Bài giảng điện tử 1

Khi các điện tử hấp thu được đủ năng lượng để thóat kh ỏi shell hóa trị trở thành điện t ử tự do và tiếp tục duy trì trạng thái này trong dãy năng lượng khác được gọi là dãy d ẫn condu

L ỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng môn Điện Tử 1 trang bị cho sinh viên các kiến thức về nguyên tắc hoạt động

và m ạch áp dụng các linh kiện bán dẫn như: Diode, Transistor, FET, UJT, PUT SCR TRIAC M ỗi linh kiện được giới thiệu trong môn học bao gồm hai mục chính:

Đặc tính của mỗi chân ra trên linh kiện

Các nội dung lý thuyết khác nhằm giải thích đặc tính của mỗi chân ra của linh kiện

Các nội dung trình bày trong môn học dưới dạng: tóm lược các phương trình và các định luật mô tả nguyên tắc hoạt động của linh kiện, kèm theo là các thí dụ làm sáng tỏ và thuy ết minh các qui luật áp dụng trong quá trình khảo sát linh kiện

Với thời gian 45 tiết, môn học được trình bày trong 5 chương:

Ch ương 1 bao gồm hai nội dung chinh Nội dung thứ nhứt trình bày các kiến thức

c ơ bản về vật liêu bán dẫn n và p Trong nội dung này tóm lược lại các kiến thức vật lý cơ

lượng tử cũng như hóa học có liên quan đến chất bán dẫn Khảo sát tính chất của mối nối pn là

cấu trúc cơ bản để tạo thành các linh kiện bán dẫn Nội dung thứ hai trình bày nguyên tắc

ho ạt động đặc tính của các loại diode Trong chương này các mạch ứng dụng của diode được đề cập đến là mạch chỉnh lưu bán kỳ, toàn kỳ và mạch ổn áp dùng diode Zener Các

thông số của mạch chỉnh lưu, phương pháp san phẳng áp trên ngõ ra mạch chỉnh lưu dùng t ụ Phương thức xác định dảy thông số làm việc của mạch ổn áp dùng diode Zener khi t ải thay đổi hay nguồn áp DC cấp vào mạch thay đổi Cấu trúc của bộ nguồn biến đổi áp

xoay chiều (AC) thành một chiều (DC)

Ch ương 2 trình bày nguyên tắc hoạt động và các phương pháp phân cực định điểm làm việc tỉnh (DC) cho transistor (BJT) loại pnp hay npn Sơ lược về công dụng, các

ch ế độ hoạt động và các đặc tuyến của Transistor Các phương trình cân bằng dòng và áp

sử dụng trong mỗi phương pháp phân cực Phân tích ưu và nhược điểm của mỗi phương

pháp phân c ực khi nhiệt độ môi trường thay đổi Tính ổn định của điểm làm việc tỉnh khi

nhiệt độ thay đổi

Ch ương 3 trình bày nguyên tắc hoạt động dùng hiệu ứng trường của Transistor: JFET và MOSFET Các thông s ố và đặc tuyến đặc trưng tính chất của mỗi loại FET Phương

pháp phân cực FET và MOSFET Phương pháp áp dụng các tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất

để định thông số cho FET Các bài toán đặc biệt áp dụng để khảo sát mạch phân cực FET

Ch ương 4 trình bày nguyên tắc hoạt động, đặc tuyến volt ampere và các mạch áp

d ụng cho họ thyristor (linh kiện có 4 lớp bán dẫn) Các linh kiện được khảo sát bao gồm: SUS, DIAC, TRIAC, SCR Một loại linh kiện khác dùng tạo mạch phát xung kích khởi cho các linh kiện SCRvà TRIAC là UJT và PUT cũng được khảo sát đến trong chương 4 Mạch áp

dụng UJT hay PUT được khảo sát đến là dao động tích thoát và các điều kiện để duy trì dao động

Ch ương 5 trình bày nguyên tắc chung của mạch khuyếch đại biên độ nhỏ dùng transistor Các d ạng mạch khuếch đại được khào sát đến bao gồm các dạng: CE; CC và CB

Trong từng dạng mạch khuếch đại trình bày: phương pháp giải tích, mạch tương đương AC

và các độ lợi khuếch đại áp, dòng và công suất

Sau mỗi chương từ 1 đến 5 sinh viên nên giải các bài tập để lý luận và áp dụng các nội dung lý thuyết đã được giới thiệu và khảo sát

Người Biên soạn

NGUY ỄN-THÊ-KIỆT

CH ƯƠNG 01

1.1.TÔ ̉ NG QUAN VÊ ̀ CHÂ ́ T BA ́ N DÂ ̃ N:

1.1.1.TÓM T ẮT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ

Theo lý thuyết cổ điển, nguyên t ử là thành phần

nh ỏ nhất của phần tử còn duy trì được đặc tính của phần

t ử đó Mẫu nguyên tử theo Borh bao gồm: nhân ch ứa các

h ạt mang điện tích dương được g ọi là proton và các h ạt mang điện tích âm là electron chuyển động trên các quỉ đạo bao quanh nhân Với các nguyên tử khác loại số lượng electron và proton trên mỗi nguyên tử có giá trị khác nhau,

xem hình H1.1

Các nguyên tử được sắp xếp thứ tự trên b ảng phân

lo ại tuần hoàn tương ứng với “nguyên tử số” (atomic number) Nguyên tử số được xác định theo s ố lượng proton

ch ứa trong nhân Trong điều kiện bình thường các nguyên

tử ở trạng thái trung hòa, mỗi nguyên tử có số lượng electron

và proton bằng nhau

Các điện tử chuy ển động trên các tầng quỉ đạo quanh nhân với các khoảng cách khác nhau M ỗi tầng quỉ đạo điện tử t ương ứng với mức năng lượng khác nhau Quỉ đạo điện tử càng gần nhân điện

tử có mức năng lượng thấp và khi quỉ đạo càng xa nhân mức năng lượng điện tử cao hơn

Trong nguyên tử những qu ỉ đạo được ghép thành

nhóm trong các b ăng năng lượng (energy bands) được gọi là

shell Tương ứng với nguyên tử chọn trước số lượng shells cố

định M ỗi shell có số điện tử tối đa cố định tại các mức năng

lượng cho phép M ức năng lượng chênh lệch giữa các quỉ

đạo trong cùng m ột shell phải nh ỏ hơn mức năng lượng

chênh l ệch giữa hai shell kế cận nhau Các shell được đánh

số thứ tự 1, 2 , 3 từ trong nhân ra ngoài , xem hình H 1.2

Các điện tử càng xa nhân có mức năng lượng càng

cao nhưng kém liên k ết chặt với nguyên tử so với các điện tử

n ằm gần nhân Lớp shell n ằm ngoài cùng được gọi là

valence shell (l ớp vỏ hóa trị) và các điện tử trong tầng này

được gọi là điện tử hóa trị Các điện tử hóa trị tham gia vào các

phản ứng hóa học, kết nối trong cấu trúc vật liệu cũng như các

tính chất về điện của vật liệu

Khi nguyên tử h ấp thu nhiệt năng hay quang năng,

n ăng lượng của các điện tử gia tăng Các điện tử hóa trị có

kh ả năng nhảy đến tầng quỉ đạo có mức năng lượng cao hơn trong shell hóa trị Khi các điện tử hóa trị hấp thụ năng lượng ngoài đủ để thoát khỏi lớp shell ngoài cùng của nguyên tử, bây

giờ nguyên tử mang điện tích dương do số lượng proton bây giờ nhiều hơn lượng electron Quá trình m ất các điện tử hóa trị được gọi là sự ion hóa và nguyên tử bây giờ được gọi là ion

dương Các điện tử hóa trị thoát ra khỏi nguyên tử được gọi là electron tự do Khi các

electron hóa tr ị mất năng lượng và trở về tầng quỉ đạo trên shell ngoài cùng của nguyên t ử trung hòa cho ta ion âm

Tổng số lượng điện tử tối đa trên một shell của nguyên tử được xác định theo quan hệ:

1.1.2.CH ẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN:

Tất cả vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử Những nguyên tử này có liên quan đến đặc tính điện bao gồm cả tính

dẫn điện của vật liệu

Với mục tiêu khảo sát các tính chất điện của vật liệu,

nguyên t ử được biểu diễn bởi các điện tử hóa trị và ph ần

l ỏi bao gồm nhân và các shell bên trong Carbon là loại vật

liệu được dùng làm điện trở có nguyên tử bao gồm 4 electrons hóa trị trên shell hóa trị và 2 electron trên tầng trong cùng, nhân bao gồm 6 protons và 6 neutrons Ta nói phần lỏi (core) của nguyên tử có tổng điện tích là +4 (do 6 protons và 2 electrons

tạo nên, xem hình H1.3

1.1.2.1.CHẤT DẪN ĐIỆN (CONDUCTOR)

Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện đi qua một cách dễ dàng Các chất dẫn điện

rất tốt là vật liệu đơn nguyên tử như : đồng, bạc, vàng , nhôm Nguyên tử hình thành các vật liệu này là loại nguyên tử chỉ có một electron hóa trị và electron này dễ dàng thoát khỏi nguyên từ để thành electron t ự do Như vậy vật dẫn là vật liệu có khả năng ch ứa nhiều electrons tự do

1.1.2.2.CH ẤT CÁCH ĐIỆN (INSULATOR)

Chất cách điện là vật liệu không cho dòng điện đi qua trong điều kiện bình thường của môi

trường Hầu hết chất cách điện là hợp chất không thuộc dạng vật liệu đơn nguyên tử Các điện tử hóa trị liên kết chặt với phần lỏi của nguyên tử Trong chất cách điện r ất hiếm các điện tử tự do

1.1.2.3.CHẤT BÁN ĐIỆN (SEMICONDUCTOR)

Chất cách điện là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện Chất bán dẫn thuần không phải là chất dẫn điện tốt cũng không phải là chất cách điện tốt Chất bán dẫn đơn nguyên tử thông thường bao gồm: Si (Silicon) ; Ge (germanium); C (Carbon) Hợp chất bán dẫn

như là: Gallinium Asernide Với các ch ất bán dẫn đơn nguyên tử ta có được 4 điện tử hóa trị trên shell hóa tr ị

1.1.3.DÃY N ĂNG LƯỢNG (ENERGY BANDS):

Với shell hóa trị của nguyên tử bi ểu diễn mức của dãy n ăng lượng dùng k ềm giữ các điện tử hóa trị trên shell hóa tr ị Mức năng lượng này được gọi là dãy hóa tr ị (valence band)

Khi các điện tử hấp thu được đủ năng lượng để thóat

kh ỏi shell hóa trị trở thành điện

t ử tự do và tiếp tục duy trì trạng thái này trong dãy năng lượng khác được gọi là dãy d ẫn

(conduction band) xem hình

H1.4 Khoảng chênh lệch năng

lượng giữa dãy hóa trị và dãy

dẫn được gọi là khe n ăng lượng

(energy gap) Khi điện tử hấp thu đủ năng lượng bằng mức khe năng lượngđể đến dãy dẫn,

điện tử di chuyển tự do trong vật liệu và không liên k ết với bất kỳ nguyên tử nào khác

HÌNH H 1.3

HÌNH H 1.4

Trong hình H1.4 trình bày giản đồ phân bố năng lượng của vật liệu cho thấy kết quả sau:

Với chất cách điện: khe năng lượng rất rộng, các điện tử hóa trị không thể nhảy đến dãy

dẫn trừ khi có thêm các điều kiện phá hủy trạng thái như trường hợp đặt điện áp có giá trị rất cao (cao áp) ngang qua lớp vật liệu

Với chất bán dẫn khe năng lượng hẹp hơn so với trường hợp chất cách điện Khi khe

năng lượng hẹp lại vài điện tử hóa trị có thể nhảy sang dãy dẫn trở thành các điện tử tự do

Với chất dẫn điện các dãy hóa trị và dãy dẫn phủ chồng lên nhau, như vậy trong vật dẫn

có rất nhiều điện tử tụ do

1.1.4.SO SÁNH C ẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN:

Phần lõi của nguyên tử Silicon có điện tích tổng là +4 (14 ptotons và 10 electrons)

Phần lõi của nguyên tử đồng có điện tích tổng là +1 (29 protons và 28 electrons)

Phần lõi là vật

thể đã loại trừ các điện tử hóa trị

Điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng

“cảm nhận” lực hấp

dẫn do điện tích +1

của phần lõi nguyên

tử, trong khi điện tử hóa trị trong nguyên

tử Silicon “cảm nhận”

lực hấp dẫn do điện tích +4 từ phần lõi nguyên tử Ta nói lực

hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên

tử Silicon gấp 4 lần

lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng Hơn nữa điện tử hóa trị của đồng trên lớp shell thứ 4 và điện tử hóa trị của Silicon trên lớp shell thứ 3, điện tử hóa trị của đồng xa nhân hơn

so với điện tử hóa trị của Silicon nên năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử đồng cao hơn

so với năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử silicon.Từ các nhận xét trên cho thấy điện tử hóa trị của đồng dễ dàng hấp thu năng lượng để nhảy đến dãy dẫn thành điện tử tự do khi so sánh với điện tử hóa trị của nguyên tử Silicon

Thực tế tại điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường bêntrong đồng có chứa rất nhiều điện tử tự do

HÌNH H 1.5

HÌNH H 1.6

4 điện tử hóa trị trên

lớp shell ngoài cùng

1.1.5.SO SÁNH C ẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN SILICON VÀ GERMANIUM:

Trong hình H1.6 trình bày cấu trúc nguyên tử của các chất bán dẫn Silicon và Germanium Silicon là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện: diode, transistor, mạch tích

hợp (IC – intergrated circuit) Các nguyên tữ Silicon và Germanium có cùng số lượng điện tử hóa

1.1.6.N ỐI CỘNG HÓA TRỊ (COVALENT BONDS):

Khi các nguyên tử

tổ hợp tạo thành vật rắn, tinh thể vật liệu, chúng tự

sắp xếp theo mô hình đối

xứng Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nối

kết với nhau bằng nối

cộng hóa trị, kết nối này được hình thành do sự

tương tác giữa các điện

tử hóa trị trong các nguyên tử Silicon là loại

vật liệu tinh thể (crystalline material) Trong hình H1.7 trình bày cấu trúc của tinh

thể Silicon tạo bởi các nguyên tử Silicon

Một nguyên tử Silicon sẽ chia xẻ các điện

tử hóa trị với 4 nguyên tử Silicon khác lân cận

hình thành 4 nối cộng hóa trị

Sau cùng trên tầng ngoài cùng của các

nguyên tử có đủ 8 điện tử, đạt trạng thái cân bằng

hóa học Sự chia xẻ các điện tử hóa trị tạo thành 4

nối cộng hóa trị có tính chất liên kết các nguyên tử

với nhau, tinh thể thuần nhất (intrinsic crystal)

không tạp chất (no impurities) của silicon tạo bởi

nối cộng hóa trị trình bày trong hình H.1.8 Tinh

thể Germanium cũng có kết cấu tương tự vì có 4

điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng

1.1.8.TÍNH D ẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN:

Phương thức dẫn dòng điện qua vật liệu là kiến thức quan trọng dùng giải thích nguyên lý

hoạt động của linh kiện điện tử

Như đã trình bày, các điện tử trong nguyên tử chỉ có thể thoát ra trong và ổn định trong các dãy năng lượng định trước Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy năng lượng nào đó và cách

biệt với các shell khác lân cận bằng các khe năng lượng

Trong hình H1.9 trình bày giản đồ của các dãy năng lượng của các nguyên tử trong tinh thể silicon thuần khiết không được kích thích (không có năng lượng bên ngoài như ánh sáng tác động vào nguyên tử)

HÌNH H 1.7

HÌNH H1.8

Điều kiện này chỉ xãy ra tại nhiệt độ tuyệt đối 0o Kelvin

1.1.8.1.TÍNH D ẪN CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG:

Một tinh thể silicon thuần khiết tại nhiệt độ môi

trường có đủ nhiệt năng để vài điện tử hóa trị nhảy qua khe năng lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở thành điện tử tự do Các điện tử tự do được gọi là các điện tử dẫn (conduction electrons) Sự kiện này được trình bày trong giản đồ năng lượng (energy diagram)

và giản đồ nối cộng hóa trị (bonding diagram) trong hình H1.10

Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo sự khiếm khuyết trong dãy hóa trị của tinh thể Vị trí khiếm khuyết này gọi là lỗ trống (hole) Với mỗi điện tử hấp thu năng lượng ngoài và nhảy đến dãy dẫn sẽ hình thành lổ trống trong dãy hóa trị, tại lúc này ta có một

cặp điện tử và lỗ trống, xem hình H1.10

Tại nhiệt độ bình thường của môi trường, trong một tinh thể Silicon quá trình hình thành

cặp điện tử tự do và lổ trống tạo ra một cách

ngẩu nhiên, xem hình H1.11

1.1.8.2.DÒNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS

VÀ LỔ TRỐNG: Khi cấp điện áp một chiều ngang qua hai đầu của của một tấm tinh thể Silicon, xem hình H.1.12 , các điện tử tự do trong dãy dẫn

sẽ di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong

cấu trúc tinh thể và dễ dàng đi về phía cực

dương (+) của nguồn áp cung cấp

HÌNH H1.9

HÌNH H1.10

HÌNH H1.11

Sự chuyển động của các điện tử tự do trong tinh thể bán

dẫn hình thành một loại dòng điện qua chất bán dẫn được gọi

là dòng điện tạo bởi các điện tử (electron current)

Một loại dòng điện khác

xuất hiện trong dãy hóa trị khi lỗ

trống được sinh ra Các điện tử còn lại trong dãy hóa trị vẫn còn liên kết với các nguyên tử của chúng và không thể di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể như các điện tử

tụ do Tuy nhiên, điện tử hóa trị có thể di chuyển đến các lổ trống lân cận với sự thay đổi rất ít

năng lượng của nó và tạo thành lổ trống khác khi điện tử hóa trị này di chuyển Như vậy lỗ trống xem như di chuyển một cách thực sự từ vị trí này sang vị trí khác trong tinh thể chất bán dẫn Sự

di chuyển của các lổ trống hình thành dòng điện lỗ trống ( holes current), xem hình H 1.13

1.1.9.BÁN D ẪN LOẠI N VÀ BÁN DẪN LOẠI P:

Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt và có giới hạn tại trạng thái thuần khiết, do số

lượng rất ít các điện tử tự do trong dãy dẫn và lỗ trống trong dãy hóa trị Silicon thuần khiết (hay germanium) phải được cải thiện bằng cách gia tăng lượng điện tử tự do hay lổ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành các linh kiện điện tử hữu ích

Công việc này được thực hiện bằng cách thêm tạp chất vào vật liệu thuần khiết Có hai loại

vật liệu bán dẫn không thuần khiết (extrinsic semiconductor) là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p Tính dẫn của silicon và germanium có thể được gia tăng một cách mạnh mẽ bằng cách kiểm soát

tạp chất thêm vào vật liệu bán dẫn thuần khiết Phương thức này gọi là phụ gia làm tăng các hạt

tải : điện tử hay lổ trống

HÌNH H1.12

HÌNH H1.13

Điện tử tự

do rời lổ trống trong shell hóa trị Điện tử hóa trị di

3 và tạo lổ trống thứ 4

Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 4 và tạo lổ trống thứ 5

1.1.9.1.BÁN D ẪN LOẠI N:

Để gia tăng lượng điện tử trong dãy dẫn

của silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị

5 được thêm vào Các nguyên tử có 5 điện tử hóa trị chẳng hạn như : As (arsenic); P (phosphorus) ; Bi (bismuth) và Sb (antimony)

Trong hình H1.14 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử Sb với 4 nguyên tử Si lân cận Bốn điện tử hóa trị của Sb dùng tạo nối

cộng hóa trị với 4 nguyên từ Si và một điện tử

thừa tách ly thành điện tử tụ do không liên kết

với các nguyên tử Nguyên tử có hóa trị 5 dùng làm tăng điện tử tự do được gọi là nguyên tử cho (donor atom)

Số lượng điện tử tự do được kiểm soát

bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào

H ẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS)

Phương pháp tạo ra các điện tử tự do theo phương thức này không hình thành lổ trống trong dãy hóa trị Bán dẫn tạo nên từ Silicon (hay Germanium) liên kết với nguyên tử hóa trị 5 được gọi là bán dẫn loại n và dòng tải được tạo nên do các điện tử

Trong trường hợp này các điện tử được gọi là hạt tải đa (majority carriers) trong bán dẫn

loại n Mặc dù dòng tải chủ yếu là do các điện tử nhưng cũng có một số lổ trống được tạo ra khi có điện tử thóa khỏi tầng hóa trị do tác dụng nhiệt Các lổ trống này không được tạo thành do sự thêm vào cấu trúc nguyên tử tạp chất hóa trị 5 Lổ trống trong chất bán dẫn n được gọi là hạt tải thiểu (minority carriers)

1.1.9.2.BÁN DẪN LOẠI N:

Để gia tăng lượng lổ trống trong bán dẫn silicon

thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 3 được thêm vào

Các nguyên tử có 3 điện tử hóa trị chẳng hạn như : B

(boron); In (indium) và Ga (gallium)

Trong hình H1.15 trình bày liên kết cộng hóa trị

của một nguyên tử B với 4 nguyên tử Si lân cận Ba

điện tử hóa trị của B dùng tạo nối cộng hóa trị với 4

nguyên tử Si và thiếu một điện tử nên tạo thành lỗ

trống Nguyên tử có hóa trị 3 có thể lấy thêm một điện

tử nên được gọi là nguyên tử nhận (acceptor atom)

Số lượng lỗ trống được kiểm soát bởi số lượng

nguyên tử tạp chất thêm vào và các lỗ trống được tạo

bởi phương thức trên không đi cùng với điện tử tụ do

HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS)

Dòng điện tải trong trường hợp này là do các lỗ trống, chất bán dẫn silicon (hay germanium) liên kết với nguyên tử hóa tri 3 cho bán dẫn loại p

Lỗ trống có thể hiểu là điện tích dương; vì khi nguyên tử thiếu đi một điện tử, điện tích toàn

phần của nguyên tử mang giá trị dương Lổ trống xem là hạt tải đa trong bán dẫn loại p Mặc dù dòng dẫn trong bán dẫn p chủ yếu là do các lỗ trống, nhưng cũng vẫn có một số điện tử tự do sinh

ra khi có sự tác động nguồn nhiệt bên ngoài Các điện tử tự do này không được tạo do sự thêm vào tạp chất là nguyên tử hóa trị 3 Điện tử trong chất bán dẫn p là hạt tải thiểu

HÌNH H1.14

HÌNH H1.15

1.2.DIODE:

1.2.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ CẤU TẠO:

Khi tạo thành mối nối pn giữa khối bán

dẫn loại n và khối bán dẫn p ta có diode cơ bản

Diode là linh kiện bán dẫn chỉ cho phép

dòng điện qua nó theo một hướng định trước

Trong hình H1.16 trình bày cấu tạo cơ bản

của mối nối pn, trong vùng p có nhiều lổ trống

(hạt tải đa) và có vài điện tử tử do (hạt tải thiểu)

sinh ra do tác dụng nhiệt

Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự do

(hạt tải đa) và một số rất ít lỗ trống (hat tải thiểu)

Như đã trình bày trong các mục trên, bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với

tạp chất là nguyên tử có hóa trị 3 như boron Các lỗ trống hình thành khi có các nối cộng hóa trị

giữa nguyên tử boron và nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện

Tương tự , bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 5 như antimony Các điện tử hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa một nguyên tử tạp

chất với bốn nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử (bao gồm các điện tử

tự do) bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện

1.2.2.VÙNG NGHÈO (DEPLETION REGION):

Với cấu tạo của mối nối pn trong hình H1.16, các điện tử tự do trong vùng n di chuyển một

cách ngẫu nhiên theo mọi hướng Khi đã tạo thành mối nối pn, các điện tử tự do gần mối nối trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang vùng p, tại dây chúng tái hợp với các lỗ trống gần mối nối, xem

hình H.1.17.

Tiếp giáp pn Vùng nghèo (deplete region)

a./ Tại lúc hình thành mối nối pn, các điện tử tự

do trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang mối nối

và tái h ợp với các lỗ trống năm gần mối nối trong

Khi hình thành mối nối pn, vùng n mất đi điện tử khi khuếch tán sang mối nối Sự kiện này sinh ra lớp điện tích dương gần mối nối

Khi điện tử di chuyển sang mối nối, vùng p sẽ mất đi các lổ trống do sự tái hợp Sự kiện này sinh ra lớp điện tích âm gần mối nối

Hai lớp điện tích dương và âm tạo thành vùng nghèo (depletion region), xem hình H1.17

Danh từ “nghèo” được sử dụng cho vùnbg gần tiếp giáp pn do sự thiết hụt các hạt tải tùy thuộc

vào quá trình khuếch tán tại mối nối Cần nhớ rằng, vùng nghèo hình thành rất nhanh và có độ dầy

rất mỏng so với độ dầy của các lớp bán dẫn p và n

Quá trình khuếch tán chấm dứt khi vùng nghèo tạo thành rào cản ngăn cản các điện tử đi qua mối nối

1.2.3 ĐIỆN THẾ RÀO CẢN (BARRIER POTENTIAL):

Tại bất kỳ lúc nào có điện tích dương và điện tích âm đặt gần nhau thì có lực tương tác

giữa các điện tích theo luật Coulomb Trong vùng nghèo có nhiều điện tích dương và điện tích âm

xếp đối diện nhau tại tiếp giáp pn Lực tương tác giữa các điện tích trái dấu hình thành điện

Điện thế chênh lệch tạo bởi điện trường ngang qua vùng nghèo là lượng điện áp cần thiết

để di chuyển điện tử tự do qua khỏ điện trường rào cản Điện thế chênh lệch này gọi là điện thế rào cản được tính bằng Volt Nói một cách khác,cần một lượng điện áp nào đó bằng điện thế rào

cản vàcó cực tính tương ứng được đặt ngang qua tiếp giáp pn trước khi các điện tữ tụ do hình thành dòng ngang qua mối nối Quá trình này được gọi là phân cực

Điện thế rảo cản phụ thuộc vào một số các hệ số bao gồm lạoi vật liệu bán dẫn, hàm lượng

tạp chất và nhiệt độ Với Silicon điện thế rảo cản có giá trị khoảng 0,7 V và với Germanium điện

thế rào cản có giá trị khoảng 0,3 V tại nhiệt độ môi trường 25o

C

1.2.4.GI ẢN ĐỔ NĂNG LƯỢNG TẠI MỐI NỐI PN VÀ VÙNG NGHÈO

2

Các dãy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu n có các mức năng lượng hơi thấp hơn so với

mức năng lượng của các dảy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu p Điều này là do sự khác biệt tính

chất nguyên tử giữa các nguyên tử tạp chất hóa trị 3 và hóa trị 5 tạo nên Giản đồ phân bố năng

lượng của mối nối pn trình bày trong hình H1.19.

HÌNH H1.19

Vùng nghèo

Dãy

a./ Tại lúc hình thành tiếp giáp pn b./ Tại trạng thái cân bằng

Hạt tải đa

Hạt tải đa Hạt tải thiểu

Hạt tải thiểu

Các điện tử tự do trong chất n choán đầy vùng trên của dãy dẫn tại mức năng lượng đủ để khuếch tán dễ dàng qua mối nối, các điện tử này không cần tích lủy thêm năng lượng Sau khi khuếch tán qua mối nối, các điện tử này thải ra nhanh chóng năng lượng và rơi vào các lỗ trống trong vùng p trên dãy hóa trị (xem hình H1.19 a)

Khi sự khuếch tán diển tiến tiếp tục bắt đầu tạo thành vùng nghèo, mức năng lượng của dãy dẫn trong vật liệu n giảm dần Sự giảm thấp mức năng lượng trong dãy dẫn trong vật liệu n tùy thuộc năng lượng thải ra của các điện tử tự do khi thực hiện quá trình tái hợp khi chúng khuếch tán sang vật liệu p Khi không còn các điện tử tự do rời khởi dãy dẫn trong vùng n sang

mối nối pn mực trên của dãy dẫn vùng n và mực dưới của dãy dẫn vùng p thẳng hàng với nhau

Tại lúc này mối nối đạt trạng thái cân bằng và vùng nghèo được hình thành Ngang qua vùng nghèo có một mức chênh lệch năng lượng tác động một đồi năng lượng ( “energy hill”) ngăn cản các điện tử tự do từng vùng n leo sang vùng p

Cần chú ý khi mức năng lượng của dãy dẫn trong vùng n hạ thấp thì mức năng lượng của dãy hóa trị cũng giảm thấp

1.2.5.PHÂN C ỰC DIODE:

1.2.5.1 PHÂN CỰC THUẬN:

Phân cực diode là cấp điện áp một chiều (DC) ngang

qua hai đầu diode

Phân cực thuận là sự phân cực tạo điều kiện thuận lợi

cho dòng đi ngang qua mối nối pn Điện áp phân cực ngoài

được ký hiệu là V BIAS , cần nối tiếp diode với điện trở ngoài để

giới hạn dòng có giá trị quá lớn qua diode, có thể làm hỏng

mối nối pn

Khi phân cực thuận, cần nhớ:

Đầu () của nguồn áp V BIAS nối đến lớp bán dẫn n của diode

Đầu (+) của nguồn áp V BIAS nối đến lớp bán dẫn p của diode

Giá trị của điện áp V BIAS phải lớn hơn giá trị của điện thế rào cản

Hình H1.21 trình

bày quá trình hình thành dòng qua diode lúc phân cực thuận Quá trình này được hình dung như là quá trình đẩy các điện tử tử do là các hạt tải chính từ vùng n qua mối nối pn đến vùng p Vì nguồn áp phân cực được cấp liên

tục, duy trì dòng điện tử qua mạch ngoài sau khi qua vùng p

Như đã trình bày trong các mục trên, sau khi các điện tử đến vùng p thải bớt các năng

lượng và rơi vào dãy hóa trị vùng p, trong dãy này hiện các lỗ trống là các hạt tải đa Lúc này quá trình tái hợp sẽ không diễn ra vì tác dụng của cực (+) nguồn áp V BIAS có khuynh h ướng tác động

kéo các điện tử đi về phía nguồn Các lổ trống trong vùng p tạo thành môi trường hay đường dẫn (path way) để các điện tử hóa trị đi ngang qua vùng này, điện tử tử lỗ trống này sang lỗ trống kế

tiếp để đi đến cực dương cũa nguồn áp phân cực Chúng ta có thể xem như lổ trống làm thành

phương tiện để các điện tử đi ngang qua vùng p

HÌNH H1.20

HÌNH H1.21

Khi các điện tử qua khỏi vùng p, các điện tử trờ thành các điện tử dẫn trong vật dẫn Hơn

nữa với vật dẫn điện do dãy hóa trị và dãy dẫn nằm chồng lên nhau nên các điện tử trong vật dẫn

trở thành điện tử tự do dễ dàng hơn so với trường hợp bán dẫn

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÂN CỰC THUẬN LÊN VÙNG NGHÈO

Khi có nhiều điện tử đi ngang qua vùng nghèo, số lượng ion dương giảm xuống, tương tự khi có nhiều lỗ trống đi ngang qua vùng nghèo số lượng ion âm giảm xuống Quá trình giảm thấp các ion dương và ion âm trong vùng này làm thu hẹp vùng nghèo

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÂN CỰC THUẬN LÊN ĐIỆN THẾ RÀO CẢN

Theo phân tích trên chính các ion dương và ion âm trong vùng nghèo phân bố hai phía mối

nối pn tạo thành “đồi năng lượng “ ngăn càn các điện tử tự do khuếch tán sang mối nối tại trạng thái cân bằng “Đồi năng lượng” này chính là điện thế rào cản

Khi phân cực thuận, các điện tử tự do được cung cấp đủ năng lượng do nguồn áp phân

cực ngoài vượt qua điện thế rào cản leo qua “đồi năng lượng” đi ngang qua vùng nghèo Năng

lượng cần cung cấp cho các điện tử bằng với năng lượng của điện thế rào cản Nói cách khác các điện tử nhận được năng lượng ngoài bằng với điện thế rào cản và đi qua vùng nghèo

1.2.5.2 PHÂN CỰC NGHỊCH:

Phân cực nghịch là điều kiện cần thiết ngăn cản

dòng điện đi qua diode Trong hình H1.22 trình bày

nguồn DC cấp vào diode theo trạng thái tạo phân cực

nghịch: đầu (+) của áp phân cực V BIAS được nới đến

vùng n của diode và đầu (–) được nối đến vùng p của

diode Vùng nghèo sẽ tăng rộng hơn so với trạng thái

phân cực thuận hay trạng thái cân bằng

Đầu (+) của nguồn áp phân cực “kéo” các điện tử

tự do là các hạt tải đa trong vùng n ra xa khỏi mối nối pn

Khi các điện tử di chuyển về phía đầu (+) của nguồn áp sẽ tạo ra các ion dương trong vùng nghèo

mở rộng vùng nghèo làm giảm các hạt tải đa, xem hình H1.23

Trong vùng p, các điện tử từ đầu (–) của nguồn áp đi vào như là các điện tử hóa trị di chuyển từ

lổ trống này đến lổ trống khác lân cận để đến vùng nghèo tạo thành các ion âm

Hiện tượng này làm mở

rộng vùng nghèo Dòng điện

tử hóa trị có thể xem tương đương như dòng lổ trống được “kéo” về phía đầu ()

của nguồn áp phân cực Quá trình quá độ của các hạt tải diễn ra và kết thúc trong khoảng thời gian rất ngắn ngay sau khi cấp điện áp phân cực vào diode Khi vùng nghèo mở rộng và giảm nhanh các hạt tải đa, điện trường tạo bởi các ion dương và ion âm gia tăng cho đến khi tạo thành điện áp ngang qua vùng nghèo có giá trị bằng điện áp phân cực.Tại lúc này dòng quá độ chấm dứt và cho dòng phân

Một lượng nhỏ của các điện tử tự do trong vùng p được “đẩy” đến mối nối pn do tác dụng

của đầu () của nguồn áp phân cực Đến vùng nghèo các điện tử thải ra năng lượng và kết hợp

với các hạt tải thiểu trong vùng n như các điện tử hóa trị và đi đến đầu (+) của nguồn áp phân cực

tạo thành dòng lổ trống rất bé

Vì dảy dẫn trong vùng p có mức năng

lượng cao hơn dảy dẫn trong vùng n, do đó các điện tử là các hạt tải thiểu dễ dàng đi ngang qua vùng nghèo vi chúng không cần thêm tích lủy thêm năng lượng Dòng điện ngược trong diode khi phân cực ngược được trình bày trong hình H1.24.

PHÁ V Ở PHÂN CỰC NGƯỢC (REVERSE BREAKDOWN)

Dòng điện phân cực nghịch thường có giá trị rất nhỏ và có thể bỏ qua Mặc dù vậy, khi điện áp ngoài phân cực ngược được gia tăng đến giá trị được gọi là “điện áp phá vở” (breakdown voltage), dòng điện ngược gia tăng một cách mãnh liệt

Với giá trị cao của điện áp phân cực ngược mang đến năng lượng cho các điện tử tải thiểu, làm tăng tốc cho chúng đi qua vùng p va chạm các nguyên tử với mức năng lượng đủ lớn làm bật ra các điện tử hóa trị khỏi quỉ đạo trong dảy dẫn Các điện tử hóa trị bị đánh bật khỏi quỉ đạo tăng nhanh số lượng, khi các điện tử có mức năng lượng cao qua được vùng nghèo chúng có

đủ năng lượng để đến vùng n như các điện tử dẫnvà không thực hiện quá trình tái hợp với lổ

trống Quá trình nhân các điện tử dẫn như vừa trình bày được gọi là hiện tượng “avalanche” và

tạo ra dòng điện ngược có giá trị rất lớn có thể phá hủy diode do quá trình nhiệt tiêu tán trong diode tăng quá mức

1.2.6 ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE:

1.2.6.1.ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC THUẬN (FORWARD BIAS):

Đặc tuyến Volt Ampere là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp giữa hai đầu diode với dòng điện qua diode Thực hiện mạch thí nghiệm theo hình H1.25 để xác định đặc tuyến

Volt Ampere cho diode lúc phân cực thuận, gọi:

I : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận

Kết quả thí nghiệm ghi nhận như sau:

 Khi V F  0 V không có dòng qua diode I F  0 A Khi gia tăng điện áp ngoài phân cực V BIAS

điện áp V F gia tăng và dòng phân cực thuận I F gia tăng dần

 Khi điện áp V BIAS đến mức để điện áp V F  0,7 V, xấp xỉ bằng điện thế rào cản đặt ngang qua vùng nghèo của mối nối pn, dòng điện I F gia tăng nhanh

 Khi tiếp thục gia tăng điện áp V BIAS , dòng điện I F càng gia tăng nhưng điện áp ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7 V

1.2.6.2 ĐIỆN TRỞ ĐỘNG (DYNAMIC RESISTANCE):

Khi mở rộng (hay khuếch đại) đặc tuyến Volt Ampere của diode lúc phân cực thuận như

trong hình H1.26 b, điện trở động của diode được định nghĩa như sau:

F d F

vì dùng ký hiệu R Giá trị điện trở động bắt đầu giảm trong vùng khuỷu (knee) của đặc tuyến và có giá trị nhõ hơn trên vùng cao hơn điểm khuỷu

1.2.6.3 ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC NGHỊCH (REVERSE BIAS):

 Khi cấp điện áp ngoài phân cực nghịch ngang qua hai đầu diode, ta chỉ nhận được dòng điện ngược I R có giá trị rất nhỏ đi ngang qua mối nối pn Với điện áp ngang qua diode là 0V sẽ

không tạo thành dòng điện ngược I R 0 A

 Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, ta nhận được dòng điện ngược rất bé và điện áp ngược V R

đặt ngang qua hai đầu diode

 Khi điện áp phân cực nghịch gia tăng đến mức cao hơn, áp ngược V R đặt trên hai đầu diode đạt đến

mức bằng áp phá vở phân cực nghịch V BR dòng điện

ngược gia tăng rất nhanh

 Nếu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực ngược, dòng điện tiếp tục gia tăng rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode chỉ hơi gia tăng so với giá trị V BR Trạng thái phá vở với các trường hợp ngoại lệ không là trạng thái làm việc bình thường của hầu hết các mối nối bán dẫn

pn

Đặc tuyến volt Ampere của diode lúc phân cực nghịch trình bày trong hình H1.27

1.2.6.4 ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE:

Đặc tuyến Volt Ampere tổng

hợp của diode cho các trạng thái phân cực thuận và phân cực nghịch trình bày trong hình H1.28

gia tăng khi xét tại điện ápV F định

trước Ngược lại tươg ứng với giá

trị dòng phân cực thuận I F chọn

trước áp phân cực thuận V F giảm Điện thế rào cản giảm thấp giá trị khi nhiệt độ gia tăng

Với đặc tuyến phân cực nghịch khi nhiệt độ gia tăng dòng phân cực nghịch I R gia tăng

Sự khác biệt giữa các đặc tuyến Volt Ampere vẽ tại 25oC và tại nhiệt độ cao hơn trình bày trong hình H1.28

Điều quan trọng cần nhớ, dòng phân cực nghịch trước khi xãy ra hiện tượng phá vở phân

cực nghịch (breakdown) có giá trị rất thấp không đáng kể có thể bỏ qua

HÌNH H1.27: Đặc tuyến Volt Ampere

phân cực nghịch của diode

HÌNH H1.28: Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp các trạng thái

phân cực thuận và phân cực nghịch của diode

1.2.6.5 PH ƯƠNG TRÌNH ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE THEO SCHOCKLEY:

Theo lý thuyết Vật Liệu Bán Dẫn, áp d ụng hàm xác suất theo Fermi-Diracđể tiên đoán

s ự trung hòa điện tích ta có được ph ương trình tỉnh (không thay đổi theo thời gian) của

dòng điện qua mối nối pn của diode xác định theo William Bradford Schockley:

v V

q

 [V] , với h ằng số Boltzmann k = 1,38.10 -23 [J/ o K] và T [ o K] là nhiệt độ tuyệt đối

tại mối nối pn của diode

i D [A] : dòng tức thời qua diode

v D [V] : điện áp tức thời đặt ngang qua hai đầu diode

q [C] : điện tích của electron (âm điện tử); q = 1,6.10 -19 C.

 : hằng số tới hạn (  = 1 cho Ge và  = 2 cho Si )

I o [A] : dòng điện bảo hòa tại trạng thái phân cực nghịch

19,3237.v V  2.0,025875 

v V

D o

Từ quan hệ (1.2) định nghĩa cho điện trở động của diode, dựa vào quan hệ (1.7) ta suy ra

biểu thức xác định điện trở động của diode lúc phân cực thuận theo quan hệ sau:

D D D

dv

r ' di

Viết lại quan hệ (1.7) theo dạng sau:

Với diode thuôc loại Ge hằng số tới hạn  = 1 , điện trở động của diode Ge tại nhiệt độ

27oC được xác định theo quan hệ:

Tương tự với diode thuôc loại Si hằng số tới hạn  = 2 , điện trở động của diode Si tại nhiệt

độ 27oC được xác định theo quan hệ:

Mục tiêu chính của diode dùng thực hiện

mạch chỉnh lưu Vùng n của

được gọi là cathod, ký hiệu

là K và vùng n được gọi là anod, ký hiệu là

A

1.3.1.MÔ HÌNH DIODE LÝ T ƯỜNG:

Mô hình diode lý t ưởngđược xem tương đương như khóa điện

Khi diode phân c ực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch

Khi diode phân c ực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch

Điện thế rào cản, điện trở động và dòng điện ngượcđược b ỏ qua không xét đến

HÌNH H1.29: Hình dạng của một số mẫu diode thực

Trong hình H1.30 trình bày đặc tuyến Volt Ampere của diode lý tưởng Khi b ỏ qua điện

th ế rào cản và điện trở động của diode khi phân c ực thuận diodeđiện áp đặt ngang qua 2 đầu diode là V F 0 V Dòng điện phân cực thuậnđược xác định theo định luật Ohm như sau:

BIAS F

LIMIT

V I R

Khi bỏ qua dòng điện ngược, I R 0 A, điện áp phân cực ngược bằng giá tr ị áp V BIAS

Mô hình diode lý t ưởng thường được áp dụng trong trường hợp cần xác định nguyên

t ắc hoạt động của mạch điện tử (xác định định tính) và ch ưa cần quan tâm đến các giá trị chính xác của áp và dòng trong mạch (chưa cần thiết xác định định lượng một cách chính xác)

1.3.2.MÔ HÌNH TH ỰC NGHIỆM CỦA DIODE:

Mô hình th ực nghiệm của diode chính là mô hình lý tưởng của diode được thêm vào

điện thế rào cản

Khi diode phân c ực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản V F  0,7 V Điện áp này duy trì giá trị trong suốt quá trình phân cực thuận

Khi diode phân c ực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch Điện thế rào

cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch

Điện trở động và dòng điện ngượcđược b ỏ qua không xét đến

a./ Phân c ực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere

c ủa diode lý tưởng

HÌNH H1.30

LIMIT

R : Điện trở giới hạn dòng trong mạch diode

Diode lý t ưởng Diode lý t ưởng

a./ Phân c ực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere

c ủa diode thực nghiệm

HÌNH H1.31

Diode th ực nghiệm Diode th ực nghiệm

Dòng phân cực thuận xác định theo điẹnh luật K2 như sau, xem hình H1.31 a:

BIAS F LIMIT F

V  V R I Suy ra:

BIAS F F

LIMIT

I R



Dòng điện ngược qua diode là I R  0 A, điện áp phân cực ngược bằng giá tr ị áp V BIAS

1.3.3.MÔ HÌNH HOÀN CH ỈNH CỦA DIODE:

Mô hình hoàn ch ỉnh của diode bào gồm: mô hình của diode lý t ưởng thêm vào điện

th ế rào cản, điện trở động phân cực thuận có giá trị nhỏ r ' d và điện trở nội phân cực nghịch

R

r ' có giá trị lớn

Khi diode phân c ực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản 0,7 V và nối tiếp với điện trở động r ' d

Khi diode phân c ực nghịch, nó tác động như khóa điện hở mạch, đấu song song với điện trở nội phân cực nghịch r ' R Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch

Đặc tuyến Volt Ampere của diode hoàn chỉnh trình bày trong hình H1.32c

Điện áp xuất hiện ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận xác định theo quan hệ sau:

Dòng qua diode tại trạng thái phân cực thuận xác định theo quan hệ:

BIAS F

LIMIT d

V 0,7 V I

LIMIT R

V I



a./ Phân c ực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere

c ủa diode hoàn chỉnh

HÌNH H1.32

Diode hoàn ch ỉnh

thu ộc vào giá tr ị điện trở thuận

Dòng điện ngược

nh ỏ tùy thuộc vào điện trở ngược có giá tr ị lớn

THÍ D Ụ 1.2:

a./ Xác định điện áp và dòng phân cực thuận qua diode trong

hình H1.33a Suy ra áp đặt ngang qua hai đầu điện trở hạn

dòng R LIMIT Giả sử điện trở động của diode r ' d 10 tại dòng phân cực thuận của diode

cần tìm

b./ Tìm áp và dòng phân cực ngược của diode trong hình H1.33b theo từng dqạng mẫu của diode

Suy ra điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở R LIMIT Giả sử dòng phân cực ngược I R  1 A

1.4.CHỈNH L ƯU BÁN KỲ (HALF-WAVE RECTIFIERS) :

Do khả năng dẫn dòng theo một hướng và không dẫn dòng theo hướng ngược lại, các diode được dùng trong các mạch chỉnh lưu biến đổi áp AC thành áp DC Mạch chỉnh lưu được tìm

thấy trong các bộ nguồn DC hoạt động khi được cấp nguồn AC Bô nguồn cung cấp là bộ phận

cần thiết cho hệ thống mạch điện tử đơn giản cũng như phức tạp

1.4.1.B Ộ NGUỒN DC CƠ BẢN:

Bộ nguồn DC biến đổi nguồn áp xoay chiều 220 V – 50 Hz của nguồn lưới 1 pha sang nguồn áp DC có giá trị ổn định Sơ đồ khối cơ bản của mạch chỉnh lưu và bộ nguồn hoàn chỉnh

trình bày trong hình H1.34

Trong sơ đồ khối của bộ nguồn DC hoàn chỉnh, bộ lọc có công dụng khử đi sự nhấp nhô

của điện áp điện áp sau khi chĩnh lưu để nhận được tín hiệu áp ngõ ra tương đối phẳng hơn

Bộ ổn áp có công dụng duy trì không đổi giá trị áp DC ra khi điện áp nguồn thay đổi hay khi tải thay đổi giá trị Bộ ổn áp có thể là linh kiện đơn hay các mạch điện tử tích hợp phức tạp tùy thuộc vào độ lớn của dòng tải hay phạm vi biến thiên điện áp của nguồn AC cung cấp

HÌNH H1.34: Sơ đổ khối của mạch chỉnh lưu và bộ nguồn cung cấp có lọc phẳng và ổn định điện áp

Điện áp được ổn áp

Ngu ồn áp 1 pha 220V - 50Hz

Ch ỉnh Lưu RECTIFIER

Ch ỉnh Lưu RECTIFIER

B ộ lọc FILTER

M ạch Ổn Áp REGULATOR

Ngu ồn áp 1 pha 220V - 50Hz

Điện áp của chỉnh lưu bán kỳ

Điện áp chỉnh lưu được lọc phẳng

1.4.2.M ẠCH CHỈNH LƯU BÁN KỲ:

Trong hình H1.35, trình

bày mạch điện bao gồm: nguồn

áp xoay chiều hình sin, 1 diode và

1 điện trở tải R L tạo thành mạch

chỉnh lưu bán kỳ

Cần chú ý trong mạch tại các vị trí vẽ theo ký hiệu nối đất là các nút chuẩn đẳng thế với nhau,

tại các vị trí này có điện thế là 0V

Áp nguồn V in cấp đến ngõ vào mạch chỉnh lưu có dạng sin, khi V in 0 V (tương ứng bán

kỳ dương) diode phân cực thuận

và cho dòng đi qua điện trở tải Dòng điện này hình thành áp trên

tải R L có cùng d ạng với áp V in

khi V in  0 V (tương ứng bán kỳ âm) diode phân cực nghịch không cho dòng đi qua nên áp trên tải bằng 0V

Tóm lại áp trên tải đồng dạng với áp V in ờ bán kỳ dương và bằng 0V khi V in xuất hiện bán kỳ âm

1.4.3.GIÁ TR Ị TRUNG BÌNH CỦA ÁP CHỈNH LƯU BÁN KỲ:

Với tín hiệu hình sin cấp vào mạch chỉnh

Gọi V P là điện áp đỉnh của tín hiệu áp chỉnh lưu, ta có : V P  V max

Gọi V AVG là điện áp trung bình của áp chỉnh lưu, giá trị này được đo trực tiếp bằng Volt kế

một chiều (hay bằng máy đo VOM ở thang đo Volt DC) Theo toán học ta có định nghĩa của áp trung bình như sau:

 

T AVG 0

HÌNH H1.35: Hoạt động mạch chỉnh lưu bàn kỳ với diode lý tưởng.

HÌNH H1.36:

Với áp chỉnh lưu trên ngõ ra có dạng (1.19), giá trị trung bình xác định theo quan hệ sau:

m AVG 0 m

V 1

và công suất một chiều PDC trên tải

GIẢI

Áp hiệu dụng ngõ vào mạch chỉnh lưu là: VRMS  12 V

Áp trung bình trên tải được xác định theo quan hệ (1.22):

Dòng trung bình qua tải được xác định theo định luật Ohm:

AVG AVG

1.4.5 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN THẾ RÀO CẢN LÊN TÍN HIỆU RA CỦA MẠCH CHỈNH LƯU:

Khi áp d ụng mô hình thực nghiệm của diode với điện thế rào cản là 0,7 V Trong su ốt bán k ỳ dương của áp ngõ vào diode sẽ phân c ực thuận khi vin  t  0,7V Điều này dẫn đến

điện áp đỉnh của áp trên ngõ ra chỉnh lưu sẽ thấp hơn giá trị áp đỉnh của áp ngõ vào là 0,7 V

Ảnh hưởng của điện thế rào cản trên áp ngõ ra mạch chỉnh lưu được xét đến khi biên độ

c ủa áp ngõ vào mạch chỉnh lưu có giá trị thấp. Trong một số tài liệu khi biên độ của áp ngõ vào

nhỏ hơn 10V ta cần chú ý đến đến ảnh hưởng trên

Trong trường hợp tín hi ệu có biên độ lớn hơn, ảnh hưởng của điện thế rào cản được

b ỏ qua, xem như diode chỉnh lưu là lý tưởng

THÍ D Ụ 1.4:

Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ với áp ngõ vào có dạng sin tần số 50 Hz, biên độ là 5V, xem hình H1.37 Xác định áp ngõ ra của mạch chỉnh lưu

GI ẢI

Khi áp dụng mô hình thực nghiệm của diode, áp dụng định luật K2 ta có phương trình cân bằng áp như sau:

Áp trên ngõ ra mạch chỉnh lưu

1.4.6 ĐIỆN ÁP NGƯỢC ĐỈNH TRÊN DIODE (PIV - PEAK INVERSE VOLTAGE):

Điện áp ngược đỉnh là giá tr ị tối đa của điện áp ngược đặt lên hai đầu diode lúc phân

c ực nghịch Giá trị này bằng với biên độ của áp sin trên ngõ vào của mạch chỉnh lưu

Ký hiệu cho điện áp ngược đỉnh là PIV, giả sử áp tức thời trên ngõ vào mạch chỉnh lưu có

m

1.4.7.CH ỈNH LƯU BÁN KỲ PHỐI HỢP VỚI BIẾN ÁP CÁCH LY GIẢM ÁP:

Máy biến áp 1 pha với dây quấn

mạch chỉnh lưu, xem hình H1.39

Khi sử dụng phối hợp biến áp với

mạch chỉnh lưu, chúng ta có được các

lợi điểm như sau:

Có thể điều chỉnh tăng hay giảm điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu

Nguồn áp xoay chiều được cách ly với mạch chỉnh lưu đảm bảo được các sự cố nguy hiểm trên phía thứ cấp biến áp

Các thông số tính toán cho mạch chỉnh lưu trong trường hợp này thực hiện theo các nội dung trên, tuy nhiên cần chú ý thêm thông số tỉ số biến áp để phối hợp các giá trị tính toán Với các

mạch chỉnh lưu có công suất thấp, trong các trường hợp tính toán ta giả thiết biến áp 1 pha có

hiệu suất 100 % (biến áp lý tưởng); áp thứ cấp lúc không tải và khi mang tải xem như không thay đổi giá trị Với những bài toán thực tế cần phối hợp kiến thức của máy biến áp để hiệu chỉnh các giá trị tính toán đặc biệt là trong các trường hợp mạch chỉnh lưu có công suất lớn

THÍ D Ụ 1.4:

Cho mạch chỉnh lưu bán

kỳ lắp tại thứ cấp của máy biến

áp 1 pha có tỉ số biến áp và áp ngõ vào sơ cấp theo hình

H1.40 Giả sử không quan tâm đến độ thay đổi áp ở thứ

c ấp khi mang tải, xác định các thông số của tải trên ngõ ra

Điện áp trung bình trên tải: 2m

Công suất DC tiêu thụ trên tải: PDC  VAVG  IAVG  24,83 0,02483   0,616 W

Điện áp ngược đỉnh trên diode: PIV  V2m  78 V

1.5.CHỈNH L ƯU TOÀN KỲ (FULL- WAVE RECTIFIERS) :

1.5.1.T ỔNG QUAN:

Mặc dù chỉnh lưu bán kỳ cũng có một số ứng dụng nhưng chỉnh lưu toàn kỳ (chỉnh lưu hai bán kỳ) thường được sử dụng nhiều hơn trong các bộ nguồn DC Chỉnh lưu toàn kỳ có hai dạng:

ch ỉnh lưu dùng hai diode phối hợp máy biến áp có điểm giữa và ch ỉnh lưu cầu Graetz

Ch ỉnh lưu toàn kỳ cho phép dòng điện qua tải chỉ theo duy nhất một hướng trong suốt

chu k ỳ của áp ngõ vào hình sin, trong khi đó chỉnh lưu bán kỳ chỉ cho dòng qua tải theo hướng định trước chỉ trong bán kỳ dương của điện áp ngõ vào chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu toàn kỳ cho áp ngõ ra có t ần số cao hơn 2 lần tần số của áp ngõ vào.

Với áp xoay chiều v (t)in  Vmaxsin      t   V sin cấp vào mạch chỉnh lưu toàn kỳ cho áp tức

thời trên điện trở tải được xác định theo quan hệ sau, xem hình H1.41:

 

out max

Áp dụng quan hệ (1.20) giá trị trung bình áp trên ngõ ra chỉnh lưu toàn kỳ là:

1.5.2.CH ỈNH LƯU TOÀN KỲ DÙNG 2 DIODE VÀ MÁY BIẾN ÁP CÓ ĐIỂM GIỮA:

Máy biến áp có điểm

giữa là máy biến áp 1 pha cách ly, dây quấn sơ và thứ

cấp độc lập nhau; dây quấn

thứ cấp có 3 đầu ra dây : a,n

và b Số vòng dây quấn tứ a đến n bằng số vàng dây quấn

từ n đến b

Điểm n là trung điểm

của đoạn ab, các bộ dây an

và nb có cùng chiều quấn

Mạch chỉnh lưu toàn

kỳ dùng 2 diode phối hợp với

biến áp có điểm giữa trình bày

trong hình H1.42

Gọi áp tức thời phía thứ cấp biến áp là: v t2   vab  t  V sin2m      t V   điện áp tức thời

của các đoạn dây quấn an và nb được xác định như sau:

Điện áp trên tải trong suốt giai đoạn diode D1 dẫn là bán kỳ dương của áp van  t

Tại bán kỳ âm của áp cấp vào sơ cấp biến áp , áp thứ cấp vab  t cũng xãy ra bán kỳ âm Nói khác hơn điện thế tại các điểm a, n và b có giá trị tương ứng tại lúc này là: vb  vn  va Ta rút ra nhận xét sau: va  vn  D ngöng daãn1 và vn  vb  D daãn2 Như vậy dòng điện từ b qua

D2đến tải RL và theo n về thứ cấp

Điện áp trên tải trong suốt giai đoạn diode D2 dẫn là bán kỳ dương của áp vbn  t Chú ý

vì các áp van  t và vbn  t đảo pha nhau, nên lúc van  t diễn ra bán kỳ âm thì áp vbn  t đang

diễn ra bán kỳ dương

Với quá trình hoạt động vừa trrình bày, ta có thể thấy mạch chỉnh lưu toàn ky dùng 2 diode xem tương đương hai mạch chỉnh lưu bán kỳ vận hành lệch pha nhau 180o theo thời gian

Mỗi nửa bộ dây thứ cấp chỉ hoạt động trong mỗi bán kỳ của áp cấp vào sơ cấp biến áp

Nguyên lý ho ạt động của mạch chỉnh lưu toàn kỳ v ừa trình bàyđã gi ả thiết các diode

là lý t ưởng Trường hợp áp d ụng mô hình thực nghiệm của diode; các diode chỉ bắt đầu dẫn khi các áp tại thứ cấp: van  t hay vbn  t có giá trị lớn hơn điện thế rào cản 0,7V; phương pháp

tính toán được thực hiện tương tự như trường hợp chỉnh lưu bán kỳ

ÁP NGƯỢC ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN DIODE LÚC NGƯNG DẪN:

Trong hình H1.43 lúc diode D2 ngưng dẫn, ta có phương trình cân bằng áp sau:

Trong đó v tL  là áp tức thời đặt ngang qua hai đầu tải R L

Tương tự lúc diode D1 ngưng dẫn, ta có phương trình cân bằng áp sau:

Từ các quan hệ (1.29) và (1.30) giá trị điện áp ngược đỉnh tác động lên mỗi diode lúc

ngưng dẫn xác định theo quan hệ sau:

2m

2m D1 D2

Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 diode và biến áp có điểm giữa phía thứ cấp, với điện

áp xoay chiều cấp vào sơ cấp và tỉ số biến áp như trong hình H1.44 Xác định:

a./ Áp và dòng trung bình trên tải, công suất DC tiêu thụ trên tải khi xem các diode là lý tưởng b./ Áp ngược đỉnh tác động lên các diode lúc phân cực nghịch

Công suất DC tiêu thụ trên tải: PDC  V IAVG AVG  15,915 V 1,59mA   25,33 mW

Áp ngược đỉnh tác động trên mỗi diode lúc phân cực nghịch:

1.5.3.CH ỈNH LƯU TOÀN KỲ DÙNG MẠCH CẦU DIODE (CẦU GRAETZ) :

Gọi áp tức thời ở sơ cấp biến áp

Dòng điện từ nút a thứ cấp qua diode D1 đến c qua tải đến n qua diode D2đến nút b quay về thứ

cấp, xem hình H1.45 Ta có phương

trình cân bằng lúc này là:

HÌNH H1.44

HÌNH H1.45

b./ Trong bán k ỳ âm, diode D 1 và D 2 ng ưng dẫn, diode D 3 và D 4 d ẫn

a./ Trong bán k ỳ dương, diode D 1 và D 2 d ẫn, diode D 3 và D 4 ng ưng dẫn

Tóm lại tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , áp trên tải cùng dạng với áp thứ cấp biến áp

Với mô hình th ực nghiệm của diode quan hệ (1.33) viết lại là:

Dòng điện từ nút b thứ cấp qua diode D4đến c qua tải đến n qua diode D3đến nút a quay

về thứ cấp, xem hình H1.45 Tại lúc này dòng qua t ải không đổi hướng khi so với trường hợp

Với mô hình diode lý t ưởng, quan hệ (1.36) viết lại là:

Tóm lại tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , áp trên tải cùng dạng với áp thứ cấp biến áp

Với mô hình th ực nghiệm của diode quan hệ (1.36) viết lại là:

Với các quan hệ (1.37) và (1.38) cho thấy khi tại bán kỳ âm điện áp trên tải vẫn có giá trị

dương, nói khác hơn dạng áp trên t ải luôn mang giá trị dương khi áp v t2  di ễn ra bán kỳ

d ương lẫn bán kỳ âm

ÁP NG ƯỢC ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN MỖI DIODE LÚC DIODE NGƯNG DẪN:

Tại bán k ỳ dương của áp thứ cấp , ta có điện thế tại các nút a và b là: Va  Vc  Vn  Vb Lúc các diodeD3 và D4 ngưng dẫn ta có phương trình cân bằng áp như sau:

Và:

Với mô hình diode lý t ưởng điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0V, từ

các quan hệ (1.39) và (1 40) suy ra áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:

V R D3  V R D4  v t L max  v t 2 max  V 2m (1.41)

Với mô hình th ực nghiệm của diode điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là

0,7V ; áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:

Thế (1.35) vào (1.42) suy ra:

PIV  V R D3  V R D4  v t 2 max 1,4 0,7  V 2m 0,7V (1.43)

Tương tự tại bán k ỳ âm của áp thứ cấp, điện thế tại các nút a và b là: Va  Vc  Vn  Vb

Lúc các diode D 1 và D 2 phân cực nghịch ta có các phương trình cân bằng áp như sau:

Và:

Với mô hình diode lý t ưởng điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0V, từ

các quan hệ (1.44) và (1 45) suy ra áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:

V R D3  V R D4  v t L max  v t 2 max  V 2m (1.46)

Với mô hình th ực nghiệm của diode điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là

0,7V ; áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:

thứ cấp biến áp là V2  12 V Xác định :

a./ Áp và dòng trung bình, công

suất tiêu thụ trên tải

b./ Áp ngược tác động lên mỗi diode trong sơ đồ cầu khi áp

dụng mô hình thực nghiệm diode

GI ẢI

Biên độ áp thứ cấp: V 2m 12 2 V  16,97 V

Khi xem diode lý tưởng , áp trung bình trên tải: VAVG  0,9 V  2  0,9 12   10,8 V

Dòng trung bình qua tải: AVG AVG

Áp ngược đỉnh tác động trên mỗi diode lý tưởng lúc phân cực nghịch :

Với bộ nguồn DC lý tưởng, yêu c ầu khử độ nhấp nhô trên áp ngõ ra từ các mạch chỉnh

lưu bán kỳ hay toàn kỳ được quan tâm đến để đạt được áp DC trên ngõ ra của bộ nguồn có

dạng hoàn toàn ph ẳng Trong trường hợp này chúng ta cần dùng các mạch lọc, vì các mạch điện

tử cần được cung cấp áp và dòng DC phẳng ổn định để cung cấp công suất và phân cực cho các linh kiện điện tử khác hoạt động theo yêu cầu riêng

M ạch lọc đơn giản chỉ bao gồm tụ điện Trong trường hợp muốn ổn định một cách tuyệt đối áp DC trên ngõ ra , cần sử dụng thêm mạch tích hợp (IC) ổn định điện áp Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn đã trình bày trong hình H1.34

1.6.1.NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỌC:

Trong hình H1.48 trình bày mạch chỉnh lưu bán kỳ phối hợp với bộ lọc tụ điện trước khi

cấp đến tải

Trong suốt bán kỳ dương của điện áp xoay chiều vin  t  V sinm    t cấp vào mạch

chỉnh lưu, diode phân cực thuận cho phép tụ lọc nạp điện trong phạm vi 0,7V  vin  t  Vin max

HÌNH H1.47: Áp tức thời trên tải và tại thứ cấp biến áp khi áp dụng mô hình thực nghiệm của diode

Gọi áp đặt ngang qua hai đầu tụ C là v tC ; khi áp vào đạt đến giá trị đỉnh vin  t  Vm áp trên tụ là v tC   Vm  0,7V(khi

áp dụng mô hình thực nghiệm

của diode) Cần chú ý trong khoảng thời gian này, áp t ức

th ời trên tải và áp tức thời trên

t ụ hoàn toàn giống nhau Sau khi đạt đến mức đỉnh

áp vào bắt đầu giảm thấp giá trị (ở nửa giai đoạn còn lại trong bán kỳ dương) Bây giờ áp trên

t ụ C cao hơn áp vào, diode b ị phân c ực ngược; t ụ ngừng nạp điện Vì tụ đấu song song với điện trở tải, điện tích đang tích trên các cực dương của tụ sẽ đi qua tải để đến cực âm của tụ để trung hòa các điện tích ở cực âm; quá trình này được gọi là quá trình phóng điện của tụ Thời gian phóng điện nhanh hay chậm

phụ thuộc vào giá trị điện dung C

và trị số điện trở tải R L

Tại bán kỳ âm của áp vào, nếu tụ chưa xả hết điện tích trên các bản cực, áp trên tụ lớn

hơn áp vào nên diode vẫn tiếp tục phân cực nghịch Tụ tiếp tục duy trì quá trình phóng điện

Khi áp vào b ắt đầu bán kỳ dương kế tiếp diode ti ếp tục phân cực nghịch ; khi áp vào

t ức thời lớn hơn áp tức thời trên tụ C 0,7V tụ chấm dứt quá trình phóng điện và diode bắt đầu phân cực thuận Quá trình nạp điện tích cho tụ tiếp diển

1.6.2 ÁP T ỨC THỜI TRÊN TẢI KHI CHỈNH LƯU TOÀN KỲ CÓ MẠCH LỌC TỤ :

Với mạch chỉnh lưu toàn kỳ có mạch lọc tụ điện, nguyên lý hoạt động được giải thích tương tự

như trường hợp chỉnh lưu bán kỳ Cho mạch chỉnh

lưu dùng cầu diode theo hình H1.49

Tại bán kỳ dương của áp vào v t1  giả sử tụ

chưa nạp điện tích ban đầu, các diode D1 và D2

dẫn cấp dòng nạp điện tích cho tụ và đồng thời cấp dòng qua tải R1 Trong khoảng thời gian này áp

trên hai đầu tải cũng là áp trên hai đầu tụ C1 ; điện

áp này có dạng giống như điện áp v t1  (khi xem các diode D1 và D3 là lý t ưởng) Nếu áp dụng mô hình thực nghiệm của diode , áp trên tải và tụ có

T ụ phóng điện qua điện trở tải R L

HÌNH H1.49

Tại vị trí a, áp vào v t1  đạt cực đại và đang trên đà giảm biên độ , lúc đó áp ngang qua hai đầu tụ và tải đạt đến giá trị V 1m 1,4V Trong đó V1m là biên độ áp v t1  Bây giờ các diode D1

và D2 phân c ực ngịch Tụ C1 bắt đầu phóng điện sang tải trở R1, điện áp trên hai đầu tải bây giờ

được xác định theo quan hệ (1.51) sau đây Tại lúc tụ bắt đầu phóng điện, xét mắt lươi chứa tụ và điện trở tải ta có quan hệ:

Từ (1.52) và (1.53), suy ra áp tức thời trong khoảng thời gian tụ phóng điện, giai đoạn từ a đến b là:

Tại b, điện áp v t1  ở bán kỳ âm nhưng vì diode D3 và D4 ở tr ạng thái phân cực thuận

và bắt đầu dẫn cấp áp đến tải và tụ C1 Tụ lọc b ắt đầu nạp điện tích trở lại dạng điện áp trên tải

có dạng của điện áp nguồn v t 1 1,4V

  Giai đoạn này xãy ra trong khoảng từ b đến c

Tại c các diode D2 và D3 bị phân cực nghịch và tụ C phóng điện qua tụ như quá trình đã

diển ra trong khoảng thời gian từ a đến b Quá trình tiếp tục diển tiến có tính chất tuần hoàn qua các giai đoạn như vừa trình bày

1.6.3 H Ệ SỐ NHẤP NHÔ ĐIỆN ÁP TRÊN TẢI :

Qua các nội dung phân tích trên, tín

hiệu trên tải của mạch chỉnh lưu có dạng

phẳng hơn khi dùng thêm mạch lọc Tùy thuộc vào giá trị điện dung của tụ lọc phạm

vi chênh lệch giữa giá trị áp cao nhất và á

thấp nhất trên tải sẽ thay đổi Kho ảng chênh l ệch giữa mức thấp nhất và cao

nh ất trên áp tải gọi là độ nhấp nhô

(Ripple) Gọi : r là hệ số nhấp nhô

Vrpp là phạm vi chênh lệch giữa mức cao nhất và thấp nhất của áp trên tải

VP là áp định hay giá trị cao nhất của áp trên tải

VAVG là áp trung bình hay áp DC trên tải

Theo toán học với áp trên tải là v tL  có tính tuần hoàn Ta có thể khai triển áp v tL theo Fourier Lúc đó v tL được xem như tổng hợp từ nhiều áp hình sin thành phần khác tần số và biên độ Tần số của tín hiệu sin thành phần bằng tần số với áp v tL  gọi là tần số cơ bản và các tín hiệu sin thành phần khác có tần số cao hơn được gọi là sóng bậc cao

Theo phương pháp này hệ số nhấp nhô được gọi xác định theo quan hệ sau

Mạch lọc có ch ất lượng càng cao, áp trên ngõ ra ra càng ph ẳng Giá trị của h ệ số

nh ấp nhô ph ụ thuộc vào giá trị điện trở tải R L và điện dung C của tụ lọc Tương ứng với mỗi giá trị điện trở tải và độ nhấp nhô định trước, ta có một giá trị điện dung C tương ứng

Nói khác đi, với trị số điện dung của tụ lọc chọn trước, khi t ải thay đổi giá trị h ệ số

nh ấp nhô thay đổi theo giá trị điện trở tải Có nhiều tài liệu trình bày các phương pháp xác định điện dung tụ lọc theo hệ số nhấp nhô chọn trước, ta khảo sát một phương pháp đơn giản như sau

PHƯƠNG PHÁP TÍNH :

Khi áp dụng phương pháp này, chúng ta giả sử:

Diode chỉnh lưu là lý tưởng, bỏ qua ảnh hưởng điện thế rào cản khi diode dẫn thuận

Dạng áp trên tải đồng dạng với áp ngõ vào chỉnh lưu ở bán kỳ dương

Áp tức thời ngõ vào chỉnh lưu toàn kỳ là: vin  t  Vin max.sin      t   V

Dạng áp trên tụ và tải khi dùng mạch lọc tụ có dạng răng cưa tam giác thay vì có dạng tổ

hợp hàm sin và hàm mủ đối với thời gian thỏa các giả thiết trên trình bày trong hình H1.53

Trong đó,  U VDC rpp: khoảng chênh lệch áp trên tải giữa mức cao nhất đến thấp nhất

Quá trình tính toán được trình bày như sau:

Điện tích Q n ạp trên tụ trong các quá trình diode chỉnh lưu dẫn

ở cuối quá trình xả điện tích là VL min Khi hệ số nhấp nhô r có giá trị càng thấp, áp nhấp nhô Vrpp

tiến tới 0, thời gian tdis tiến tới giá trị T (khoảng thời gian của chu trình nạp và phóng điện của tụ),

L min

V tiến tới giá trị Vin max Khi điện áp trên tải được lọc phẳng, với hệ số nhấp nhô trên tải thấp

hơn 10% và T n ạp << T phóng ta có tdis  T Quan hệ (1.58) được viết lại như sau:

L

V I R

Từ các quan hệ (1.59) và (1.60) ta suy ra:

rpp AVG L

H1.54 , áp vLAC  t là dạng áp v tL  sau khi dời trục

Áp tức thời vLAC  t trong hình H1.54 được xác định như sau:

V V

2 3

Tóm lại:

rpp LAC

Gọi f là t ần số nguồn áp cấp vào chỉnh lưu, đối với chỉnh lưu toàn kỳ thời gian T trong

quan hệ (1.68) ch ỉ bằng nửa chu kỳ c ủa nguồn áp sin c ấp vào mạch chỉnh lưu Trong trường

hợp ch ỉnh lưu bán kỳ thời gian T trong quan hệ (1.68) b ằng chu kỳ của nguồn áp sin cấp vào

mạch chỉnh lưu Từ đó ta suy ra các quan hệ sau:

Chỉnh lưu toàn kỳ

L

1 r

L

T.V 1

GI ẢI

Đầu tiên xác định các số liệu cho trong thí dụ:

Áp hiệu dụng phía sơ cấp biến áp : V1  110 V

Khi bỏ qua độ thay đổi áp thứ cấp khi mang tải, áp hiệu dụng phía thứ cấp là:

1 2 ba

Chỉnh lưu dùng cầu diode, chỉnh lưu toàn kỳ Tần số nguồn áp cấp vào chỉnh lưu là: 50Hz

Hệ số nhấp nhô yêu cầu là ryc  3,5%

Chọn giá trị điện dung C phù hợp giá trị thực tế Ta chọn C 4700 F

Tính lại hệ số nhấp nhô với giá trị điện dung của tụ lọc vừa chọn