Bài giảng kỹ thuật điện tử

Sơ đồ khối hệ thống đo lường Hệ thống đo lường nói chung có các đặc điểm cơ bản sau: + Có hai phương pháp cơ bản thực hiện quá trình đo: phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp x

MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Tin tức và tín hiệu

Tin tức (information) là nội dung của một quá trình, một hiện tượng hay một sự kiện

Trong đời sống hàng ngày chúng ta thường truyền đi tiếng nói, hình ảnh hay âm nhạc, gọi chung là tin tức Để có thể truyền tin tức qua các hệ thống điện tử, người ta thường biến đổi chúng thành điện áp hoặc dòng điện, biến thiên tỷ lệ với lượng tin tức nguyên thủy Ta gọi đó là tín hiệu

Tín hiệu (signal) là sự biểu diễn vật lý của tin tức Các khái niệm về tín hiệu xuất hiện trong nhiều lĩnh vực Những ý tưởng và các vấn đề kỹ thuật có liên quan tới các khái niệm về tín hiệu đóng một vai trò quan trọng không chỉ trong lĩnh vực thông tin mà trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau, như hàng không, khí tượng, năng lượng, xử lý tín hiệu hay xử lý hình ảnh…

Về mặt toán học có thể coi tín hiệu là một hàm của một hay nhiều biến độc lập Hàm số này có thể là một hàm đơn giản hay phức tạp Chẳng hạn như tín hiệu tiếng nói có thể được biểu diễn như một hàm ánh sáng của hai biến không gian I (x,y)

Tín hiệu có thể được phân theo dạng tuần hoàn hoặc không tuần hoàn; tín hiệu liên tục theo thời gian gọi là tín hiệu tương tự (Analog), tín hiệu gián đoạn theo thời gian gọi tín hiệu số (Digital)

Ví dụ: Xét một tín hiệu được biển diễn trên hình 1.1 có biểu thức toán học như sau: x(t) = x(t + mT)

Trong đó: m là số nguyên; T là một hằng số, giá trị nhỏ nhất của T được gọi là chu kỳ

Như vậy, cứ sau một khoảng thời gian nhất định, tín hiệu x(t) lặp lại như trước Tín hiệu và tần số f của tín hiệu tuần hoàn được xác định theo công thức: f  T 1

Một tín hiệu không tuần hoàn, dạng bất kỳ, có thể coi như là tín hiệu tuần hoàn có chu kỳ T → ∞

Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian

Khi biểu diễn tín hiệu theo thời gian, khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu kể từ lúc bắt đầu cho đến khi kết thúc được gọi là độ dài tín hiệu Nếu tín hiệu là tuần hoàn, độ dài được tính tương ứng với thời gian tồn tại tín hiệu trong một chu kỳ

Nếu tín hiệu x(t) xuất hiện tại thời điểm t0 có độ dài là , thì giá trị trung bình của tín hiệu x(t) trong khoảng thời gian được xác định bởi:

 Năng lượng của tín hiệu

Thông thường tín hiệu x(t) là tín hiệu dòng điện hoặc điện áp qua một điện trở

R Năng lượng của tín hiệu x(t) được định nghĩa là:

Hiện nay, các quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện chủ yếu qua các hệ thống điện tử Do vậy, trong thực tế các tín hiệu phi điện trước hết cần phải được biến đổi thành các tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi hoặc cảm biến để có thể đưa vào hệ thống điện tử xử lý Ví dụ: Biến đổi âm thanh, chúng ta có thể dùng microphone

Tín hiệu điện là tín hiệu chứa dòng điện, điện từ trường biến đổi theo thời gian và không gian với các tham số xác định Tín hiệu điện thường được sử dụng dưới dạng điện áp, dòng điện hay sóng điện từ

Các hệ thống điện tử điển hình

Hệ thống điện tử là một tập hợp các thiết bị điện tử nhằm thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật nhất định như gia công xử lý tin tức, truyền thông tin dữ liệu, đo lường thông số điều khiển tự chỉnh…

Về cấu trúc một hệ thống điện tử có hai dạng cơ bản: Dạng hệ kín ở đó thông tin được gia công xử lý theo cả hai chiều nhằm đạt tới một điều kiện tối ưu định trước hay hệ hở ở đó thông tin chỉ được truyền theo một hướng từ nguồn tin tới nguồn nhận tin

1.3.1 Hệ thống thông tin thu - phát

Hệ thống thông tin thu - phát có nhiệm vụ truyền một tin tức dữ liệu theo không gian (trên một khoảng cách nhất định) từ nguồn tin tới nơi nhận tin a) Cấu trúc sơ đồ khối

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin dân dụng b) Các đặc điểm chủ yếu

- Hệ thống thông tin thu - phát là dạng hệ thống hở

- Hệ thống bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình điều chế và quá trình dải điều chế

- Quá trình gắn tin tức cần gửi đi vào một tải tin tần số cao bằng cách bắt dao động tải tin có một thông số biến thiên theo quy luật của tin tức gọi là quá trình điều chế tại thiết bị phát

- Quá trình tách tin tức ra khỏi tải tin để lấy lại nội dung tin tức tần số thấp tại thiết bị thu gọi là quá trình dải điều chế

1.3.2 Hệ đo lường điện tử

Hệ loại này có nhiệm vụ thu thập tin tức dữ liệu về một đối tượng hay quá trình nào đó để đánh giá thông số hoặc trạng thái của chúng Cấu trúc sơ đồ khối như hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống đo lường

Hệ thống đo lường nói chung có các đặc điểm cơ bản sau:

+ Có hai phương pháp cơ bản thực hiện quá trình đo: phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc;

+ Bộ biến đổi đầu vào là quan trọng nhất, có nhiệm vụ biết đổi thông số đại lượng đầu cần đo (thường ở dạng đại lượng vật lý) về dạng tín hiệu điện tử có tham số tỷ lệ với đại lượng cần đo (Ví dụ: Áp suất biến đổi thành điện áp, nhiệt độ hoặc độ ẩm hay vận tốc biến đổi; thành điện áp hoặc dòng điện );

+ Sự can thiệp của bất kỳ thiết bị đo nào vào đối tượng đo dẫn đến hệ quả là đối tượng đo không còn đứng độc lập và do đó xảy ra quá trình mất thông tin tự nhiên dẫn đến sai số đo;

+ Mọi cố gắng nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo đều là tăng tính phức tạp; tăng chi phí kỹ thuật và làm xuất hiện các nguyên nhân gây sai số mới và đôi khi làm giảm độ tin cậy của phép đo;

+ Về nguyên tắc có thể thực hiện gia công tin tức đó liên tục theo thời gian (phương pháp analog) hay gia công rời rạc theo thời gian (phương pháp digital) Yếu tố này quy định các đặc điểm kỹ thuật và cấu trúc: Cụ thể là ở phương pháp analog; đại lượng đo được theo dõi liên tục theo thời gian còn ở phương pháp digital đại lượng đo được lấy mẫu giá trị ở những thời điểm xác định và so mới các mức cường độ chuẩn xác định Phương pháp digital cho phép tiết kiệm năng lượng, nâng cao độ chính xác và khả năng phối ghép với các thiết bị xử lý tin tức tự động.

Các đại lượng cơ bản

1.4.1 Điện áp và dòng điện a) Dòng điện

Dòng điện (Electrical Current) là dòng chuyển đổi có hướng của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc phần tử mạch điện

Ký hiệu I là dòng điện một chiều DC (Direct Current) và I(t) là dòng xoay chiều AC (Alternating Current) Đơn vị của dòng điện là Ampe, (A) b) Điện áp Điện áp chính là năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian của điện tích dịch chuyển giữa hai điểm

Ký hiệu điện áp một chiều là U (hoặc V), điện áp xoay chiều là u(t) (hoặc v(t)) Đơn vị điện áp là Vôn (V)

Mạch điện tử bao gồm các linh kiện điện tử được kết nối với nhau Các linh kiện điện tử gồm linh kiện thụ động và linh kiện tích cực Linh kiện tích cực có khả năng tạo ra năng lượng, còn linh kiện thụ động thì không

Ví dụ: Điện trở, tụ điện và cuộn cảm là những linh kiện thụ động Một trong những linh kiện tích cực quan trọng nhất trong mạch điện là nguồn dòng hay nguồn áp Nguồn điện có thể tạo ra và cung cấp năng lượng điện đến các phần tử trong mạch điện a) Nguồn điện áp

Nguồn điện áp là thông số của mạch điện đặc trưng cho khả năng tạo ra và duy trì trên hai cực của nguồn điện một điện áp có giá trị không phụ thuộc vào dòng điện mà nguồn cung cấp

Nguồn áp được ký hiệu như trên hình 1.4 và được biểu diễn bởi một sức điện động e(t)

Chiều của sức điện động e(t) là từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao, chiều của điện áp u(t) là từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp, do đó u(t) = e(t)

Hình 1.4 Ký hiệu nguồn áp

Nguồn dòng điện là thông số của mạch điện đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài có cường độ dòng điện không phụ thuộc vào điện áp giữa hai cực của nguồn

Nguồn dòng được ký hiệu như trên hình 1.5 j(t) = i(t)

Một số định luật cơ bản

Để phân tích mạch điện tử, người ta thường dựa vào các định luật cơ bản như: định luật Ohm và định luật Kirchhoff

U = I.R Điện áp trên điện trở R tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó

1.5.2 Định luật Kirchhoff a Định luật Kirchhoff 1

Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và đi ra tại một nút trong mạch điện bằng không

Trong đó: N là số nhánh được kết nối tới nút và in là dòng điện đi vào hay đi ra khỏi nút

Quy ước: Dòng đi vào nút thì mang dấu dương (+);

Dòng đi ra khỏi nút thì mang dấy âm (-)

Ví dụ: Xét một nút trên mạch điện như hình vẽ 1.6

Hình 1.6 Dòng tại một nút mô tả định luật Kirchhoff 1

Tại nút K trên hình 1.6 theo định luật K1 ta có: i1 - i2 - i3 = 0 i1 = i2 + i3

Nghĩa là tổng các dòng điện đi vào nút bằng tổng các dòng điện đi ra khỏi nút Định luật K1 nói lên tính chất liên tục của dòng điện, trong một nút không có hiện tượng tích lũy điện tích, có bao nhiêu điện tích tới nút thì có bấy nhiêu điện tích rời khỏi nút b Định luật Kirchhoff 2

Tổng các thành phần điện áp trong một vòng kín bằng không

Ví dụ: Viết định luật K2 cho các vòng I và II trên hình 1.7

Hình 1.7 Hình minh họa định luật Kirchhoff 2 Đối với vòng I: u1 – u2 + u’2 – u’1 = 0 Đối với vòng II: u1 – u3 + u’3 – u’1 = 0

Trong đó u’1, u’2, và u’3 lần lượt là điện áp trên hai cực của các nguồn s.đ.đ e1, e2 và e3

Thay u’1, u’2 và u’3 bởi các s.đ.đ và chuyển chúng sang vế phải ta có:

Trong đó: up là điện áp rơi trên các phần tử không phải là nguồn sđđ Định luật K2 có thể được phát biểu như sau: Đi theo một vòng khép kín theo một chiều tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng; trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi của vòng lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

1 Phân biệt tin tức và tín hiệu; tín hiệu số và tín hiệu tương tự?

2 Các đại lượng cơ bản của mạch điện?

3 Các hệ thống điện tử điển hình?

4 Nội dung và ý nghĩa của hai định luật Kirchhoff?

Bài 1.1 Tìm các dòng điện trong mạch điện như hình BT1.1 khi chuyển mạch ở vị trí 1 và khi chuyển mạch ở vị trí 2

Bài 1.2 Tìm dòng điện và điện áp và công suất tiêu thụ trên điện trở 4Ω trong mạch điện hình BT1.2

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Điện trở (Resistor)

2.1.1 Khái niệm Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện Ký hiệu điện trở là R Định nghĩa trên chính xác cho dòng điện một chiều Đối với dòng điện xoay chiều, khái niệm sự cản trở dòng điện được mở rộng thành trở kháng Z

Z = R + jX Trong đó: j 2 = -1; X được gọi là điện kháng

Ký hiệu trong mạch điện:

Hình 2.1 Ký hiệu điện trở trong mạch điện Đơn vị đo điện trở là Ohm (Ω)

Theo định luật Ohm, trong chế độ tĩnh, điện trở có thể được tính theo công thức:

R = V/I Trong đó: V là điện áp; I là dòng điện chạy qua điện trở

2.1.2 Các tham số đặc trưng của điện trở

- Trị số điện trở và dung sai:

+ Trị số điện trở là tham số cơ bản, yêu cầu phải ổn định, phụ thuộc vào tính chất dẫn điện và kích thước của vật liệu chế tạo ra điện trở;

+ Dung sai: Là sai số của điện trở

- Công suất tiêu tán cho phép: Là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được

Công suất tiêu tán cho phép của điện trở Pttmax là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được, nếu quá mức đó điện trở sẽ nóng chảy và không dùng được nữa

- Hệ số nhiệt điện trở: Biểu thị sự thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ môi trường

  Trong đó: R là trị số của điện trở; ∆R là đại lượng thay đổi của trị số điện trở khi nhiệt độ thay đổi một lượng là ∆T.TCR là trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu của điện trở trên 1 0 C (đơn vị là ppm/ 0 C)

2.1.3 Phân loại và ứng dụng của điện trở a Phân loại điện trở Điện trở có thể được phân loại theo nhiều cách Thông dụng nhất là chia điện trở thành hai loại:

- Điện trở có trị số thay đổi (biến trở)

Cấu tạo của biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu con chạy gắn với một trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở Con chạy có kết cấu kiểu xoay hoặc kiểu trượt b Ứng dụng điện trở Điện trở được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật điện tử như dùng để giới hạn dòng điện, tạo sụt áp, dùng để phân cực, làm tải cho mạch điện, chia áp, định hằng số thời gian… Tùy theo yêu cầu của mạch điện mà người ta lựa chọn điện trở có đặc tính phù hợp

- Điện trở thông thường (không dây quấn) thường làm bằng than hay các chất đặc biệt khác có tính dẫn điện kém Các vật liệu này bao bọc bên ngoài một lõi bằng sứ, hoặc lớp bọc bị xẻ theo đường rãnh xoắn ốc xung quanh lõi (điện trở mặt), hoặc

13 chúng được ép lại thành khối Loại này có kích thước bé, điện cảm và điện dung tạp tán nhỏ, giá thành rẻ nhưng độ ổn định kém và công suất tiêu thụ nhỏ

- Điện trở dây quấn làm bằng dây côngtantan (điện trở thấp) hay nicrôm (điện trở cao) quấn trên một ống bằng sứ, được bao phủ bằng một lớp men màu nâu hay xanh Điện trở dây quấn có ưu điểm là độ ổn định và độ chính xác cao, mức tạp âm bé, công suất tiêu thụ lớn nhưng có nhược điểm là bị giới hạn về tần số do điện cảm và điện dung tạp lớn

- Điện trở kiểu chiết áp dây quấn: Cấu tạo tương tự như điện trở dây quấn nhưng biến đổi được Con chạy bằng kim loại nối với trục trượt hoặc trục quay và trượt trên các vòng dây Chiết áp dây quấn có giá trị thay đổi trong khoảng (1 ÷

200) kΩ, công suất khoảng (3 ÷ 5) W Chiết áp dây quấn thường được dùng trong các mạch công suất lớn

Hình 2.3 Kết cấu và ký hiệu của chiết áp, biến trở

Hình 2.4 Hình dạng các chiết áp

- Điện trở kiểu chiết áp than hỗn hợp: Lớp vật liệu hỗn hợp được phủ lên trên tấm hình móng ngựa, hai đầu có phủ một lớp bạc nối với chân ra Chiết áp than hay hỗn hợp có phạm vi biến đổi giá trị trong khoảng (10 Ω ÷ 10 MΩ), công suất khoảng (0,1 ÷ 2) W Chiết áp điện trở biến đổi tuyến tính Điện trở kiểu chiết áp lagarit dùng trong các bộ lọc hoặc điều chỉnh âm sắc trong các máy thu Điện trở kiểu chiết áp hàm mũ dùng để điều chỉnh âm lượng

2.1.5 Cách đọc giá trị điện trở

Cách đọc trị số của điện trở tùy thuộc vào cách biểu thị trị số điện trở

2.1.5.1 Biểu thị trị số điện trở bằng số và chữ

Thường ghi các chữ R, K, M Chữ R ứng với đơn vị Ω, chữ K ứng với đơn vị kΩ, chữ M ứng với đơn vị MΩ Vị trí của chữ thể hiện chữ số thập phân, giá trị của số thể hiện giá trị điện trở

Nếu có ba chữ số thì thường chữ số thứ ba biểu thị số lũy thừa của 10

Ví dụ: 472 R → R = 47 x 10 2 Ω Đặc biệt chữ số thứ ba là số 0 thì đó là giá trị thực của điện trở

Quy ước về sai số: B = 0,1%; C = 0,25%; D = 0,5%; F= 1%; G = 2%; H 2,5%; J = 5%; K = 10%; M = 20%

2.1.5.2 Biểu thị trị số điện trở bằng các vòng màu

Giá trị điện trở được thể hiện bằng các màu sắc như trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các giá trị màu của điện trở Màu Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Lục Lam Tím Xám Trắng

Sai số Nhũ Vàng: 5% Nhũ Bạc: 10%

Thường dùng 3 vòng, 4 vòng hoặc 5 vòng để biểu diễn Các quy định màu đối với vòng màu điện trở như sau:

- Trường hợp điện trở có 3 vòng màu:

+ Vòng 1, 2 là vòng giá trị;

+ Vòng 3 là vòng biểu thị số lũy thừa của 10;

- Trường hợp điện trở 4 vòng màu:

+ Vòng 1, 2 là vòng giá trị;

+ Vòng 3 là vòng biểu thị số lũy thừa của 10;

+ Vòng 4 là vòng sai số

- Trường hợp điện trở 5 vòng màu:

+ Vòng 1, 2, 3 là vòng giá trị;

+ Vòng 4 là vòng biểu thị số lũy thừa của 10;

+ Vòng 5 là vòng sai số Để xác định thứ tự vòng màu căn cứ vào ba đặc điểm:

+ Vòng thứ nhất gần đầu điện trở nhất;

+ Tiết diện vòng cuối cùng là lớn nhất;

+ Vòng 1 không bao giờ là nhũ vàng, nhũ bạc

Ví dụ: Điện trở có 4 vòng màu lần lượt là cam - trắng - đỏ - nhũ vàng sẽ có trị số: 39 x 10 2 Ω ± 5%.

Tụ điện (Capacitor)

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo ra bởi hai bề mặt bán dẫn được ngăn cách bởi chất điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt xuất hiện điện tích cùng cường độ nhưng trái dấu trên hai bề mặt của tụ điện

Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt của tụ là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch xoay chiều

Cấu tạo chung của tụ gồm hai bản cực làm bằng kim loại đặt song song và cách điện bằng một lớp điện môi Từ hai bản cực nối với hai dây dẫn ra ngoài làm hai chân tụ, toàn bộ đặt trong vỏ bảo vệ

Ký hiệu của tụ trong mạch điện:

Hình 2.5 Ký hiệu các loại tụ điện trong mạch điện Để đặc trưng cho khả năng phóng nạp điện tích của tụ người ta đưa ra khái niệm điện dung C Đơn vị đo điện dung là Fara (F) Ngoài ra các ước số thường dùng của điện dung là μF; nF; pF…

Dòng điện i chạy trên mạch qua tụ có quan hệ với điện áp U trên hai bản cực là: dt

2.2.2 Các tham số cơ bản của tụ điện

Mỗi loại tụ điện đều có các tham số kỹ thuật để giúp ta lựa chọn và sử dụng tụ điện trong các mạch điện tử một cách thích hợp nhất Tụ điện gồm có các tham số chính sau:

2.2.2.1 Trị số điện dung và dung sai

- Trị số điện dung C: Được tính theo tỷ số giữa điện tích hữu dụng của bản cực với khoảng cách giữa hai bản cực d

C: Là điện dung của tụ điện (F);

 r : Là hằng số điện môi của chất điện môi;

 0: Là hằng số điện môi của không khí hay chân không;

S: Là diện tích hiệu dụng của một bản kim loại; d: Là khoảng cách giữa hai bản cực (m)

- Dung sai của tụ điện: Đây là tham số chỉ độ sai lệch của trị số điện dung thực tế so với trị số danh định được ghi trên thân của nó

Cn: Là trị số điện dung thực tế;

Cdđ: Là trị số điện dung danh định

Mỗi tụ điện chỉ có một điện áp làm việc tối đa nhất định, nếu quá điện áp này lớp điện môi của tụ điện sẽ đánh thủng và làm hỏng tụ điện Đối với đa số các loại tụ thường điện áp này là điện áp một chiều Điện áp xoay chiều (hiệu dụng) trên tụ có thể bé hơn 2 ÷ 5 lần điện áp làm việc đối với dòng một chiều

Tụ điện lý tưởng mắc trong mạch xoay chiều năng lượng không bị mất mát Nhưng trong thực tế, một phần năng lượng bị tổn hao trong chất điện môi và trên các bản cực

Tính chất và kích thước của lớp điện môi quyết định điện trở cách điện của tụ điện Đối với tụ hóa, điện trở cách điện được biểu thị bằng dòng rò

2.2.2.5 Hệ số nhiệt của tụ điện

Khi nhiệt độ xung quanh biến đổi sẽ làm cho kích thước của các bản, khoảng cách giữa các bản và cả hệ số điện môi thay đổi, nên điện dung sẽ biến đổi Sự biến thiên tương đối của điện dung khi nhiệt độ thay đổi 1 0 C gọi là hệ số nhiệt của tụ điện

2.2.2.6 Điện cảm tạp tán Điện cảm tạp tán phụ thuộc vào kích thước của các bản và các đầu nối Để công tác ổn định, tần số công tác lớn nhất phải nhỏ hơn tần số cộng hưởng của tụ điện khi tính tới điện cảm tạp tán của nó (hình thành một khung cộng hưởng LC)

2.2.3 Phân loại, cấu tạo, đặc tính của tụ điện

2.2.3.1 Tụ có giá trị cố định

+ Cấu tạo: Chất cách điện trong tụ giấy làm bằng loại giấy mỏng cách điện không thấm nước, còn đầu ra làm bằng các lá kim loại rất mỏng;

+ Đặc tính: Đối với tụ giấy có điện dung nhỏ hơn 0,1 μF, điện trở cách điện ít nhất là 5.000 MΩ; còn tụ giấy có điện dung lớn hơn 0,1 μF, điện trở cách điện nhỏ hơn

Tụ giấy dùng để phân đường, ngăn, nối tầng, lọc trong những điện tần số thấp

Hình 2.6 Hình ảnh tụ giấy

+ Cấu tạo: Chất cách điện trong tụ mica làm bằng các bản mica chất lượng cao, các bản tụ điện làm bằng các lá kim loại mỏng hay bằng một lớp bạc mỏng tráng lên một mặt của bản mica Tụ điện mica có các bản làm bằng lá kim loại kém ổn định hơn loại tráng một lớp bạc

Hình 2.7 Hình ảnh tụ mica

+ Đặc tính: Tụ mica có tổn hao rất bé và điện trở các điện cao (khoảng 10.000 MΩ) nên được dùng chủ yếu trong các mạch cao tần, các phần tử cách ly trong các máy radio

+ Cấu tạo: Gồm một miếng gốm nhỏ hình trụ hoặc có hình giống khuy áo, hai mặt được tráng bạc, cách điện với nhau tạo thành hai má của tụ điện (chất điện môi là gốm);

Cuộn cảm (Inductor)

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, thường dùng trong mạch điện có dòng điện biến đổi theo thời gian Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng và làm dòng điện đi qua sẽ bị trễ pha so với điện áp một góc 90 0

Cấu tạo cuộn cảm gồm nhiều vòng dây quấn trên một lõi bằng chất cách điện hoặc có thể không có lõi tùy theo tần số làm việc của mạch

Cuộn dây quấn lõi không khí Cuộn dây quấn lõi Ferit

Hình 2.10 Hình ảnh cuộn cảm

- Ký hiệu cuộn cảm trong mạch điện

Hình 2.11 Ký hiệu các loại cuộn cảm trong mạch điện

L1 là lõi không khí; L2 là lõi Ferit; L3 là lõi điều chỉnh được;

- Để đặc trưng cho khả năng cảm ứng điện từ, người ta đưa ra khái niệm điện cảm Đơn vị đo điện cảm là H (Henri)

- Điện áp U trên hai đầu cuộn cảm khi cho dòng điện i đi qua cuộn cảm là: dt

2.3.2.1 Độ tự cảm của cuộn dây l

Trong đó: S: Là tiết diện của cuộn dây; N: Là số vòng dây; l: Là chiều dài của cuộn dõy; àr: Là độ từ thẩm của vật liệu lừi sắt từ (H/m);  0 : Là độ từ thẩm của không khí (H/m)

2.3.2.2 Hệ số phẩm chất của cuộn dây Để tính hệ số phẩm chất của cuộn dây ta xem xét đến sự tổn thất của cuộn dây khi có dòng điện chạy qua Một cuộn dây thực khi có dòng điện chạy qua luôn có tổn

23 thất, đó là công suất điện hao phí để làm nóng cuộn dây Các tổn thất này được biểu thị bởi một điện trở RS nối tiếp với điện kháng XL của cuộn dây Hệ số phẩm chất Q của cuộn dây là tỷ số của cuộn cảm kháng XL trên điện trở nối tiếp hiệu dụng RS:

2.3.2.3 Điện dung tạp tán Điện dung tạp tán là điện dung ký sinh giữa các vòng dây tạo ra một tần số cộng hưởng riêng Điện dung ký sinh càng lớn khi cuộn cảm có nhiều lớp dây quấn, để giảm điện dung ký sinh thì cuốn dây theo kiểu phân đoạn

2.3.2.4 Tần số làm việc giới hạn

Vì có điện dung ký sinh giữa các cuộn dây trong cuộn cảm, nên cuộn cảm tạo ra các mạch cộng hưởng LC và nó hoạt động như một mạch lọc tín hiệu Do vậy, ở tần số cao cuộn cảm trở thành một mạch cộng hưởng song song

Dựa theo ứng dụng cuộn dây có một số loại sau:

- Cuộn cộng hưởng là cuộn dây dùng trong các mạch cộng hưởng LC;

- Cuộn lọc là cuộn dây dùng trong các mạch lọc một chiều;

- Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần

Dựa vào loại lõi của cuộn dây, có thể chia các cuộn dây ra một số loại sau:

- Cuộn dây lõi không khí hay cuộn dây không có lõi;

- Cuộn dây lõi sắt bụi;

- Cuộn dây lõi sắt từ

2.3.4 Cách đọc giá trị cuộn cảm

Cách đọc giá trị cuộn cảm tương tự như đọc tụ điện

Ví dụ: Đỏ đỏ nhũ bạc => cuộn cảm có giá trị 0,22 μH

Chú ý: Vạch màu to nhất là vạch sai số

Biến áp (Transformer)

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện xoay chiều từ điện áp này sang điện áp khác nhưng vẫn giữ nguyên tần số Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn được gọi là sơ cấp: U1, I1, W1 Đầu ra được nối với tải gọi là thứ cấp: U2, I2, W2

Nếu U2 > U1: Máy biến áp tăng áp Nếu U2 < U1: Máy biến áp giảm áp

 Công dụng của máy biến áp: Truyền tải và phân phối điện năng

Máy biến áp trong các mạch điện tử thường là máy biến áp một pha công suất nhỏ

Hình 2.12 Hình ảnh máy biến áp công suất nhỏ

Máy biến áp có ba bộ phận chính: Lõi thép và dây quấn và vỏ máy Ngoài ra còn có các bộ phận như phần cách điện, đồng hồ đo, bộ phận điều chỉnh… a) Lõi thép

Lõi thép máy biến áp được làm bằng thép kỹ thuật, có nhiệm vụ làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung quấn dây

Thép kỹ thuật là hợp kim sắt có thành phần silic, các lá thép dày 0,3 - 0,5 mm Các lá thép này được cán mỏng nhằm mục đích giảm tổn hao năng lượng trong quá trình làm việc Tính chất của thép kỹ thuật điện cũng thay đổi theo hàm lượng silic,

25 nếu hàm lượng silic càng nhiều thì độ tổn hao càng ít, tuy nhiên lại giòn và khó gia công

Lõi thép thường được chia làm hai loại: kiểu lõi trụ và kiểu lõi hình xuyến b) Dây quấn

Thường được làm bằng dây đồng, hoặc nhôm Máy biến áp có hai cuộn dây là cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Cuộn dây sơ cấp là cuộn được nối với nguồn, cuộn thứ cấp là cuộn được nối với tải

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp thường không nối điện với nhau, máy biến áp có hai dây quấn như vậy gọi là máy biến áp cảm ứng

Dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối điện với nhau gọi là máy biến áp tự ngẫu c) Vỏ máy

Thường làm bằng kim loại để bảo vệ máy, chống rung Ngoài ta vỏ máy còn làm giá lắp đồng hồ, bộ phận chuyển mạch

2.4.3 Các thông số kỹ thuật của máy biến áp

+ Điện áp sơ cấp định mức: U1đm là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp; + Điện áp thứ cấp định mức: U2đm là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp

Với máy biến áp một pha, định mức là điện áp pha; với máy biến áp ba pha định mức là điện áp dây

- Dòng điện định mức: Là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức

- Công suất định mức: Là công suất biểu kiến định mức, ký hiệu Sđm đơn vị là

Với MBA một pha: Sđm = U2đmI2đm = U1đmI1đm

Với MBA ba pha: Sđm = 3U2đmI2đm = 3U1đmI1đm

Máy biến áp gồm cuộn dây sơ cấp có w1 vòng dây; cuộn dây thứ cấp có w2 vòng dây

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy biến áp một pha

Khi nối cuộn dây sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều có điện áp u1, điện áp sơ cấp u1, trong dây quấn sơ cấp có dòng điện i1 Dòng điện i1 sẽ sinh ra một từ thông biến thiên chạy trong lõi thép Do mạch từ khép kín nên thông này sẽ cảm ứng sang cuộn thứ cấp sinh ra sức điện động cảm ứng e2 tỷ lệ với số vòng dây w2 Đồng thời từ thông biến thiên đó cũng sinh ra trong cuộn sơ cấp một sức điện động tự cảm e1 tỷ lệ số vòng w1

Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động là: dt w d e 1  1  Tương tự ở cuộn dây thứ cấp W2 có s.đ.đ cảm ứng: dt w d e 2  2 

Khi máy biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện thứ cấp I2 0, từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I0 sinh ra Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở là Zt, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp i2 cung cấp điện cho tải Khi đó từ thông chính do đồng thời cả 2 dòng sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra Điện áp u1 hình sin nên từ thông cũng biến thiên hình sin: Φ = Φm.sinωt

1 1 e E 2 sin( t / 2)Tương tự ở cuộn dây thứ cấp w2 có:

2 2 e E 2 sin( t / 2) Hai s.đ.đ trên biến đổi theo qui luật hàm số sin và có s.đ.đ hiệu dụng là:

Nếu gọi hệ số biến áp Ku là tỉ số giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp; bỏ qua tổn hao trên các cuộn dây thì ta có: m 2 m 1 2

Như vậy, căn cứ vào tỷ số biến áp có thể xác định được số vòng dây cụ thể của phần điện từ và ngược lại

Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu coi hao tổn trên MBA là không đáng kể thì công suất vào P1 phải gần bằng công suất ra P2 ta có:

Trong đó: Ki gọi là hệ số biến dòng

- Hiệu suất máy biến áp:

Hiệu suất máy biến áp được tính theo công thức sau:

P1: Là công suất tiêu thụ (công suất đầu vào máy biến áp);

P2: Là công suất đầu ra máy biến áp (công suất trên dây quấn thứ cấp);

∆P: Là tổn hao trong máy biến áp: ∆P = ∆Pđ1 + ∆Pst + ∆Pđ2;

∆Pđ1 = I1 2.R1 gọi là tổn hao đồng trên dây sơ cấp;

∆Pst gọi là tổn hao sắt từ;

∆Pđ2 = I2 2.R2 gọi là tổn hao đồng trên dây quấn thứ cấp

Ngoài ra, trên máy biến áp còn ghi tần số định mức fđm, số pha, sơ đồ đấu dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc

2.4.4 Một số loại máy biến áp thường gặp

Máy biến áp được phân thành nhiều loại khác nhau dựa vào cấu tạo, chức năng, cách thức cách điện, công suất và hiệu điện thế

Biến áp âm tần là biến áp được thiết kế để làm việc ở dải tần số âm thanh khoảng từ 20 Hz đến 20.000 Hz Do đó, biến áp này được dùng để biến đổi điện áp mà không được gây méo dạng sóng, dùng để ngăn cách điện một chiều trong mạch này với mạch khác; biến đổi tổng trở; đảo pha

Biến áp cao tần gồm hai cuộn dây quấn trên cùng một ống cách điện cao tần Dây dẫn có thể là dây đồng một sợi có tráng men hay mạ bạc, có đường kính lớn hoặc bằng nhiều sợi dây nhỏ tết lại với nhau

Hai cuộn sơ cấp và thứ cấp có thể quấn chồng lên nhau, hoặc có thể quấn cách nhau một khoảng vài mm, khoảng cách càng gần độ ghép càng lớn Người ta còn cho thêm lõi thép ferit vào lòng cuộn dây để tăng thêm hệ số tự cảm và hệ số phẩm chất của nó Để tránh ảnh hưởng ghép ký sinh giữa biến áp với các vật liệu xung quanh người ta thường bọc kín nó bằng một hộp kim loại

Biến áp tự ngẫu là bộ biến đổi điện áp gồm một cuộn dây có một hay nhiều đầu dây trung gian

Dùng biến áp tự ngẫu thay cho biến áp có thể giảm chi phí về dây quấn vì trong một cuộn dây chung chỉ có dòng điện hiệu số chạy qua, I = I2 – I1 (trong biến áp tự ngẫu hạ áp) hay I = I1 – I2 (trong biến áp tự ngẫu tăng áp)

Biến áp tự ngẫu có một ưu điểm đáng kể về chi phí của dây dẫn khi tỷ số biến áp không lớn lắm Với tỷ số biến áp k = 2 thì dây đồng tiết kiệm được 50%, với k 50 thì chỉ vào khoảng 5% Vì đầu ra và đầu vào của biến áp tự ngẫu ghép trực tiếp nên trong mạch biến áp tự ngẫu không nối đất

2.4.4.2 Biến áp cộng hưởng Đây là biến áp cao tần (dùng ở trung tần hoặc cao tần) có lõi không khí hoặc sắt bụi hoặc ferit Các biến áp này ghép lỏng và có một tụ điện mắc ở cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp để tạo cộng hưởng đơn

DIODE

Chất bán dẫn

Các linh kiện điện tử như diode, transistor đều được chế tạo từ chất bán dẫn Trong phần này trình bày về ba loại bán dẫn cơ bản: bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp loại N, bán dẫn pha tạp loại P

3.1.1 Khái niệm a) Khái niệm về chấn bán dẫn

Chất bán dẫn là vật chất có điện trở suất nằm giữa trị số điện trở suất của chất dẫn điện và chất điện môi tại nhiệt độ phòng Điện trở suất của chất bán dẫn ρ có trị số nằm trong khoảng ρ = 10 -6 ÷ 10 8 Ωm

Trong tự nhiên tồn tại nhiều chất bán dẫn như Bo (B); Indi (In); Gali (Ga), Silic (Si); Gecmani (Ge)…

Trong ngành kỹ thuật điện tử, người ta chỉ dùng một số chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể đơn, có nghĩa là các nguyên tử của nó được sắp xếp theo một quy luật nhất định tạo thành mạng tinh thể Hai chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất là Si và Ge b) Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể

Theo lý thuyết về cấu trúc của nguyên tử, nguyên tử gồm một hạt nhân nằm ở giữa và bao xung quanh là các quỹ đạo điện tử Lớp hóa trị của một nguyên tử được thay thế bởi một vùng các mức năng lượng và các điện tử hóa trị bị giới hạn trong vùng đó Nếu điện tử hấp thu đủ năng lượng ngoài thì nó rời khỏi lớp hóa trị và trở thành điện tử tự do và tồn tại trong vùng dẫn

Sự chênh lệch năng lượng giữa các vùng hóa trị và vùng dẫn gọi là vùng cấm Đây là phần năng lượng thấp nhất mà điện tử (electrons) hóa trị phải có để nhảy được từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Cấu trúc năng lượng của vật rắn tinh thể nhìn chung chia làm ba vùng

 Vùng hóa trị (hay còn gọi là vùng đầy) (Valence Region): Vùng này gồm các mức năng lượng mà trong điều kiện thường đã bị điện tử chiếm giữ, không còn trạng thái năng lượng tự do

 Vùng dẫn (vùng trống) (conduction region): Vùng này gồm các mức năng lượng mà trong điều kiện thường đã bị điện tử chiếm giữ, không còn trạng thái năng lượng tự do

 Vùng cấm (Forbidden Region): Trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm giữ

Tùy theo vị trí tương đối của ba vùng trên mà vật rắn tinh thể có thể được chia ra làm ba loại: chất dẫn điện, chất cách điện, chất bán dẫn

Chất bán dẫn thì có ba loại: Chất bán dẫn nguyên chất; chất bán dẫn tạp chất loại N; chất bán dẫn tạp chất loại P

Khi hai loại bán dẫn P-N ghép với nhau sẽ tạo thành tiếp xúc P-N, hình thành lên dòng điện khuếch tán, dòng này dần đến 0

Trong chất bán dẫn loại N thì điện tử là hạt dẫn đa số, còn trong bán dẫn loại P thì lỗ trống là hạt dẫn đa số

Bán dẫn N mang điện tích âm, dấu ‘–’; gọi là catốt (K)

Bán dẫn P mang điện tích dương, dấu ‘+’ gọi là anốt (A) a) Hiện tượng tạo thành vùng nghèo

Khi hai loại bán dẫn P và N ghép với nhau để tạo thành chuyển tiếp P-N, các điện tử tự do trong miền N ở gần lớp mặt ghép sẽ khuếch tán sang miền P và kết hợp với các lỗ trống ở gần lớp tiếp xúc Do đó, miền N mất các điện tử tự do do khuếch tán sang miền P tạo ra một lớp điện tích dương gần lớp tiếp xúc Khi các điện tử di chuyển qua lớp mặt ghép, miền P mất các lỗ trống do các điện tử kết hợp với lỗ trống, tạo ra một lớp điện tích âm gần lớp tiếp xúc Hai lớp tích điện âm và dương ở vùng tiếp xúc P-N tạo lên vùng nghèo

Hình 3.1 Sự hình thành vùng nghèo ở mặt ghép P-N

Khái niệm vùng nghèo có nghĩa là vùng gần lớp tiếp xúc P-N bị mất hết các hạt mang điện Vùng nghèo được mở rộng ra khi trạng thái cân bằng được thiết lập và không có thêm sự khuếch tán điện tử qua lớp tiếp xúc

Trong vùng nghèo theo định luật Cu-lông hình thành một hàng rào thế năng hay điện trường Điện trường này sẽ ngăn cản các điện tử trong bán dẫn loại N di chuyển qua lớp tiếp xúc Đây là năng lượng tối thiểu cần thiết để điện tử có thể di chuyển qua vùng nghèo Điện áp cần cung cấp để cho electron di chuyển qua vùng nghèo gọi là điện áp mở (hay điện áp ngưỡng) và bằng điện áp tiếp xúc giữa hai lớp P-N ln p ln n mo tx n p p n

Với những điều kiện tiêu chuẩn, ở nhiệt độ phòng, điện áp mở Umo có giá trị khoảng 0,3 V với mặt ghép P-N làm từ Ge và 0,7 V với loại làm từ Si b) Tiếp xúc PN khi phân cực thuận (khi điện trường ngoài đặt thuận) Đặt một điện áp một chiều (Vth) lên mặt ghép P-N Cực dương nối với miền P và cực âm nối với miền N (UDC = 0,7 V đối với Si; UDC = 0,3 V đối với Ge)

Hình 3.2 Mặt ghép P-N khi phân cực thuận

Khi phân cực thuận cho mặt ghép P-N, cực âm của nguồn Vth sẽ đẩy các điện tử tự do trong miền N (là các hạt đa số) qua mặt ghép P-N Dòng các electron tự do gọi là dòng điện tử Cực âm của nguồn cũng đẩy các electron vào miền N Điện áp của nguồn truyền đủ năng lượng cho các eletron tự do để chúng vượt qua vùng nghèo và tới được miền P Ở miền P các electron dẫn điện này bị mất năng lượng và tái hợp với các lỗ trống ở vùng hóa trị Cực dương của nguồn sẽ hút các electron hóa trị về phía bên trái của miền P Các electron di chuyển từ lỗ trống này đến lỗ

34 trống khác và tới được cực dương của nguồn Các lỗ trống là các hạt đa số của miền

P thực tế di chuyển sang phía bên phải lớp mặt ghép và gọi là dòng lỗ trống

Khi phân cực thuận, vùng dẫn của miền N được nâng lên đến mức năng lượng cao và gối lên vùng dẫn của miền P Một số lượng lớn các electron tự do có đủ năng lượng để vượt qua rào và sang phía miền P, ở đây chúng kết hợp với các lỗ trống ở vùng hóa trị như minh họa hình 3.2

Vậy khi đặt một điện trường ngoài (thuận) vào hai bản cực P-N thì xuất hiện dòng điện ngoài Ing có:

Trong đó: Ikt là dòng khuếch tán; IAK gọi là dòng thông mạch

Nhận xét : Mặt ghép P-N dẫn điện mạnh khi phân cực thuận và hầu như không dẫn điện khi phân cực ngược c) Tiếp xúc P-N phân cực ngược (Khi điện trường ngoài đặt ngược)

Diode bán dẫn

3.2.1 Cấu tạo, hoạt động của diode

Diode bán dẫn cấu tạo là một mặt ghép P-N với hai điện cực nối với hai miền

P và N Điện cực nối với miền N gọi là miền Ka-tốt, điện cực nối với miền P gọi là miền A-nốt

Ký hiệu diode trong mạch điện: Có hai cách ký hiệu như hình sau:

Hình 3.5 Các kiểu ký hiệu diode trong mạch điện

Với diode Si có Umở = 0,7 V; diode Ge có Umở = 0,3 V

Nguyên lý hoạt động: Khi đặt một điện áp U lên diode, nếu UAK > 0 thì diode thông Nếu UAK < 0 thì diode khóa

3.2.2 Đặc tuyến V-A của diode Đặc tuyến V-A của diode bán dẫn giống với đặc tuyến V-A của lớp tiếp xúc P-N

Hình 3.6 Đặc tuyến Von-ampe của diode bán dẫn

Khi diode phân cực thuận (UA > UK), thì diode cho dòng điện đi qua, gọi là dòng thuận ID Ban đầu UAK = 0 thì dòng ID = 0; khi tăng điện áp nguồn UAK > Ubh thì dòng ID tăng theo Và ID được tính xấp xỉ theo công thức: T

Khi diode phân cực ngược (UA < UK), thì diode không cho dòng điện đi qua Khi UAK > Ung thì diode sẽ bị đánh thủng và mất đi tính chỉnh lưu

3.2.3 Các tham số của diode a) Các tham số giới hạn

- Điện áp ngược cực đại cho phép U ngmax : Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất có thể đặt lên diode mà diode vẫn làm việc bình thường Thông thường trị số này được chọn khoảng Ung max = (0,7 ÷ 0,8) Uđt; Uđt là điện áp đánh thủng diode

- Dòng điện thuận lớn nhất đi qua khi diode mở: Imaxcp (A)

- Công suất tiêu hao cực đại cho phép: Pcp (W)

- Tần số làm việc cho phép: fmax (Hz)

- Khoảng nhiệt độ làm việc: Khoảng nhiệt độ làm việc là nhiệt độ đảm bảo diode làm việc bình thường Khoảng nhiệt độ làm việc của diode Ge khoảng từ -

60 0 C đến + 85 0 C, diode Si khoảng từ - 60 0 C đến + 150 0 C b) Các tham số làm việc

- Điện trở một chiều hay còn gọi là điện trở tĩnh R 0 : Đây là điện trở của diode khi làm việc ở chế độ nguồn một chiều hoặc tại chế độ tĩnh (tại điểm làm việc tĩnh trên đặc tuyến)

R 0 U Điện trở một chiều R0 chính là nghịch đảo góc nghiêng của đặc tuyến von- ampe tại điểm làm việc tĩnh Do vậy điện trở một chiều của diode không phải là một tham số cố định, nó thay đổi theo trị số điện áp và dòng điện tĩnh

- Điện trở xoay chiều hay còn gọi là điện trở động R i Điện trở động là một tham số quan trọng và được xác định là nghịch đảo góc nghiêng của tiếp tuyến với đặc tuyến von-ampe, nghĩa là Ri tỷ lệ với cotang góc nghiêng của tiếp tuyến với đặc tuyến von-ampe ở điểm làm việc tĩnh của diode di

- Hệ số chỉnh lưu k’: Đây là thông số đặc trưng độ phi tuyến của diode và được xác định bằng biểu thức sau:

- Điện dung của diode C d : Điện dung của diode gồm có hai thành phần là điện dung của bản thân mặt ghép P-N (C0) và điện dung khuếch tán của mặt ghép P-N (Ckt)

Khi ta đặt một điện áp ngược lên mặt ghép P-N, bề dầy lớp tiếp xúc tăng lên theo sự tăng của điện áp ngược và mật độ điện tích trong vùng điện tích không gian tăng lên theo điện áp ngược Sự tăng các điện tích khi đặt điện áp ngược lên mặt ghép PN gọi là hiệu ứng điện dung Điện dung khuếch tán chỉ xuất hiện khi có hiện tượng khuếch tán xảy ra Do đó khi diode phân cực thuận thì Ckt >> C0, còn khi diode phân cực ngược thì Ckt = 0 và C = C0

Diode zener có cấu tạo từ mặt ghép P-N nhưng khác với diode chỉnh lưu là nó được thiết kế để hoạt động ở vùng đánh thủng ngược Điện áp đánh thủng của diode zener được xác định bằng cách điều chỉnh tỷ lệ pha tạp trong quá trình chế tạo Khi phân cực thuận, diode zener hoạt động giống như diode chỉnh lưu

Hình 3.7 Ký hiệu và đặc tính V-A của diode Zener Ở chế độ phân cực ngược, khi đạt tới đánh thủng ngược, điện áp rơi trên diode gần như không đổi trong khi dòng tăng rất mạnh Hai loại đánh thủng ngược ở diode zener là đánh thủng zener và đánh thủng thác lũ

39 Đánh thủng thác lũ là xảy ra đối với diode zener và diode chỉnh lưu khi điện áp ngược đủ lớn Đánh thủng zener xảy ra đối với diode zener ở điện áp ngược thấp Diode Zener được pha tạp mạnh để giảm điện áp đánh thủng, do đó có vùng nghèo rất mỏng Ở gần điện áp đánh thủng (VZ), điện trường đủ lớn để kéo các electron từ vùng hóa trị và tạo nên dòng điện

Diode zener với điện áp đánh thủng bé hơn 5 V hầu hết hoạt động ở điện áp đánh thủng Zener Diode zener với điện áp đánh thủng lớn hơn 5 V hầu hết hoạt động ở điện áp đánh thủng thác lũ Các diode zener trên thị trường có điện áp đánh thủng từ 1,8 V đến 200 V với sai số từ 1% đến 20% Đặc tuyến V-A của diode zener được cho trên hình 3.7 Dòng ngược được gọi là dòng Zener Iz Khi hiện tượng đánh thủng bắt đầu, điện trở Zener trong gọi là trở kháng

Zener (Zz) bắt đầu giảm khi dòng ngược tăng mạnh

Hệ số nhiệt độ biểu thị điện áp Zener thay đổi bao nhiêu % khi nhiệt độ thay đổi 1 0 C Ví dụ: Diode Zener 12 V với hệ số nhiệt dương 0,01%/ 0 C thì Vz sẽ tăng 1,2 mV khi nhiệt độ tăng 1 0 C

- Ứng dụng của diode zener:

Thông thường diode Zener công suất nhỏ được dùng để cấp điện áp mốc (ổn áp) hoặc hạn chế mức điện áp cho mạch điện

Diode Zener công suất lớn được dùng trong mạch ổn áp kiểu song song, tuy nhiên vì tổn hao điện và mức nhiệt phát ra nhiều trên diode và điện trở chặn, nên mạch này ít được sử dụng

Một số mạch ứng dụng của diode

3.3.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cung cấp cho các phụ tải điện một chiều a) Sơ đồ mạch

Hình 3.14 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ b) Hoạt động của mạch

Khi cấp một điện áp xoay chiều U1 vào hai đầu cuộn L1 thì ở hai đầu cuộn L2 xuất hiện một điện áp cảm ứng xoay chiều U2

+ Xét nửa chu kỳ dương của U2: Giả sử điểm A có điện thế dương, điểm B có điện thế âm; UA > UK , diode thông (phân cực thuận) Vì vậy, dòng điện chạy trong mạch theo chiều A + → D → Rt → B-

+ Xét nửa chu kỳ âm của U2: Thì điểm A có điện thế âm, điểm B có điện thế dương; UA < UK, diode khóa

 Nhận xét: Điện áp ra chỉ xuất hiện trong nửa chu kỳ dương của U 2 vì vậy điện áp ra là điện áp một chiều

- Đặc điểm: Kết cấu mạch đơn giản; độ gợn sóng lớn, vì vậy để điện áp ra bằng phẳng hơn ra có thể mắc thêm tụ lọc song song với Rt.351 c) Tính toán giá trị dòng và áp trên tải Điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp máy biến áp: 1

Trong đó: N1, N2 lần lượt là số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp.

Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:

U U  V Trong đó: Urp: Là điện áp ra đỉnh; U2p: Là điện áp thứ cấp đỉnh

Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:

Giá trị trung bình của dòng điện trên tải là: ra t t

 R 3.3.2 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ a) Sơ đồ mạch

Hình 3.15 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ b) Hoạt động

Xét nửa chu kỳ dương của U21 (tức nửa chu kỳ âm của U22): Diode D1 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều A → D1 → Rt → 0 V

Xét nửa chu kỳ âm của U21 (tức nửa chu kỳ dương của U22): Diode D2 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều B → D2 → Rt → 0 V

Nhận xét: Trong cả hai nửa chu kỳ của của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải Sơ đồ mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ sử dụng diode chính là hai sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ mắc song song có tải chung Đặc điểm:

- Điện áp ngược đặt lên diode lớn;

- Cấu tạo của biến áp dùng cuộn thứ cấp có điểm chung: Công suất bé, điện áp ra bé;

- Độ gợn sóng ít hơn mạc chỉnh lưu nửa chu kỳ Vì vậy, để điện áp ra bằng phẳng hơn ta có thể mắc thêm tụ lọc song song với Rt c) Tính toán giá trị dòng và áp trên tải Điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp máy biến áp:

Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:

 Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:

 Giá trị trung bình của dòng điện trên tải đối với trường hợp tải thuần trở: ra t t

Khi đó dòng qua các diode D1 và D2 là: 1 2

Và dòng cực đại qua diode là: ax

 Điện áp ngược cực đại đặt vào diode khóa bằng tổng điện áp cực đại trên 2 cuộn thứ cấp của biến áp: max 2 2 2 3,14 ng ra

Khi đó cần chọn van D1, D2 có điện áp chược cho phép lớn hơn điện áp ngược cực đại

 Khi trên tải có tụ lọc C, do hiện tượng nạp và phóng của tụ điện C mạch lúc đó làm việc ở chế độ không liên tục như trường hợp với tải điện trở

Với trường hợp tải điện dung, ta thấy trên hình 3.15b mỗi van chỉ làm việc trong khoảng thời gian nhỏ hơn nửa chu kỳ và thông mạch nạp cho tụ điện Trong khoảng thời gian còn lại các van đều khóa (do điện áp trên tụ đã nạp lớn hơn giá trị tức thời của điện áp pha tương ứng U22 và U21) Lúc đó tụ C phóng điện và cung cấp điện áp ra trên tải Rt Điện áp ra trung bình trong trường hợp này bị thay đổi, khi đó:

3.3.3 Mạch chỉnh lưu cầu a) Sơ đồ mạch

Hình 3.16 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu cầu b) Hoạt động

Xét nửa chu kỳ dương của U2: Diode D1 và D3 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều A → D1 → Rt → D3 → B

Xét nửa chu kỳ âm của U2: Diode D2 và D4 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều B → D2 → Rt → D4 → A

Nhận xét: Trong cả hai nửa chu kỳ của của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải Đặc điểm:

- Điện áp ngược đặt lên diode nhỏ hơn so với mạch chỉnh lưu dùng hai diode;

- Cấu tạo của biến áp đơn giản hơn c) Tính toán giá trị dòng và áp trên tải Điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp máy biến áp:

Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:

 Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:

 Giá trị trung bình của dòng điện trên tải đối với trường hợp tải thuần trở là: ra t t

 Điện áp ngược cực đại đặt vào diode khóa bằng biên độ U2m: max 2 2

 Khi trên tải có tụ lọc C: Do hiện tượng nạp và phóng của tụ điện C mạch lúc đó làm việc ở chế độ không liên tục như trường hợp với tải điện trở và điện áp ra trên tải là: U ra  1, 41 U 2

Hình 3.17 Sơ đồ mạch nhân đôi điện áp

Mạch hình 3.17 cho phép nhận được điện áp ra một chiều có giá trị gấp đôi điện áp vào Ở nửa chu kỳ dương của điện áp vào, diode D1 mở, D2 khóa, tụ C1 được nạp với giá trị điện áp bằng U2m; ở nửa chu kỳ âm của điện áp vào, diode diode D1 khóa, D2 khóa, tụ C2 được nạp với giá trị điện áp bằng U2m Các tụ C1 và

C2 sẽ phóng điện trong nửa chu kỳ tiếp theo sau khi đã được nạp ở nửa chu kỳ trước đó Do vậy điện áp ra luôn có giá trị là tổng điện áp trên 2 tụ C1 và C2 ra C1 C2 2m 2

3.3.5 Các mạch hạn chế biên độ (mạch ghim)

Các mạch hạn chế biên độ được sử dụng để hạn chế biên độ của điện áp ra lớn hơn, nhỏ hơn hoặc nằm giữa hai giá trị nào đó gọi là các mức ngưỡng Thông thường giá trị của các mức ngưỡng không vượt quá biên độ lớn nhất của điện áp đưa vào hạn chế Tùy theo các mắc các phần tử hạn chế so với tải và cách lấy điện áp ra mà ta có các mạch hạn chế nối tiếp, song song, mạch hạn chế trên, dưới và hạn chế hai phía

3.3.5.1 Mạch hạn chế nối tiếp

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

49 a) Mạch hạn chế trên mức E b) Mạch hạn chế dưới mức E

Hình 3.18 Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp

 Mạch hạn chế nối tiếp trên mức E

Giải thích hoạt động: Giả thiết tín hiệu vào là hình sin và diode là lý tưởng

Gọi RDth và RDng là điện trở thuận và điện trở ngược của diode

Khi UD > 0 → Diode D mở và điện áp ra bằng: Áp dụng nguyên lý xếp chồng trong mạch điện ta tính được:

Khi UD < 0 → Diode D khóa và điện áp ra bằng:

Vậy nếu thỏa mãn điều kiện RDth + Rng 0 → Diode D mở → Ura = E

3.3.6 Ổn định điện áp bằng diode Zener (diode ổn áp)

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Diode ổn áp dùng để ổn định điện áp đặt vào phụ tải

Kí hiệu, đặc tuyến V-A, sơ đồ ổn áp đơn giản dùng diode Zener như hình 3.22

Hình 3.22 Kí hiệu, đặc tuyến V-A và sơ đồ ứng dụng diode Zener

- Nhánh thuận đặc tuyến V-A của diode này giống như diode chỉnh lưu thông thường như nhánh ngược có phần khác: Lúc đầu khi điện áp ngược còn nhỏ thì

Ingược có trị số nhỏ giống diode thông thường

+ Khi điện áp ngược đạt tới giá trị điện áp ngược đánh thủng thì dòng điện ngược qua diode tăng lên đột ngột còn điện áp ngược trên diode được giữa hầu như không đổi Đoạn đặc tuyến gần như song song với trục dòng điện (đoạn A-B) Đoạn (A-B) được giới hạn bới (Iôdmin, Iôdmax) là đoạn làm việc của diode ổn áp

TRANSISTOR

MẠCH KHUẾCH ĐẠI

PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N