Giáo trình Vật liệu linh kiện điện tử

154 trang phuongnguyen 12330

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật liệu linh kiện điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_vat_lieu_linh_kien_dien_tu.pdf

Nội dung text: Giáo trình Vật liệu linh kiện điện tử

SỞ LAO ĐỘNG TB&XH TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ VĨNH LONG GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NGHỀ: ĐIỆN TỬ DÂN DỤNG (Lưu hành nội bộ) NĂM 2012
SỞ LAO ĐỘNG TB&XH TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ VĨNH LONG Tác giả biên soạn: Ks. Nguyễn Hồng Thắm GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NGHỀ: ĐIỆN TỬ DÂN DỤNG NĂM 2012
LỜI MỞ ĐẦU  Để đáp ứng nhu cầu học tập của học sinh, nhất là học sinh chuyên ngành điện tử. Giáo trình Vật liệu linh kiện điện tử (MĐ số: MĐ10) là Mô đun nghề bắt buộc dùng để giảng dạy cho học sinh nghề Điện tử dân dụng tại Trường trung cấp nghề Vĩnh Long. Mô đun này có 90 giờ, gồm 45 giờ lý thuyết và 45 giờ thực hành. Giáo trình được biên soạn theo chương trình khung của Bộ Lao Động TB&XH. Mục tiêu của giáo trình này nhằm giúp các em học sinh chuyên ngành có một tài liệu cô đọng dùng làm tài liệu học tập, nhưng tôi cũng không loại trừ toàn bộ các đối tượng khác tham khảo. Tôi nghĩ rằng các em học sinh không chuyên điện tử và những người quan tâm tới Vật Liệu Linh Kiện Điện Tử sẽ tìm được trong này những điều hữu ích. Giáo trình Vật liệu linh kiện điện tử giới thiệu một số nội dung cơ bản về lý thuyết vật liệu, linh kiện thông dụng sử dụng trong các thiết bị điện tử nhằm giúp cho học sinh nắm được công dụng, tính năng kỹ thuật, nguyên tắc làm việc để làm cơ sở hiểu biết áp dụng trong quá trình tiếp thu các môn học và mô đun chuyên ngành. Giáo trình Vật liệu linh kiện điện tử được chia làm 10 bài: Bài 1: Vật liệu linh kiện thụ động Bài 2: Khái niệm về chất bán dẫn, diode bán dẫn. Bài 3: Các diode đặc biệt. Bài 4: Transistor lưỡng cực (PNP, NPN). Bài 5: Các mạch định thiên cho transistor lưỡng cực. Bài 6: Transistor trường (JFET). Bài 7: Các kiểu định thiên cho transistor trường (JFET). Bài 8: Các linh kiện bốn mặt tiếp giáp. Bài 9: Linh kiện quang điện tử. Bài 10: Vi mạch (mạch tích hợp).
Khi biên soạn tác giả cũng đã tham khảo nhiều tài liệu của một số trường Đại học và các viện nghiên cứu. Do không có điều kiện tiếp xúc, trao đổi để xin phép việc trích dẫn của các tác giả, mong quí vị vui lòng miễn chấp. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Bộ môn Điện tử Khoa Điện Tử - Tin học đã tạo rất nhiều điều kiện cho tôi hoàn thành giáo trình này. Mặc dù đã rất cố gắng nhiều trong quá trình biên soạn giáo trình nhưng chắc chắn giáo trình sẽ còn nhiều thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các em học sinh và các bạn đọc để giáo trình ngày một hoàn thiện hơn. Giáo trình này sẽ được thường xuyên cập nhật thông tin mới để chất lượng giáo trình ngày càng được nâng cao. Tác giả
Bài 1: VẬT LIỆU LINH KIỆN THỤ ĐỘNG A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài học này, người học có khả năng: - Phát biểu đúng chức năng các loại vật liệu trong lĩnh vực điện tử dân dụng; - Trình bày chính xác về cấu tạo, ký hiệu quy ước, quy luật mã màu, mã ký hiệu biểu diễn trị số của R, C, L; - Xác định được chất lượng các linh kiện: điện trở, tụ điện, máy biến áp; - Rèn luyện tính cần cù, chăm chỉ và ham học hỏi kiến thức mới; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Chức năng – nhiệm vụ của các vật liệu điện 1.1. Vật dẫn điện Vật liệu dẫn điện phần lớn là kim loại, hoặc hợp kim hoặc than, chất điện phân và chất bán dẫn. Vật liệu dẫn điện là vật chất có các điện tích tự do. Trong điều kiện bình thường, nếu đặt vật liệu vào trong một trường điện, các điện tích sẽ chuyển động theo một hướng nhất định và tạo thành dòng điện, vật liệu đó được gọi là vật liệu dẫn điện. Vật liệu dẫn điện dùng trong lĩnh vực điện tử gồm các kim loại và các hợp kim. Các đặc tính chủ yếu của vật liệu dẫn điện là: 1.1.1 Đặc tính về điện: - Tính dẫn điện Điện trở suất: Rs 1 I m - Điện trở tăng theo nhiệt
- Hệ số nhiệt α 1.1.2. Đặc tính vật lý: - Khối lượng. - Tỷ trọng. - Nhiệt tối đa chịu đựng được mà vật liệu dẫn điện không bị biến dạng. - Nhiệt độ nóng chảy. - Tính đàn hồi. - Lực căng. - Hệ số nở dài. - Lực chống va chạm (lực nén, lực kéo). Đối với hai vật liệu dẫn điện, vật liệu nào có điện trở suất nhỏ thì dẫn điện tốt hơn vật liệu kia. Ví dụ, đồng đỏ dẫn điện tốt hơn sắt, vì điện trở suất của đồng đỏ là 0,0175 μm1, còn của sắt là 0,098 μm. Hợp kim chì - thiếc có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chì và của thiếc. Lợi dụng tính chất này người ta sử dụng hợp kim chì - thiếc làm dây hàn khi lắp ráp hoặc sửa chữa các mạch điện tử. Hợp kim sắt - nicken không bị ôxyt hoá, nên được dùng làm vật liệu không bị han rỉ. Hợp kim sắt - côban được làm vật liệu từ. Hợp kim sắt – mănggan chịu được mài mòn. 1.1.3. Các kim loại dẫn điện tốt - Bạc: Bạc có màu trắng mờ, dẫn điện tốt, được sử dụng làm tiếp điểm quan trọng trong các khí cụ điện, rơle, hoặc dưới dạng hợp kim làm dây chì chuẩn xác, dây lò xo xoắn trong dụng cụ đo lường chính xác. - Đồng: Đồng có màu đỏ, dẫn điện tốt, dẻo dễ kéo thành sợi, dễ dát mỏng. Đồng được sử dụng nhiều trong ngành điện, điện tử, làm dây quấn thiết bị điện, làm dây truyền tải điện hoặc dây kết nối trong các thiết bị điện tử. - Nhôm: Nhôm có màu sáng trắng, nhẹ, dẫn điện khá tốt, dễ dát mỏng, dễ kéo thành sợi. Nhôm trong không khí có lớp ôxyt mỏng bao bên ngoài nên chống
được tác dụng của ôxy. Nhôm được dùng làm dây dẫn (cáp nhôm ruột thép) thay thế đồng, làm tụ điện, đúc rôto của động cơ điện 1.2. Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện có tính chất ngược lại với vật liệu dẫn điện, khi được đặt vào một trường điện, vật liệu cách điện không có các điện tích chuyển động, nên không tạo ra dòng điện tích trong vật liệu cách điện. Các đặc tính kỹ thuật của vật liệu cách điện cần quan tâm là: - Độ bền về điện là mức điện áp chịu được trên đơn vị bề dày mà không bị đánh thủng. - Nhiệt độ chịu đựng. - Hằng số điện môi. - Tỷ trọng. Vật liệu cách điện có thể phân thành 4 loại: vật liệu cách điện khoáng chất, vật liệu cách điện gốc hữu cơ, vật liệu cách điện dạng lỏng hoặc hoà tan và vật liệu cách điện dùng các chất khí. Dựa vào độ bền về điện của vật liệu cách điện để làm chất cách điện trong các mạch điện tử. Trong hai vật liệu cách điện, vật liệu nào có độ bền về điện lớn hơn thì có độ cách điện lớn hơn. Ví dụ, mica có độ bền về điện là (50-100) kV/mm, trong khi độ bền về điện của prespan là (9-12) kV/mm, nên mica thường được dùng làm vật liệu cách điện trong các tụ điện. Nhiệt độ chịu đựng của sứ rất cao, từ 15000C đến 17000 C, nên thường được dùng trong việc chế tạo điện trở công suất lớn, giá đỡ cách điện cho đường dây dẫn điện, tụ điện, đế đèn, cốt cuộn dây. 1.3 Vật liệu từ Vật liệu từ và ứng dụng trong đời sống, trong công nghiệp quốc phòng: nam châm, máy phát ôzôn, máy hàn, biến thế cao tần, các máy đo dòng-áp điện - Vật liệu từ mềm là vật liệu từ có độ cảm ứng từ dư dễ bị khử từ, như sắt silic, ferit, pecmalôi.
Sắt silic thường được cán thành những lá mỏng 03  0,5 mm, dập thành những tấm E hoặc I, dùng làm lõi biến áp, sắt silic còn được dập thành những băng dài và ghép lại thành lõi sắt. Ferit có tổn hao rất nhỏ do dòng fucô gây ra, nên thường dùng cho các phần mạch điện tử làm việc ở tần số cao, như làm anten trong máy thu, lõi biến áp cao tần. Pecmaloi thường được chế tạo thành lá mỏng 0,05 0,5 mm. Pecmaloi không chịu được va chạm, dập, uốn và các loại biến dạng khác. Vì vậy, khi làm việc với các lõi pecmaloi phải hết sức cẩn thận, tránh tác động cơ khí mạnh. - Vật liệu từ cứng: là vật liệu từ có độ cảm ứng từ dư cao, được duy trì khi truyền từ trường cho vật liệu đó, ví dụ như nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ cứng có đặc điểm giòn, dễ gãy, vỡ, thường được dùng trong các dụng cụ điện thanh. 2. Linh kiện thụ động 2.1. Điện trở Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện. Định luật Ohm được phát biểu như sau: Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch đó và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. Công thức định luật Ohm: V V I ; V = I. R; R R I Hình 1.1 trong đó: V: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đơn vị đo là Volt (V). I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đơn vị đo là Ampe(A). R: là điện trở của vật dẫn điện, đơn vị đo là Ohm (Ω)
2.1.1. Cấu tạo và kí hiệu qui ước a. Cấu tạo Điện trở thường làm bằng hỗn bột hợp than hoặc kim loại được pha trộn với hỗn hợp các chất khác, rồi đem ép lại, tùy theo tỷ pha trộn điện trở có trị số lớn hay nhỏ, bên ngoài được bọc bởi lớp sơn cách điện. Hai đầu có dây ra. Là linh kiện không phân cực, người ta đọc trị số điện trở thông qua bản qui ước về mắc của điện trở. b. Ký hiệu: hoặc Hình 1.2 2.1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản - Điện trở danh định: Trên điện trở không ghi giá trị thực của điện trở mà chỉ ghi giá trị gần đúng, làm tròn, đó là điện trở danh định. Đơn vị điện trở : Đơn vị điện trở là Ohm (Ω) Bội số của Ohm là: 1KΩ = 1000 Ω = 103 1MΩ = 1000 KΩ = 1.000.000 Ω =106 - Sai số: Điện trở danh định không hoàn toàn đúng mà có sai số. Sai số tính theo phần trăm (%). - Công suất định mức: Công suất định mức là công suất tổn hao lớn nhất mà điện trở chịu được một thời gian dài làm việc mà không ảnh hưởng đến trị số của điện trở. 2.1.3. Quy luật màu, mã kí tự biểu diễn trị số điện trở - Các điện trở có kích thước nhỏ được ghi trị số bằng các vạch màu theo một quy ước. - Các điện trở có kích thước lớn hơn từ 2W trở lên thường được ghi trị số
trực tiếp trên thân. Ví dụ như các điện trở công suất, điện trở sứ. Hình 1.3 - Bảng quy ước về màu sắc của điện trở theo qui ước Hoa Kỳ: Màu Vòng số 1 Vòng số 2 Vòng số 3 Vòng số 4 Đen 0 0 x100 Nâu 1 1 x101 ±1% Đỏ 2 2 x102 ±2% Cam 3 3 x103 Vàng 4 4 x104 Xanh lá 5 5 x105 Xanh dương 6 6 x106 Tím 7 7 x107 Xám 8 8 x108 Trắng 9 9 x109 ±9% Vàng kim x10-1 ±5% Bạc kim x10-2 ±10% Giá trị điện trở sẽ được vẽ trên thân điện trở. Đối với điện trở 4 vòng màu thì 3 vòng đầu tiên chỉ giá trị của điện trở còn vạch thứ 4 chỉ sai số của điện trở. Trường hợp đặc biệt, nếu không có vòng số 4 (loại điện trở có 3 vòng màu) thì sai số là ±20%.
2.1.4. Cách đọc trị số điện trở màu. - Hình dạng điện trở 4 vòng màu: Hình 1.4 - ngh các v ng m u Vòng số 1: số thứ nhất Vòng số 2: Số thứ hai Vòng số 3: Bội số Vòng số 4: Sai số Trị số = (vòng số 1)(vòng số 2)(vòng số 3)(vòng số 4) - Ví dụ: Hình 1.5a Hình 1.5b Hình 1.5c
Hiện nay, người ta chế tạo các loại điện trở than có năm vòng màu là loại điện trở có độ chính xác cao, lúc đó các vòng màu có ý nghĩa như sau: nghĩa các vòng màu: Vòng 1: số thứ nhất Vòng 2: Số thứ hai Vòng 3: Số thứ ba Vòng 4: Bội số Vòng 5: Sai số Hình 1.6 Trị số = (vòng số 1)(vòng số 2)(vòng số 3)(vòng số 4)(vòng số 5) Ví dụ: Hình 1.7 2.2. Tụ điện Tụ điện là một linh kiện thụ động và được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, được sử dụng
trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu mạch truyền tín hiệu mạch xoay chiều, mạch dao động, 2.2.1 Cấu tạo Tụ điện gồm có hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song nhau, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Chất cách điện thông dụng để làm điện môi là: giấy, dầu, mica, gốm, không khí, Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện. Hình 1.8 Ví dụ: tụ điện giấy, tụ điện dầu, tụ điện gốm, tụ điện không khí, 2.2.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản a. Điện dung - Khả năng chứa điện của tụ điện gọi là điện dung (viết tắt là C). Điện dung C của tụ điện tùy thuộc vào cấu tạo và được tính bởi công thức: S C  d Trong đó : hằng số điện môi tùy thuộc vào chất cách điện S: diện tích bản cực (m2) D: bề dầy lớp điện môi (m) - Điện dung C có đơn vị là Fara. Fara là 1 là trị số điện dung rất lớn nên trong thực tế chỉ dùng các ước số của Fara là: microfara - 1F = 10-6F nanofara – 1nF = 10-9F Picofara - 1 F = 10-12F b. Điện tích tụ nạp - Nếu nối nguồn DC vào tụ với thời gian đủ dài sẽ nạp đầy. Điện tích nạp được tính theo công thức: Q = C.V Với Q: điện tích (Coulomb – C) C: điện dung (Fara – F)
V: điện thế nạp trên tụ (Volt – V) c. Năng lượng tụ nạp và xả Hình 1.9 Sau khi tụ nạp đầy ( công tắc K ở vị trí 2) thì bóng đèn sáng lên và sau một thời gian thì bóng đèn tắc. Hiện tượng này gọi là tụ xả điện. Dòng điện do tụ xả qua bóng đèn trong thời gian đèn sáng chính là năng lượng được nạp trong tụ điện. 1 W CV 2 với W : điện năng ( Joule - J) 2 C: điện dung ( Fara -F ) V: điện áp trên tụ (Volt - V) d. Điện thế làm việc Điện thế tạo ra điện trường đủ mạnh tạo ra dòng điện trong điện môi gọi là điện thế đánh thủng. Do đó, khi sử dụng tụ điện để nạp và xả điện thì điện thế đặt vào tụ phải nhỏ hơn điện thế đánh thủng. Trên tụ điện người ta phải cho biết mức điện nhỏ hơn điện thế đánh thủng vài lần. Điện thế đánh thủng của điện môi tỉ lệ theo bề dầy của điện môi nên thường người ta chỉ cho trị số điện trường đánh thủng theo công thức: V E với E: điện trường (KV/cm) d V: điện thế (KV) D: bề dày điện môi (cm) e. Thông kỹ thuật của tụ điện Khi sử dụng tụ điện phải biết hai thông số chính của tụ điện là: - Điện dung C.
- Điện áp làm việc WV. Phải chọn điện áp làm việc của tụ điện WV lớn hơn điện áp trên thân tụ điện Vc theo công thức: W V >=2Vc 2.2.3. Phân loại tụ điện Tụ điện được chia làm hai loại chính là : - Tụ điện có phân cực tính dương và âm. - Tụ điện không phân cực tính được chia làm nhiều dạng. a. Tụ Oxid hoá ( thường gọi là tụ hoá ) Tụ hoá có điện dung lớn tứ 1F  10.000F là loại có phân cực tính âm và dương. Tụ được chế tạo với bản cực nhôm và cực dương có bề mặt hình thành lớp oxid nhôm và lớp bọt khí có tính cách điện để làm chất điện môi. Lớp oxid nhôm rất mỏng nên điện dung của tụ lớn. Khi sử dụng phải lắp đúng cực tính dương và âm, điện áp làm việc thường nhỏ hơn 500V. Ký hiệu: Hình dạng: Hình 1.10 b. Tụ gốm Tụ gốm có điện dung từ 1 đến 1F là loại tụ không có cực tính, điện thế làm việc cao đế vài trăm volt.
Về hình dáng tụ gốm có nhiều dạng và có nhiều cách ghi giá trị số điện dung C khác nhau. C = 0,01F C = 100 F C = 22nF C = 1000 F 5% c. Tụ giấy Là loại tụ không có cực tính gồm có hai bản cực là các băng kim loại dài, ở giữa có lớp cách điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống. Điện áp đánh thủng đến vài trăm volt. d. Tụ mica Là loại tụ không có cực tính, điện dung từ vài F đến vài trăm nF, điện thế làm việc rất cao đến trên 1000V. Tụ mica đắt tiền hơn tụ gốm vì ít sai số, đáp tuyến cao tấn số tốt, độ bền cao. Trên tụ mica được sơn các chấm màu để chỉ trị số điện dung và cách đọc giống như đọc điện trở.
e. Tụ màng mỏng Điện dung từ vài trăm F đến vài chục F điện thế làm việc cao đến hàng ngàn volt. f. Tụ tang - tan Là loại tụ có phân cực tính, điện dung có điện thế rất cao nhưng kích thước nhỏ từ 0,1F đến 100F, điện thế làm việc thấp chỉ khoảng vài chục volt. Tụ tang – tan thường có dạng viên. 2.3. Cuộn điện cảm 2.3.1. Cấu tạo Là linh kiện tạo ra từ trường. Cuộn dây là một dây dẫn điện có bọc bên ngoài lớp sơn cách điện thông thường - thường gọi là dây điện từ quấn nhiều vòng liên tiếp khác nhau trên một cái lõi. Lõi của cuộn dây là một ống rỗng (lõi không khí), sắt bụi, lõi điều chỉnh được hay sắt lá. Tuỳ loại lõi, cuộn dây có các ký hiệu khác nhau. Ký hiệu cuộn cảm:
2.3.2. Các đại lượng đặt trưng cho cuộn dây - Hệ số từ cảm: là đại lượng đặt trưng cho sức điện động cảm ứng khi có dòng điện biến thiên đi qua và ký hiệu là L – đơn vị Henri (H) và được tính theo công thức: n2 L  .4 S.10 7 r l Với L: hệ số tự cảm (H). l: chiều dài lõi (m). S: tiết diện lõi (m2). n: số vòng dây. µr: hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi. - Cảm kháng: là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở của cuộn dây khi có dòng điện. ZL = 2 f.L Với ZL: cảm kháng () L: hệ số tự cảm (H) f: tần số (Hz) - Điện trở thuần: là điện trở trong lòng cuộn dây tiêu thụ điện năng để sinh nhiệt, điện trở này có thể đo bằng đồng hồ. - Năng lượng từ trường: Cuộn dây có thể tích luỹ năng lượng từ trường.
1 W LI 2 2 Với W: năng lượng (J) L: hệ số tự cảm (H) I: dòng điện (A) 2.3.2. Lõi từ Sơ đồ đơn giản về ELCB sử dụng một lõi từ hình xuyến (thường là lõi ferít) để xuyên hai dây dẫn đi qua, phần dòng điện được lấy làm cảm ứng được quấn quanh lõi từ đó. Ở hình này thì dây dẫn điện lại được quấn xung quay lõi từ hình xuyến một cách đều nhau (để không gây ra sự lệch từ). Toroidal Iron Core (Lõi sắt hình xuyến) Hình 1.11 Phía dưới là một sơ đồ đấu nối của ELCB cho một mạch điện ba pha, nguồn tiêu thụ là một động cơ. Đây chỉ là một sự minh hoạ giúp hiểu rằng ELCB không chỉ đơn thuần bảo vệ chống rò điện ở các mạch điện một pha trong dân dụng, mà chúng còn sử dụng trong các mạch điện 3 pha trong công nghiệp hoặc các xưởng nhỏ.
Hình 1.12 2.3.3. Máy biến áp Bộ biến áp là linh kiện dùng để tăng hoặc giảm điện thế (hay cường độ) của các dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. a. Cấu tạo: biến áp gồm có hai hay nhiều cuộn dây tráng sơn cách điện quấn chung trên một lõi thép (mạch từ). Lõi của biến áp có thể là lõi sắt, lõi Ferit hay có trường hợp là lõi không khí. Cuộn dây nhận dòng điện xoay chiều vào là cuộn sơ cấp L1, cuộn dây lấy dòng điện xoay chiều ra là cuộn thứ cấp L2. Hình 1.13: Cấu tạo máy biến áp Ký hiệu máy biến áp:
b. Nguyên lý hoạt động của biến áp Hình 1.14 Khi cho dòng điện xoay chiều điện áp V1 vào cuộn dây sơ cấp, dòng điện I1 sẽ tạo ra từ trường biến thiên chạy trong mạch từ và sang cuộn thứ cấp, cuộn dây thứ cấp nhận được từ trường biến thiên sẽ làm từ thông qua cuộn dây thay đổi, cuộn thứ cấp cảm ứng cho ra dòng điện xoay chiều có điện áp là V2. Ở sơ cấp ta có :  V1 e1 N1. t Ở cuộn thứ cấp : V2 = e2 = - N2 Trong đó : N1 : là số vòng dây của cuộn sơ cấp N2 : số vòng dây của cuộn thứ cấp c. Công suất của biến áp Công suất của biến áp phụ thuộc tiết diện của lõi từ, và phụ thuộc vào tần số của dòng điện xoay chiều, biến áp hoạt động ở tần số càng cao thì cho công suất càng lớn. d. Các tỉ lệ của biến áp n1, n2: là số vòng dây quấn của cuộn sơ cấp và thứ cấp. V1, I1: là điện áp và dòng điện đi vào cuộn sơ cấp. V2, I2: là điện áp và dòng điện đi ra từ cuộn thứ cấp. - Tỉ lệ về điện thế: điện áp ở trên hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tỉ lệ thuận với số vòng dây quấn.
V1 n1 V 2 n2 - Tỉ lệ về dòng điện: dòng điện ở trên đầu hai cuộn dây tỉ lệ nghịch với điện áp, nếu ta lấy ra điện áp cao thì cho dòng càng nhỏ. I N 1 2 I 2 N1 - Tỉ lệ về công suất: Một biến thế lý tưởng được coi như không có tiêu hao trên hai cuộn dây sơ cấp, thứ cấp và mạch từ nên công suất ở sơ cấp và thứ cấp bằng nhau. V1. I1 = V2. I2 - Tỉ lệ về điện trở: Khi ở thứ cấp có dòng điện tiêu thụ I2 thì ở sơ cấp có dòng điện từ nguồn cung cấp vào là I1. Như vậy coi như có tải là R1 ở sơ cấp. Ta có tỉ lệ: 2 R1 N1 R2 N 2 2.3.4. Cách đọc trị số điện cảm theo màu Tương tự như đối với điện trở, trên thế giới có 1 số loại cuộn cảm có cấu trúc tương tự như điện trở. Quy định màu và cách đọc màu đều tương tự như điện trở. Tuy nhiên, do các giá trị của điện trở thường khá linh động đối với yêu cầu thiết kế mạch nên các cuộn cảm thường được tính toán và tính theo số vòng dây nhất định (với mỗi loại dây, loại lõi khác nhau giá trị cuộn cảm sẽ khác nhau). Cuộn cảm có thể làm bằng cách quấn các vòng dây dẫn điện: tùy công suất và độ tự cảm để chọn thiết diện của dây dẫn và số vòng.
2.4. Rơle Rơle là một thiết bị bảo vệ hệ thống hoặt động trên nguyên lý đóng cắt. Nó có vai trò như là một khoá. - Cấu tạo – ký hiệu: Gồm 1 cuộn dây, một hoặc nhiều cuộn giao hoán. Hoạt động giống như một nam cham điện.
Hình 1.15 Ghi chú: Pl stic c se: Vỏ nhự Lever: đ n bẩy Copper wire: dây đồng Shalt: thân dây Spring: lò xo Spins: chân Electro-m gnet: n m châm điện B se: nền - Nguyên tắc hoạt động: Biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua cuộn dây, từ trường lại tạo thành lực cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động tắc về cơ khí như đóng mở các hành trình của các thiết bị tự động. 2.4.1. Phân Loại Có một số loại Rơle như sau: + Rơle điện: Đóng cắt bằng điện. + Rơle từ : Đóng cắt bằng từ. + Rơle nhiệt : Đóng cắt bằng nhiệt. + Rơle thời gian: sau 1 thời gian thì Rơle sẽ đóng cắt.
2.4.2. Đóng cắt Rơle Đóng Rơle bằng cách cho điện vào hai cực của nam cham điện có tuỳ loại Rơle mà đưa điện áp vào Rơle. Ví dụ như: 5 V , 12 V . Sau đây là mạch biểu thị hoạt động của Rơle. Hình 1.16 2.4.3. Ứng dụng Rờ-le là "dùng một năng lượng nhỏ để đóng cắt nguồn năng lượng lớn hơn". Ví dụ như ta có thể dùng dòng điện 5V, 50mA để đóng ngắt dòng điện 120V,2A. Rờ-le được dùng khá thông dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ và chiếu sáng. Khi cần đóng cắt nguồn năng lượng lớn, rờ-le thường được ghép nối tiếp. Nghĩa là một rờ-le nhỏ điều khiển một rờ-le lớn hơn, và rờ-le lớn sẽ điều khiển nguồn công suất. 3. Xác định chất lượng linh kiện bằng VOM 3.1. Đo điện trở - Chọn thang đo  vào các vị trí x1, x10, - Chập hai đầu que đo lại, kim sẽ nhảy lên và xoay núm chỉnh 0 để kim chỉ đúng chỉ số 0 (phía phải). - Chấm hai que đo vào hai đuôi điện trở và đọc trị số trên mặt chia độ, sau đó lấy số đọc được nhân với thang đo để cho kết quả Ohm ().
Chú ý: - Dùng VOM đo, kim đồng hồ không lên. Kết luận điện trở bị đứt. - Khi đo, giá trị đọc được lớn hơn trị thực trên thân điện trở. Kết luận điện trở bị tăng trị số. - Khi đo, giá trị đọc được nhỏ hơn trị thực trên thân điện trở. Kết luận điện trở bị giảm trị số. 3.2. Xác định tụ điện - Nếu tụ điện có điện dung 1 đến 10F, chọn thang x10K. - Nếu tụ điện có điện dung 10 đến 100F, chọn thang x1K, x10K. - Nếu tụ điện có điện dung trên 100F, chọn thang x100, x1K. - Nếu tụ điện có điện dung trên 1000F, chọn thang x10, x100. 3.2.1. Đo tụ điện Khi chấm hai que đo vào hai đầu tụ điện, kim nhảy lên rồi trả về , đổi ngược đầu hai que đo, kim nhảy lên rồi trả về . Kết luận tụ tốt. 3.2.2. Xác định hư hỏng tụ điện - Đo với thang nào dù lớn nhất kim vẫn không lên. Kết luận tụ bị đứt. - Khi thử kim ohm kế rồi trở về đứng yên chỉ một số ohm cố định. Kết luận tụ bị rỉ. Chú ý: Khi kiểm tr độ phóng, phải đảo chiều que đo v i lần để kiểm tr độ phóng nạp. 3.3. Đo cuộn điện cảm Dùng VOM xác định tổng trở cuộn điện cảm. 3.4. Đo biến thế Dùng Ohm kế xác định biến thế tốt xấu lại có kết quả chính xác hơn. Tuy nhiên nếu cuộn dây chạm nhau một phần bên trong thì không xác định được (trường hợp này khi hoạt động, sờ tay thấy nóng, nếu không kịp tắt máy, biến thế có thể bốc khối cháy).
- Đo ohm các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp: Kim ohm kế phải nhảy lên chỉ một số ohm nào đó (nhiều, ít ohm tùy theo số vòng dây và tiết diện dây quấn). Nếu cuộn dây có nhiều dây ra cũng cần đo tạo các chấu nối dây. - Đo cách điện giữa hai cuộn sơ và thứ cấp: Một que ohm kế chấm vào một chấu sơ cấp, que kia chấm vào thứ cấp: Kim không được nhảy lên (nếu nhảy lên, biến thế đã bị chạm, thường thì kim chỉ lên 0). Nếu thứ cấp có nhiều riêng biệt, phải đo cách điện giữa cuộn thứ này với cuộn thứ khác, cũng như với cuộn sơ cấp: bất kỳ cuộn thứ nào quấn riêng đều cách điện với các cuộn khác. Với biến thế nguồn, sơ cấp 110-220V cở trăm ohm, thứ cấp dưới 10, cở dây càng lớn (ampere nhiều) đo càng ít ohm.
Bài 2: KHÁI NIỆM VỀ CHẤT BÁN DẪN - ĐIỐT BÁN DẪN A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài học này, người học có khả năng: - Trình bày đúng định nghĩa, tính chất của chất bán dẫn; - Trình bày đúng sự dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết, bán dẫn N, bán dẫn P; - Trình bày đúng về cấu tạo, kí hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của điốt, công dụng của điốt; - Xác định được cực tính và chất lượng điốt; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Khái niệm - tính chất của chất bán dẫn 1.1. Khái niệm Là các chất mà cấu tạo nguyên tử ở tầng ngoài cùng có bốn điện tử, chất bán dẫn có điện trở lớn hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện. Các chất bán dẫn điện thông dụng là : Silicium, Germanium. Từ các chất bán dẫn ban đầu (tinh khiết) người ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loịa N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor. 1.2. Đặc tính của chất bán dẫn 1.2.1. Điện trở suất 1014mm2 / m Si 12 2 Ge 8,9.10 mm / m Trị số điện trở suất này rất lớn so với chất dẫn điện như đồng ( 0,017mm2 / m) nhưng lại rất nhỏ so với chất điện như thuỷ tinh ( 1018mm2 / m) .
1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ Điện trở của chất bán dấn thay đổi rất lớn theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì điện trở chất bán dẫn giảm. 1.2.3. Ảnh hưởng của ánh sáng Điện trở của chất bán dẫn đặt trong vỏ kín không có ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn thì điện trở giảm xuống, độ chiếu sáng càng mạnh thì điện trở giảm càng lớn. 1.2.4. Ảnh hưởng của độ tinh khiết Một khối tinh khiết có điện trở rất lớn nhưng nếu pha thêm vào một tỉ lệ rất thấp thì các chất thích hợp thì điện trở của chất bán dẫn giảm xuống rõ rệt. Tỉ lệ pha càng cao thì điện trở càng giảm nhỏ. 2. Sự dẫn điện trong chất bán dẫn tinh khiết Xét cấu tạo nguyên tử của chất Silicium và chất Germanium. Chất Si có 14 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử này xếp thành 3 lớp. Chất Ge có 32 Electron bao quanh hạt nhân và các điện tử này xếp trên 4 lớp. Hình 2.1 Hai chất Si và Ge có đặc điểm chung là số Electron trên lớp ngoài cùng bằng nhau là 4 Electron ( hoá trị 4). Khi xét sự liên kết giữa các nguyên tử người ta chỉ xét lớp ngoài cùng. Trong khối bán dẫn tinh khiết, các nguyên tử gần nhau sẽ liên kết cùng nhau theo kiểu cộng hoá trị. Bốn điện tử của mỗi nguyên tử sẽ nối với bốn điện tử của nguyên tử xung quanh tạo thành 4 mối nối làm cho các điện tử được liên kết chặc chẽ với nhau. Sự liên kết này làm cho các điện tử khó tách rời khỏi Hình 2.2
nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Như vậy, chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn. 3. Sự dẫn điện trong chất bán dẫn N Khi pha một lượng nhỏ chất có hó trị 5 như Phospho(P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị, nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử thừa và trở thành điện tử tự do Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được gọi là chất bán dẫn N (Negative: âm). Hình 2.3 4. Sự dẫn điện trong chất bán dẫn P Khi pha thêm một lượng nhỏ chất có hóa trị 3 như Indium (In) vào chất Si thì 1 nguyên tử In sẽ liên kết với 3 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị và có một liên kết bị thiếu một điện tử trở thành lỗ trống (mang diện dương) và được gọi là chất bán dẫn P(Positive: dương). Hình 2.3
5. Cấu tạo, ký hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của Diode bán dẫn 5.1. Cấu tạo của Diode bán dẫn Khi trong một tinh thể bán dẫn Silicium hay Germanium được pha để trở thành vùng bán dẫn loại N (pha phosphor) và vùng bán dẫn loại P (pha indium) thì trong tinh thể bán dẫn hình thành mối nối P – N. Ở mối nối này có sự nhạy cảm đối với tác động của điện, quan, nhiệt. Hình 2.4a Hình 2.4b Hình 2.4c Trong vùng bán dẫn loại P có nhiều lổ trống, trong vùng bán dẫn N có nhiều Electron thừa. Khi hai vùng này tiếp xúc với nhau sẽ có một số Electron vùng N qua mối nối và tái hợp với lổ trống của vùng P. Khi hai chất bán dẫn đang trung hoà về điện mà vùng bán dẫn N bị mất electron (qua mặt nối sang vùng P) thì vùng bán dẫn N gần mối nối trở thành điện tích dương (ion dương), vùng bán dẫn P nhận thêm electron (từ vùng N sang) thì vùng bán dẫn P gần mối nối trở thành có điện tích âm (ion âm). Hiện tượng này tiếp diễn tới khi điện tích âm của vùng P đủ lớn đẩy electron không cho electron từ vùng N sang P. Sự chênh lệch điện tích ở hai bên mối nối như trên gọi là hàng rào điện thế. 5.2. Ký hiệu – hình dạng Chiều dòng điện đi qua diode
Thân đen Vòng trắng Hình 2.5 5.3. Nguyên lý hoạt động của Diode 5.3.1. Phân cực ngược Diode Hình 2.6a Hình 2.6b Dùng một nguồn điện nối vào cực âm của nguồn vào chân P của diode và cực dương của nguồn vào chân N của diode. Lúc đó, điện tích âm của nguồn sẽ hút lổ trống của vùng P và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng N làm cho lổ trống và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tương tái hợp giữa electron và lổ trống càng khó khăn. Tuy nhiên trường hợp này vẫn có dòng điện rất nhỏ đi qua diode từ vùng N sang vùng P gọi là dòng điện rỉ trị số khoảng  A. Hiện tượng này được giải thích là do trong chất bán dẫn P cũng có một số ít electron và trong chất bán dẫn N cũng có một số ít lổ trống gọi là hạt tải thiểu số, những hạt tải thiểu số này sẽ sinh ra hiện tượng tái hợp và tạo ra dòng điện rỉ. Dòng điện rỉ gọi là dòng điện bảo hoà nghịch IS. Do dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ nên trong ta coi như diode không dẫn điện khi phân cực ngược. 5.3.2. Phân cực thuận Diode (electron) Dùng một nguồn điện DC nối cực dương của nguồn vào chân P và cực âm của nguồn vào chân N của diode.
Hình 2.7a Hình 2.7b Lúc đó điện tích dương của nguồn sẽ đẩy lổ trống trong vùng P và điện tích âm của nguồn sẽ đẩy electron trong vùng N làm cho electron và lổ trống lại gần mối nối hơn và khi lực tĩnh điện đủ lớn thì electron từ N sẽ sang mối nối qua P và tái hợp với lổ trống. Khi vùng N mất electron trở thành mang điện tích dương thì vùng N sẽ kéo điện tích âm từ cực âm của nguồn lên thế chổ, khi vùng P nhận electron trở thành mang điện tích âm thì cực dương của nguồn sẽ kéo điện tích âm từ vùng P về. Như vậy: ta đã có một dòng điện tử chạy liên tục từ cực âm của nguồn qua diode từ N sang P về cực dương của nguồn, nói cách khác có dòng điện qua diode theo chiều từ P sang N. 2.5.4. Ứng dụng diode 5.4.1. Mạch nắn điện bán kỳ Hình 2.8 Biến thế T là bộ giảm áp đổi nguồn điện xoay chiều 220v xuống trị số thích hợp. Khi cuộn thứ cấp cho ra bán kỳ dương thì diode D được phân cực thuận nên dẫn điện IL qua điện trở tải RL cũng có trị số biến thiên theo bán kỳ dương của
nguồn V2 và cho ra điện áp trên tải VL dạng bán kỳ dương gần bằng V2. Khi cuộn thứ cấp cho ra bán kỳ âm thì diode D được phân cực ngược nên không có dẫn điện. Không có dòng điện chạy qua diode nên IL = 0 và VL = 0. Như vậy dòng điện qua tải IL và điện áp ra trên tải VL chỉ còn lại có bán kỳ dương, do đó mạch điện được gọi là mạch nắn điện một bán kỳ. 5.4.2. Mạch nắn điện chu kỳ hay toàn kỳ Hình 2.9 Biến thế có cuộn thứ cấp ba điểm, điểm giữa chia cuộn thứ cấp ra hai phần dều nhau. Khi điểm giữa nối xuống điểm chung 0V (mass) thì điện áp của hai điểm A và B là hai điện áp đảo pha nhau. Khi A có bán kỳ dương, Diode DA được phân cực thuận nên dẫn điện và cho ra trên tải dòng điện IL tăng theo bán kỳ dương. Lúc đó, B có bán kỳ âm, Diode DD được phân cực ngược nên ngưng dẫn. Khi A có bán kỳ âm, Diode DA được phân cực ngược nên ngưng dẫn. Lúc đó B có bán kỳ dương của diode DB được phân cực thuận nên dẫn điện và cho ra trên dòng tải dòng điện IL tăng theo bán kỳ dương. Như vậy, hai điện áp A và B là hai điện áp đảo pha nhau nên hai diode DA và DB sẽ luân phiên dẫn điện cho ra trên tải những bán kỳ dương liên tục.
5.4.3. Mạch nắn điện toàn kỳ dùng cầu diode Hình 2.10 6. Các thông số cơ bản của diode Hình 2.11a Hình 2.11b Trên hình 2.11a người ta cho dòg điện ID qua diode và điện áp VD trên hai chân P và N của diode. Đầu tiên phân cực thuận diode rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên và khi diode đạt trị số là VD = V thì mới bắt đầu có dòng điện qua diode. Điện áp V gọi là điện áp thềm hay điện áp nguỡng và có trị số tuỳ thuộc vào chất bán dẫn. Thực nghiệm cho biết: V = 0.5V  0.6V ; Vdmax = 0.8V  0.9V (chất S). V = 0.15V  0.2V ; Vdmax = 0.4V  0.5V (chất Ge). Hình 2.12: Đặc tuyến Volt-Ampere
Sau khi vượt qua điện áp thềm V thì dòng điện qua diode sẽ tăng lên theo hàm số mũ: q.VD K.T 19 I D Is.(e 1) q 1,6.10 coulomb(C) Thay số vào ta có : VD : Điện áp trên diode (V) q 1,6.10 19 39 K : hằng số Bônzman và k 1,38.10 23 J / K K.T 1,38.10 23.298 T : nhiệt độ tuyệt đối (K) Is : dòng bão hoà nghịch (A) 250 C 298K (25 273) K.T 1 Hay 25.7mV 26mV q 39 Công thức trên có thể viết dưới dạng đơn giản: VD 26mV I D Is.(e 1) VD VD 26mV 26mV Khi phân cực thuận: VD V thi e 1 nên I D I S .e VD 26mV Khi phân cực ngược, VD < 0 thì e << 1 nên Khảo sát hình 2.11b, ta có: ID = Is (Is: dòng bão hoà nghịch). Khi phân cực ngược diode rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên theo trị số âm chỉ có dòng điện rỉ (hay dòng điện bảo hoà nghịch) Is có trị số rất nhỏ qua diode. Nếu tăng cao mức điện áp nghịch đến một trị số khá cao, dòng qua diode tăng lên rất lớn sẽ làm hư diode. Lúc đó nhiều electron ở vùng chung quanh mối nối bị bứt ra, đập vào các điện tử lân cận tạo hiện tượng thác đổ làm tăng mạnh dòng điện qua diode. Điện thế ngược đủ để tạo ra dòng điện ngược lớn qua diode phải lớn hơn trị số VRmax. Lúc đó diode sẽ bị đánh thủng nên VRmax còn gọi là điện áp đánh thủng của diode. Khi sử dụng diode phải đặc biệt chú ý đến trị số này.
Ngoài ra diode có thông số kỹ thuật quan trọng đó là IFmax là dòng điện thuận cực đại. Khi dẫn điện, diode bị đốt nóng P = VD * ID. Nếu dòng điện ID lớn hơn trị số IFmax sẽ bị hư do quá nhiệt. Như vậy, một diode có các thông số kỹ thuật cần biết: - Chất bán dẫn để chế tạo để có V và VDmax. - Dòng điện thuận cực đại IFmax. - Dòng điện bảo hoà nghịch Is. - Điện áp nghịch cực đại VRmax.  Thí dụ Bảng tr các diode nắn điện thông dụng:
Mã số Chất I Fmax Is VRmax 1N4004 Si 1A 5 A 500V 1N4007 Si 1A 5 A 1000V 1N5408 Si 1A 5 A 1000V 7. Các xác định cực tính và chất lượng diode 7.1. Xác định Anod – Catod trong thực tế Đối với diode bình thường thì Catod là đầu sơn trắng, còn lại là Anod. 7.2. Xác định hư hỏng diode Sử dụng đồng hồ VOM, giai đo x1. Khi đo hai lần thuận – nghịch: - Một lần kim lên, một lần kim không lên: Diode tốt. - Kim đều lên chỉ số 0: Diode nối tắt. - Kim đều không nhảy lên: Diode bị đứt. - Kim lên gần bằng nhau (hoặc cách nhau rất ít): Diode bị rĩ.
Bài 3: CÁC DIODE ĐẶC BIỆT A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học bài học này, người học có khả năng: - Trình bày chính xác về cấu tạo, kí hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của các loại điốt; - Xác định đúng cực tính, chất lượng của các điốt; - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỷ và nghiêm túc trong học tập; - Đảo bảo an toàn linh kiện và bảo quản thiết bị đo. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Diode Zener 1.1. Cấu tạo – Ký hiệu Diode zener có cấu tạo giống như diode bình thường nhưng các chất bán dẫn được pha tạp chất với tỉ lệ cao hơn bình thường. Diode zener thường là loại Silicium. Hình 3.1:Ký hiệu – hình dạng diode Zener 1.2. Đặc tính - Trạng thái phân cực thuận: Diode zener có đặc tính giống như diode nắn điện thông thường - Trạng thái phân cực ngược do được pha tạp chất với tỉ lệ cao nên điện áp nghịch VR max có trị số thấp hơn diode nắn điện gọi là điện áp zener Vz. Hình 3.2: Đặc tuyến diode zener Ví dụ: 5V, 6V,8V,9V,12V,15V Khi phân cực ngược đến trị số Vz thì dòng điện tăng mà điện áp không tăng.
1.3. Ứng dụng: (Mạch ổn áp) Hình 3.3:Ứng dụng diode zener Nếu VDC VZ thì khi VDC th y đổi áp trên DZ không th y đổi - Sơ đồ trên minh họa ứng dụng của Dz, nguồn VDC nguồn có điện áp thay đổi, Dz là diode ổn áp, Ri là trở hạn dòng. - Khi nguồn VDC > Vz thì áp trên Dz luôn luôn cố định cho dù nguồn VDC thay đổi. - Khi nguồn VDC thay đổi thì dòng ngược qua Dz thay đổi, dòng ngược qua Dz có giá trị giới hạn khoảng 30mA. - Thông thường sử dụng VDC > 1.5 2 lần Dz và lắp trở hạn dòng R1 sao cho dòng ngược lớn nhất qua Dz < 30mA. 2. Diode biến dung (Varicap) Là loại diode bán dẫn được sử dụng như một tụ điện có trị số điện dung điều khiển được bằng điện áp. Nguyên lý làm việc của diode biến dung là dựa vào sự phụ thuộc của điện dung hàng rào điện thế của tiếp xúc P-N với điện áp ngược đặt vào nó
Hình 3.4: Ứng dụng diode biến dung trong mạch cộng hưởng - Ở hình 3.4 khi ta chỉnh biến trở VR, điện áp ngược đặt vào Diode biến dung thay đổi, điện dung của diode thay đổi làm thay đổi tần số cộng hưởng của mạch. - Trị số điện dung cực đạo của diode biến dung phụ thuộc vào loại diode và có trị số vào khoảng từ (5300) pF. Hình 3.5: Đặc tuyến diode biến dung - Diode biến dung thường được dùng trong các khối cao tần để chọn tín hiệu hoặc điều chỉnh tần số tự động. 3. Diode xuyên hầm (Diode Tunen) Được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1958 bởi Leo-Esaki nên còn được gọi là diode Esaki. Đây là một loại diode đặc biệt được dùng khác với nhiều loại diode khác. Diode hầm có nồng độ pha chất ngoại lai lớn hơn diode thường rất nhiều (cả vùng P lẫn vùng N). Hình 3.6: Đặc tuyến Volt – Ampere diode xuyên hầm Khi phân cực nghịch, dòng điện tăng theo điện thế. Khi phân cực thuận, ở điện thế thấp, dòng điện tăng theo điện thế nhưng khi lên đến đỉnh A (VP, IP),
dòng điện lại tự động giảm trong khi điện thế tăng. Sự biến thiên nghịch này đến thung lũng B (VV, IV). Sau đó, dòng điện tăng theo điện thế như diode thường có cấu tạo cùng chất bán dẫn. Đặc tính cụ thể của diode hầm tùy thuộc vào chất bán dẫn cấu tạo Ge, Si, GaAs (galium Asenic), GaSb (galium Atimonic) Vùng AB là vùng điện trở âm (thay đổi từ khoảng 50 đến 500 mV). Diode được dùng trong vùng điện trở âm này. Vì tạp chất cao nên vùng hiếm của diode hầm quá hẹp (thường khoảng 1/100 lần độ rộng vùng hiếm của diode thường), nên các hạt tải điện có thể xuyên qua mối nối theo hiện tượng chui hầm nên được gọi là diode hầm. - Diode xuyên hầm có tần số rất cao, đến hàng nghìn megahec. Diode đường hầm được dùng để khuếch đại, tạo sóng và chuyển mạch. 4. Diode phát quang LED (Light Emiting Diode) 4.1. Cấu tạo – ký hiệu – hình dạng Diode phát quang được gọi tắt là LED (Light Emitting Diode) được làm từ các chất Ga As, Ga P và GaGas P. Loại LED phát sáng dùng làm tín hiệu báo nguồn, báo trạng thái hoạt động của mạch, loại LED hồng ngoại dùng để truyền tín hiệu trong các bộ ghép quang 4.2. Ký hiệu – hình dạng Hình 3.7 : Ký hiệu Hình 3.7b: Cấu tạo
4.3. Nguyên lý hoạt động 4.3.1. Theo vật liệu - Diode GaAs cho ra ánh sáng hồng ngoại mà mắt không nhìn thấy được. - Diode GaAsP cho ra ánh sáng khả biến, khi thay đổi hàm lượng photpho sẽ cho ra ánh sáng khác nhau như đỏ, cam, vàng. - Diode Ga P pha thêm tạp chất sẽ bức xạ cho ánh sáng. Tuỳ loại tạp chất mà diode có thể cho ra các màu từ đỏ, cam , vàng, xanh lá cây. - Diode SiC khi pha thêm tạp chất sữ cho ra ánh sáng màu xanh da trời. LED màu xanh da trời chưa được phổ biến vì giá thành cao. Do khác nhau về vật liệu chế tạo nên điện áp ngưỡng của các loại LED cũng khác nhau: LED đỏ V = 1,6V  2V LED đỏ có V = 1,6V  2V LED cam có V = 2,2V  3V LED xanh lá có V = 2,7V 3V LED vàng có V = 2,4V  3,2V LED xanh da trời có V = 3V  5V LED hồng ngoại có V = 1,8V  5V 4.3.2. LED hai màu: LED hai màu là loại LED đôi gồm hai LED nằm song song và nguợc chiều nhau, trong đó có một LED đỏ và một LED xanh lá cây hay một LED vàng và một LED xanh lá cây. Loại LED hai màu thường để chỉ cực tính của nguồn hay chiều quay của động cơ. Ký hiệu của LED dưới đây là loại LED hai màu. Nếu chân A1 có điện áp dương thì LED 1 sáng và ngược lại nếu chân A2 có điện áp dương thì LED hai sáng.
Hình 3.8: Ký hiệu LED đôi h i m u 4.3.3. LED ba màu LED ba màu cũng là loại LED đôi nhưng không ghép song song mà hai LED chỉ có chung chân catod, trong đó một LED màu đỏ chân ra chân ngắn, một LED màu xanh lá cây ra chân dài, chân giữa là catod chung. Nếu chân A1 có điện áp dương thì LED đỏ sáng, nếu chân A1 có điện áp dương thì LED xanh sáng, nếu chân A1 và A2 đều có điện áp dương thì hai LED đều sáng và cho ra ánh sáng màu vàng. Hình 3.9: Ký hiệu-hình dáng LED đôi b m u 4.4. Ứng dụng Diode phát sáng thường được dùng trong các phần tử chỉ thị ở các sơ đồ bán dẫn, các thiết bị điện tử 5. Diode thu quang (photo diode) 5.1. Cấu tạo Diode quang có cấu tạo giống diode thường nhưng vỏ bọc cách điện có một phần là kính hay thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài chiếu vào mối nối P – N.
5.2. Đặc tính Hình 3.10: Ký hiệu-hình dáng, đặc tính v đặc tuyến diode thu qu ng Mối nối P-N phân cực nghịch khi được ánh sáng chiếu vào mạch tiếp giáp sẽ phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối và dòng điện biến đổi một cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào nó. Tỷ số điện trở photo diode trong trường hợp được chiếu sáng và bị che tối. - Khi bị che tối: Rnghịch = vô cực ohm; Rthuận: rất lớn. - Khi chiếu sáng: Rnghịch = 10k  - 100k ; Rthuận: vài trăm ohm. Diode quang được sử dụng rộng rải trong các hệ thống tự động điều khiển theo ánh sáng, báo động cháy 6. Xác định cực tính và chất lượng diode - Đặt đồng hồ VOM ở thang x1Ω, đặt hai que đo vào hai đầu Diode. - Đo chiều thuận que đen vào Anod, que đỏ vào Catod => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt. - Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là Diode bị chập. - Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt. - Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị rỉ.
Bài 4: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi hoc xong bài học này, người học có khả năng: - Trình bày đúng cấu tạo, kí hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của Transistor l- ưỡng cực; - Trình bày đúng các đặc tuyến, thông số cơ bản của Transistor lưỡng cực; - Trình bày đúng các kiểu mắc mạch, các đặc tính cơ bản của các kiểu mạch Transistor lưỡng cực; - Kiểm tra được tình trạng transistor; - Lắp ráp, cân chỉnh được các kiểu mạch của Transistor PNP, NPN; - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỷ và nghiêm túc trong học tập; - Đảm bảo an toàn linh kiện và ý thức bảo quản thiết bị đo. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Cấu tạo, ký hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của transistor lưỡng cực 1.1. Cấu tạo Transistor là linh kiện bán dẫn gồm có 3 lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành hai mối nối P – N. Tuỳ theo cách xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế tạo hai loại transistor là PNP và NPN Hình 4.1: Cấu tạo tr nsistor - Cực phát E (Emitter) - Cực thu C (Collector) - Cực nền B (Base)
Ba vùng bán dẫn được nối ra 3 chân gọi các cực E, C, B. Cực phát E và cực thu C tuy cùng chất bán dẫn nhưng do kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không thể hoán đổi nhau được. Để phân biệt với các loại transistor khác, loại PNP và NPN còn được gọi là transistor lưỡng nối viết tắc là BJT (Bipolar Junction Transistor).
1.2 Ký hiệu, hình dáng Ký hiệu: Hình 4.2: Ký hiệu tr nsistor Để phân biệt hai loại transitor NPN và PNP người ta dùng ký hiệu mũi tên ở cực E để chị chiều dòng điện IE. Hình dáng Transistor công suất nhỏ Transistor công suất lớn Transistor công suất lớn ( Con sò) Hình 4.3: Các hình dạng tr nsistor 1.3. Nguyên lý hoạt động của transistor 1.3.1. Xét transistor loại NPN - Thí nghiệm 1: Hình 4.4 Cực E nối vào cực âm, cực C nối vào cực dương của nguồn DC, cực B để hở.
Trường hợp này điện tử trong vùng bán dẫn N của cực E và C, đo tác dụng của lực tĩnh điện sẽ bị duy chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên điện tử từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên không có hiện tượng tái hợp giữa điện tử và lỗ trống và do đó không có dòng điện qua transistor. - Thí nghiệm 2 : Hình 4.5 Làm giống như thí nghiệm 1 nhưng nối cực B vào một điện áp dương sao cho: VB > VE và VB < VC Trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực B và cực E giống như một diode (gọi là diode BE) được phân cực thuận nên dẫn điện, điện tử từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ sang vùng bán dẫn P của cực B để tái hợp với lỗ trống. Khi đó vùng bán dẫn P của cực B nhận thêm điện tử nên có điện tích âm Cực B nối vào điện áp dương của nguồn nên sẽ hút một số điện tử trong vùng bán dẫn P xuống tạo thành dòng điện IB. Cực C nối vào điện áp dương cao hơn nên hút hầu hết điện tử trong vùng bán dẫn P sang vùng bán dẫn N của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên khi bán dẫn N bị mất điện tử sẽ bị hút điện tử từ nguồn âm lên hết thế chỗ tạo thành dòng điện IE. Chiều mũi tên trong transistor chỉ chiều dòng điện tử di chuyển, dòng điện qui ước chạy ngược dòng điện tử nên dòng điện IB và IC đi từ ngoài vào transistor, dòng IE đi từ trong transistor ra.
Số lượng điện tử bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều chạy sang cực E. Tacó: IE = IB + IC - Trạng thái phân cực thuận cho hai mối nối: Hình 4.6 Về cấu tạo trnsistor NPN được xem hai diode ghép ngược. Transistor dẫn điện khi được cung cấp điện áp. Lúc đó, diode BE được phân cực thuận các diode BC được phân cực ngược 1.3.2. Xét transistor loại PNP - Thí nghiệm 3: Hình 4.7 Đối với transistor PNP thì điện áp nối vào các chân ngược lại với transistor NPN. Hạt tải di chuyển trong transistor PNP là các điện tử xuất phát từ cực E trong khi đối với transistor PNP thì hạt tải di chuyển là lỗ trống xuất phát từ cực E. Transistor PNP cócực E nối vào cực dương, cực C nối vào cực âm của nguồn DC, cực B để hở. Trường hợp này lỗ trống trong vùng bán dẫn P của cực E và cực C, do tác dụng của lực tĩnh điện, sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn N của cực B nên không có hiện tượng tái hợp giữa lỗ trống và điện tử và không có dòng điện qua transistor.
- Thí nghiệm 4 : Nối cực B vào một điện áp âm sao cho VB VC Hình 4.8 Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực E và cực B giống như diode (gọi là diode BE) Được phân cực thuận nên dẫn điện, lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sang vùng bán dẫn N của cực B để tái hợp với điện tử. Khi vùng bán dẫn N của cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương. Cực B nối vào điện áp âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống vào vùng bán dẫn N xuống tạo thành dòng điện IB. Cực C nối vào điện áp âm cao hơn nên hút hầu hết lỗ trống trong vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp dương nên khi vùng bán dẫn P bị mất lỗ trống sẽ hút lỗ trống từ nguồn dương lên thế chổ tạo thành dòng điện IE. Hai mũi tên trong transitor chỉ chiều lỗ trống di chuyển, dòng lỗ trống chạy ngược chiều dòng điện tử nên dòng lỗ trống có chiều cùng chiều với dòng qui ước, dòng điện IB và Ic từ trong transitor đi ra, dòng điện IE đi từ ngoài vào transistor. Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E chạy đều qua cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều từ cực E chạy qua. Tacó : IE = IB + IC - Trạng thái phân cực thuận cho hai mối nối: Hình 4.9 Về cấu tạo transistor PNP được xem như hai diode ghép ngược. Diode BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực ngược.
1.4. Công dụng Trong thực tế một thiết bị không có Transistor thì chưa phải là thiết bị điện tử, vì vậy transistor có thể xem là một linh kiện quan trọng nhất trong các thiết bị điện tử, các loại IC thực chất là các mạch tích hợp nhiều transistor trong một linh kiện duy nhất, trong mạch điện, transisor được dùng để khuếch đại tín hiệu Analog, chuyển trạng thái Digital, sử dụng làm các công tắc điện tử, làm các bộ dao động, 2. Đặc tuyến và các thông số kỹ thuật của transistor 2.1. Đặc tuyến ngõ vào IB/VBE Hình 4.10: Đặc tuyến ngỏ v o IB/ VBE Nguồn điện áp VBB có thể điều chỉnh được. Đặc tuyến chỉ sự quan hệ giữa dòng điện IB và theo điện áp VBE. Đặc tuyến IB/VBE có dạng giống như đặc tuyến của diode, sau khi điện áp VBE tăng đến trị số điện áp thềm V thì bắt đầu có dòng điện IB và dòng điện IB cũng tăng lên theo hàm mũ như dòng ID của diode. Ở mổi điện áp VBE thì dòng điện IB có trị số khác nhau Hình 4.11: Đặc tuyễn ngỏ v o IB/ VBE Ví dụ:
VBE = 0.5V IB = 10µA VBE = 0.55V IB = 20µA . VBE = 0.6V IB = 30µA VBE = 0.65V IB = 40µA . Đặc tuyến trên ứng với điện áp VCE = 2V, khi điện áp VCE lớn hơn 2V thì đặc tuyến thay đổi không đáng kể. 2.2. Đặc tuyến truyền dẫn IC / VBE Hình 4.11: Đặc tuyến truyền dẫn IC/ VBE Đặc tuyến IC/ VBE có dạng giống như đặc tuyến IB/VBE nhưng dòng điện IC có trị số lớn hơn IB nhiều lần Ở mổi điện áp VVE thì dòng điện IC có trị số khác nhau Ví dụ : VBE = 0.5V IC = 1mA VBE = 0.55V IC = 2 mA VBE = 0.6V IC = 3mA VBE = 0.65V IC = 4mA I Hình 4.12: Đặc tuyến ngỏ vào Ic/ VBE Người ta tạo tỉ số C  : Gọi là độ khuếch đại dòng điện của transistor. I B
Ví dụ : Ở điện áp VBE = 0.55V thì IB = 20µA , IC = 2mA I 2mA Suy ra  C 100 I B 20A Độ khuếch đại dòng điện  thường có trị số lớn từ vài chục đến vài trăm lần. Trong lý thuyết vận chuyển của transistor ta có: IE = IB + IC I C Thay  hay IC = IB vào công thức trên ta có: I B IE = IB + IB =  1 I B Do >>1 nên tính toán gần đúng ta có thể lấy : IE =  1 I B hay IE = IC 2.3. Đặc tuyến ngõ ra IC / VCE Hình 4.13: Đặc tuyến ngỏ v o Ic/ VCE Thay đổi điện áp VCE bằng cách điều chỉnh nguồn VCC Hình 4.14: Đặc tuyến ngỏ r Ic/ VCE
- Nếu cực B không có điện áp phân cực đủ lớn (VB< V ) thì dòng điện IB = 0 và IC = 0, do đó đầu tiên phải tạo điện áp phân cực VBE, để tạo dòng IB , sau đó tăng điện áp VCE, để đo dòng điện IC. - Khi tăng VCE từ 0V lên, dòng IC tăng nhanh và sau khi đạt trị số IC =  * IB thì gần như IC không thay đổi mặc dù VCE tiếp tục ăng cao. Muốn dòng điện IC tăng cao hơn thì phải tăng phân cực ở cực B để cho IB tăng cao hơn, khi đó dòng IC sẽ tăng theo VCE trên đường đặc tuyến cao hơn. 2.4. Các thông số kỹ thuật của transistor Đặc tính kỹ thuật của transistor, ngoài 3 đặc tính quan trọng vừa xét còn có một số thông số kỹ thuật có ý nghĩa giới hạn mà phải biết khi sử dụng transistor. 2.4.1. Độ khuếch đại dòng điện  - Độ khuếch đại dòng điện của transistor thật ra không phải là một hằng số mà có trị số thay đổi theoi dòng điện IC. Hình 4.15 - Khi dòng điện Ic nhỏ thì thấp, dòng điện Ic tăng thì tăng đến giá trị cực đại max nếu tiếp tục tăng Ic đến mức bão hoà thì giảm. - Trong các sách tra đặc tính kỹ thuật của transistor thường chỉ ghi giá trị max hay trong một khoảng từ mức thấp nhất đến tối đa Ví dụ : = 80 đến 200 lần 2.4.2. Điện áp giới hạn Điện áp đánh thủng (Breakdown Voltage) là điện áp ngược tối đa đặc vào giữa các cặp cực, nếu quá điện áp này thì transistor sẽ bị hư. - BVCEO : điện áp đánh thủng giữa C và E khi cực B hở. - BVCBO : điện áp đánh thủng giữa C và B khi cực E hở.
- BVEBO : điện áp đánh thủng giữa E và B khi cực C hở. 2.4.3. Dòng điện giới hạn Dòng điện qua transistor phải được giới hạn ở một mức cho phép, nếu quá trị số này thì transistor bị hư. Ta có: Icmax là đòng điện tối đa ở cực C và Ibmax dòng điện tối đa ở cực B. 2.4.4. Công suất giới hạn Khi dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhiệt làm nóng transistor Công thức : PT = Ic.VCE Mỗi transistor đều có một công suất giới hạn được gọi là công suất tiêu tán tối đa Pdmax. Nếu công suất sinh ra trên transistor lớn hơn công suất PDmax thì transistor sẽ bị hư 2.4.5. Tần số cắt (thiết đoạn) Tần số thiết đoạn (fcut – off) là tần số mà transistor có độ khuếch đại công suất bằng 1. Ví dụ : Transistor 2SC458 có các thông số kỹ thuật như sau :  = 230, BVCEO = 30V, BVCEO = 30V, BVEBO = 6V, Pdmax = 2000mW, fcut – off = 230hz, Icmax = 100mA, loại NPN chất Si. 2.5. Xét transisstor PNP Hình 4.16
- Transistor PNP được phân cực với các điện áp ngược đối transistor NPN, đồng thời các loại transistor NPN thông thường làm bằng chất Si trong khi transistor PNP thông thuờng làm bằng chất Ge. - Nguồn điện áp âm phân cực cho cực B và cực C. - Transistor PNP cũng có đặc tuyến ngõ vào đặc tuyến truyền dẫn, đặc tuyến ngõ ra và các thông số kỹ thuật tương tự như transistor NPN nhưng giá trị điện áp và dòng điện đều là trị số âm. 2.6. Đo kiểm tra xác định tình trạng transistor 2.6.1. Đo xác định chân B và C - Với Transistor công xuất nhỏ thì thông thường chân E ở bên trái như vậy ta chỉ xác định chân B và suy ra chân C là chân còn lại. - Để đồng hồ VOM thang x1Ω , đặt cố định một que đo vào từng chân, que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên = nhau thì chân có que đặt cố định là chân B, nếu que đồng hồ cố định là que đen thì là Transistor ngược, là que đỏ thì là Transistor thuận 2.6.2. Phương pháp kiểm tra Transistor - Transistor khi hoạt động có thể hư hỏng do nhiều nguyên nhân, như hỏng do nhiệt độ, độ ẩm, do điện áp nguồn tăng cao hoặc do chất lượng của bản thân Transistor, để kiểm tra Transistor ta hãy nhớ cấu tạo của chúng. Hình 4.17: Cấu tạo v mối nối củ Tr nsistor - Kiểm tra Transistor ngược NPN tương tự kiểm tra hai Diode đấu chung cực Anod, điểm chung là cực B, nếu đo từ B sang C và B sang E (que đen vào B)
thì tương đương như đo hai diode thuận chiều => kim lên, tất cả các trường hợp đo khác kim không lên. - Kiểm tra Transistor thuận PNP tương tự kiểm tra hai Diode đấu chung cực Katod, điểm chung là cực B của Transistor, nếu đo từ B sang C và B sang E (que đỏ vào B) thì tương đương như đo hai diode thuận chiều => kim lên, tất cả các trường hợp đo khác kim không lên. - Trái với các điều trên là Transistor bị hỏng. 2.6.3. Transistor có thể bị hỏng ở các trường hợp - Đo thuận chiều từ B sang E hoặc từ B sang C => kim không lên là transistor đứt BE hoặc đứt BC. - Đo từ B sang E hoặc từ B sang C kim lên cả hai chiều là chập hay dò BE hoặc BC. - Đo giữa C và E kim lên là bị chập CE. 3. Các kiểu mạch khuếch đại 3.1. Mạch mắc kiểu E chung 3.1.1. Sơ đồ mạch Mạch mắc theo kiểu E chung có cực E đấu trực tiếp xuống mass hoặc đấu qua tụ xuống mass để thoát thành phần xoay chiều, tín hiệu đưa vào cực B lấy ra trên cực C, mạch có sơ mạch như sau: Hình 4.18
3.1.2. Đặc tính: - Mạch mắc theo kiểu E chung thường được phân cực sao cho điện áp VCE khoảng 60% ÷ 70% Vcc. - Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều lần, như vậy mạch khuếch đại về điện áp. - Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào. - Tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào : vì khi điện áp tín hiệu vào tăng => dòng IBE tăng => dòng ICE tăng => sụt áp trên Rc tăng => kết quả là điện áp chân C giảm,và ngược lại khi điện áp đầu vào giảm thì điện áp chân C lại tăng => vì vậy điện áp đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào. - Mạch mắc theo kiểu E chung như trên được ứng dụng nhiều nhất trong thiết bị điện tử. 3.2. Mạch mắc kiểu C chung 3.2.1. Sơ đồ mạch: Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass hoặc dương nguồn (Lưu ý: về phương diện xoay chiều thì dương nguồn tương đương với mass), Tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E, mạch có sơ đồ như sau: Q1 Hình 4.19 3.2.2. Đặc tính: - Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E.
- Biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào: Vì mối BE luôn luôn có giá trị khoảng 0,6V do đó khi điện áp chân B tăng bao nhiêu thì áp chân C cũng tăng bấy nhiêu => vì vậy biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào. - Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào: Vì khi điện áp vào tăng => thì điện áp ra cũng tăng, điện áp vào giảm thì điện áp ra cũng giảm. - Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần: Vì khi tín hiệu vào có biên độ tăng => dòng IBE sẽ tăng => dòng ICE cũng tăng gấp β lần dòng IBE vì ICE = β.IBE giả sử Transistor có hệ số khuyếch đại β = 50 lần thì khi dòng IBE tăng 1mA => dòng ICE sẽ tăng 50mA, dòng ICE chính là dòng của tín hiệu đầu ra, như vậy tín hiệu đầu ra có cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu vào. - Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuếch đại đệm (Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh, người ta thường dùng mạch Damper để khuếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn. - Ngoài ra mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn. 3.3. Mạch mắc kiểu B chung 3.3.1. Sơ đồ mạch - Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E và lấy ra trên chân C, chân B được thoát mass thông qua tụ. - Mạch mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế. 3.3.2. Đặc điểm - Mạch mắc kiểu B chung khuyếch đại về điện áp và không khuyếch đại về dòng điện. - Tín hiệu điện áp ngỏ ra và ngỏ vào đồng pha nhau. Hình 4.20
Bài 5: CÁC KIỂU MẠCH ĐỊNH THIÊN CHO TRANSISTOR LƯỠNG CỰC A.MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài học này, người học có khả năng: - Trình bày đúng các kiểu mạch định thiên (phân cực) của Transistor lưỡng cực; - Phân tích đúng nguyên lý hoạt động của các kiểu định thiên; - Lắp ráp, cân chỉnh được các kiểu mạch định thiên của Transistor lưỡng cực; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Mạch định thiên cố định Transistor có rất nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử , tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể mà transistor cần được cung cấp điện áp và dòng điện cho từng chân một cách thích hợp. Việc chọn điện áp nguồn và điện trở cho các chân transistor gọi là phân cực cho transisstor. 1.1. Phân cực bằng hai nguồn điện riêng 1.1.1. Trường hợp không có RE Hình 5.1 Transistor có độ khuếch đại dòng  = 100 và VBE = 0.7V Ở ngõ vào nguồn VBB cung cấp dòng điện IB cho cực B qua điện trở RB VBB VBE 3V 0.6 Tacó : IB = = = 20µA RB 120K Suy ra dòng điện ở cực C là
Ic =  .IB = 100 .20µA = 2mA Ở ngõ ra dòng điện Ic được cung đo nguồn Vcc và dòng điện Ic qua điện trở Rc tạo giảm áp VCE = VCC – IC .RC = 12V – ( 2mA .3K) = 6V Trên transistor có dòng điện Ic qua và chịu điện áp VCE nên tiêu hao một công suất là: P = VCE . IC = 6V . 2mA = 12mW Từ các trị số dòng điện và điện áp trên ta có thể xác định điểm làm việc của transistor trên đặc tuyến ngõ ra. Từ công thức tính VCE ta có thể suy ra công thức tính dòng điện Ic Vcc Vce Ic = Rc - Nếu Ic = 0 thì VCE = Vcc Vcc - Nếu VCE = 0V thì Ic = Ic max Rc Đường thẳng nối hai điểm Vce = Vcc và gọi là đường tải tĩnh. Vcc Vce Công thức Ic = Gọi là Rc phương trình đường tải tĩnh Điểm làm việc của transistor là điểm có toạ độ Q (VCE = 6V, Ic=2mA) nằm trên đường tãi tĩnh. Khi thay đổi dòng điện IB sẽ làm thay đổi dòng điện Ic và điểm làm việc của transistor sẽ thay đổi trên đuờng tãi tĩnh. Hình 5.2
1.1.2. Trường hợp có RE Hình 5.3 Trường hợp này có thêm điện trở RE ở cực E có dòng điện IE đi qua (IE = IC = .IB) sẽ tạo ra điện áp VB nên dòng điện ở ngõ vào IB được tính theo công thức: VBB = IB . RB + VBE + IE . RE Thay IE =  . IB vào công thức trên ta có: VBB = IB . RB + VBE + . IB . RE Suy ra : VBB = IB ( RB + . RE ) + VBE VBB VBE 3V 0.7 2.3V I B 20A RB .RE 70K (100*0.5K) 120 Suy ra IC = IE = . IB = 100 . 20µA = 2mA Ta có thể tính điện áp từng chân của transistor so với điểm 0V theo công thức sau: VE = IE . RE = 2mA * 0.5K = 1V VB = VE + VBE = 1V + 0.6V = 1.6V VC = VCC – ( IC . RC) = 12V – (2mA * 2.5K) = 7V Xét mạch ngõ ra để tìm phương trình đường tãi tĩnh VCC = (IC . RC) + VCE + (IE. RE) (với IE = IC ) Suy ra : VCC = IC ( RC + RE ) + VCE Phương trình đường tải tĩnh là :
VCC VCE I C RC RE Nếu IC = 0 thì VCE = VCC VCC Nếu VCE = 0V thì IC = I C I C max RC RE VCC Nối liền hai điểm VCE = VCC và Icmax = có đường tải tĩnh RC RE Điện áp VCE ở điểm làm việc Q được tính theo công thức: VCE = VCC – IC ( RC + RE ) = 12V – 2mA ( 2.5K + 0.5K ) = 6V Hay có thể tính trực tiếp từ điện áp Vc và VE đã có : VCE = VC – VE = 7V – 1V = 6V Điểm làm việc của transistor là điểm nằm trên đường tải tĩnh có toạ Q (VCE = 6V, IC = 2mA). Hình 5.4 1.2. Phân cực bằng một nguồn điện chung Hình 5.5
Dùng nguồn VCC giảm áp bằng điện trở RB nên dòng điện ngõ vào được tính theo công thức : VCC = IB*RB + VBE + IE*RE VCC = IB*RB + VBE +  *IB*RE VCC = IB ( RB + *RE ) + VBE Suy ra : VCC VBE 12V 0.6V IB = 20A RB  * RE 520K (100*0.5K) Dòng điện cực ở ngõ ra IC = * IB = 100* 20µA = 2mA IE = IC =2mA Tính điện áp các chân VE = IE * RE = 2mA* 0.5K = 1V VB = VE + VBE = 1V + 0.7V = 1.7V Vc = VCC – (IB*RC) = 12V – (2mA * 2.5K) = 7V Điện áp VB có thể tính theo công thức xét ở ngõ vào VB = VCC – ( IB*RB ) = 12V – ( 20µA * 520K) = 1.6V Phương trình đường tải tĩnh là : VCC VCE IC = RC RE Trong mạch có điện trở RE và RC có đường tải tĩnh và điểm làm việc giống như trên. 2. Mạch định thiên hồi tiếp điện áp (hồi tiếp song song) Hình 5.6a là một tầng cực phát chung với điện trở R’ được nối từ ngõ ra trở về ngõ vào. Giống như mạch hình 5.6a ta thấy mạch trộn song song được dùng và Xf là dòng điện If chạy qua R’.
Hình 5.6 : Hồi tiếp điện thế song song Hình 5.6b: Khuếch đại hồi tiếp Nếu chúng ta cho v0 = 0, dùng hồi tiếp If sẽ giảm tới 0 chỉ rằng kiểu lấy mẫu điện thế được sử dụng. Vậy mạch này là mạch khuếch đại hồi tiếp điện thế song song. Như thế độ lợi truyền (điện trở truyền) Af = RMf được ổn định và cả hai điện trở ngõ vào và ngõ ra đều bị giảm. Mạch khuếch đại không hồi tiếp: Mạch vào được xác định bằng cách nối tắt nút ra (V0 = 0) như vậy R’ nối từ cực B đến cực E của BJT. Mạch ngõ ra được xác định bằng cách nối tắt nút vào (vi = 0), như vậy R’ nối từ cực thu đến cực phát. Kết quả là mạch tương đương không hồi tiếp được vẽ lại ở hình 5.6b. Vì tín hiệu hồi tiếp là dòng điện, nguồn tín hiệu được biểu diễn bằng nguồn tương đương Norton với IS = vS /RS. Tín hiệu hồi tiếp là dòng điện If chạy qua điện trở R’ nằm trong mạch ngõ ra. Từ hình 5.6b: I 1  f V0 R' Ðiều này chứng tỏ rằng If tỉ lệ với V0 và tín hiệu lấy mẫu là điện thế. Với mạch khuếch đại có hồi tiếp ta có: V0 1 RMf R' IS  Chú ý rằng điện trở truyền bằng lượng âm của điện trở hồi tiếp từ ngõ ra
về ngõ vào. Và nếu R’ là một điện trở ổn định thì điện trở truyền sẽ ổn định. Ðộ lợi điện thế với mạch hồi tiếp: v0 v0 1 R' RMf AVF vS RS IS RS RS RS 3. Mạch định thiên hồi tiếp dòng điện (hồi tiếp nối tiếp) Xem mạch hình 5.7 có hồi tiếp Từ các lý luận của mạch Emitter follower ta thấy rõ là tín hiệu hồi tiếp Xf = vf là điện thế ngang qua điện trở RE và là cách trộn nối tiếp. Ðể thử loại lấy mẫu ta cho V0 = 0 (RL=0). Việc làm này không tạo cho điện thế vf ngang qua RE trở thành 0v. Như vậy mạch này không lấy mẫu điện thế. Bây giờ nếu cho I0 = 0 (RL = ) nghĩa là dòng cực thu bằng 0 nên vf ngang qua RE cũng bằng 0. Vậy mạch lấy mẫu dòng điện ngõ ra. Vậy là mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp. Hình 5.7 : Mạch hồi tiếp d ng điện nối tiếp Hình 5.7b: Mạch căn bản không hồi tiếp Chú ý: mặc dù dòng điện I0 tỉ lệ với v0 nhưng không thể kết luận là mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp vì nếu điện thế lấy mẫu là v0 thì: v I R R ' f 0 E E v I R R 0 0 L L và β’ bây giờ là một hàm số của tải RL. Mạch ngõ vào của mạch khuếch đại không hồi tiếp tìm được bằng cách cho
I0 bằng 0, RE xuất hiện ở mạch vào. Ðể tìm mạch ngõ ra ta cho Ii = 0 và RE cũng hiện diện ở mạch ngõ ra. Mạch được vẽ lại như hình 5.7b. Vì điện thế hồi tiếp tỉ lệ với I0 là dòng điện được lấy mẫu nên vf xuất hiện ngang qua RE trong mạch điện ngõ ra (và không phải ngang qua RE trong mạch ngõ vào). v R ' f E R I I E Vậy: 0 0 Vì vi = vs nên: I0 ib  GM vi vs RS re RE RE F 1  'GM 1 RS re RE R r R (1  ) S e E RS re RE G  Và M GMf F RS re (1 )RE Nếu (1+)RE >> RS +re thì: 1 1 GMf RE ' Nếu RE là một điện trở cố định, độ lợi điện dẫn truyền của mạch hồi tiếp rất ổn định. Dòng qua tải được cho bởi: vS vS I0 GMf .vS  RS re (1 )RE RE Dòng qua tải như vậy tỉ lệ trực tiếp với điện thế ngõ vào và dòng này chỉ tùy thuộc RE. Một ứng dụng là dùng mạch này làm mạch điều khiển làm lệch chùm tia điện tử trong dao động nghiệm. Ðộ lợi điện thế cho bởi: I0RL RL AVf GM .RL vS RS re (1  )RE R A L Vf R E
4. Phân cực cho cực B bằng cầu phân áp Hình 5.8a Hình 5.8b Trong mạch cực B được phân cực bằng nguồn VCC giải áp qua cầu phân áp RB1 – RB2 Ở ngõ ra có hai dòng điện là IR từ nguồn VCC đi qua hai điện trở RB1 và RB2 xuống mass và dòng điện IB từ nguồn qua điện trở RB1 vào transistor. Việc tính toán dòng điện và điện áp ở các chân transistor sẽ phức tạp hơn các mạch trên. Để tính toán phân cực cho transistor trong mạch người ta dùng định lý Thevenin để đổi nguồn điện ngõ vào từ VCC và cầu phân áp RB1 – RB2 thành nguồn VBB và RB. Công thức đổi nguồn điện theo định lý Thevenin là : RB2 10K VBB = VCC 12V 1.8V RB1 RB2 56K 10K RB1 * RB2 56K *10K RB 8.5K RB1 RB2 56K 10K Sau khi đổi nguồn ở ngõ vào, và cách tính giống như trường hợp phân cực bằng hai nguồn riêng. Ta vẫn tính dòng điện ngõ vào IB theo công thức VBB VBE 1.8V 0.7V I B 20A RB  * RE 8.5K (100*0.5K) Từ dòng điện IB ta có thể suy ra IC, IE và các điện áp VE, VB, VC và vẽ đường tải tĩnh tương tự như trên.
5. Mạch định thiên hồi tiếp hỗn hợp. Mạch phân cực bằng cầu chia điện thế và hồi tiếp điện thế rất thông dụng. Ngoài ra tùy trường hợp người ta còn có thể phân cực BJT theo các dạng sau đây thông qua các bài tập áp dụng. Hình 5.9a Hình 5.9b Hình 5.9c
Bài 6: TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG (JFET) A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài học này, người học có khả năng: - Trình bày đúng cấu tạo, kí hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của Transistor trường; - Trình bày đúng các đặc tuyến, thông số cơ bản của Transistor trường; - Trình bày đúng các kiểu mắc mạch, các đặc tính cơ bản của các kiểu mạch Transistor trường; - Lắp ráp, cân chỉnh được các kiểu mạch của Transistor trường; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Transistor trường Transistor trường được viết tắc là FET (Field Effect Transistor) là loại transistor có tổng trở vào rất lớn, khác với loại transistor lưỡng nối BJT loại loại NPN và PNP có tổng trở vào tương đối nhỏ. FET có hai loại JFET và MOSFET, trong đó MOSFET chia làm hai loại là MOSFET liên tục và MOSFET gián đoạn. 1.1. Transistor trường JFET 1.1.1. Cấu tạo JFET có hai loại JFET kênh N và JFET kênh P - Cực tháo D (Drain) - Cực nguồn S (Source) - Cực cổng G (Gate)
Hình 6.1: Cấu tạo JFET JFET kênh N có cấu tạo gồm có thanh bán dẫn loại N, hai đầu nối với hai dây ra gọi là cực tháo D và cực nguồn S. Hai bên thanh bán dẫn loại N là hai vùng bán dẫn loại P tạo thành mối nối PN như diode, hai vùng nối dính nhau gọi là cực cửa G. JFET kênh P có cấu tạo tương tự nhưng chất bán dẫn ngược lại với JFET kênh N. Ký hiệu: Hình 6.2: Ký hiệu JFET JFET kênh N và kênh P có ký hiệu như hình trên và được phân biệt bằng chiều mũi tên ở cực G. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động Xét mạch thí nghiệm JFET kênh N như sơ đồ hình 6.3, cực D nối vào cực dương nguồn Vcc, cực S nối vào cực âm nguồn Vcc. Nguyên lý hoạt động của JFET kênh N và kênh P giống nhau chúng chỉ giống nhau về chiều của nguồn điện cung cấp vào các chân cực. Để cho JFET làm việc ở chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn điện VGS có chiều sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều được phân cực ngược, còn nguồn điện VDS có chiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S, qua kênh, về cực máng D để tạo nên dòng điện trong mạch cực máng ID.
Xét nguyên lý hoạt động của JFET kênh N: Để cho hai vùng P-N phân cực ngược, phải cung cấp nguồn Vcc có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm vào chân cực cửa G để cho các hạt dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn về cực máng thì nguồn điện VD có chiều dương vào cực máng Hình 6.3 chiều âm vào cực nguồn. 1.1.3. Ứng dụng Trong kỹ thuật điện tử, transistor trường được sử dụng gần giống như transistor lưỡng cực. Tuy nhiên, do một số các ưu nhược điểm của FET so với BJT, đặc biệt là hệ số khuếch đại thấp, mà transistor trường thường được sử dụng ở mạch thể hiện được ưu thế của chúng. Đặc biệt trong việc tích hợp IC thì transistor trường ứng dụng rất hiệu quả vì cho phép tạo ra các IC có độ tích hợp cao. Sau đây ta xem xét một vài mạch ứng dụng của FET. a. Tầng khuếch đại vi sai dùng FET Để tăng trở kháng vào (tới hàng chụ M) người ta sử dụng transistor trường như hình sau. Về nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai không có gì khác với mạch dùng transistor lưỡng cực, chỉ có trở kháng vào của mạch dùng FET thì lớn hơn nhiều (có thể tới hàng trăm lần cao hơn so với dùng Hình 6.4 BJT). b. Mạch phát sóng RC dùng FET
Ở tầng số khuếch đại có hệ số khuếch đị K= gm.RL, trong đó gm là độ dẫn của FET và RL là điện trở tải của mạch. RD Rd RL RD Rd Tần số dao động của mạch: 1 f 2 6RC Mạch tạo dao động RC cho dao động có tần số dù thấp. Trong khối khuếch, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào (FET mắc nguồn chung) nên mạch hồi tiếp RC phụ thuộc tần số phải dịch tín hiệu 1800 ở tần số phát sóng. Hình 6.5 1.2. Transistor trường MOSFET Transistor MOSFET chia làm hai loại là MOSFET liên tục và MOSFET gián đoạn. Mỗi kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo tính chất bán dẫn là kênh N hay kênh P. Chỉ xét MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo kênh P. 1.2.1. Cấu tạo Hình 6.6 Kênh dẫn điện là hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao (N+) được nối liền với nhau bằng vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cấp thấp (N) được khuếch tán trên một nền là chất bán dẫn loại P phía trên kênh dẫn địên có phủ lớp oxit cách điện SiO2.
Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào hai vùng bán dẫn N+ gọi là cực S và D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp oxít nhưng vẫn cách điện với kênh N. Thường cực S được nối chung với nền P. Ký hiệu: Kênh N Kênh P 1.2.2. Nguyên tắc hoạt động Xét mạch thí nghiệm như hình 6.7. Transistor loại MOSFET kênh sẵn có hai loại là kênh loại P và kênh loại N. Khi transistor làm việc, thông thường cực nguồn S được nối mass nên VS=0. Các điện áp đặt vài các chân cực cửa G và cực tháo D là so với chân cực S. Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực tháo D để tạo nên dòng điện ID. Còn điện áp đặt trên cực Hình 6.7 cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc nghèo hạt dẫn. Nguyên lý làm việc của transistor kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau. 1.2.3. Ứng dụng Hình 6.8: Ứng dụng Mosfet
Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, thường dùng cặp linh kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vuông được đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp >0V đèn Mosfet dẫn, khi xung dao động =0V Mosfet ngắt như vậy dao động tạo ra sẽ điều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp cho ta điện áp ra. 2. Đặc tuyến và các thông số cơ bản của transistor trường 2.1. Transistor JFET Xét mạch sơ đồ JFET kênh N như sau, cực D nối vào cực dương nguồn Vcc cực S nối vào cực âm nguồn Vcc. Hình 6.9 V 2.1.1. Khi cực G để hở (VGS = 0 ) Lúc này dòng điện sẽ qua kênh theo chiều từ cực dương của nguồn vào cực D và ra ở cực S để trở về nguồn âm của Vcc. Lúc đó kênh có tác dụng như một điện trở. V Khi tăng nguồn Vcc để tăng điện thế VDS từ 0 lên thì dòng điện ID tăng lên nhanh nhưng sau đó đến một điện thế giới hạn thì dòng điện ID không tăng được nữa gọi là dòng điện bão hòa IDSS. Điện thế DDS có IDSS gọi là điện thế nghẽn VPO. Hình 6.10 V 2.1.2. Khi cực G có điện âm (VGS <0 ) Khi cực có điện thế âm nối vào chất bán dẫn P, trong kênh N có dòng điện qua nên có điện thế dương ở giữa chất bán dẫn N sẽ làm mối nối PN bị phân cực ngược làm điện tử trong chất bán dẫn của kênh N bị đẩy Hình 6.11
và thu hẹp tiết diện kênh nên điện trở kênh dẫn điện tăng lên, dòng ID giảm xuống. Khi tăng điện thế âm ở cực G thì mức phân cực nghịch càng lớn làm dòng ID càng giảm nhỏ và đến một trị số giới hạn thì dòng điện ID gần như không còn. Điện thế này ở cực G gọi là điện thế nghẽn –VPO. JFET kênh P có mạch thí nghiệm như hình 6.12 với nguồn Vcc cung cấp cho cho VDS, điện thế cung cấp cho cực G bây giờ là điện thế dương (VG > VS). JFET kênh P cũng có đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền dẫn giống như JFET kênh N nhưng có các dòng điện và điện thế ngược dấu. Hình 6.12 2.2. Transistor MOSTFET Xét mạch thí nghiệm sơ đồ sau: Hình 6.12 Hình 6.13a Hình 6.13b
a. Khi VGS = 0 Trường hợp này kênh dẫn có tác dụng như một điện trở, khi tăng điện áp VGS thì dòng điện ID tăng lên một trị số giới hạn là IDSS (Dòng IDS bão hoà). Điện áp VDS ở trị số IDSS cũng gọi là điện áp nghẽn VPO giống như JFET. b. Khi VGS 0 Trường hợp phân cực G có điện áp dương thì điện tử thiểu số ở vùng nền P bị hút vào nền N nên làm tăng tiết diện kênh, điện trở kênh bị giảm xuống và dòng điện ID tăng cao hơn trị số bảo hoà IDSS. Trong trường hợp này ID lớn dễ hư MOSFET nên ít được sử dụng. Đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET liên tục kênh liên tục. Hình 6.13a là đặc tuyến ngỏ ra ID/VDS và hình 6.9b là đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET liên tục kênh N. Như vậy đặc tuyến truyền dẫn cho thấy, khi VGS>V thì có dòng điện qua transistor. Điện thế V cũng được gọi là điện thế thềm và trị số khoảng 1V. 2.3. Các thông số kỹ thuật Transistor trường ứng có tổng trở vào rất lớn giống đặc tính của đèn điện tử ba cực do cực G cách điện đối với kênh dẫn điện. Do đó, các thông số kỹ thuật của FET cũng giống như các thông số kỹ thuật của đèn điện tử ba cực.
2.3.1. Độ truyền dẫn Độ truyền dẫn của FET là tỉ số giữa mức biến thiên của dòng điện ID và mức biến thiên của điện thế VGS khi só VGS không đổi. I D iD gm mA/ v VGS vgs 2.3.2. Độ khuếch đại điện thế Độ khuếch đại điện thế của FET là tỉ số giữa mức biến thiên điện thế ngõ ra VDS và mức biến thiên điện thế ngỏ vào VGS khi có ID không đổi. V v  DS ds VGS vgs 2.3.3. Tổng trở ngỏ ra. Tổng trở của FET là tỉ số giữa điện thế ngỏ ra vds và dòng điện cực tháo id. VDS vds r0 (kilo ohm) VGS id 3. Các kiểu mạch cơ bản của transistor trường 3.1. Mạch mắc kiểu S chung Trong sơ đồ hình 6.7, nguồn cung cấp một chiều VDD, điện trở phân cực RG, tải RD. Sơ đồ mắc cực nguồn chung giống như sơ đồ mắc cực phát chung đối với transistor lưỡng cực, có điểm khác là dòng IG thực tế bằng 0 và trở kháng vào rất lớn. Đặc điểm của sơ đồ cực nguồn chung: - Tín hiệu vào và tín hiệu ra ngược pha nhau. - Trở kháng vào rất lớn Zvào = RGS - Trở kháng ra Zra = RD // rd
- Hệ số khuếch đạo điện áp  S rd > Hình 6.14: Sơ đồ mắc cực nguồn chung 1. Đối transistor JFET kênh N thì hệ số khuếch đại điện áp khoảng từ 150 lần đến 300 lần, còn đối transistor JFET kênh loại P thì hệ số khuếch đại chỉ bằng một nửa là khoảng 75 lần đến 150 lần. 3.2. Sơ đồ mắc cực tháo chung Sơ đồ mạch mô tả trong hình 6.8. Sơ đồ mắc cực tháo chung giống như sơ đố mắc cực thu chung của transistor lưỡng cực. Tải RS được đấu ở mạch cực nguồn và sơ đồ còn được gọi là mạch lặp cực nguồn Đặc điểm của sơ đồ này có: - Tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng pha nhau Zvào = RGD = 1 - Trở kháng ra rất nhỏ Z ra RS // g m - Hệ số khuếch đại điện áp <1 Sơ đồ cực tháo chung được dùng rộng rãi hơn, cơ bản là nó giảm được điện dung vào của mạch, đồng thời có trở kháng vào rất lớn. Sơ đồ Hình 6.15: Sơ đồ mắc cực tháo chung này thường được dùng để phối hợp trở kháng giữa các mạch. 3.3. Sơ đồ mắc cực cửa chung Sơ đồ này theo nguyên tắc không sử dụng do trở kháng vào nhỏ, trở kháng ra lớn Hình 6.16: Sơ đồ mắc cực cử chung
Bài 7: CÁC KIỂU MẠCH PHÂN CỰC TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG (JFET) A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học bài học này, người học có khả năng: - Trình bày đúng các kiểu mạch định thiên (phân cực) của Transistor trường; - Phân tích đúng nguyên lý hoạt động của các kiểu định thiên; - Lắp ráp, cân chỉnh được các kiểu mạch định thiên của Transistor trường; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. B. NỘI DUNG BÀI HỌC Giống như transistor lưỡng cực, transistor trường cũng có các cách phân cực như: phân cực cố định, phân cực phân áp, phân cực hồi tiếp 1. Mạch phân cực ổn định 1.1. Phân cực cố định Trong cách phân cực này nguồn điện VGG được đặt vào cực cửa và mạch được gọi là phân cực cố định vì có VGS = - VGG có giá trị cố định. Như vậy, muốn xác định điểm làm việc Q thích hợp ta phải dùng 2 nguồn cung cấp. Đây là điều bất lợi của phương pháp phân cực này. Hình 7.1: Mạch phân cực cố định củ JFET loại N 1.2. Phân cực phân áp Phương pháp này thì rất hữu hiệu cho transistor lưỡng cực nhưng đối với JFET thì không tiện sử dụng.
Hình 7.2: Mạch phân áp cho JFET kênh loại N 1.3. Phân áp tự cấp (còn gọi là tự phân cực) Đây là cách phân cực không giống như BJT và nó là cách phân cực hữu hiệu nhất cho JFET, trong cách phân cực này thì điện áp VGS = - ID.RS Hình 7.3: Mạch phân cực tự cấp cho JFET kênh N 2. Mạch phân cực hồi tiếp điện áp Trong mạch hồi tiếp điện áp hình 7.4 tín hiệu hồi tiếp lấy trên cầu phân áp R1 – R2 ở ngỏ ra được ghép nối tiếp với nguồn tín hiệu Vs để đưa vào cực G.
Hình 7.4: Mạch khuếch đại hồi tiếp điện áp Tụ phân dòng Cs ghép song song Rs có tác dụng nối tắt tín hiệu xoay chiều trên cực S xuống mass. Tín hiệu ở ngỏ vào Vgs chính là tín hiệu từ cực G xuống mass. Như vậy ta có: Vgs = Vs + Vf Trong mạch khuếch đại ráp cực nguồn chung, tín hiệu vào và ra đảo pha nhau nên Vs và Vf đảo pha nhau. Do đó, Vgs nhỏ hơn Vs và mạch là loại hồi tiếp âm. Theo định nghĩa, hệ số hồi tiếp là: V R b f 2 V0 R1 R2 Do có cầu phân áp R1 – R2 nên điện trở ở ngỏ ra là: RD (R1 R2) RL RD // R1 R2 RD R1 R2 Độ khuếch đại vòng hở của mạch là (khi chưa có điện áp hồi tiếp) V0 .RL AV 0 (1) Vgs rd RL Độ khuếch đại hồi tiếp là: VO AVO AVF Vgs 1 b.AVO Thay AVO va b vào công thức AVF ta có:  1 b A (2) VF r d R 1 b L So sánh dạng biểu thức (1) và (2), ta đặt: .R r  L và r d 1 b d 1 b
Ta sẽ có: .RL AVF (3) rd RL Như vậy khi có hồi tiếp thì hệ số khuếch đại  và nội trở rd sẽ bị giảm 1+  b lần. Điều này có nghĩa là mạch khuếch đại hồi tiếp sẽ bị giảm độ khuếch đại nhưng cũng giảm nội trở ra để thích ứng với các tải có trị số điện trở nhỏ hơn. 3. Mạch phân cực hồi tiếp dòng điện Mạch khuếch đại có hồi tiếp âm dòng điện ghép nối tiếp chính là mạch khuếch đại dùng FET không có tụ phân dòng Cs như hình 7.5 Khi khuếch đại, dòng điện của tín hiệu ra id qua điện trở Rs tạo ra điện áp xoay chiều Vs chính là tín hiệu hồi tiếp Vf. Hình 7.5: Mạch khuếch đại hồi tiếp d ng điện Khi tín hiệu vào Vs tăng làm Vgs tăng dẫn đến id tăng sẽ làm cho tín hiệu hiệu hồi tiếp Vf cũng tăng. Như vậy, tín hiệu hồi tiếp Vf đồng pha với tín hiệu vào Vs. Ta có: Vgs = Vs - Vf Do Vf và Vs đồng pha nên Vgs nhỏ hơn Vs nghĩa là mạch hồi tiếp âm. Trong phần mạch khuếch đại cực nguồn chung không có Cs ta có độ lợi điện áp của mạch là: V0  R D AV AVF VS (1 ) R S rd RD
Theo nguyên lý hồi tiếp thì hệ số hồi tiếp của mạch là: V i R R b f d S S V0 id R D RD Người ta phân biệt độ lợi vòng hở (khi chưa có hồi tiếp) là:  Vgs V0 id R D rd RD RS  R D AV 0 Vgs Vgs vgs rd RD RS Độ lợi vòng kín hay độ lợi hồi tiếp là: V0 AV 0 AVF VS 1 b.AV 0 Thay AV0 vào công thức AVF ta vẫn có:  R D AVF (1 ) R S rd RD
Bài 8: CÁC LINH KIỆN BỐN MẶT TIẾP GIÁP A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học bài học này, người học có khả năng: - Trình bày đúng cấu tạo, kí hiệu quy ước, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các linh kiện; - Xác định đúng cực tính, chất lượng của các linh kiện; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. SCR (Thyristor – Silicon Controlled Rectifier). 1.1. Cấu tạo – Ký hiệu SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối PN). Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi cổng silicium. Các tiếp xúc kim loại được tạo ra các cực Anod A, Catot K và cổng G.
1.2. Nguyên lý hoạt động Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dòng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều. Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cực âm nối với anod) sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng điện kích IG. Như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode nhưng có thêm cực cổng G và I A A để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng. G P Cổng N VA IG (Gate) K Ta thấy SCR có thể coi như tương P đương với hai transistor PNP và NPN liên R N G RA kết nhau qua ngõ nền và thu. K VAA Khi có một dòng điện nhỏ IG kích VGG vào cực nền của Transistor NPN T1 tức Hình 8.2 cổng G của SCR. Dòng điện IG sẽ tạo ra dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại chính là dòng nền IB2 của transistor PNP T2 nên tạo ra dòng thu IC2 lại lớn hơn trước Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là dòng anod của SCR. Dòng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA. Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor. Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dòng điện duy trì IH (hodding current).
1.2.1. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR IA Diode SCR thường IG2 > IG1 > 0 IH IG = 0 VBR 0 VAK 0,7V VBO Hình 8.3 Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế anod-catod VAK với dòng cổng IG coi như thông số. - Khi SCR được phân cực nghịch (điện thế anod âm hơn điện thế catod), chỉ có một dòng điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR. - Khi SCR được phân cực thuận (điện thế anod dương hơn điện thế catod), nếu ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ, chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem như SCR không dẫn điện), nhưng khi VAK đạt đến một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK tự động sụt xuống khoảng 0,7V như diode thường. Dòng điện tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy trì IH. Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như diode thường. Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi dòng kích IG càng lớn, điện thế quay về VBO càng nhỏ. 1.2.2. Các thông số của SCR Sau đây là các thông số kỹ thuật chính của SCR - Dòng thuận tối đa: Là dòng điện anod IA trung bình lớn nhất mà SCR có thể chịu đựng được liên tục. Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR, có thể từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere.
- Điện thế ngược tối đa: Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà chưa xảy ra sự hủy thác (breakdown). Đây là trị số VBR ở hình trên. SCR được chế tạo với điện thế nghịch từ vài chục volt đến hàng ngàn volt. - Dòng chốt (latching current): Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Dòng chốt thường lớn hơn dòng duy trì chút ít ở SCR công suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở SCR có công suất lớn. - Dòng cổng tối thiểu (Minimun gate current): Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG. Tuy nhiên trong ứng dụng, thường người ta phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện ngay. Tùy theo mỗi SCR, dòng cổng tối thiểu từ dưới 1mA đến vài chục mA. Nói chung, SCR có công suất càng lớn thì cần dòng kích lớn. Tuy nhiên, nên chú ý là dòng cổng không được quá lớn, có thể làm hỏng nối cổng-catod của SCR. - Thời gian mở (turn – on time): Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường là 0,9 lần dòng định mức). Thời gian mở khoảng vài S. Như vậy, thời gian hiện diện của xung kích phải lâu hơn thời gian mở. - Thời gian tắt (turn – off time): Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK xuống 0 Volt, tức dòng anod cũng bằng 0. Thế nhưng nếu ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì SCR vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích. Thời gian tắt SCR là thời gian từ lúc điện thế VAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà SCR không dẫn điện trở lại. Thời gian này lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục S. Như vậy, SCR là linh kiện chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa khoảng vài chục KHz. - Tốc độ tăng điện thế. K‎ý hiệu: dv/dt Ta có thể làm SCR dẫn điện bằng cách tăng điện thế anod lên đến điện thế quay về VBO hoặc bằng cách dùng dòng kích cực cổng. Một cách khác là tăng điện thế anod nhanh tức là dv/dt lớn mà bản thân điện thế V anod không cần lớn. Thông số dv/dt là tốc độ tăng điện thế lớn nhất mà SCR chưa dẫn, vượt trên vị trí này SCR sẽ dẫn điện. Lý do là có một điện dung nội Cb giữa hai cực nền của
transistor trong mô hình tương đương của SCR. dv Dòng điện qua tụ là:i C . Dòng điện này chạy vào cực nền của T1. cb b dt dv Khi đủ lớn thì icb lớn đủ sức kích SCR. Người ta thường tránh hiện tượng này dt bằng cách mắc một tụ C và điện trở R song song với SCR để chia bớt dòng icb.
- Tốc độ tăng dòng thuận tối đa ký hiệu l di/dt. Đây là trị số tối đa của tốc độ tăng dòng anod. Trên trị số này SCR có thể bị hư. Lý do là khi SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu điện thế giữa anod và catod còn lớn trong lúc dòng điện anod tăng nhanh khiến công suất tiêu tán tức thời có thể quá lớn. Khi SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này dễ bị hư hỏng. Khả năng chịu đựng của di/dt tùy thuộc vào mỗi SCR. 1.3. Ứng dụng 1.3.1. Mạch điều khiển tốc độ động cơ Trong mạch điều khiển hình dưới đây thì động cơ M là động cơ vạn năng - loại động có thể dùng điện AC hay DC + Vcc 1 M 2 D R1 1K VR 100K R2 SCR + 4,7K R3 C=1 1K - Vcc Hình 8.4 Dòng điện qua động cơ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thay đổi góc kích của dồng IG. Khi SCR chưa dẫn thì chưa có dòng điện qua động cơ, Diode D nắn điện bán kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở VR. điện áp cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R2 – R3.
Giả sử điện áp đủ để kích cho cực G là VG = 1V và dòng điện kích IGmin = 1mA thì điện áp trên tụ C phải khoảng 10V. Tụ C nạp điện qua R1 và qua VR với hằng số thời gian là:  = C (R1 + R2) Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ tức là thay đổi thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của SCR tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của động cơ bị thay đổi. Khi dòng AC có bán kỳ âm thì Diode D và SCR đều bị phân cực nghịch nên Diode ngưng dẫn và SCR cũng chuyển sang trạng thái ngưng. 1.3.2. Mạch báo động Hình 8.5 Xét mạch thí nghiệm trên: - Nếu SCR dùng với nguồn một chiều thì có thể ứng dụng trong các mạch báo động quá nhiệt, quá áp suất, theo ánh sáng hay báo trộm khi kẻ trộm mở cửa hay cửa tủ. - Nếu nút P là nút ấn bằng tay để ấn khi khẩn cấp, công tắc K là công tắc tự động có thể là loại Thermostat để bảo vệ quá nhiệt hay Pressostat để báo quá áp suất và S là công tắc tí hon được đặt ở các cửa nhà, cửa tủ, - Khi một trong các tiếp điểm trên đóng lại thì SCR sẽ được kích dẫn điện và duy trì trạng thái dẫn để cấp điện đèn báo hiệu và còi hú để báo động.
1.3.3. Mạch đèn khẩn cấp khi mất điện: D1 R1 Được chọn tùy theo dòng nạp accu SCR T1 D2 6,3V 220V/ 100 50Hz D3 R3 1K 6,3V F R2 150 + Ắc qui = 6V - ĐÈN Hình 8.6 Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, ắc qui được nạp qua D1, R1. Khi mất điện, nguồn điện ắc qui sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn. 1.3.4. Mạch nạp accu tự động Hình 8.7 - Khi ắc qui nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi ắc qui đã nạp đầy, điện thế cực dương lên cao, kích SCR2 làm
SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ ắc qui. - VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp). 2. TRIAC (Triod AC Semiconductor Switch) 2.1. Cấu tạo – ký hiệu Về cấu tạo Triac gồm các lớp bán dẫn P –N ghép nối tiếp nhau như hình 8.7 và được nối ra ba chân, hai chân đầu cuối là T1 – T2 và một chân là cực cửa G. Triac có thế được xem như hai SCR ghép song song và ngược chiều nhau sao cho có chung cực cửa G. Từ cấu tạo hình 8.7 Triac có ký hiệu như hình 8.8 và cũng được coi như hai SCR ghép song song và ngược chiều nhau. Hình 8.8 Hình 8.9 : Ký hiệu Tri c Hình 8.9b: Tri c tương đương 2SCR 2.2. Nguyên lý hoạt động Theo cấu tạo một Triac được xem như hai SCR ghép song song và ngược
chiều nên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta khảo sát như thí nghiệm trên hai SCR a. Khi cực T2 có điện thế dương và cực G được kích xung dương thì Triac dẫn điện theo chiều từ T2 qua T1 (hình 8.10a) Hình 8.10a b. Khi T2 có điện thế âm và cực G được kích xung âm thì Triac dẫn điện theo chiều từ T1 qua T2 (hình 8.10b). Hình 8.10b Hình 8.10c c. Khi Triac được dùng trong mạch điện xoay chiều công nghiệp thì nguồn có bán kỳ dương, cực G cần được kích xung dương, khi nguồn có bán kỳ âm, cực G cần được kích xung âm. Triac cho dòng điện qua được cả hai chiều và khi đã dẫn điện thì điện thế trên hai cực T1 – T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dùng trong mạch điện xoay chiều (hình 8.10c) 2.2.1. Đặc tính Triac như gồm bởi một SCR PNPN dẫn điện theo chiều từ trên xuống dưới, kích bởi dòng cổng dương và một SCR NPNP dẫn điện theo chiều từ dưới lên kích bởi dòng cổng âm. Hai cực còn lại gọi là hai đầu cuối chính
(main terminal). - Do đầu T2 dương hơn đầu T1, để Triac dẫn điện ta có thể kích dòng cổng dương và khi đầu T2 âm hơn T1ta có thể kích dòng cổng âm. Triac có đặc tính Volt Ampere gồm hai phần đối xứng nhau qua điểm 0, hai phần này giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiều nhau. Hình 8.11 2.2.2. Các cách kích Triac Theo nguyên lý vận chuyển của Triac thì Triac cần được kích xung dương thì T2 có điện thế dương và cần được kích xung âm khi cực T2 có điện thế âm. Thực ra Triac có thế kích bằng bốn cách như trong hình 8.11 trong đó cách thứ nhất và thứ hai được gọi là cách kích thuận vì đúng theo nguyên lý và chỉ cần dòng điện kích trị số nhỏ so với cách thứ ba và thứ tư. Hình 8.12
2.3. Ứng dụng Hình 8.13a Hình 8.13b Hình 8.13a là sơ đồ nguyên tắc mạch điều khiển Triac thay đổi dòng điện cung cấp cho tải. Mạch dịch có tác dụng thay đổi thời điểm cho ra xung kích cho cực G của Triac sớm hay trễ, mạch phát xung thường là mạch dao động tích thoát tạo ra xung nảy hay là Diac để khống chế điện thế kích cho cực G. Hình 8.13b là mạch điều khiển Triac đơn gian dùng cho các loại tải có công suất nhỏ. Ở mỗi bán kỳ của nguồn điện xoay chiều cực G của Triac điều được kích bằng điện thế thích hợp theo cách kích thuận nên Triac dẫn điện liên tục cả hai bán kỳ khi công tắc S ở vị trí ON. Khi công tắc S ở vị trí Auto thì tuỳ thuộc vào trạng thái tiếp điểm K, tiếp điểm K có thể là tiếp điểm của bộ điều nhiệt tự động (Thermosmat) hay bộ điều áp tự động (Pressostat) hay các loại công tắc giới hạn (thường gọi là Micro Switch). 3. DIAC (Diode AC Semiconductor Switch) 3.1. Cấu tạo – ký hiệu Diac có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp nhau như một Transistor nhưng chỉ ra có hai chân nên được xem như một Transistor không có cực nền. hai cực ở hai dầu được gọi là T1 và T2 và do tính chất đối xứng của Diac nên không cần phân biệt T1 – T2.
Hình 8.14 3.2. Nguyên lý hoạt động Hình 8.15 Xét mạch thí nghiệm trên nguồn Vcc có thể chỉnh được từ thấp lên cao. Khi Vcc có trị số thấp thì dòng điện qua Diode chỉ là dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ. Khi tăng điện thế Vcc lên một trị số đủ lớn là VBO thì điện thế trên Diac bị giảm xuống và dòng điện tăng lên nhanh. Điện thế này gọi là điện thế ngập (Breakover) và dòng điện qua Diac ở điểm VBO là dòng điện ngập IBO. V V Điện thế VBO của Diac có trị số trong khoảng từ 20 đến 40 . Dòng điện IBO có trị số khoảng từ vài chục A đến vài trăm A. Hình đặc tính của Diac hơi giống như đặc tính của hai Diode Zener ghép nối tiếp như ngược chiều nhau. Khi điện thế đặc vào hai chân T1 – T2 của hai Diode Zener Z1 – Z2 thì sẽ bị phân cực thuận một Diode
Zener cho ra điện thế VD 0,7V và phân cực ngược Diode Zener tạo ra hiệu ứng Zener cho ra điện thế VZ. Như vậy điện thế VBO của Z1 – Z2 chính là: VBO = VD + VZ Khi đổi chiều dòng điện ngược lại thì vẫn có một Zener phân cực thuận và một Zener phân cực nghịch nên ta cũng có điện thế VBO theo công thức trên. 3.3. Ứng dụng Trong ứng dụng, DIAC thường dùng để mở Triac. Thí dụ như mạch điều chỉnh độ sáng của bóng đèn Ở bán ký dương thì điện thế tăng, tụ nạp điện cho đến điện thế VBO thì DIAC dẫn, tạo dòng kích cho Triac dẫn điện. Hết bán kỳ dương, Triac tạm ngưng. Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện thế -VBO, DIAC lại dẫn điện kích Triac dẫn điện. Ta thay đổi VR để thay đổi thời hằng Hình 8.16 nạp điện của tụ C, do đó thay đổi góc dẫn của Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng của bóng đèn. 4. Diode bốn lớp (Diode Shockley) 4.1. Cấu tạo – ký hiệu Diod shockley là linh kiện bán dẫn bốn lớp PN xen kẻ nhau(diod 4 lớp) giống như SCR nhưng không có cực cổng G mà chỉ có anod và catod. Cấu tạo cơ bản và ký hiệu cùng với đặc tuyến Volt-Ampere khi phân cực thuận được mô tả sau đây:
Hình 8.17 4.2. Nguyên lý hoạt động Hình 8.18 Phân cực Diod Shockley như hình thí nghiệm trên. Khi điện áp phân cực VAK ở mức thấp Shockley không dẫn, khi tăng điện áp VAK đủ lớn đến một mức giới hạn gọi là điện áp ngập VBO (hay còn gọi là điện áp chuyển mạch VS do dịch từ Switching Voltage) thì Diode Shickley dẫn điện, dòng điện qua diode tăng lên nhưng điện áp VAK giảm xuống đến mức điện áp duy trid VH (Holding) và sau đó dòng điện IA tăng lên theo đường đặc tuyến của diode. Đoạn đặc tính từ điện áp VS đến VH gọi là vùng điện trở âm vì đoạn này có dòng IA nhưng VAK lại giảm. Đoạn đặc tính từ đoạn IH trở lên gọi là vùng bảo hòa vì IA tăng nhưng VAK tăng không đáng kể. Điện áp chuyển mạch VS có trị số danh định là 8V. Khi diode Shockley được
phân cực ngược sẽ không dẫn điện, nếu tăng điện áp ngược lên đủ lơn đến một trị giới hạn gọi là VBR thì diode sẽ bị đánh thủng. 4.3. Ứng dụng Áp dụng thông thường của Diod shockley là dùng để kích SCR. Khi phân cực nghịch, Diod shockley cũng không dẫn điện. - Bán kỳ dương, tụ C nạp điện đến điện Hình 8.19 thế VBO thì Diod shockley dẫn điện, kích SCR dẫn. - Bán kỳ âm, Diod shockley ngưng, SCR cũng ngưng. 5. Xác định cực tính và chất lượng của các linh kiện 5.1. Cách đo SCR Dùng VOM kim thang Rx1 đặt que đen vào cực A, que đỏ vào cực K của SCR, đồng thời que đen cũng đặt dính vào cực G (G-A đều dính vào que đen), nhả cực G ra, nếu kim đồng hồ vẫn lên chứng tỏ SCR tốt, lưu ý “tốc độ” kích nhả cực G càng nhanh càng tốt. 5.2. Cách đo TRIAC Cách đo TRIAC gần giống như SCR: - Do TRIAC có cấu tạo gồm hai SCR bên trong nên khi kẹp que đen vào cực G, đặt que đỏ vào 2 cực còn lại, kim đều lên, đây chính là điểm khác biệt cơ bản giữa SCR và TRIAC. - Hai cực MT1 và MT2 có điện trở rất lớn. - Dùng phương pháp kích như SCR để thử. 5.3. Cách đo DIAC Dùng VOM kim thang Rx1, Rx10K: kim không lên, biện pháp hữu hiệu nhất là ráp mạch thí nghiệm để kiểm tra linh kiện này. Chẳng hạn mạch điện sau đây dùng để
kiểm tra DIAC.
Bài 9: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ A. MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau khi học xong bài này, người học có khả năng: - Trình bày đúng cấu tạo, kí hiệu quy ước, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các linh kiện quang; - Xác định đúng cực tính, chất lượng của các linh kiện quang; - Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị. B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Điện trở quang 1.1. Cấu tạo Quang trở còn gọi là điện trở tuỳ thuộc ánh sáng LDR có trị số điện trở thay đổi theo độ sáng chiếu vào quang trở. Khi bị che tối thì quang trở có trị số điện trở rất lớn, khi được chiếu sáng thì điện trở giảm nhỏ. Quang trở thường được làm bằng chất sunfit catmi (CdS), Selenid Cadmium (CdSe), sunfit chì (PbS), trong đó loại quang trở CdS có độ nhạy phổ gần như mắt người nên thông dụng nhất. Chất Silicium nhạy nhất đối với tia hồng ngoại, chất Germanium nhạy nhất ở khoảng ánh sáng tầng số thấp hơn tia hồng ngoại, chất Selennuim nhất nhất đối với ánh sáng thấy được và tia tử ngoại. Quang trở được chế tạo bằng cách tạo một màn bán dẫn trên nên nền cách điện nối ra hai đầu kim loại rồi đặt trong một vỏ nhựa, mặt trên có lớp thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài tác động vào. 1.2. Ký hiệu – hình dáng Hình 9.1: Ký hiệu – hình dạng qu ng trở
1.3. Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo. Về phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện. Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dãi cấm. Quang trở có trị số điện trở thay đổi không tuyến tính theo độ sáng chiếu vào nó. Khi trong bóng tối quang trở có trị số khoảng vài mêga ohm, khi được chiếu sáng mạch quang trở có trị số rất nhỏ khoảng vài chục đến vài trăm ohm. 1.4. Ứng dụng Quang điện trở được dùng rất phổ biến trong các mạch điều khiển. 1.4.1. Mạch báo động Khi quang điện trở được chiếu sáng (trạng thái thường trực) có điện trở nhỏ, điện thế cổng của SCR giảm nhỏ không đủ dòng kích nên SCR ngưng. Khi nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện, dòng điện qua tải làm cho mạch báo
động hoạt động. Có thể dùng mạch như trên, với tải là một bóng đèn để có thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày. Hoặc có thể tải là một rờ le để điều khiển một mạch báo động có công suất lớn hơn. 1.4.2. Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt. về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, bóng đèn sáng lên. 2. LED hồng ngoại Đối với các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s cùng với sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục W, các diode phát quang bán dẫn thường là các nguồn sáng tốt nhất
2.1. Cấu tạo Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản là giống các LED chỉ thị. Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1.43eV tương ứng với bức xạ bước sóng khoảng 900nm Trong phần eptiaxy lỏng trong suốt GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lưỡng tính với chất Silic là GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N được hình thành. Với sự pha tạp chất Silic ta có bức xạ với bước sóng 950 nm. Mặt dưới của LED được mài nhẵn tạo thành một gương phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N. 2.2. Nguyên lý làm việc Khi phân cực thuận diode, các hạt dẫn đa số sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P-N, chúng tái hợp với nhau và phát ra bức xạ hồng ngoại. Các tia hồng ngoại bức xạ ra theo hướng khác nhau. Những tia hồng ngoại có hướng đi vào trong các lớp chất bán dẫn, gặp gương phản chiếu sẽ được phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng hướng với các tia khác. Điều này làm tăng hiệu suất của LED.
Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống như áng sáng nhìn thấy, nghĩa là nó có khả năng hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cực . Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại rất khác ánh sáng nhìn thấy cở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đó có chất bán dẫn. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn LED chỉ thị vì tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để ra ngoài. Tuổi thọ của LED hồng ngoại dài đến 100000 giờ, LED hồng ngoại không phát ra ánh sáng nhìn thấy nên rất có lợi trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý. 2.3. Ứng dụng Mạch thu phát hồng ngoại thông thường. Lưu ý là led thu phải lắp theo chiều ngược. Giải thích nguyên lý: khi led thu không nhận được tín hiệu từ led phát, điện trở của led thu rất lớn, V2>V3 => lối ra điện áp bằng 0, khi led thu nhân được tín hiệu từ led phát, điện trở của led thu giảm xuống mạnh (sự giảm đó phụ thuộc vào cường độ led phát ), khi đó V2 lối ra điện áp bằng 5v. 3. LED bảy đoạn – Mặt chỉ thị tinh thể lỏng 3.1. LED bảy đoạn Hình 9.7 3.1.1. Cấu tạo LED 7 đoạn có cấu tạo gồm 7 LED được chế tạo dạng thanh dài xếp theo hình trên, được ký hiệu bằng chữ cái là a, b, c, d, e, f, g và có thêm một LED đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn góc dưới, bên phải LED 7 đoạn.