0 SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CƠ BẢN NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số 234 QĐ – CĐN.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CƠ BẢN NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
Lịch sử phát triển công nghệ điện tử
Phân loại dựa trên đặc tính vật lý
Đoạn mô tả này giới thiệu các linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt, bao gồm điện trở bán dẫn, đi-ốt, BJT, JFET, MOSFET và điện dung MOS Các IC được thiết kế từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI, phản ánh xu hướng tăng cường tích hợp và hiệu suất cho các ứng dụng điện tử hiện đại.
Trong lĩnh vực công nghệ quang điện, các linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện và được phân thành nhiều nhóm chính Nhóm linh kiện quang điện như quang trở, photodiode, PIN, APD và CCD có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện hoặc ngược lại, phục vụ cảm biến, nhận diện và thu thập dữ liệu quang học Nhóm linh kiện phát quang gồm LED và LASER, cung cấp nguồn sáng và xử lý tín hiệu quang ở các mức độ khác nhau Nhóm linh kiện chuyển hóa năng lượng quang điện thành điện năng như pin mặt trời, hoặc ngược lại để chiếu sáng và truyền thông Bên cạnh đó, các linh kiện hiển thị và IC quang điện tử đóng vai trò xử lý, điều khiển và tích hợp tín hiệu quang trong các hệ thống hiện đại và ứng dụng công nghệ thông tin.
Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến, gồm các họ cảm biến nhiệt, cảm biến điện, cảm biến từ và cảm biến hoá học; bên cạnh đó có cảm biến cơ, cảm biến áp suất, cảm biến quang bức xạ và cảm biến sinh học Các chủng loại IC thông minh được phát triển trên nền tảng sự kết hợp giữa công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo cảm biến, phục vụ cho các ứng dụng tự động hóa, giám sát và phân tích dữ liệu.
Các linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và các hiệu ứng mới, được chế tạo bằng công nghệ nano với cấu trúc siêu nhỏ, gồm bộ nhớ một điện tử, transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử và linh kiện xuyên hầm một điện tử, mang lại tiềm năng cho vi mạch nhỏ gọn, hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng nhờ tối ưu hóa lưu trữ và truyền tín hiệu ở mức lượng tử.
Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu
Hình 1.: Phân loại linh kiện dựa trên chức năng xử lí tín hiệu
Phân loại theo ứng dụng
Vi mạch và ứng dụng: (hình 2; hình 3)
- Memory chips: RAM, ROM, EEPROM
- Analog: Thông tin di động, xử lý audio/video
- Embedded systems: Thiết bị ô tô, nhà máy, Network cards System-
Hình 2: Ứng dụng của vi mạch
Hình 3 : Ứng dụng của linh kiện điện tử Linh kiện thụ động: R, L, C…
Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET…
Vi mạch tích hợp IC: IC tương tự, IC số, Vi xử lý…
Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển
Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang
GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
Chất cách điện (chất điện môi
- Định nghĩa: Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao
(107 ÷1017Ω.m) ở nhiệt độ bình thường Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ
Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện
- Các tính chất của chất điện môi
- Độ thẩm thấu điện tương đối (hằng số điện môi - ε)
- Độ tổn hao điện môi (Pa)
- Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t)
- Dòng điện trong chất điện môi (I)
- Điện trở cách điện của chất điện môi
Chất dẫn điện
Định nghĩa: Vật liệu dẫn điện là những chất có độ dẫn điện cao, với trị số điện trở suất dao động khoảng từ 10^-8 đến 10^-5 Ω·m, thấp hơn so với các loại vật liệu khác; trong tự nhiên, chất dẫn điện có thể ở dạng rắn – kim loại, chất lỏng – kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân, hoặc chất khí ở điện trường cao.
Các tính chất của chất dẫn điện
- Hệ số nhiệt của điệntrở suất(α)
- Công thoát của điện tử trong kim loại
Vật liệu từ
Định nghĩa: Vật liệu từ là vật liệu khi đặt vào trong một từ trường thì nó bị nhiễm từ
- Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ
- Từ trở và từ thẩm
LINH KIỆN THỤ ĐỘNG
ĐIỆN TRỞ
1.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
1.1.1 Ký hiệu a Định nghĩa Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện b Đặc điểm Để đạt được một giá trị dòng điện mong muốn tại một điểm nào đó của mạch điện hay giá trị điện áp mong muốn giữa hai điểm của mạch người ta dùng điện trở có giá trị thích hợp Giá trị của điện trở không phụ thuộc vào tần số dòng điện, nghĩa là giá trị điện trở không thay đổi khi dùng ở mạch một chiều cũng như xoay chiều c Ký hiệu và đơn vị
- Ký hiệu: Đơn vị của điện trở: ; K; M
Hình 1.1 Điện trở cố định (Điện trở có giá trị điện trở cố định)
Hình 1.2 Các loại điện trở biến đổi ( Điện trở có giá trị điện trở thay đổi ) d Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở
- Trị số của điện trở là tham số cơ bản yêu cầu phải ổn định, ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm…
- Trị số của điện trở phụ thuộc vào tính chất dẫn điện và kích thước của vật liệu chế tạo ra nó
Trong đó: R: Điện trở của một vật dẫn
: Điện trở suất của vật dẫn chế tạo điện trở l: Chiều dài của vật dẫn
S: Tiết diện mặt cắt của vật dẫn
* Dung sai ( sai số ) của điện trở:
Dung sai hay sai số của điện trở là thước đo mức độ lệch giữa trị số thực tế của điện trở và trị số danh định, được tính theo phần trăm Sai số này cho biết mức độ khác biệt giữa điện trở được chọn và điện trở thực tế trong mạch, ảnh hưởng đến độ chính xác tín hiệu và hiệu suất hoạt động của thiết bị Các loại dung sai phổ biến như ±1%, ±5% hay thấp hơn cho phép người thiết kế dự báo độ ổn định và khả năng lặp lại của mạch Hiểu rõ dung sai giúp lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu về độ chính xác và chi phí, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và tin cậy của hệ thống.
- Sai số % gồm các cấp: 1%, 2%, 5%, 10% và 20%
- Công suất danh định là cường độ dòng điện tối đa chạy qua điện trở mà không làm điện trở nóng quá PR 2P
- Công suất của điện trở được nhà chế tạo qui ước thay đổi theo kích thước lớn hay nhỏ với trị số gần như đúng như sau:
+ Công suất 1W có chiều dài 1,2cm
+ Công suất 2W có chiều dài 1,6cm
+ Công suất 4W có chiều dài 2,4cm
Những điện trở có công suất lớn hơn thường là điện trở dây quấn
Có 5 loại điện trở chính là:
- Điện trở than ép dạng thanh
- Điện trở màng kim loại
- Điện trở oxit kim loại
1.1.3 Cấu tạo a Điện trở than ép dạng thanh
* Cấu tạo: Được chế tạo từ bột than với chất liên kết nung nóng hoá thể được bảo vệ bằng một lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn
Hình 1.3 Cấu tạo điện trở than ép dạng thanh
+ Điện trở này thường được chế tạo với cụng suất cỡ ẳ W đến 1 W với giá trị từ 1/20 đến vài W
+ Rẻ tiền tuy nhiên có nhược điểm là tính ổn định kém khi nhiệt độ thay đổi sẽ gây ra dung sai b Điện trở màng kim loại
Chế tạo theo cách kết lắng mằng Ni-Cr (Niken-Crôm) trên thân gốm có xẻ rãnh xoắn sau đó phủ lớp sơn
Hình 1.4 Cấu tạo điện trở màng kim loại
Loại này có độ ổn định cao hơn loại than nhưng giá thành cao hơn vài phần c Điện trở oxit kim loại
Hình 1.5 Cấu tạo điện trở oxit kim loại Kết lắng màng oxits thiếc trên thanh SiO2
Điện trở dây quấn chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm cao, có công suất định mức được ghi nhận (W) Loại điện trở này được dùng khi yêu cầu độ tin cậy và độ ổn định cao cho mạch điện, nhất là trong các ứng dụng công suất lớn và môi trường khắc nghiệt Vì vậy, điện trở dây quấn là giải pháp phù hợp cho hệ thống cần sự bền bỉ và ổn định lâu dài.
Vật liệu làm điện trở là dây quấn hợp kim được quấn trên lõi làm vật liệu gốm *Đặc điểm:
Thường dùng khi yêu cầu giá trị điện trở rất thấp hay yêu cầu dòng điện rất cao, công suất 1W đến 25W Sai số nhỏ lên giá thành đắt
Hình 1.6 Cấu tạo điện trở dây quấn
1.2 Cách đọc, đo và cách mắc điện trở
1.2.1 Cách đọc điện trở a Biểu thị giá trị điện trở bằng số và chữ: Đọc trực tiếp trên thân diện trở có ghi rõ trị số và đơn vị R
- Chữ E, R ứng với đơn vị
- Chữ K ứng với đơn vị K
- Chữ M ứng với đơn vị M
- Trị số trước đơn vị sau:
- Đơn vị xen giữa trị số
Ví dụ: Đọc các điện trở sau: 15R, 1M5, K22 Điện trở lần lượt có giá trị là
R = 15 ; 1,5M; 0,22 K b Biểu thị giá trị diện trở theo mã thập phân:
Vì thân điện trở nhỏ nên khó ghi được nhiều chữ số và đơn vị đo; vì vậy người ta thống nhất dùng đơn vị Ω để ghi giá trị điện trở, nhằm tránh ghi quá nhiều chữ số và chỉ ghi một số có ba chữ số thể hiện giá trị điện trở.
- Hai số đầu là 2 số của trị số điện trở
- Số thứ 3 là số các chữ 0 thêm vào tiếp theo bên phải của hai số trước c Biểu thị trị số điện trở bằng các vạch màu:
Ba vòng màu, bốn vòng màu hoặc năm vòng màu thường được dùng để biểu thị giá trị điện trở của linh kiện Khi đọc giá trị điện trở từ các vạch màu, bạn cần tuân thủ bảng quy ước mã màu điện trở của quốc tế, được trình bày như sau.
Bảng 2.1 Quy ước mã màu quốc tế
Màu Vòng 1 Vòng 2 Vòng 3 Bội số Sai số Đen 0 0 0 10 0
+ Vòng 1: nằm ở sát đầu điện trở chỉ số thứ nhất: (V1)
+ Vòng 3: bội số (vòng biểu thị số luỹ thừa của 10): (V3)
+ Sai số mặc định là 20%
Ví dụ: Đọc điện trở có các vòng màu lần lượt như sau: Đỏ: vòng 1 Đỏ: vòng 2 Đỏ: vòng 3
Do đó giá trị của điện trở này là:
+ Vòng 1,2: là vòng giá trị (V1,V2)
+ Vòng 3: là vòng luỹ thừa của 10 (V3)
+ Vòng 4: là vòng sai số (V4)
Ví dụ ứng dụng 1: Đọc điện trở có các vòng màu lần lượt như sau: Đỏ: vòng 1 Đỏ: vòng 1 Đỏ: vòng 2
- Do đó giá trị của điện trở này là:
+ Vòng 1,2,3: là vòng giá trị (V1, V2, V3)
+ Vòng 4 : là vòng biểu thị số luỹ thừa của 10 (V4)
+ Vòng 5 : là vòng sai số (V5)
Ví dụ ứng dụng 2: Đọc điện trở các vòng màu lần lượt như sau:
Xanh dương: vòng 2 Đen : vòng 3 Đỏ: vòng 4
- Do đó giá trị của điện trở này là:
Ví dụ ứng dụng 3: Đọc các điện trở có các vòng màu lần lượt như sau:
R2: xanh dương, xám, nâu, vàng kim
R3: nâu, đen, đen, đỏ, đỏ Đỏ Đỏ Đỏ Đỏ
Xanh dương Đen Đỏ Vàng
+ Vòng 1 là vòng gần mép điện trở nhất, tiếp theo là vòng 1,2,3
+ Điện trở 5 vòng màu có độ chính xác cao hơn điện trở 4 vòng màu và điện trở 3 vòng màu
1.3 Cách đo điện trở a Cách đo điện trở cố định (R):
Để đo điện trở bằng đồng hồ vạn năng, đặt thang đo ở vị trí Ω và đảm bảo hai đầu que đo tiếp xúc đúng hai đầu điện trở Kết nối hai đầu que đo với hai đầu điện trở để thiết lập mạch đo Giá trị điện trở được tính bằng trị số đọc trên thang đo Ω nhân với hệ số khắc độ được ghi trên thang đo.
Trong trường hợp chưa ước lượng được giá trị R, hãy để thang đo ở mức lớn nhất và dựa vào trị số cụ thể hiển thị trên đồng hồ xoay thang đo để điều chỉnh sao cho phù hợp Việc chọn thang đo tối đa giúp mở rộng phạm vi đo, từ đó dễ xác định giá trị R hơn khi bắt đầu đo Khi có trị số hiển thị trên đồng hồ, căn cứ vào các chỉ số này để ước lượng R một cách chính xác và phù hợp với điều kiện đo.
- Lưu ý đo thang nào phải chỉnh không thang đó
- Trong quá trình đo điện trở cố định cần lưu ý:
Trong quá trình đo, nếu kim đồng hồ chỉ một giá trị cố định trên thang đo và giá trị đó được nhân với hệ số thang đo để cho ra giá trị điện trở thực tế ta đọc được, thì R được xem là tốt.
+ Nếu kim đồng hồ chỉ ∞Ω trên thang đọc trong mọi nấc của thang đo
R bị đứt, cháy ( áp dụng cho cả điện trở cầu chì )
Khi kim đồng hồ vạn năng chỉ một giá trị trên thang đo và giá trị này nhân với thang đo khác cho ra điện trở thực tế, kết quả đo thường cao hơn giá trị thực trên thân điện trở nên điện trở thực tế R có xu hướng tăng; đối với cách đo điện trở biến đổi VR, đặt thang đo ở vị trí Ω và hiệu chuẩn bằng cách chỉnh sao cho hai que đo chạm vào nhau (không có điện trở giữa chúng), sau đó ghép hai đầu que đo vào hai chân của biến trở để đo điện trở cố định và tiếp tục di chuyển một trong hai que đo để quan sát sự thay đổi điện trở khi VR biến đổi.
2 que đo vào chân giữa, rồi dùng tay từ từ xoay trục điều khiển theo chiều kim đồng hồ và ngược lại nếu:
+ Kim đồng hồ lên xuống một cách từ từ VR tốt
Trong quá trình vặn có vài vị trí kim đứng lại hay nảy vạch, cho thấy biến trở bị mòn hoặc tiếp xúc không tốt dẫn tới VR hỏng Cách đo điện trở phụ thuộc vào ánh sáng (quang trở: CdS): để thang đo Ω ở nấc ×10 hoặc ×100 của đồng hồ vạn năng, bỏ que đo ra trước; sau đó ghép hai đầu que đo vào hai chân của CdS và điều chỉnh cường độ ánh sáng chiếu vào vùng nhận sáng của CdS bằng cách che lại rồi mở ra, quan sát kim đồng hồ; nếu kim di chuyển hoặc thay đổi theo mức sáng, điện trở của CdS sẽ biến thiên với ánh sáng.
- Kim đồng hồ lên và xuống ( tức điện trở của Cds thay đổi ) theo cường độ ánh sáng Cds tốt
- Kim đồng hồ không lên hoặc lên nhưng không xuống được Cds hỏng
Trong mạch điện, tùy theo nhu cầu thiết kế mà người ta sử dụng điện trở có giá trị khác nhau; tuy nhiên trong sản xuất không thể chế tạo được mọi giá trị điện trở mà chỉ sản xuất một số điện trở tiêu biểu, nên trong sử dụng nhà thiết kế phải chọn một trong hai phương án: một là tính toán mạch sao cho phù hợp với các điện trở có sẵn trên thị trường, hai là tính toán mắc các điện trở sao cho phù hợp với mạch điện Điện trở mắc nối tiếp là cách dùng để tăng trị số của điện trở trên mạch điện (Hình 1-7) a Mắc nối tiếp:
Hình 1.7 Sơ đồ mắc nối tiếp các điện trở
Dùng 3 điện trở ghép nối tiếp nhau như hình 2.7
Theo định luật Ohm ta có:
Tổng số điện áp trên 3 điện trở chính là điện áp nguồn nên ta có:
Như vậy: điện trở tương đương của điện trở mắc nối tiếp có trị số bằng tổng số các điện trở riêng rẽ
Khi sử dụng điện trở, bạn cần nắm rõ hai đặc trưng kỹ thuật cơ bản của nó: trị số điện trở R và công suất tiêu tán PR Trị số điện trở cho biết khả năng cản trở dòng điện, trong khi công suất tiêu tán PR cho biết mức công suất điện trở có thể tiêu thụ mà không bị quá nhiệt Việc xác định đúng R và PR giúp lựa chọn điện trở phù hợp với mạch điện và đảm bảo an toàn, ổn định vận hành Trước khi lắp đặt, hãy kiểm tra và xác nhận hai tham số này để tránh quá tải, hỏng hóc và nâng cao hiệu suất làm việc của mạch.
Ví dụ1: Cho mạch điện như hình vẽ Với R1 = 2,2K, R2 = 4,7K Tính điện trở tương đương của mạch điện
Giải: Từ công thức (2.1) ta có Rtđ = 2,2 + 4,7 = 6,9K Trong thực tế, người ta chỉ mắc nối tiếp từ 02 đến 03 điện trở để tránh rườm rà cho mạch điện
Trong mạch mắc nối tiếp, khi các điện trở có trị số khác nhau thì việc tính công suất tiêu tán của điện trở tương đương sẽ phức tạp Do vậy, để đơn giản hóa bài toán, nên chọn các điện trở có cùng trị số mắc nối tiếp; ta có:
Công suất tiêu tán của điện trở tương đương:
Trong mạch điện, mắc điện trở nối tiếp làm tăng tổng trở và đồng thời làm tăng công suất tiêu hao của mạch Ngược lại, mắc điện trở song song được dùng để giảm tổng trở của mạch, từ đó cho phép dòng điện lớn hơn với nguồn điện cho trước.
Chú ý: Điện trở tương đương của mạch điện luôn nhỏ hơn hoặc bằng điện trở nhỏ nhất trong mạch Thông thường người ta dùng các điện trở cùng trị số được mắc song song để đạt điện trở theo yêu cầu và đồng thời có dòng chịu tải lớn như mong muốn, đồng thời tăng diện tích toả nhiệt trên mạch khi công suất tỏa nhiệt cao (Hình 1-8).
Dùng 3 điện trở mắc song song nhau như ( hình 1.8 )
Hình 1.8 Sơ đồ mắc song song các điện trở
Theo định luật Ohm ta có:
Tổng số dòng điện trên 3 điện trở chính là dòng điện I của nguồn cung cấp nên ta có:
TỤ ĐIỆN
2.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
Tụ điện là loại linh kiện thụ động có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường
2.1.1 Ký hiệu và đơn vị Đơn vị Fara (F) Fa ra là một trị số điện dung rất lớn nên trong thực tế chỉ dùng ước số của Fara là:
Hình 1.18 Ký hiệu của tụ điện
2.1.2 Phân loại và cấu tạo a Phân loại
Tụ điện được chia làm hai loại chính là:
Tụ điện có phân cực tính dương và âm ( tụ một chiều )
Tụ điện không phân cực tính ( tụ xoay chiều ) được chia làm nhiều dạng b Cấu tạo của tụ điện
- Tụ điện gồm có hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song nhau, ở giữa là một chất cách điện gọi là điện môi
- Chất cách điện thông thường để làm điện môi trong tụ điện là giấy dầu, mica, gốm, không khí…
- Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện Hình 1.19 Cấu tạo của tụ điện
Thí dụ: tụ điện giấy, tụ điện dầu, tụ điện gốm, tụ điện không khí…
2.1.3 Đặc điểm Điện dung C của tụ điện đặc trưng cho khả năng chứa điện của tụ điện Điện dung C của tụ điện tuỳ thuộc vào cấu tạo và được tính bởi công thức: d
: là hằng số điện môi tuỳ thuộc vào chất cách điện S: là diện tích bản cực (m 2 ) d: là bề dày lớp điện môi
Hằng số điện môi của một số chất cách điện thông dụng để làm tụ điện có trị số như bảng sau:
Parafin Ebonit Giấy tẩm dầu
2.1.4 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện
Khi sử dụng tụ điện, hai tham số chính cần nắm là điện dung C và điện áp làm việc WV Điện dung C cho biết khả năng lưu trữ điện tích của tụ và được đo bằng đơn vị Farad (F) hoặc các đơn vị nhỏ hơn như microfarad µF, thông tin này thường được in trên thân tụ Điện áp làm việc WV cho biết mức điện áp tối đa mà tụ có thể chịu được, được ghi bằng đơn vị volt (V) và cũng thường được in trên thân tụ.
Trên thân tụ điện đã ghi rõ trị số điện dung và điện áp làm việc Nếu điện áp đặt lên tụ vượt quá điện áp ghi trên thân tụ, tụ sẽ bị thủng Vì vậy khi chọn tụ, điện áp làm việc WV của tụ phải lớn hơn điện áp tác dụng lên tụ Uc, theo công thức WV ≥ 2 · Uc.
Ngoài ra khi sử dụng nguồn điện nào thì phải mắc tụ ấy cho phù hợp
2.2 Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện
2.2.1 Cách đọc tụ điện a Đọc trực tiếp:
Trên thân tụ đều có ghi trị số điện dung, cấp chính xác và điện áp làm
26 việc, đơn vị là àF với tụ hoỏ
Vớ dụ: 100 àF ± 2 %, 10V b Đọc theo mã thập phân (đọc gián tiếp)
Vì kích thước của tụ gốm tương đối nhỏ nên để dễ đọc người ta bỏ đơn vị chuẩn là picofarads (pF) khi ghi mã Mã thông số của tụ ceramic được cấu thành từ ba phần: hai chữ số đầu là hai chữ số đầu của giá trị, chữ số thứ ba là số 0 được thêm vào để kết thúc dãy, và chữ cái ở vị trí cuối cùng quy ước cho sai số theo %
Ví dụ: Đọc các tụ điện sau: 102 M C = 1000pF ± 20%
Qui ước sai số của tụ là: J = ± 5%, K= ± 10%, M= ± 20% c Đọc theo mã màu
Việc đọc trị số của tụ điện bằng mã màu giống với cách đọc trị số của điện trở theo mã màu, nhưng đơn vị được quy ước cho tụ khi đọc bằng mã màu là pF (picoFarad).
Ví dụ: đỏ - đỏ - nâu - vàng kim C = 220 pF ± 5% Đọc một số giá trị đặc biệt của các tụ điện sau:
Dùng đồng hồ vạn năng để thang đo điện trở ( tuỳ theo giá trị điện dung của tụ điện mà ta chọn nấc đo phù hợp ) , ví dụ như:
+ Thang ì1 thường để khi đo tụ cú C > 100àF
+ Thang ì10 thường để khi đo tụ cú C = 10àF - 100àF
+ Thang ì1K thường để khi đo tụ cú C = 0.1 - 10àF
+ Thang ×10K thường để khi đo tụ có C = 0.001 – 0.1F
Sau đó dùng 2 que đo của đồng hồ kẹp vào 2 chân của tụ điện và thực hiện đo 2 lần có đảo que đo và quan sát:
Nếu kim vọt lên nhanh và trở về ngay tụ tốt
Nếu kim vọt lên nhưng không trở về hoặc trở về cách một khoảng tụ bị hỏng hoặc bị dò
1: Số thứ nhất 0: số thứ 2 C= 1000pF ± 5%
Nếu kim vọt lên về 0 tụ bị nối tắt
Nếu kim không nhúc nhích tụ bị khô hay tụ bị đứt
Nếu kim lên từ từ và trở về từ từ tụ bị yếu
2.2.3 Cách mắc tụ điện a Tụ điện mắc nối tiếp
Hai tụ điện mắc nối tiếp điện dung là C1, C2 có dòng điện nạp I nên điện tích của 2 tụ nạp được sẽ bằng nhau do Q = I.t
Hình 1.20 Mắc các tụ điện nối tiếp Điện tích nạp được vào tụ tính theo công thức sau:
Gọi C là tụ điện tương đương của C1, C2 mắc nối tiếp thì ta có:
Vậy khi mắc nối tiếp các tụ điện có điện dung C1, C2 ,…, Cn ta có điện dung tương đương là :
Ta thấy, công thức tính điện dung của tụ điện mắc nối tiếp có dạng như công thức tính điện trở mắc song song
Ngoài điện dung, tụ điện còn có thông số kỹ thuật quan trọng khác là điện áp làm việc (WV) Để xác định điện áp làm việc của tụ điện tương đương, ta có thể đơn giản chọn các tụ điện mắc nối tiếp có cùng thông số C và WV; khi mắc nối tiếp các tụ có giá trị C bằng nhau, điện áp làm việc của mạch sẽ bằng tổng điện áp trên từng tụ, cho phép đạt được điện áp làm việc tương đương cao hơn.
Vớ dụ: hai tụ điện C1, C2 cú cựng trị số là 10 àF, 25 V khi mắc nối tiếp là tụ C tương đương là: Điện dung: Điện áp làm việc C C C C 5 F
Kết luận: khi mắc nối tiếp, tụ điện cho ra một tụ điện tương đương có điện dung nhỏ hơn và có thể chịu được điện áp làm việc lớn hơn; ngược lại, khi mắc song song, tụ điện cho ra điện dung tương đương lớn hơn bất kỳ tụ nào và điện áp ở mỗi tụ bằng nhau.
Hình 1.21 Mắc các tụ điện nối tiếp Điện tích nạp vào tụ C1, C2 là :
Gọi điện dung C là điện dung tương đương của 2 tụ C1, C2 và Q là điện tích nạp vào tụ C thì ta có : Q = U.C
Mà điện tích nạp vào C1, C2 bằng điện tích nạp vào C nên:
Vậy khi mắc song song các tụ điện có điện dung là C1, C2 ,…, Cn thì điện dung tương đương là :
Ta thấy, công thức tính điện dung tương đương của các tụ điện ghép song song có dạng như công tính điện trở mắc nối tiếp
Lưu ý: khi mắc tụ điện song song, điện áp làm việc của tụ không đổi nên cần chọn các tụ có điện áp làm việc bằng nhau để đảm bảo an toàn và hiệu quả Trong trường hợp mắc hỗn hợp, cần phối hợp các đặc tính của từng loại tụ để phù hợp với yêu cầu điện áp và dung lượng của mạch.
Là kết hợp của hai cách mắc nối tiếp và mắc song song để đạt được giá trị tụ điện theo yêu cầu đề ra
2.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
2.3.1 Các linh kiện khác cùng nhóm a Tụ hoá ( tụ oxit )
Cú điện dung lớn từ 1àF đến 10000àF là loại tụ cú phõn loại cực tớnh dương và âm
Tụ nhôm được chế tạo từ bản cực nhôm và cực dương, trên bề mặt hình thành lớp oxit nhôm và lớp bọt để tạo chất điện môi có tính cách điện Lớp oxit nhôm rất mỏng nên điện dung của tụ lớn khi lắp đúng cực tính dương và âm Điện áp làm việc của tụ thường nhỏ hơn 500 V.
Ký hiệu và hình dáng thực tế của tụ hoá:
Hình 1.22 Ký hiệu và hình dáng của tụ hóa b Tụ gốm ( Ceramic )
Cú điện dung từ 1pF đến vài àF là loại tụ khụng cú cực tớnh, điện ỏp làm việc cao lên đến vài trăm vôn
Hình dáng tụ gốm có nhiều dạng khác nhau và có nhiều cách ghi trị số điện dung khác nhau
Hình 1.23 Ký hiệu và hình dáng của tụ gốm
Qui ước sai số của tụ: J = ±5%, K = ±5%, M = ±5% c Tụ giấy
Đây là loại tụ điện không phân cực, gồm hai bản cực bằng băng kim loại dài; ở giữa có lớp cách điện là giấy tẩm dầu và được cuộn lại thành ống Điện áp đánh thủng của loại tụ này lên tới vài trăm volt.
Ký hiệu và hình dáng tụ giấy:
Hình 1.24 Ký hiệu và hình dáng của tụ giấy d Tụ Mica
Là loại tụ không có cực tính, điện dung từ vài pF đến vài trăm nF, điện áp làm việc rất cao trên 1000V
Tụ mica đắt tiền hơn tụ gốm vì ít sai số, điệp áp tuyến cao, tần tốt, độ
Trên tụ mica được sơn các chấm màu để chỉ trị số điện dung và cách đọc giống như cách đọc trị số điện trở:
Hình 1.25 Ký hiệu và hình dáng của tụ mica e Tụ màng mỏng
Đây là loại tụ điện có chất điện môi là Polyester (PE) hoặc Polyetylen (PS), có điện dung từ vài trăm pF đến vài chục μF và điện áp làm việc cao lên tới hàng nghìn volt Với đặc tính điện môi ổn định và khả năng chịu áp cao, chúng được ứng dụng rộng rãi trong các mạch lọc, nguồn cấp và các thiết kế yêu cầu dung lượng vừa phải nhưng chịu được điện áp cao.
Hình 1.26 Ký hiệu và hình dáng của tụ màng mỏng f Tụ tang tan ( Tụ Tantalium )
Đây là loại tụ có phân cực, điện dung có thể rất cao nhưng kích thước lại rất nhỏ, từ 0,1 µF đến 100 µF, với điện áp làm việc thấp chỉ vài chục volt Tụ tantalum thường có dạng viên, như hình 2.28 Nhờ sự kết hợp giữa điện dung tương đối lớn và kích thước nhỏ, loại tụ này được ứng dụng phổ biến trong các mạch điện yêu cầu tiết kiệm không gian và ổn định lọc tín hiệu.
Hình 1.27 Ký hiệu và hình dáng của tụ tang tan
Tụ điện dùng để ngăn dòng điện một chiều và cho dòng xoay chiều đi qua vì vậy tụ dùng làm nối tầng trong các mạch khuếch đại
Tụ dẫn điện ở tần số cao nên dùng vào việc thiết kế loa bổng, loa trầm
Trong mạch lọc nguồn từ nguồn xoay chiều, tụ điện thực hiện quá trình nạp – xả liên tục để tích trữ năng lượng qua các chu kỳ Quá trình này, cùng với mạch chỉnh lưu, tạo ra nguồn một chiều từ nguồn xoay chiều và nhờ sự tích lũy năng lượng của tụ mà tín hiệu DC được làm phẳng hơn Kết quả là dòng điện sau khi qua mạch lọc ít gợn sóng (ripple) hơn, mang lại nguồn DC ổn định và ít nhiễu.
Tụ dùng để kết hợp với R, L để tạo thành mạch cộng hưởng dùng trong chọn sóng, lọc sóng âm thanh.
CUỘN CẢM
- Đọc đúng trị số điện trở theo qui ước quốc tế
- Đo kiểm tra được chất lượng điện trở theo giá trị linh kiện
- Thay thế, thay tương đương điện trở theo yêu cầu kỹ thuật của mạch điện công tác
3.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
Cuộn cảm là một loại linh kiện thụ động có khả năng tích luỹ năng lượng dưới dạng từ trường khi có dòng điện xoay chiều chạy qua Ký hiệu và đơn vị của cuộn cảm là các yếu tố quan trọng trong thiết kế và phân tích mạch điện, giúp mô tả chính xác đặc tính và hiệu suất của cuộn cảm trong các ứng dụng điện tử và hệ thống nguồn.
* Ký hiệu, hình dáng cuộn cảm
Hình 1.28 Ký hiệu và hình dáng của cuộn cảm
* Đơn vị Henry (H), trong thực tế thường dùng các ước số của Henry là miliHenry (mH) và micro (àH)
Cuộn dây với lõi sắt từ được tối ưu cho các dòng điện xoay chiều ở tần số thấp, giúp tăng cảm ứng và hiệu suất Đối với tần số cao, lõi ferit được lựa chọn để giảm tổn hao và kích thước Còn ở tần số rất cao, lõi không khí là sự lựa chọn phổ biến giúp tối ưu độ tự cảm và ổn định mạch Việc phân loại lõi theo tần số - lõi sắt từ cho tần số thấp, lõi ferit cho tần số cao và lõi không khí cho tần số rất cao - giúp thiết kế cuộn dây phù hợp với ứng dụng của mạch điện.
Khi cuộn dây có lõi từ thì cường độ từ trường lớn hơn rất nhiều so với cuộn dây không có lõi ( lõi không khí )
Những tham số cơ bản của cuộn cảm gồm điện cảm L, hệ số chất lượng Q, điện dung, hệ số nhiệt, dòng điện làm việc và số vòng dây của cuộn cảm, những yếu tố này quyết định khả năng lưu từ thông, mức tổn hao và độ ổn định của cuộn cảm dưới các điều kiện làm việc khác nhau.
- Điện cảm của cuộn cảm phụ thuộc vào kích thước, hình dáng và số vòng Kích thước, số vòng càng lớn thì điện cảm càng lớn
Ngoài ra, vỏ bọc kim loại cũng ảnh hưởng nhiều đến trị số điện cảm: lõi làm tăng điện cảm, có lõi làm giảm điện cảm
- Hệ số chất lượng ( hay phẩm chất ):
Cuộn cảm mắc vào mạch điện xoay chiều chịu tổn hao năng lượng do các mất mát ở cuộn dây và ở lõi, nên tiêu thụ một phần năng lượng của tín hiệu Tổn hao này được mô tả bằng giá trị tang góc tổn hao, tương tự như hiện tượng ở tụ điện Khi chất lượng cuộn cảm càng cao thì mức tổn hao càng nhỏ Vì vậy, trị số nghịch đảo của tổn hao được gọi là hệ số chất lượng và ký hiệu là Q.
Để nâng cao hệ số chất lượng (Q) của cuộn cảm, có thể dùng lõi từ làm từ ferit hoặc sắt cacbon, vì khi lõi có từ tính phù hợp, trị số điện cảm tăng lên và ta có thể quấn ít vòng dây hơn so với lõi không từ tính Các cuộn cảm được sử dụng trong các thiết bị vô tuyến điện tử dân dụng thường yêu cầu hệ số chất lượng cao, với Q quanh mức 40, và một số bộ phận có thể đòi hỏi tới 300, ví dụ như cuộn cảm trong mạch dao động.
Điện dung tạp tán là điện dung hình thành từ các vòng dây và lớp dây của cuộn cảm, có thể được xem như một tụ điện mắc song song với cuộn cảm và làm giảm chất lượng của nó Với cuộn cảm một lớp, điện dung tạp tán nhỏ nhất ở mức khoảng 1-3 pF, trong khi cuộn cảm nhiều lớp có điện dung tạp tán khoảng 3-5 pF Việc quấn phân đoạn hoặc quấn tổ ong trên cuộn cảm có thể giảm điện dung tạp tán Việc giảm điện dung tạp tán giúp cải thiện hiệu suất và đáp ứng tần số của mạch có dùng cuộn cảm.
Có nhiều cách phân loại cuộn cảm:
Phân loại cuộn cảm theo kết cấu gồm các nhóm chính: cuộn cảm 1 lớp, cuộn cảm nhiều lớp, cuộn cảm có lõi không khí, cuộn cảm có lõi sắt bụi và cuộn cảm có lõi sắt lá Mỗi loại mang đặc điểm riêng về hiệu suất và ứng dụng: cuộn cảm có lõi không khí thường tối ưu ở tần số cao và giảm tổn hao, trong khi cuộn cảm có lõi sắt bụi và lõi sắt lá cho công suất và từ thông lớn; cuộn cảm 1 lớp và cuộn cảm nhiều lớp cung cấp các tùy chọn về kích thước và từ thông Việc lựa chọn loại cuộn cảm phù hợp dựa trên yêu cầu về tần số làm việc, công suất, độ méo tín hiệu và chi phí sản xuất.
+ Phân loại theo tần số làm việc: Cuộn cảm âm tần, cuộn cảm cao tần
Cuộn cảm 1 lớp có lõi không khí gồm nhiều vòng dây được quấn sát nhau hoặc cách nhau vài lần đường kính sợi, tạo nên cấu trúc đơn giản và phù hợp cho các mạch RF Dây dẫn có thể được cuốn trên khung đỡ bằng vật liệu cách điện chịu được tần số cao, giúp giảm mất mát và nhiễu, hoặc nếu cuộn cảm đủ cứng thì không cần khung đỡ mà chỉ cần hai nẹp giữ ở hai bên để cố định.
Cuộn cảm nhiều lớp lõi không khí: Khi trị số cuộn cảm lớn, cần có số vòng dây nhiều; nếu quấn 1 lớp thì chiều dài cuộn cảm quá lớn và điện dung ký sinh giữa các vòng tăng lên đáng kể Để có kích thước hợp lý và giảm điện dung ký sinh, người ta thiết kế cuộn cảm thành nhiều lớp xen kẽ với cách điện giữa các lớp và tối ưu khoảng cách giữa vòng dây, nhằm tăng từ thông đồng thời hạn chế điện dung ký sinh Thiết kế như vậy giúp cuộn cảm giữ được đặc tính ổn định ở tần số làm việc và phù hợp với các yêu cầu về kích thước và hiệu suất trong các ứng dụng.
33 quấn các vòng của cuộn cảm thành nhiều lớp chồng lên nhau theo kiểu tổ ong
Cuộn cảm có lõi bột sắt từ (lõi ferrite powder) Để rút ngắn kích thước của các loại cuộn cảm, người ta lồng vào giữa chúng một lõi ferrit Thân lõi có răng xoắn ốc; hai đầu có khía và rãnh, giúp cố định và định vị lõi trong lòng cuộn cảm Người ta dùng một vít nhựa để điều chỉnh vị trí của lõi lên xuống, từ đó tăng hoặc giảm trị số tự cảm của cuộn cảm.
- Cuộn cảm nhiều đoạn hay cuộn cảm ngăn cao tần là cuộn cảm nhiều lớp nhưng quấn lại nhiều đoạn trên 1 lõi cách điện, đoạn nọ cách đoạn kia vài mm
- Cuộn cảm âm tần: Các vòng cảm được quấn thành từng lớp đều đặn, vòng nọ sát vòng kia, lớp nọ sát lớp kia bằng một lượt giấy bóng cách điện, khung đỡ của cuộn dây làm bằng bìa pretxpan Lõi từ là các lá thép Si mỏng cắt thành chữ E và I Mỗi chữ E và I xếp lại thành một mạch từ khép kín (hình 2-
Hình 1-29 Hình dạng các loại cuộn cảm
Cuộn cảm là dây dẫn cso bọc sơn cách điện (dây điện từ) được quấn làm nhiều vòng liên tiếp trên 1 lõi
Lõi có thể là sắt từ, lõi ferit, lõi không khí… Hình 1.30: Cuộn cảm nhiều lớp, nhiều đoạn
Hình 1.31 Ký hiệu cuộn cảm
3.2 Cách đọc, đo và cách mắc cuộn cảm
Thường được nhà sản xuất ghi rõ giá trị trên thân cuộn cảm
- Cấp nguồn xoay chiều sau đó dùng một đồng hồ đo dòng điện và 1 đồng hồ đo điện trở
Khi dòng điện xoay chiều hoặc dòng điện một chiều biến thiên chạy qua cuộn cảm, cuộn cảm có hai thành phần trở kháng: điện trở R của dây quấn và cảm kháng do tự cảm gây ra Cảm kháng X_L làm tăng tổng trở của mạch và phụ thuộc vào tần số f và độ tự cảm L, được tính bằng X_L = 2π f L, trong đó L là độ tự cảm và f là tần số của dòng điện Điều này có nghĩa là khi tần số tăng lên, cảm kháng tăng lên và ảnh hưởng đến mức và sự thay đổi của dòng điện trong mạch.
Tổng trở toàn bộ của cuộn cảm là: Z R 2 X L 2
Với dòng một chiều không đổi (f = 0), XL = 0 và Z = R, cho thấy cuộn cảm có tổng trở nhỏ ở DC Do đó, đối với dòng một chiều và các tín hiệu có tần số biến đổi ở mức thấp, tổng trở của cuộn cảm là nhỏ; còn ở tần số cao, tổng trở của cuộn cảm là lớn.
- Dùng đồng hồ vạn năng để ở thang đo Ω nấc ×1 hoặc ×10, sau đó dùng 2 que đo của đồng hồ đặt vào các đầu của cuộn cảm và quan sát:
+ Nếu kim đồng hồ không lên ( chỉ ∞Ω ) cuộn cảm bị đứt
+ Nếu kim đồng hồ lên một giá trị điện trở nhất định cuộn cảm tốt
Ngoài ra, khi quan sát trực tiếp bằng mắt vào cuộn cảm và nhận thấy nám đen (muội đen) trên các vòng dây, điều này cho thấy cuộn cảm đã bị cháy.
+ Chạm các vòng dây với nhau ( do bong lớp êmay cách điện và sử dụng lâu ngày ) thì khi hoạt động cuộn cảm sẽ bị nóng và bốc khói
LINH KIỆN BÁN DẪN
TIẾP GIÁP P-N; ĐIOT TIẾP MẶT
1.1 Tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài
Khi cho 2 miếng bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc công nghệ với nhau tại vùng tiếp xúc xảy ra 1 hiện tượng đặc biệt
Hình 2.1 Tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài
Do sự chênh lệch lớn về nồng độ điện tử tại vùng tiếp xúc xảy ra hiện tượng khuếch tán các điện tử đa số
Ở tiếp giáp PN giữa bán dẫn P và bán dẫn N, lỗ trống từ vùng bán dẫn P khuếch tán sang vùng bán dẫn N và electron từ vùng bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P Quá trình khuếch tán này tạo ra một dòng khuếch tán có hướng từ P sang N.
Khi khuếch tán xảy ra ở bán dẫn loại P tiếp xúc với bán dẫn loại N, một vùng gần mặt giao xuất hiện và được gọi là vùng depletion (lớp chắn) của tiếp giáp P-N Ở vùng này, các electron và lỗ trống đã di chuyển sang hai bên, để lại các ion tích điện cố định: phía N là các ion donor dương và phía P là các ion acceptor âm Vì không còn các carrier tự do ở vùng này, khu vực depletion trở thành một lớp chắn giữa hai loại bán dẫn.
Trong phạm vi lớp depletion giữa hai miền mang điện tích trái dấu, nơi tồn tại hiệu điện thế tiếp xúc, điện trường tiếp xúc (Etx) có chiều từ vùng N sang vùng P.
Quá trình khuếch tán càng tiếp tục thì Etx càng lớn dẫn đến Ikhuếch tán và tăng
Itrôi đến một lúc nào đó đạt sự cân bằng Ikhuếch tán = Itrôi Kết quả dòng điện tổng qua tiếp giáp P-N bằng 0 (gọi là trạng thái cân bằng)
1.2 Tiếp giáp P-N khi có điện trường ngoài
Hình 2.2 Tiếp giáp P-N khi chưa có điện trường ngoài a Phân cực ngược cho tiếp giáp P-N
Ta đặt điện áp phân cực ngược lên tiếp giáp PN (âm nối với P, dương nối với N) Điện trường ngoài do nguồn cung cấp tạo ra có cùng chiều với Etx, đẩy các điện tử tự do và lỗ mang điện ra xa khỏi miền tiếp xúc, làm vùng depletion mở rộng và bề rộng khuếch tán giảm Do đó dòng khuếch tán I_k giảm, trong khi dòng drift I_trôi tăng lên khi trường ngoài mạnh lên, và tổng dòng qua diode nhanh chóng tiến tới trị số bão hòa ngược.
Tóm lại khi phân cực ngược dòng điện đi qua tiếp giáp rất nhỏ gọi là dòng điện ngược ( Ingược ) b.Phân cực thuận cho tiếp giáp P-N
Hình 2.3 Phân cực thuận cho tiếp giáp P-N
Ta đặt điện áp từ ngoài vào tiếp giáp P-N, (+) nối với P, (-) nối với N Khi đó điện áp ngoài ngược chiều với trường điện ở lớp chắn, nên điện trường tổng tại lớp chắn giảm và làm tăng chuyển động khuếch tán của các điện tử đa số (Ikhuếch tán tăng → bề rộng lớp chắn giảm).
Tóm lại: khi phân cực thuận dòng điện qua tiếp giáp lớn do Ikhuếch tán tăng với bề dày lớp chắn giảm c Kết luận
- Tiếp giáp P-N khi đặt 1 điện trường ngoài có tính dẫn điện không đối xứng
- Khi phân cực thuận dòng qua tiếp giáp lớn
- Khi phân cực ngược dòng qua tiếp giáp nhỏ và nhanhchóng bị bão hoà
- Vậy tiếp giáp P-N dẫn điện theo 1 chiều
CẤU TẠO, PHÂN LOẠI NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁCH ĐỌC, ĐO KIỂM TRA VÀ CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA ĐIOT
KIỂM TRA VÀ CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA ĐIOT
2.1 Điôt tiếp mặt a Cấu tạo Điốt tiếp mặt gồm hai bán dẫn loại P và loại N tiếp giáp nhau Đầu bán dẫn
P là cực dương (Anốt), đầu bán dẫn N là cực âm (Katốt) (hình 3-9)
Điốt tiếp mặt có nhiều kích cỡ và hình thức khác nhau Do diện tiếp xúc lớn, nên dòng điện cho phép đi qua điốt có thể lên tới hàng trăm miliampe đến hàng chục amper, còn điện áp ngược có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn volt Tuy nhiên, điện dung giữa hai cực có thể lên tới hàng chục picôfarad, vì vậy điốt này chỉ được dùng ở tần số thấp để nắn điện.
Nguyên lý làm việc của điôt tiếp mặt: Phân cực thuận diode VA > VK (VAK >
Để diode hoạt động, ta nối A với cực dương của nguồn và K với cực âm (chế độ thuận) Điện tích âm của nguồn đẩy electron trong vùng N về lớp tiếp xúc, trong khi điện tích dương đẩy lỗ trống ở vùng P về lớp tiếp xúc, khiến vùng khiếm khuyết thu hẹp lại Khi lực đẩy đủ lớn, electron từ vùng N vượt qua lớp tiếp xúc sang vùng P và đến cực dương của nguồn, tạo dòng điện từ A sang K Lúc đó V_AK ≈ Vγ và diode có dòng thuận; Vγ được gọi là điện thế ngưỡng (điện thế thềm, điện thế mở) Với Silicon (Si), Vγ khoảng 0,6–0,7 V; với Germanium (Ge), Vγ khoảng 0,2 V Ở chế độ nghịch, VA < VK (V_AK < 0): ta nối A với âm nguồn, K với dương nguồn Điện tích âm của nguồn hút lỗ trống của vùng P, còn điện tích dương hút electron của vùng N, làm cho electron và lỗ trống bị đẩy ra xa nhau, vùng khiếm khuyết mở rộng và hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống giảm đi, kéo theo một dòng ngược nhỏ và sự tăng dần của dòng ngược khi điện áp nghịch tăng lên.
Trong cấu tạo bán dẫn, khi diode ở chế độ phân cực ngược, các electron và lỗ trống gặp khó khăn để di chuyển nên dòng qua diode gần như không có Tuy nhiên, ở mỗi vùng bán dẫn vẫn tồn tại hạt tải thiểu số nên một lượng rất nhỏ electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau, tạo ra một dòng điện nhỏ từ vùng N sang vùng P, được gọi là dòng nghịch (dòng rỉ, dòng rò) Dòng này rất nhỏ, chỉ ở mức vài nanoamp (nA) Trong nhiều trường hợp người ta coi diode như không dẫn điện ở phân cực nghịch.
Khi tăng điện áp phân cực nghịch lên, dòng xem như không đổi; tăng quá mức thì diode hư (bị đánh thủng) Xét dòng điện rỉ, diode có dòng nhỏ chạy theo chiều từ K về A khi phân cực nghịch (hình 3-10)
Nguyên lý hoạt động của điốt được mô tả trên đặc tuyến V–I: ở phân cực thuận, khi điện áp đầu vào tăng từ 0 lên và vượt qua điện thế ngưỡng Vγ, diode bắt đầu dẫn và dòng điện tăng lên theo hàm mũ; Vγ được gọi là điện thế thềm (điện thế mở) và phụ thuộc vật liệu bán dẫn Sau khi VD vượt qua Vγ, dòng điện tăng nhanh theo mức tăng điện áp Ở phân cực ngược, khi tăng UAK thì dòng dò rất nhỏ cho tới khi UAK đạt VB, nơi dòng ngược bắt đầu tăng mạnh; tiếp tục tăng UAK làm cho dòng ngược tăng rất nhanh nhưng điện áp qua tiếp xúc PN chỉ lớn hơn VB rất ít (hình 2-6).
Quá trình liên kết giữa thanh Indium (In) và miếng bán dẫn loại N được thực hiện bằng cách nung nóng chảy In để các nguyên tử In khuếch tán vào chất bán dẫn Quá trình khuếch tán này hình thành một vùng bán dẫn loại P và tạo ra một tiếp giáp P-N, từ đó xuất hiện hai điện cực liên kết với vật liệu bán dẫn Cấu trúc P-N cho phép dòng điện một chiều chảy qua khi có kích thích điện áp, là nguyên lý cơ bản để chế tạo diode và các thiết bị bán dẫn dựa trên tiếp giáp P-N.
Hình 2-6 Đặc tuyến Volt – Ampe
- Do diện tích tiếp xúc lớn nên cho dòng qua diode có trị số lớn, dòng điện chạy từ A K khi được phân cực thuận
- Do diện tích tiếp xúc lớn nên tồn tại 1 tụ điện ký sinh lớn và diode chỉ làm việc với lưới điện âm tần ( tần số thấp ) c Ứng dụng
- Dùng để chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành một chiều
- Diode tiếp xúc mặt dùng làm diode chỉnh lưu, diode âm tần, diode nắn điện
Diode bán dẫn là một linh kiện được chế tạo từ hai lớp bán dẫn P và N ghép lại với nhau để hình thành một tiếp giáp P-N Trong cấu trúc này, đầu nối với vùng bán dẫn P được gọi là anốt (A) và đầu nối với vùng bán dẫn N được gọi là catốt (K).
2.2.2 Hình dáng và ký hiệu
Hình 2.7 Hình dáng và ký hiệu của diode nắm điện
- Loại tích hợp chứa 2 diode chung một vỏ
- Loại tích hợp chứa 4 diode chung một vỏ
- Loại công suất lớn (chạy dòng cao)
2.2.3 Nguyên lý làm việc a Phân cực thuận cho diode
Hình 2-8 Phân cực thuận cho diode
Đối với diode, phân cực thuận xảy ra khi cực dương của nguồn một chiều nối với anốt và cực âm nối với catốt, khiến diode thông và cho phép dòng điện chạy qua tải Lượng dòng điện phụ thuộc vào điện trở của tải và của cả mạch Khi phân cực ngược cho diode, cực dương của nguồn được nối với catốt và cực âm nối với anốt, khiến diode ngắt và gần như ngăn dòng điện (trừ dòng rò và ảnh hưởng của điện trở ngắt).
Hình 2-9 Phân cực ngược cho diode
Ở chế độ phân cực ngược, cực dương của nguồn được nối với catốt (K) và cực âm với anốt (A), khiến diode khóa và ngăn không cho dòng điện chạy qua tải Rt (I = 0) Tuy nhiên, trong thực tế vẫn có một dòng điện rất nhỏ chạy qua diode theo hướng từ K sang A, được gọi là dòng điện ngược hoặc dòng điện rò.
Diode cho phép dòng điện chạy từ A sang K khi phân áp thuận và ngăn dòng điện từ K sang A khi phân áp ngược; đặc tuyến V-I của diode cho thấy dòng điện tăng mạnh ở miền phân áp thuận và gần như bằng 0 ở miền phân áp ngược cho tới ngưỡng phá vỡ, thể hiện rõ tính chất chỉnh lưu của diode.
Hình 2.10 Đặc tuyến V-A của diode nắn điện
Trong mạch diode, khi tăng dần điện áp DC từ 0 V lên, dòng điện chỉ bắt đầu chảy qua diode khi điện áp trên diode đạt tới điện áp ngưỡng Vγ (còn được gọi là điện áp thềm) Giá trị Vγ phụ thuộc vào chất bán dẫn và đặc tính của diode cụ thể Trong phân cực thuận, diode cho phép dòng điện chạy qua chỉ khi hiệu điện thế vượt qua ngưỡng Vγ; trước ngưỡng, diode gần như cản trở dòng điện Hình 2.11 minh họa phân cực thuận cho diode.
V = 0,15V0,2V; V D max = 0,4V0,5V ( chất Ge ) Sau khi vượt qua điện áp thềm V thì dòng điện qua diode sẽ tăng lên
Tăng điện áp VDC từ 0V lên theo trị số âm chỉ có dòng điện rỉ ( dòng điện bão hoà nghịch ) IS có trị số rất nhỏ đi qua diode
Khi tăng cao điện áp ngược lên một mức khá lớn, dòng điện qua diode sẽ tăng lên và có thể làm hư diode Dòng ngược lớn chỉ xuất hiện khi điện áp ngược vượt quá giá trị V_R max, hay còn gọi là điện áp đánh thủng của diode (phân cực ngược cho diode như ở Hình 2.12) Lúc đó diode sẽ bị đánh thủng và V_R max được xác định là điện áp đánh thủng của diode.
Khi dẫn điện, diode bị đốt nóng bởi P = ID.VD Nếu dòng ID lớn hơn trị số I max
F thì diode sẽ bị hư do quá nhiệt
Như vậy một diode có các thông số kỹ thuật cần biết khi sử dụng là:
- Chất bán dẫn chế tạo để có V = VDmax
- Dòng điện thuận cực đại IFmax
- Dòng điện bão hoà nghịch Is
- Điện áp nghịch cực đại VRmax.
Ví dụ: bảng tra các diode nắn điện thông dụng
Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của một số diode nắn điện:
* Qua đặc tuyến V-A của diode nắn điện ta thấy:
- Vùng (1) diode được phân cực thuận với đặc trưng dòng lớn áp nhỏ, điện trở nhỏ
Trong vùng (2) của diode phân cực ngược (D khóa), đặc trưng là dòng rất nhỏ với giá trị Is cực kỳ thấp và gần như không đổi khi điện áp ngược tăng lên Dòng ngược thấp đi kèm với điện trở lớn, ở mức hàng chục nghìn Ω, và điện áp ngược có thể lên tới hàng trăm volt.
- Vùng (3) dòng điện ngược tăng mạnh, điện trở nhỏ, điện áp gần như không thay đổi được gọi là vùng bị đánh thủng
Diode tách sóng thường là loại Ge, trong diode này thường có một mối nối
P-N có diện tích tiếp giáp rất nhỏ, vỏ cách điện bên ngoài thường là thuỷ tinh trong suốt
Diode tách sóng ký hiệu như diode thường Nguyên lý hoạt động của diode tách sóng hoàn toàn giống quá trình phân cực của tiếp giáp P-N
2.3.2 Ký hiệu và hình dáng của diode tách sóng
Hình 2.13 Ký hiệu và hình dáng thực tế của diode tách sóng
2.3.3 Tham số của diode tách sóng
Mã số Chất I Fmax I S V Rmax
1N4004 Si 1A 5 àA 500V 1N4007 Si 1A 5 àA 1000V 1N5408 Si 3A 5 àA 1000V
Diode tách sóng là một loại diode được thiết kế để làm việc với dòng điện xoay chiều ở tần số cao, có đặc tính chịu đựng dòng điện nhỏ với IDmax chỉ ở mức vài chục milliampere và điện áp ngược cực đại VRmax ở mức thấp Nhờ khả năng xử lý tín hiệu ở tần số cao và đáp ứng nhanh, diode tách sóng được ứng dụng rộng rãi trong các mạch RF và hệ thống tách sóng, giúp tối ưu hóa tiêu thụ công suất và kích thước linh kiện Việc nắm vững IDmax và VRmax là yếu tố quan trọng để chọn đúng loại diode cho thiết kế, đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
Diode tách sóng được ứng dụng trong các mạch có nguồn điện áp xoay chiều ở tần số cao, khi hiệu quả phân tách tín hiệu phụ thuộc vào đặc tính điện học của diode Để hoạt động ở tần số cao, diode tách sóng đòi hỏi điện dung ký sinh thật nhỏ nhằm giảm suy hao và nhiễu, tối ưu hóa đáp ứng ở tần số mong muốn.
TRANZITOR BJT
3.1.Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý làm việc
Hình 2.21 Cấu tạo của transistor lưỡng cực
Transistor mối nối lưỡng cực (BJT) được phát minh vào năm 1948 tại Bell Labs ở Mỹ bởi John Bardeen và Walter Brattain Một năm sau, William Shockley giải thích nguyên lý hoạt động của nó Những đóng góp về BJT được vinh danh bằng Giải Nobel Vật lý năm 1956 Sự ra đời của BJT đã tác động sâu sắc lên sự phát triển của điện tử học, mở ra kỷ nguyên bán dẫn và thúc đẩy sự tiến bộ của các mạch khuếch đại và máy tính BJT, hay Bipolar Junction Transistor, còn được biết đến với các tên gọi Transistor mối nối lưỡng cực, Transistor lưỡng cực hay Transistor tiếp xúc lưỡng cực.
Tranzito lưỡng cực là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp P, N xen kẽ, tạo thành hai chuyển tiếp pn và dùng để điều khiển mạch hoặc khuếch đại tín hiệu Có hai loại tranzito là NPN và PNP tùy theo trình tự sắp xếp giữa bán dẫn loại N và loại P Cấu tạo gồm ba miền: miền Emiter (E) có nồng độ pha tạp cao nhất, đóng vai trò phát xạ hạt dẫn Miền Bajơ (B) có nồng độ pha tạp thấp nhất, đóng vai trò truyền đạt hạt dẫn Miền Collecter (C) có nồng độ pha tạp cao hơn Bajơ nhưng thấp hơn Emiter, đóng vai trò thu gom hạt dẫn Điện cực nối với Emiter gọi là điện cực Emiter (E), với Bajơ gọi là điện cực Bajơ (B), và với Collecter gọi là điện cực Collecter (C) Tranzito được dùng để điều khiển chuyển mạch hoặc khuếch đại tín hiệu, tùy thuộc vào cấu hình NPN hay PNP và cách sắp xếp của các miền.
Chuyển tiếp giữa miền Emiter - Bajơ gọi là chuyển tiếp Emiter( JE )
Chuyển tiếp giữa miền Bajơ - Collecter gọi là chuyển tiếp Collecter (JC
* TZT Được chia làm hai loại:
Hình 2.22 Sơ đồ tương đương transistor thuận
Hình 2.23 Sơ đồ tương đương transistor ngược
- Với TZT thuận ( đèn thuận ) PNP:
Hình 2.24 Ký hiệu transistor thuận
- Với TZT ngược ( đèn ngược ) NPN:
Hình 2.25 Ký hiệu transistor ngược
3.1.3.Nguyên lý làm việc Để TZT làm việc người ta phải đặt điện áp một chiều vào các cực của TZT gọi là phân cực cho TZT
Hình 2.26 Phân cực cho transistor làm việc
Nguyên tắc phân cực cho TZT làm việc là cho tiếp giáp JE phân cực thuận và tiếp giáp JC phân cực ngược; trong đó tiếp giáp giữa E và B gọi là tiếp giáp emitter (JE), còn tiếp giáp giữa B và C gọi là tiếp giáp collector (JC) Xét TZT loại PNP.
Hình 2.27 Phân cực cho transistor thuận làm việc
56 Đối với TZT PNP thì cực E nối vào cực dương, cực C nối vào cực âm của nguồn DC, cực B nối vào một điện áp âm sao cho:
VB < VE và VB > VC
Hạt tải di chuyển trong transistor PNP là lỗ trống xuất phát từ E
Trong trường hợp này, hai vùng bán dẫn P và N ở các cực E và B tạo thành một diode BE với phần phân cực thuận, cho phép dẫn điện Lỗ trống từ vùng P của cực E di chuyển sang vùng N của cực B để tái hợp với electron, khiến vùng N của cực B mang điện tích dương Cực B được nối vào nguồn điện âm, hút một phần lỗ trống trong vùng N và hình thành dòng điện IB Cực C được nối vào một điện áp âm cao hơn, hút hầu hết lỗ trống từ vùng N sang vùng P của cực C và tạo thành dòng điện IC.
Khi điện áp dương được cấp vào cực E, vùng bán dẫn P sẽ hút các lỗ trống từ nguồn dương, chiếm chỗ và hình thành dòng điện IE Quá trình di chuyển của lỗ trống trong vùng P dưới tác động của điện áp dương tạo nên dòng điện IE chạy qua mạch Hiểu được cơ chế hút lỗ trống và phát sinh dòng IE giúp tối ưu hóa thiết kế các thiết bị bán dẫn như diode và transistor, đồng thời hỗ trợ điều chỉnh thông số bằng cách phân cực và mức điện áp áp dụng.
Trong TZT, hai mũi tên cho biết hướng di chuyển của lỗ trống Dòng lỗ trống di chuyển ngược với dòng electron, nên hướng của dòng lỗ trống tương đồng với chiều dòng điện quy ước Dòng điện IB và IC từ bên trong TZT đi ra, trong khi dòng điện IE đi từ bên ngoài chảy vào TZT.
Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E đều chạy qua cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều từ cực E chạy qua Ta có:
Trong cấu tạo transistor PNP, hai mối nối BE và BC được xem như hai diode ghép ngược; khi được cấp điện áp đúng giữa các cực, diode BE phân cực thuận và diode BC phân cực ngược, cho phép TZT PNP dẫn điện từ emitter qua base và collector Xét TZT loại NPN, ở trạng thái dẫn bình thường BE cũng phân cực thuận và BC phân cực ngược.
Hình 2.28 Phân cực cho transistor ngược làm việc
57 Đối với transistor NPN thì cực E nối vào cực âm, cực C nối vào cực dương của nguồn DC, Cực B nối vào một điện áp dương sao cho:
VB > VE và VB < VC
Hạt tải trong transistor NPN là electron xuất phát từ cực E
Trong trường hợp này, hai vùng bán dẫn P và N của cực B và cực E ghép lại tạo thành một diode BE và được phân cực thuận để dẫn điện Electron từ vùng N của cực E di chuyển sang vùng P của cực B để tái hợp với lỗ trống, và quá trình này làm cho vùng P của cực B nhận thêm electron Khi nhận thêm electron, vùng P này mang điện tích âm.
Cực B nối vào nguồn điện áp dương làm hút một phần electron từ vùng bán dẫn P vào cực B, tạo ra dòng điện IB Cực C nối vào điện áp dương cao hơn khiến phần lớn electron từ vùng P được hút sang vùng N ở cực C, sinh ra dòng điện IC.
Trong mạch này, Cực C tạo thành dòng điện IC Cực E được nối với nguồn điện áp âm; khi bán dẫn loại N mất electron, nó sẽ hút electron từ nguồn âm để bù lại, từ đó hình thành dòng IE.
Trong sơ đồ transistor, hình mũi tên cho biết hướng di chuyển của electron; dòng điện được quy ước chạy ngược lại với hướng của electron, vì vậy IB và IC được xem là chạy từ ngoài vào transistor, còn IE được xem là chạy từ bên trong transistor ra ngoài.
Số lượng electron bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều chạy sang cực E Ta có:
Trạng thái phân cực cho hai mối nối của transistor NPN được mô tả như hai diode ghép ngược; khi điện áp đúng chiều được áp lên các cực, transistor bắt đầu dẫn điện, với diode BE phân cực thuận và diode BC phân cực ngược.
3.2.Các tính chất cơ bản
3.2.1 Các qui tắc quan trọng:
Quy tắc 1 cho tranzito npn: điện áp tại colectơ VC phải lớn hơn điện áp tại emitơ VE ít nhất là vài phần mười của một vôn để đảm bảo dòng điện chảy qua tiếp giáp colectơ-emitơ; đối với tranzito pnp, điện áp emitơ VE phải lớn hơn điện áp colectơ VC bằng một lượng tương tự để dòng qua tiếp giáp này được duy trì.
Quy tắc 2: Đối với transistor NPN, điện áp từ base đến emitter (V_BE) là khoảng 0,6 V; đối với transistor PNP, V_BE là khoảng -0,6 V (tức VB phải thấp hơn VE để thuận chiều dẫn) Ý nghĩa hoạt động: để transistor NPN dẫn, VB phải lớn hơn VE ít nhất 0,6 V; nếu không, transistor sẽ không cho dòng qua từ collector đến emitter Đối với transistor PNP, VB phải nhỏ hơn VE ít nhất 0,6 V; nếu không, dòng từ collector đến emitter sẽ không được cho phép.
3.2.2.Các cách mắc cơ bản của transitor
Trong các mạch điện, BJT được xem như một mạng 4 cực: tín hiệu được đưa vào hai chân cực và tín hiệu lấy ra cũng trên hai chân cực
BJT có ba cực là E, B và C và khi thiết kế mạch ta chọn một chân làm cực chung cho cả đường vào và đường ra Ta có thể sử dụng một trong ba cực làm cực chung cho mạch vào và mạch ra Do đó, transistor có ba cách mắc cơ bản là mạch cực phát chung (CE), mạch cực gốc chung (CB), và mạch cực góp chung (CC) Mỗi cấu hình dùng một cực làm tham chiếu chung, ảnh hưởng tới đặc tính khuếch đại và cách kết nối nguồn tín hiệu.
Mạch cực phát chung (Common Emitter ≡ CE) (hình 2-29)
Hình 2-29 BJT mắc kiểu cực phát chung
BJT mắc kiểu cực nền chung (Common Base ≡ CB) (hình 2-30)
Hình 2-30 BJT mắc kiểu cực nền chung
BJT mắc kiểu cực thu chung (Common Collector ≡ CC) (hình 2-31)
Hình 2-31 BJT mắc kiểu cực thu chung
CE: -Tín hiệu vào B so với E, tín hiệu ra C so với E
- Pha giữa tín hiệu vào và ra: đảo pha
- Hệ số khuếch đại Ai, Av lớn
CB: -Tín hiệu vào E so với B, tín hiệu ra C so với B
- Pha giữa tín hiệu vào và ra: cùng pha
- Hệ số khuếch đại Av lớn, Ai ≈ 1
CC: - Tín hiệu vào B so với C, tín hiệu ra E so với
- Pha giữa tín hiệu vào và ra: cùng pha
- Hệ số khuếch đại Ai lớn, Av ≈ 1 Đặc tuyến của BJT
Hình 2-32 Mạch khảo sát đặc tuyến của BJT
Xét mạch như hình 2-32 Với VBE là hiệu điện thế giữa cực nền B và cực phátE
VCE là hiệu điện thế giữa cực thu C và cực phát E
Đặc tuyến ngõ vào IB(VBE) ứng với VCE = const
TRANZITO TRƯỜNG
4.1 Phân loại, cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý làm việc
Khác với BJT (transistor lưỡng cực) vốn hoạt động dựa trên dòng điện do cả electron và lỗ trống tự do tạo nên từ hai mặt ghép P-N rất gần nhau, transistor trường (transistor đơn cực FET) hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường Trong FET, dòng điện từ nguồn (source) tới drain được điều khiển bởi điện áp đặt lên gate, khiến điện trường ở kênh dẫn thay đổi và từ đó kiểm soát lưu lượng dòng điện Đây là đặc trưng nổi bật của transistor trường, với cấu trúc tách biệt giữa gate và kênh dẫn và nguyên lý hoạt động hoàn toàn dựa vào hiệu ứng trường.
73 lý hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng của 1 điện trường
Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt mang điện tạo ra, khiến thiết bị này có đặc trưng điều khiển bằng một loại chất mang điện Nhờ tiến bộ của công nghệ bán dẫn, FET ngày càng cho thấy nhiều ưu điểm quan trọng ở hai mặt: xử lý tín hiệu với độ tin cậy cao và tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với yêu cầu thiết kế mạch hiện đại và tiết kiệm năng lượng.
Transistor trường, còn được gọi là TZT, là loại transistor có tổng trở vào rất lớn, khác với BJT (NPN hoặc PNP) có tổng trở vào tương đối nhỏ khi được mắc ở cấu hình E chung thông dụng.
FET dẫn điện chỉ bằng một loại phần tử mang điện (hoặc điện tử hoặc lỗ trống) nên còn có tên là transistor đơn cực
Loại có cực cửa G là lớp tiếp xúc P-N (JFET: Junction Field- Effect Transistor)
Loại có cực cửa cách li ( MOSFET : Metal Oxyde Semiconductor Field-Efect Transistor ) hay IGFET
Trong đó MOSFET lại chia ra hai loại nữa là:
Khi nói FET là ý chỉ loại JFET
4.1.2 Cấu tạo, ký hiệu a Transistor JFET ( Junction FET )
JFET được gọi là FET nối ( gọi tắt là FET )
JFET có hai loại là JFET kênh N, JFET kênh P
Cực tháo Diode ( Drain ) ( cực máng D:Drain )
Cực cổng G ( Gate ) ( cực cửa G )
Hình 2.50 Cấu tạo transistor JFET
JFET kênh N có cấu tạo từ một thanh bán dẫn loại N, hai đầu nối với hai dây ra được gọi là cực tháo (Drain) và cực nguồn (Source) Hai bên thanh bán dẫn liên kết với hai cực này và cho phép dòng điện từ Drain đến Source được điều khiển bởi điện áp ngược đặt ở cổng (Gate).
74 loại N là 2 vùng bán dẫn loại P tạo thành mối nối PN như diode, hai vùng này nối dính nhau gọi là cực cửa G
JFET kênh P có cấu tạo tương tự nhưng chất bán dẫn ngược lại với kênh JFET kênh N
Hình 2.51 Ký hiệu transistor JFET
JFET kênh N và kênh P có ký hiệu như hình dưới và được phân biệt nhau bằng mũi tên ở cực G
- Xét sơ đồ mạch điên JFET kênh N, trong đó cực Diode nối vào cực dương nguồn VCC, cực S nối vào cực âm nguồn VCC
Hình 2.52 Đặc tính transistor JFET
Lúc này dòng điện đi qua kênh theo chiều từ cực dương của nguồn cấp đến cực S và quay về cực âm của VCC; lúc đó kênh hoạt động như một điện trở, hay nói cách khác là điện trở kênh.
Khi tăng nguồn VCC để tăng điện áp VDS từ 0 V lên, dòng điện ID tăng lên nhanh ban đầu nhưng sau đó tới một điện áp giới hạn thì ID không tăng thêm nữa, gọi là dòng điện bão hòa IDSS (Saturation) Điện áp VDS khi có IDSS được gọi là điện áp nghẽn VP0 (Punch-off).
- Khi cực G có điện áp âm ( VGS < 0V )
Khi cực G áp một điện áp âm lên vùng bán dẫn P, trong kênh N xuất hiện một trường điện khiến mối nối PN bị phân cực ngược Sự phân cực ngược này đẩy electron khỏi kênh N, làm thu hẹp tiết diện dẫn và tăng điện trở của kênh Kết quả là dòng điện qua kênh giảm và dòng IB giảm xuống.
Khi tăng điện áp âm ở cực G thì mức phân cực nghịch càng lớn làm dòng ID
75 càng giảm nhỏ và đến một trị số giới hạn thì dòng điện ID gần như không còn Điện áp này ở cực G gọi là điện áp nghẽn VP0
Hình a là đặc tuyến ngõ ra của JFET kênh N để chỉ sự thay đổi của ID theo
VDS ứng với từng điện áp VGS ở cực G ( gọi là đặc tuyến ID/VDS )
Hình BJT là đặc tuyến ngõ ra của JFET kênh N chỉ sự thay đổi của ID theo điện áp vào VDS với một trị số VDS nhất định
- JFET kênh P có mạch điện có mạch điện như hình c với nguồn –VCC cung cấp cho VDS, điện áp cung cấp cho cực G bây giờ là điện áp
Hình 2.53 Đặc tuyến ngõ ra của transistor JFET
Cách phân cực đơn giản và thông dụng nhất cho JFET là phân cực tự động như mạch điện sau:
Hình 2.54 Phân cực cho JFET Điện trở RG có trị số lớn khoảng 1M đến 10M
Xét mạch JFET kênh N ta có:
VDS = VCC – ID(RD + RS) Ở cực G được phân cực ngược mối nối PN nên không có dòng điện IG ( IG=0 ) nên VG = 0 Điện áp phân cực ngõ vào là:
VGS = VG-VS = 0V- ID.IS = - IDIS
Phương trình đường tải tĩnh là:
Hình 2.55 Đặc tuyến của JFET b Transistor MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET )
MOSFET được phân loại thành hai nhóm chính theo chế độ hoạt động: kênh liên tục (CCM) và kênh gián đoạn (DCM) Mỗi nhóm này đều có sự phân loại dựa trên chất bán dẫn là kênh N hoặc kênh P, giúp chọn MOSFET phù hợp với yêu cầu của mạch và ứng dụng.
Ta chỉ xét các loại MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh P
* Cấu tạo, ký hiệu của MOSFET kênh liên tục
Kênh dẫn điện là vùng giữa hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao (N+) được nối liền với nhau bằng vùng bán dẫn loại N pha nồng độ thấp (N) đã được khuếch tán trên nền bán dẫn loại P (P-substrate) Phía trên kênh dẫn điện là lớp oxit SiO2 cách điện, đóng vai trò lớp cách điện giữa kênh và điện cực điều khiển (gate).
Trong cấu tạo của một transistor bán dẫn, hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối hai vùng bán dẫn N+ được gọi là cực S và cực D Cực G có tiếp xúc kim loại ở phía ngoài lớp oxit nhưng vẫn cách điện với kênh dẫn bên dưới, nhờ đó điện áp trên gate có thể điều khiển sự hình thành và dẫn điện của kênh giữa S và D.
N Thường cực S được nối chung với nền P
Hình 2.56 Ký hiệu và cấu trúc bán dẫn của các transistor MOSFET
* Đặc tính của MOSFET liên tục
Hình 2.57 Phân cực cho transistor MOSFET
Trong trường hợp này, kênh dẫn điện hoạt động như một điện trở; khi tăng điện áp VDS, dòng ID tăng lên cho tới giới hạn IDSS (dòng IDS ở trạng thái bão hòa) Điện áp VDS tại giá trị IDSS được gọi là điện áp nghẽn VP0, tương tự như JFET.
Hình 2.58 Đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền dẫn của MOSFET liên tục kênh N
Trong trường hợp này, điện áp âm ở cực G đẩy electron từ kênh N vào vùng nền P, làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện N và khiến điện trở kênh tăng lên, dẫn đến giảm dòng điện ID.
Khi tăng điện áp âm ở cực G, dòng điện ID giảm dần và đạt đến một giới hạn, sau đó ID gần như không còn Điện áp tại cực G khi đạt trạng thái này được gọi là điện áp nghẽn – VP0.
Khi VGS > 0V, nếu cực G được phân cực dương, electron thiểu số ở vùng nền P bị hút sang vùng nền N, từ đó làm tăng tiết diện kênh và giảm điện trở kênh, khiến dòng điện ID tăng lên và có thể lớn hơn trị số bão hòa IDSS.
Trong trường hợp này ID lớn dễ làm hư MOSFET nên ít được sử dụng
* Phân cực cho MOSFET liên tục
Do MOSFET liên tục thường sử dụng ở trường hợp VGS < 0V nên cách phân cực giống như JFET
Cách tính các trị số điện áp VS, VD, VGS,
VDS và dòng điện ID cũng như cách xác định đường tải tĩnh giống như mạch JFET c Cấu tạo, ký hiệu của MOSFET kênh gián đoạn
Trong MOSFET giám đoạn thì hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao (N + ) Không dính liền nhau gọi là kênh gián đoạn Mặt trên kênh dẫn điện cũng
Trong cấu hình MOSFET liên tục, một lớp oxit cách điện SiO2 được phủ lên bề mặt và hai dây dẫn xuyên qua lớp oxit nối vào vùng bán dẫn N+ gọi là cực S và cực D Cực G có tiếp xúc kim loại ở bên ngoài lớp oxit và được cách điện đối với cực Diode và cực S Cực S được nối với nền P.
Hình 2.60 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET gián đoạn kênh P và Kênh
* Đặc tính của MOSFET gián đoạn
Hình 2.61 Đặc tính của MOSFET gián đoạn
Do cấu tạo kênh bị gián đoạn nên bình thường không có dòng điện qua kênh,
ID = 0 và điện trở giữa D và S rất lớn
SCR – TRIAC – DIAC
5.1.1.Phân loại,cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý làm việc và ứng dụng Diac a Cấu tạo
Diac là một loại linh kiện bán dẫn gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp như TZT, nhưng chỉ có hai chân tương ứng với hai cực của Diac Nó được xem như một TZT không có cực nền Do tính đối xứng của Diac, không cần phân biệt T1 và T2 vì hai chân này đảm nhận vai trò như nhau.
Cấu tạo của DIAC tương đương bốn BJT mắc như hình 3.59
Hình 2-68 Cấu tạo (a), mạch tương đương với cấu tạo (b), (c) b Ký hiệu và hình dáng thực tế
Hình 2.69 Ký hiệu và hình dáng thực tế của Diac c Nguyên lý, đặc tuyến Von-ampe của diac
Hình 2.70 Nguyên lý, đặc tuyến Von-ampe của diac
Diac được kích mở bằng cách nâng cao điện áp đặt vào 2 cực Umở = 20 40
UBO là điện thế ngập ( Breakover ) và dòng điện qua Diac ở điểm UBO là dòng điện ngập IBO ( IBO có trị số khoảng từ vài chục A đến vài trăm A )
Diac có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều Đặc tuyến von-Ampe của diac tương tụ triac nhưng không cần điều khiển
Khi điện áp U đặt lên DIAC ở mức nhỏ hơn ngưỡng U0 hoặc cao hơn -U0 ở cả hai chiều, DIAC ở trạng thái khóa và không dẫn điện Khi U đạt tới giới hạn ±U0, DIAC chuyển sang dẫn điện với điện áp rơi trên DIAC có giá trị nhỏ hơn U0 Dòng qua DIAC phụ thuộc tải, có cường độ lớn và duy trì ở mức I duy trì (hold current) ở cả hai chiều thuận và ngược Khi dòng qua DIAC (dòng tải) nhỏ hơn I duy trì thì DIAC tự khóa.
Để mạch bảo vệ quá áp hoạt động hiệu quả, ta chọn U0 đủ lớn và sử dụng DIAC làm thành phần kích hoạt DIAC được bố trí trong mạch bảo vệ quá áp và nối song song tại đầu vào của tải tiêu thụ điện áp xoay chiều, giúp giới hạn biên độ điện áp và bảo vệ tải khỏi các sự cố quá áp.
Khi sử dụng DIAC, cần quan tâm đến hai thông số: dòng tải và áp giới hạn (thực tế 20–40 V) Đặc tuyến của DIAC hơi giống đặc tuyến của hai diode zener ghép nối tiếp nhưng ngược chiều nhau như hình A Điện thế VBo của Z1–Z2 chính là: VBo = VD + VZ (VD ≈ 0,7 V).
Diac thay cho một công tắc đóng ngắt điện xoay chiều bằng mức điện áp ( mức điện áp gọi là ngưỡng mở của diac )
Diac được dùng trong mạch điện bảo vệ chống quá áp khi nó được nối song song tại đầu vào của tải tiêu thụ điện áp xoay chiều
Ví dụ: Mạch dùng diac điều khiển triac
Hình 2.71 Mạch dùng diac điều khiển triac
Qua mạch VR-C1 và R-C2, điện áp xoay chiều UC2 đặt lên diac Khi 0
( Uo: điện áp ngưỡng ) của diac thì diac thông tạo dòng xung làm triac thông, cấp điện cho tải ở cả 2 nửa chu kỳ xoay chiều
Góc mở triac được điều chỉnh bởi biến trở VR
Ví dụ: Điều khiển môtơ AC
Hình 2.72: Mạch điều khiển môtơ AC
Mạch này có cấu trúc gần giống với mạch đèn mờ, chỉ bổ sung thêm phần mạch R2C2 Tốc độ của môtơ được điều chỉnh bằng chiết áp R1 e Cách nhận biết diac
Trong thực tế diac thường có màu xanh dương hoặc xanh hơi nâu và có mã số đặc trưng ghi trên thân: D…, DB…, N…, ST…
5.2.1 Phân loại, cấu tạo,ký hiệu và nguyên lý làm việc a.Cấu tạo
SCR được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn khác loại đặt liền nhau theo trình tự P-N- P-N Hai lớp ngoài gọi là hai miền phát, miền phát P gọi là anốt A, còn miền phát
N được gọi là catốt K Hai lớp giữa được gọi là miền gốc Tiếp giáp giữa hai miền gốc được gọi là lớp góp, còn tiếp giáp giữa mỗi miền gốc và miền phát được gọi là lớp phát Một trong những thành phần này đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và tính chất của hệ thống.
Hai miền gốc được đưa ra ngoài thành điện cực thứ ba, gọi là cực điều khiển G Nếu cực điều khiển nằm ở cạnh cực catốt, SCR có ký hiệu hình BJT và được gọi là SCR loại P.
Nếu cực G ở cạnh một thì SCR thuộc loại N
Hình 2.73 minh họa cấu tạo SCR Để chế tạo SCR loại P, người ta bắt đầu bằng phương pháp hợp kim để tạo cấu hình PNP tiếp mặt, sau đó dùng phương pháp khuếch tán để phủ lên trên cực góp của SCR một lớp bán dẫn loại N nhằm hình thành cực phát thứ hai là cathôt; cực phát ban đầu sẽ là anôt và cực gốc ban đầu là cực điều khiển Đối với SCR loại N, quy trình được thực hiện ngược lại: chế tạo SCR tiếp mặt NPN, rồi phủ lên trên cực góp một lớp bán dẫn loại P để hình thành cathôt.
Cực phát ban đầu là catôt cực gốc ban đầu là cực điều khiển Như vậy SCR có 3 cực:
Cực điều khiển ( Gate: G ) gắn với lớp P2
SCR (Silicon Controlled Rectifier) có 3 lớp tiếp xúc J1, J2 và J3, như hình 2.74 thể hiện và được gọi là cấu trúc PNPN Để tiện phân tích nguyên lý làm việc, SCR có thể xem như một cấu trúc gồm một cặp BJT n1p2n2 và p1n1p1 mắc liên hợp với nhau, tức hai transistor ghép có phản hồi lẫn nhau trong mạch PNPN Khi có tín hiệu kích tại cực gate đủ lớn, hai transistor ghép sẽ cùng mở dẫn, cho dòng từ anode sang cathode và SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn cho tới khi dòng tải giảm xuống dưới giá trị giữ (holding current).
I ( khi IG = 0 ) khi có IG 0 ta có: IK = IA +
Hình 2.75 Cấu tạo và sơ đồ tương đưong của SCR
5.2.2 Ký hiệu và hình dáng thực tế
Hình 2.76 Ký hiệu và hình dáng thực tế của SCR
5.2.3 Nguyên lý, đặc tuyến Von-ampe của SCR Để phân tích nguyên lý của SCR, người ta có thể xem SCR giống như hai transistor gồm một transistor PNP (T2) và một transistor NPN (T1) ghép lại theo kiểu cực C của NPN (T1) nối với cực B của PNP (T2) và ngược lại cực C của PNP (T2) nối cực BJT của NPN (T1) a Trường hợp 1: SCR phân cực thuận
Xét mạch điện như sau:
A nối với cực dương và K nối với cực âm của nguồn VCC
Hình 2.77 Mạch phân cực thuận SCR
Mạch SCR được trình bày trong hình 2.77 bằng cách xem SCR như hai transistor ghép lại, trong đó T1 là transistor NPN và T2 là transistor PNP Trường hợp cực G để hở, hay VGo = 0 V, được phân tích để hiểu hành vi của mạch khi không có kích thích từ cổng.
Khi cực G có VG = 0 V, transistor T1 không được phân cực ở cực BJT nên T1 ngừng dẫn Do T1 ngừng dẫn, IB1 = 0, IC1 = 0 khiến IB2 = 0 và T2 cũng ngừng dẫn Như vậy ở trường hợp này SCR không dẫn điện, dòng qua SCR là IA = 0 A và VAK ≈ VCC.
Khi nguồn VCC tăng lên mức đủ lớn, điện áp giữa anode và cathode của SCR (VAK) tăng tới ngưỡng Breakover (VBo) Tại thời điểm Breakover, VAK bắt đầu giảm xuống như một diode và dòng IA tăng lên nhanh, khiến SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện Dòng điện xuất hiện khi VAK giảm nhanh sau Breakover được gọi là dòng điện duy trì IH.
(holding) Sau đó, đặc tính của SCR giống như một diode nắn điện c Trường hợp cực G để hở hay VAK > 0V
Khi đóng công tắc K1, nguồn VDC bị giảm áp qua RG trước khi tới cực G của SCR, làm SCR dễ chuyển sang trạng thái dẫn Lúc này T1 được phân cực ở cực B nên dòng IG vào cổng chính bằng IB1 khiến T1 dẫn và tạo IC1; IC1 lại là dòng IB2 kích hoạt T2 dẫn, sinh IC2, và IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 để IC2 = IB1 Nhờ vòng hồi tiếp từ IC2 về T1, SCR được kích hoạt và duy trì trạng thái dẫn mà không cần cấp nguồn IG liên tục.
Ta có: IC1 =IB2 và IC2 =IB1
KIỂM TRA
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1 Hãy lựa chọn phương án đúng để trả lời các câu hỏi dưới đây bằng cách tô đen vào ô vuông thích hợp:
TT Nội dung câu hỏi a b c d
1.1 Thế nào là chất bán dẫn? a Là chất có khả năng dẫn điện b Là chất có khả năng dẫn điện yếu c Là chất không có khả năng dẫn điện d Là chất nằm giữa chất dẫn và cách điện
1.2 Các yếu tố nào ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của chất bán dẫn? a độ môi trường b Độ Nhiệt tinh khiết của chất bán dẫn c Các nguồn năng lượng khác d Tất cả các yếu tố trên
1.3 Dòng điện trong bán dẫn P là gì? b Là các điện tử tự do c dòng Là dòng các lỗ trống d Là dòng các ion âm d Là tất cả các yếu tố trên
1.4 Dòng điện trong chất bán dẫn N là gì? a Dòng các điện tử tự do b Dòng các lỗ trống c Dòng các ion âm d Tất cả các yếu tố trên
1.5 Linh kiện bán dẫn có nhược điểm gì? a Điện áp ngược nhỏ b Có dòng rỉ ngược c Các thông số kỹ thuật thay đổi theo nhiệt độ d Các yếu tố trên
1.6 Điốt tiếp mặt có đặc điểm gì? a Dòng điện chịu tải lớn b Điện áp đánh thủng lớn c Điện dung tiếp giáp lớn d Tất cả các yếu tố trên
1.7 Điốt tiếp mặt dùng để làm gì? a Tách sóng b Nắn điện c Ghim áp d Phát sáng
1.7 Dòng điện chạy qua điốt có chiều như thế nào? a Chiều tuỳ thích b Chiều từ Anode đến Catode c Chiều từ Catode đến Anode d Tất cả đều sai
1.8 Mạch nắn điện dùng điốt có mấy loại dạng mạch? a Nắn điện một bán kỳ b Nắn điện hai bán kỳ c Nắn điện tăng áp d Tất cả các loại trên
1.9 Điốt tách sóng có đặc điểm gì? a Dòng điện chịu tải rất nhỏ b Công suất chịu tải nhỏ c Điện dung kí sinh nhỏ d Tất cả các yếu tố trên
1.10 Điốt tách sóng có công dụng gì? a Nắn điện b Ghim áp c Tách sóng tín hiệu nhỏ d Phát sáng
1.11 Điốt Zener có đặc điểm cấu tạo gì? a Giống điốt tiếp mặt b Giống điốt tách sóng c Có tỷ lệ tạp chất cao d Có diện tích tiếp xúc lớn
1.12 Điốt zener có tính chất gì khi được phân cực thuận? a Dẫn điện như điốt thông thường b Không dẫn điện c Có thể dẫn hoặc không dẫn d Tất cả đều sai
1.13 Điốt zêne có tính chất gì khi bị phân cực ngược? a Không dẫn điện b Không cho điện áp tăng hơn điện áp zêne c Dẫn điện d Có thể dẫn hoặc không dẫn
1.14 Điốt quang có tính chất gì? a Điện trởngược vô cùng lớn khi bị che tối b Điện trở ngược giảm khi bị chiếu sáng c Điện trở ngược luôn lớn ở mọi trường hợp d Cả a và b
1.15 Điôt phát quang có tính chất gì? a Giống như điốt nắn điện b Phát sáng khi được phân cực thuận c Phát sáng khi được phân cực ngược d Giống như điốt quang
1.16 Điốt biến dung có tính chất gì? a Điện dung giảm khi được phân cực thuận b Điện dung tăng khi được phân cực ngược c Điện dung tăng khi được phân cực thuận d Gồm a và b
1.17 Tranzito có gì khác với điốt? a Có hai tiếp giáp PN b Có ba chân (cực) c Có tính khuếch đại d Tất cả các yếu tố trên
1.18 Fet có dặc điểm gì khác tranzito? a Tổng trở vào rất lớn b Đạ lượng điều khiển là điện áp c Hoạt động không dựa trên mối nối PN d Tất cả các yếu tố trên
1.19 Điắc khác điốt ở điểm nào? a Nguyên tắc cấu tạo b Nguyên lý làm việc c Phạm vi ứng dụng d.Tất cả các yếu tố trên
1.20 SCR khác tranzito ở điểm nào? a Nguyên tắc cấu tạo b Nguyên lý làm việc c Phạm vi ứng dụng d.Tất cả các yếu tố trên
1.21 SCR có tính chất cơ bản gì? a Bình thường không dẫn b Khi dẫn thì dẫn bão hoà c Dẫn luôn khi ngắt nguồn kích thích d Tất cả các yếu tố trên
1.22 Muốn ngắt SCR người ta thực hiện bằng cách nào? a Đặt điện áp ngược b Ngắt dòng đi qua SCR c Nối tắt AK của SCR d Một trong các cách trên
1.23 Trong kỹ thuật SCR thường được dùng để làm gì? a Làm công tắc đóng ngắt b Điều khiển dòng điện một chiều c Nắn điện có điều khiển d.Tất cả các yếu tố trên
1.24 Về cấu tạo SCR có mấy lớp tiếp giáp PN? a Một lớp tiếp giáp b Hai lớp tiếp giáp c Ba lớp tiếp giáp d Bốn lớp tiếp giáp
1.25 Về cấu tạo Triắc có mấy lớp tiếp giáp PN? a Một lớp tiếp giáp b Hai lớp tiếp giáp c Ba lớp tiếp giáp d Bốn lớp tiếp giáp
1.26 Nguyên lý hoạt động của Triắc có đặc điểm gì? a Giống hai điốt mắc ngược đầu b Giống hai tranzito mắc ngược đầu c Giống hai SCR mắc ngược đầu d Tất cả đều sai
1.27 Trong kỹ thuật Triắc có công dụng gì? a Khoá đóng mở hai chiều b Điều khiển dòng điện xoay chiều c Tất cả đều đúng d Tất cả để sai