OA Vo Vi+ 0,5Vc+ Vi- 0,5Vc- 191
  183. - Nguyên tắc phản hồi trong mạch này thay thế cho mạch hồi tiếp dương bằng điện trở như slide 190. - Chu kì dao động được điều chỉnh ở tỉ số phản hồi âm (K – 1)R 1 192
  184. - Nguyên tắc hồi tiếp là đưa tín hiệu đồng pha từ cực góp của BJT về lại cực gốc của BJT để duy trì năng lượng. - Tín hiệu đưa về thôg qua tụ Ct 193
  185. Nguồn cung cấp một chiều Nguồn pin Nguồn Nguồn acqui cung cấp Nguồn chỉnh lưu xoay chiều • Nguồn cung cấp là một thiết bị rât cần thiết trong mạch điện tử • Nguồn phải cung cấp đủ công suất sử dụng • nguồn phải có khả năng chống nhiễu tôt • Điện áp nguồn phải ổn định • Biên độ điện áp phải đúng yêu cầu. • Đảm bảo an toàn cho mạch đang sử dụng cũng như người dùng. • Nguồn được lấy từ acqui, pin hay chỉnh lưu xoay chiều thành một chiều. 198
  186. Chỉnh lưu xoay chiều dùng Diode • Chỉnh lưu Lọc 1 tụ Lọc kết hợp 199
  187. Dạng sóng chỉnh lưu khi có tụ lọc song song với tải 201
  188. Khi mạch tải có nguồn một chiều 202
  189. Khi tải có tính điện cảm 203
  190. Chỉnh lưu cầu dùng diode • Chỉnh lưu cầu giảm được độ nhấp nhô điện áp • Tuy nhiên chưa ổn áp được 204
  191. Dạng sóng chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 205
  192. Chỉnh lưu trong mạch 3 pha 206
  193. Ổn áp tham số Rg Rt Rg là điện trở gánh điện áp Rt là tải Lưu ý Diode Zener mắc phân cực ngược Khoảng ổn định thấp và công suất nhỏ 209
  194. Ổn áp tham số tăng công suất • BJT chạy ở chế độ liên tục, • Điện áp thay đổi sẽ làm thay đổi dòng Ic của BJT • Khi có dao động điện áp sẽ làm biến đổi khả năng dẫn của BJT ngược lại, kết quả điện áp trên BJT sẽ thay đổi giữ cho tải được ổn định. 210
  195. Cấu tạo vi mạch LM7805 211
  196. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator U0 Ud T 1 T T U = 1 U d T 0 • Loại nguồn này hiện nay được dùng rất rộng rãi trong các thiết bị điện tử để cung cấp nguồn áp hay nguồn dòng ổn định cho tải. • Mạch thường dùng các chuyển mạch điện tử như BJT, MOSFET để cắt (băm) điện áp một chiều thành các xung có độ rộng thay đổi sao cho giá trị điện áp trung bình không đổi 219
  197. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator 220
  198. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator 221
  199. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator 222
  200. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator 223
  201. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator 224
  202. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator 225
  203. Ổn áp kiểu điều rộng xung PWM – Pulse Width Modulator Loại 3 pha 229
  204. Nguồn xoay chiều nghịch lưu từ một chiều 236
  205. Nguồn xoay chiều nghịch lưu từ một chiều 237
  206. Phụ chương: TƯƠNG LAI CỦA KĨ THUẬT ĐiỆN TỬ và một số ứng dụng trong công nghiệp •Chip 80 lõi mở ra kỷ nguyên 'siêu máy tính cá nhân' • Đến nay, chỉ có các nhà khoa học và những ai vận hành các supercomputer mới có cơ hội tiếp cận bộ vi xử lý tốc độ teraflop (nghìn tỷ phép tính mỗi giây). •Việc Intel đưa 80 lõi vào trong một chip đơn đã tạo cơ hội cho người dùng đầu cuối khám phá thế giới điện toán cấp độ tera. 240
  207. Nhờ kết hợp 80 lõi trên một chip đơn 241
  208. ASCI Red khổng lồ với 10.000 chip Pentium Pro 242
  209. Bóng bán dẫn silicon sẽ hết thời trong 10 năm nữa Viện công nghệ Massachusetts (Mỹ) ước tính 10-15 năm sau, thế giới sẽ chứng kiến sự lên ngôi của bóng bán dẫn không dùng silicon. Họ đang thử nghiệm thiết bị 60 nanomét với vật liệu composite InGaAs (gồm Indium, Gallim, Arsenide 243
  210. Trong hỗn hợp vật liệu này, các hạt electron di chuyển với tốc độ gấp nhiều lần trong silicon. "Chúng tôi theo đuổi công nghệ mới này vì nó sẽ tăng cường khả năng hoạt động và giảm kích cỡ của các thiết bị số", Jesus del Alamo, giáo sư khoa máy tính của viện Massachusetts, Kỹ thuật mới đã gây chú ý cho Intel, hãng sản xuất chip hàng đầu thế giới. "Bóng bán dẫn InGaAs mang lại kết quả khá tốt với mức điện áp thấp 0,5 volt và đây là bước ngoặt rất quan trọng trong ngành máy tính", 244
  211. Ứng dụng trong điều khiển tốc độ động cơ DC 245
  212. Điều khiển động cơ DC có đảo chiều 246
  213. Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng PWM 247
  214. Điều khiển động cơ bước 248
  215. Điều khiển động cơ bước 249
  216. Điều khiển động cơ bước 250
  217. Ứng dụng trong đo nhiệt độ bằng cầu 3 dây 251
  218. Điều khiển công suất trên mạng điện xoay chiều 252
  219. Điều khiển công suất trên mạng điện xoay chiều 253
  220. Điều khiển công suất trên mạng điện xoay chiều 254
  221. Điều khiển công suất trên mạng điện xoay chiều 255
  222. Điều khiển công suất trên mạng điện xoay chiều 256
  223. Điều khiển công suất trên mạng điện xoay chiều 257
  224. Bài tập ổn áp Một chỉnh lưu cầu từ máy biến áp 220/22v. Cấp điện cho tải Rt=1k. Uz = 15v, Imin=30mA, Imax=120mA Yêu cầu: -Xác định phạm vi dao động điện áp sơ cấp MBA -Vẽ dạng sóng ra trên tải -Tính điện trở gánh Rg 258
  225. Thiết kế mạch điện dùng OA giải phương trình bậc hai 2 2Ur +3Ur+Uv=0 259