Mô hình kiểm tra linh kiện điện tử đa năng

Đặt vấn đề Do nhu cầu cần thiết để kiểm tra các linh kiện điện tử trong môn học Thực tập điện tử, Thực hành kỹ thuật xung số, vi xử lý, Thí nghiệm điện tử công suất mà đồng hồ vạn năng

1

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: MÔ HÌNH KIỂM TRA LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ĐA NĂNG

Mã số đề tài: 21/1DSV05

Chủ nhiệm đề tài: Vũ Hồng Sơn

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Điện

Tp Hồ Chí Minh, 20 tháng 04 năm 2022

2

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận tốt nghiệp tại Trường ĐH Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ đạo và hướng dẫn tận tâm, tận tình của giảng viên hướng dẫn Thạc sĩ Lê Ngọc Tuân đã truyền đạt cho em những kiến thức, tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài nghiên cứu Với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin chân thành cảm ơn:

Ban giám hiệu nhà trường, phòng Đào tạo, khoa Công nghệ Điện, chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa, các thầy cô trong trường đã truyền đạt và giảng dạy kiến thức cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em để hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp

Đặc biệt là giảng viên hướng dẫn Thạc sĩ Lê Ngọc Tuân trong suốt quá trình nghiên cứu

đề tài Những lời nhận xét và góp ý không những giúp chúng em hoàn thành đề tài nghiên

cứu khoa học cấp trường mà còn giúp chúng em rút ra được nhiều bài học cho bản thân Trân trọng!

3

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

I Thông tin tổng quát

1.1 Tên đề tài: Mô hình kiểm tra linh kiện điện tử đa năng

Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 Lê Ngọc Tuân (ThS) Khoa Công nghệ Điện Cố vấn học tập

2 Vũ Hồng Sơn (SV) Khoa Công nghệ Điện Chủ nhiệm đề tài

3 Cao Quang Thanh (SV) Khoa Công nghệ Điện Thành viên

4 Nguyễn Hoàng Vũ (SV) Khoa Công nghệ Điện Thành viên

5 Trần Thiện Thắng (SV) Khoa Công nghệ Điện Thành viên

1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa công nghệ Điện

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 04 năm 2021 đến tháng 01 năm2022

1.5.2 Gia hạn (nếu có): KHÔNG

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 04 năm 2021 đến tháng 12 năm 2022

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

Không

1.7 Tổng kinh phí đƣợc phê duyệt của đề tài: 10 triệu đồng

II Kết quả nghiên cứu

1 Đặt vấn đề

Do nhu cầu cần thiết để kiểm tra các linh kiện điện tử trong môn học Thực tập điện tử, Thực hành kỹ thuật xung số, vi xử lý, Thí nghiệm điện tử công suất mà đồng hồ vạn năng VOM không thể kiểm tra hết được vì không đủ tính năng nên Khoa Công nghệ Điện đã đặt hàng chúng tôi tìm hiểu, nghiên cứu và thi công Mô hình kiểm tra linh kiện điện tử đa năng

để phục vụ công tác dạy và học cho các môn học đó Mô hình hiển thị được các thông số quan trọng của các linh kiện như độ tự cảm, cảm kháng, độ suy hao, điện áp ngưỡng mở của transistor Tự động xác định BJT, FET, diode đơn, diode kép, IGBT, thyristors (SCR), triac,

3 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên cơ sở những thiết bị đo có sẵn trên thị trường, nhóm nghiên cứu tìm hiểu, nghiên cứu và chế tạo ra mô hình đo kiểm tra linh kiện điện tử đa năng

4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực tế, nhóm đã chế tạo hoàn thành mô hình đo kiểm tra linh kiện điện tử đa năng đáp ứng được các mục tiêu đã đặt ra

5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Mô hình hoạt động ổn định, đã đáp ứng đúng các mục tiêu đặt ra với độ chính xác có thể chấp nhận được cho việc học thực hành của sinh viên chuyên ngành điều khiển tự động

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Mô hình đo kiểm tra linh kiện điện tử đa năng phục vụ tốt cho việc thực hành và sử dụng trong lĩnh vực điện tử với độ chính xác cao Đó cũng là một bước phát triển trong việc sử dụng những thiết bị cải tiến trong việc giảng dạy và sử dụng với những công việc liên quan

Sử dụng mô hình đo kiểm tra linh kiện điện tử đa năng mang lại nhiều ưu điểm và lợi ích, đảm bảo độ chính xác, giảm sự khó khăn trong đo các linh kiện điện tử Trong đề tài việc thực hiện đo kiểm tra các linh kiện đã được thực hiện Nhưng vẫn còn một số hạn chế, để đo

III Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1 Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Đạt đƣợc

1 Mô hình đo kiểm tra linh

kiện điện tử đa năng

Kiểm tra các loại linh

kiện điện tử cơ bản

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp HCM đã cấp kính phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

6

3.2 Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian thực hiện đề tài

IV Tình hình sử dụng kinh phí

TT Nội dung chi

Kinh phí đƣợc duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí thực hiện

6 Hội nghị, hội thảo, thù lao

nghiệm thu giữa kỳ

8 Chi phí khác

B Chi phí gián tiếp

7

1 Quản lý phí

2 Chi phí điện, nước

Tổng số 10.000.000 10.000.000

V Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Áp dụng thực tiễn lên các mô hình giảng dạy tác các phòng thực hành

Tối ưu hóa mô hình giúp cho người dùng có thể sử dụng một cách dễ dàng

VI Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

Tp HCM, ngày tháng năm

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)

Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký)

8

PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

8

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 11

1.1 Giới thiệu chung 11

1.1.1 Vi xử lý AVR Atmega328 11

1.1.2 LCD 128 x 64 pixel 12

1.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế 13

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 13

1.4 Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã công bố 13

1.4.1 Quốc tế 13

1.4.2 Trong nước 14

1.5 Tính cấp thiết tiến hành nghiên cứu 14

II GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN 14

2.1 Giới thiệu về các linh kiện điện tử 14

2.2 Tầm quan trọng của linh kiện điện tử 15

2.2.1 Tầm quan trọng của linh kiện điện tử với thiết bị điện tử 15

2.2.2 Tầm quan trọng của các thiết bị điện tử với đời sống và sản xuất 16

2.2.2.1 Trong đời sống 16

2.2.2.2 Trong sản xuất 17

2.3 Phân loại 17

2.3.1 Linh kiện tích cực 18

2.3.1.1 Diode 18

2.3.1.2 Transistor lưỡng cực 21

2.3.1.3 Transisto hiệu ứng trường (MOSTFET) 22

2.3.1.4 Thyristors (SCR) 24

2.3.1.5 Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Vng,max) 28

2.3.1.5.1 Ứng dụng của thyristor 28

2.3.1.5.2 Các ưu nhược điểm khi sử dụng thyristor là gì 29

2.3.1.6 TRIAC 29

2.3.1.7 Nguồn điện 32

2.3.2 Linh kiện thụ động 33

2.3.2.1 Điện trở 33

9

2.3.2.1.2 Một số loại điện trở thường gặp 35

2.3.2.2 Tụ điện 39

2.3.2.3 Cuộn cảm 41

III TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ AVR ATMEGA328 ĐO KIỂM TRA LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 44

3.1 Giới thiệu chức năng 44

3.2 Hướng dẫn sử dụng 45

3.2.1 Hướng dẫn đo đạc 45

3.2.2 Các chế độ đo 46

3.2.3 Menu chức năng và chi tiết các thông số 46

1.1 Điểm tối ưu của Ứng dụng vi xử lý AVR ATMEGA328 đo kiểm tra linh kiện điện tử so với các thiết bị đo khác 49

3.2.4 Đo điện trở 50

3.2.4.1 Đối với VOM 50

3.2.4.2 Đối với Ứng dụng vi xử lý AVR ATMEGA328 đo kiểm tra linh kiện điện tử 51

3.2.5 Đo tụ điện 51

3.2.5.1 Đối với VOM 51

3.2.5.2 Đối với Ứng dụng vi xử lý AVR ATMEGA328 đo kiểm tra linh kiện điện tử 52

3.2.6 Đo cuộn cảm 53

3.2.6.1 Đối với VOM 53

3.2.6.2 Đối với Ứng dụng vi xử lý AVR ATMEGA328 đo kiểm tra linh kiện điện tử 53

3.2.7 Đo điện áp một chiều 54

3.2.7.1 Đối với VOM 54

3.2.7.2 Đối với Ứng dụng vi xử lý AVR ATMEGA328 đo kiểm tra linh kiện điện tử 54

3.2.8 Đo kiểm tra transistor 55

3.2.8.1 Đối với VOM 55

10

3.2.8.2 Đối với mô hình đo kiểm tra linh kiện điện tử đa năng ứng dụng vi xử lý AVR ATMEGA328 563.2.9 Đo diode 563.2.9.1 Đối với VOM 563.2.9.2 Đối với Ứng dụng vi xử lý AVR ATMEGA328 đo kiểm tra linh kiện điện tử 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

11

1 I TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Vi xử lý AVR Atmega328

Atmega328 là một chip vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32 KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1 KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bit (2 KB SRAM)

Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp UART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi

số tương tự 10 bit (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader

Hình 1.1.Vi xử l{ AVR Atmega 328

Nguồn: Linh kiện bán dẫn

Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8 V – 5.5 V), tốc

độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1 MHz

12

Ngày nay, vi điều khiển Atmega328 thực sử được sử dụng phổ biến từ các dự án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ, tiêu tốn ít năng lượng (chế độ hoạt động: 0.2 mA, chế độ ngủ: 0.1 μA, chế độ tích kiệm: 0.75 μA) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùng AVR Và không thể không nhắc tới sự thành công của vi điều khiển Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini những sản phẩm dẫn dắt chúng ta vào thế giới mã nguồn mở để hoàn thành một chương trình trong “nháy mắt”

Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8 bit và 1 timer 16 bit

Số kênh xung PWM: 6 kênh (1 timer 2 kênh)

13

1.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế

Trên thực tế bên các nước phát triển thì đồng hồ đo kiểm tra linh kiện này đã có nhiều mẫu mã và chức năng khác nhau nhưng giá thành cao

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nước đã có một số cá nhân và công ty nhỏ đã nghiên cứu ra một vài sản phẩm tương tự và cũng đã có mặt tại thị trường nhưng độ bền không cao, tính chính xác không cao và giới hạn loại linh kiện có thể kiểm tra

1.4 Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã công bố

1.4.1 Quốc tế

Đã có các nhà máy công ty sản xuất hàng loạt cho những đồng hồ đo nhưng song song với đó cũng có nhiều khuyết điểm và khi nhập về Việt Nam thì giá thành sẽ cao hơn nhiều so với cùng loại và chức năng đó vì phải chịu nhiều phụ phí khác Cùng với

đó là giao diện và ngôn ngữ đa số của Trung Quốc sản xuất nên sẽ gây khó khăn cho người sử dụng và một điều cũng quan trọng không kém thì giá thành chỉ giao động từ

15 $ đến 40 $ nên chất lượng sản phẩm không cao, khó thao tác

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của màn hình L CD 128 x 64

Nguồn : ElectronicWings

14

1.4.2 Trong nước

Đã có một số nhà sản xuất trong nước mua linh kiện của Trung Quốc về lắp ráp những chiếc đồng hồ đo kiểm tra linh kiện nhưng vẫn còn những khuyết điểm như phần vỏ hộp và mẫu mã chưa được quan tâm vì các công trình do các cơ sở sản xuất tự nghiên cứu riêng lẻ không theo quy chuẩn, mẫu mã chưa được quan tâm và cùng với

đó thì chất lượng chưa đảm bảo vì phần cơ khí làm không chính xác và các linh kiện chưa tốt, khó thao tác

1.5 Tính cấp thiết tiến hành nghiên cứu

Là mô hình phục vụ việc học cho sinh viên phòng Thực tập điện tử, Thí nghiệm điện tử công suất, Thực hành kỹ thuật xung số, vi xử lý

Là tiền đề nghiên cứu cho các sinh viên có nhu cầu nghiên cứu ứng dụng vi xử lý

Tự động nhận thứ tự các chân và hiển thị các thông số nâng cao trên màn hình mà đồng hồ đo vạn năng hoặc các đồng hồ Digital meter hiện nay không có

Đo kiểm tra được rất nhiều loại linh kiện điện tử, hiển thị được các thông số quan trọng của các linh kiện như độ tự cảm, cảm kháng, độ suy hao, điện áp ngưỡng mở của transistor

Mô hình dễ sử dụng chắc chắn, an toàn, đảm bảo cho việc học, thực tập của sinh viên với tần suất cao mà vẫn chính xác, không bị hư hỏng

Giá thành thấp, gọn nhẹ

Độ chính xác cao

II GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN

1.6 Giới thiệu về các linh kiện điện tử

Các linh kiện điện tử là các phần tử rời rạc cơ bản có những tính năng xác định được dùng cho ghép nối thành mạch điện hay thiết bị điện tử

Hiện nay trong bất kì hệ thống máy móc nào tại các xí nghiệp hay thậm chí trong

hệ thống điện hộ gia đình ta cũng thấy sự có mặt của các linh kiện điện tử này Linh kiện điện tử là yếu tố không thể thiếu trong các mạch điện hiện nay

15

Hình 2.1 Các linh kiện điện tử

Nguồn : Điện tử VIETNIC

1.7 Tầm quan trọng của linh kiện điện tử

1.7.1 Tầm quan trọng của linh kiện điện tử với thiết bị điện tử

Linh kiện điện tử là thành phần quan trọng nhất tạo nên các thiết bị, máy móc điện

16

Hình 2.2 Linh kiện điện tử trong một CPU máy tính

Nguồn : Điện tử VIETNIC

Hình 2.3 Linh kiện điện tử trong điện thoại

Nguồn : Điện tử VIETNIC

Vì vậy linh kiện điện tử là thành phần chính tạo nên các thiết bị điện tử Nếu xem các thiết bị điện tử là con người thì linh kiện điện tử chính là bộ não, là xương sống

1.7.2 Tầm quan trọng của các thiết bị điện tử với đời sống và sản xuất

1.7.2.1 Trong đời sống

Thiết bị điện tử không chỉ là những linh kiện, những trang thiết bị hiện đại chỉ được áp dụng cho các ngành khoa học hiện đại Thiết bị điện tử được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Trong sinh hoạt, thiết bị điện tử là những vật dụng, những dụng cụ thiết yếu phải sử dụng hằng ngày Những thiết bị này giúp giảm được

17

công sức cũng như thời gian cho việc dọn dẹp như: Máy giặt, máy hút bụi, máy rửa chén … Hay các thiết bị điện tử có chức năng giải trí, nâng cao đời sống tinh thần như: tivi, máy vi tính …

1.7.2.2 Trong sản xuất

Hiện nay trong bất kì hệ thống máy móc nào tại các xí nghiệp hay thậm chí trong

hệ thống điện hộ gia đình ta cũng thấy sự có mặt của các linh kiện điện tử này Linh kiện điện tử là yếu tố không thể thiếu trong các mạch điện hiện nay Trong các dây chuyền sản xuất sản phẩm linh kiện điện tử là thành phần then chốt cho hiệu quả sản xuất

Năng xuất của một phân xưởng sẽ giảm như thế nào nếu như chỉ hoạt động nhờ vào sức người mà không có sự trợ giúp từ các loại máy móc thiết bị sản xuất Vì vậy các thiết bị điện tử giúp cho cuộc sống con người tiện lợi hơn và sản xuất với năng suất cao hơn và chi phí thấp hơn

Từ đó ta có thể thấy được linh kiện điện tử có vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống và sản xuất của con người

1.8 Phân loại

Phân loại linh kiện điện tử có thể có nhiều tiêu chí khác nhau Song với ý nghĩa phục vụ cho phân tích mạch và khả năng mô hình hoá thành mạch tương đương để tính toán được các tham số mà mạch điện thiết kế ra có thể đạt được, thì sự phân loại theo tác động tới tín hiệu điện được quan niệm là hợp lý nhất Trong phân loại này thì bỏ qua tác động đến dòng nguồn nuôi DC nếu không có sự cần thiết phải ghi chú, như công suất lớn, toả nhiệtn

- Linh kiện tích cực: Là loại tác động phi tuyến lên nguồn nuôi AC/DC để cho

ra nguồn tín hiệu mới, trong mạch tương đương thì biểu diễn bằng một máy phát tín hiệu, như diode, transistor,

- Linh kiện thụ động: Không cấp nguồn vào mạch, nói chung có quan hệ tuyến

tính với điện áp, dòng, tần số, như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, biến áp,

- Linh kiện điện cơ: Tác động điện liên kết với cơ học, như thạch

anh, relay, công tắc,

Diode là linh kiện bán dẫn đầu tiên Khả năng chỉnh lưu của tinh thể được nhà vật

lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện năm 1874 Diode bán dẫn đầu tiên được phát triển vào khoảng năm 1906 được làm từ các tinh thể khoáng vật như galena Ngày nay hầu hết các diode được làm từ Silic, nhưng các chất bán dẫn khác như Selen hoặc Germani thỉnh thoảng cũng được sử dụng

Diode bán dẫn, loại sử dụng phổ biến nhất hiện nay, là các mẫu vật liệu bán dẫn kết tinh với cấu trúc p-n được nối với hai chân ra là anode và cathode

Vùng hiếm

và D3 được phân cực thuận, cho dòng điện đi qua tới tải R Điện áp ngõ ra trên tải R sẽ

là bán kỳ dương của điện áp ngõ vào

Ở bán kỳ tiếp theo trong khoảng thời gian từ T/2 đến T, diode D4 và D1 được phân cực thuận Điện áp trên tải sẽ là bán kỳ tiếp theo của điện áp ngõ vào Như vậy, cả hai bán kỳ của điện áp ngõ điện áp ngõ vào sẽ xuất hiện trên tải Tính hiệu điện áp ngõ ra không thay đổi cực tính

Hình 2.7 Mạch chỉnh lưu cầu một pha

20

Điện áp trung bình ngõ ra của mạch chỉnh lưu bán kỳ như trong hình 2.8 được xác định theo công thức với diode là lý tưởng:

Hình 2.8 Điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch chỉnh lưu toàn kz

Nguồn : Electronic Devices and Circuit Theory [2]

P AVG

V V

Qua phương trình này cho thấy: V AVG 0,636V P

Trên thực tế, khi phân cực thuận, điện áp rơi trên diode là 0.7 V, vì vậy điện áp đỉnh ngõ ra sau chỉnh lưu sẽ được tính bằng công thức:

( ) ( ) 0.7 V

p out p in

Hình 2.9 Điện áp cực đại ngõ ra Nguồn : Electronic Devices and Circu it Theory [2]

Điện áp ngược cực đại (Peak Inverse Voltage - PIV) trên diode khi diode bị phân cực nghịch là giá trị đỉnh của điện áp ngõ vào và diode phải có khả năng chịu đựng

Nguồn : Electronic Devices and Circuit Theory [2]

PIV: Điện áp ngược cực đại (V)

VP(in): Điện áp đỉnh ngõ vào (V)

1.8.1.2 Transistor lƣỡng cực

a Định nghĩa

Hình 2.10 Transistor

Nguồn : Electronic Devices [4]

Transistor là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử

Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động Transistor cũng được kết hợp thành mạch tích hợp (IC), có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một diện tích nhỏ

Cũng giống như diode, transistor được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khi ghép một bán dẫn điện n nằm giữa hai bán dẫn điện p ta được một pnp transistor Khi ghép một bán dẫn điện p nằm giữa hai bán dẫn điện nta được một npn transistor

b Phân loại

Có 3 loại transistor chính:

- Transistor lưỡng cực (BJT)

- Transistor hiệu ứng trường (FET, MOSFET)

- Transistor mối đơn cực (UJT)

22

c Ứng dụng

Sự hữu ích thiết yếu của transistor xuất phát từ khả năng sử dụng một tín hiệu nhỏ được đặt một cực của nó để điều khiển một tín hiệu lớn hơn ở các cực còn lại Tính chất này được gọi là Gain Nó có thể tạo ra tín hiệu đầu ra mạnh hơn, điện áp hoặc dòng điện, tỷ lệ với tín hiệu đầu vào; có nghĩa là, nó có thể hoạt động như bộ khuếch đại Ngoài ra, transistor có thể được sử dụng để bật hoặc tắt dòng điện trong một mạch như là một khóa điện tử

1.8.1.3 Transisto hiệu ứng trường (MOSTFET)

Mosfet viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong tiếng Anh là transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tức một transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với transistor thông thường Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao

23

Hình 2.12 Cấu tạo Mosfet

G (Gate): Cực cổng G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn Dioxit - Silic

S (Source): Cực nguồn

D (Drain): Cực máng đón các hạt mang điện

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực

S (VGS)

Khi điện áp VGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp VGS > 0 do hiệu ứng từ

trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp VGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ

b Phân loại

Hiện nay các loại mosfet thông dụng bao gồm 2 loại:

- N-MOSFET: Chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện input

- P-MOSFET: Các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngõ gate

c Nguyên lí hoạt động

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện

cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng

Mạch điện tương đương của Mosfet nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó

- Đối với kênh P: Điện áp điều khiển mở mosfet là VGS = 0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D

24

- Đối với kênh N: Điện áp điều khiển mở mosfet là VGS > 0 Điện áp điều khiển

đóng là VGS ≤ 0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

1.8.1.4 Thyristors (SCR)

Thyristor tên đầy đủ là Silicon Controlled Rectifier (chỉnh lưu Silic có điều khiển) là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn là một loại linh kiện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử Thyristor bản chất là một điốt được ghép từ bởi 2 transistor có với hai chiều đối nghịch và có thể điều khiển được (tương đương hai BJT gồm một BJT loại npn và một BJT loại pnp) Chúng hoạt động khi được cấp điện và tự động ngắt, trở về trạng thái ngưng dẫn khi không có điện Nó được thường được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển

a Lịch sử phát triển của thyristor

Vào những năm 1950 thì thyristor được đề xuất bởi William Shockley và bảo vệ bởi Moll cùng một số người khác ở phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ), được phát triển lần đầu bởi các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) mà đứng đầu là Gordon Hall và thương mại hóa bởi Frank W “Bill” Gutzwiller của General Electric năm

1957

b Cấu tạo của một thyristor

Thông thường thì một thyristor sẽ bao gồm bốn lớp bán dẫn p-n ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:

- A: Có nghĩa là cực dương

- K: Có nghĩa là cực âm

- G: Có nghĩa là cực khiển (cực cổng)

25

A

K G

Hình 2.14 Cấu tạo của một thyristor

c Kí hiệu của thyristor

Hình 2.15 Kí hiệu của thyristor

Về mặt kí hiệu thì thyristor sẽ khá giống với một con diode Do một diode thông thường sẽ cho phép dòng điện đi qua từ A sang K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế tại K, còn với một thyristor thì vẫn phải đảm bảo điều kiện đó và cần thêm một điều kiện nữa đó là phải kích thích một dòng điều khiển đi vào chân G

d Các loại thyristor thông dụng trên thị trường

Dựa vào khả năng bật và tắt của thyristor chúng sẽ được phân thành các loại như sau:

- Thyristor điều khiển Silic hoặc SCR

- Thyristor cổng tắt hoặc GTO

- Thyristor cực phát tắt hoặc ETOs

- Thyristor dẫn điện ngược hoặc RCT

- Thyristor Triode hai chiều hoặc TRIAC

- Thyristor MOS tắt hoặc MTO

- Thyristor điều khiển pha hai chiều hoặc BCT

26

- Thyristor chuyển đổi nhanh hoặc SCR

- Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc LASCR

- Thyristor kiểm soát FET hoặc FET-CTHs

- Thyristor tích hợp cổng hoặc IGCT

e Nguyên lý hoạt động của thyristor

Chúng ta có thể tham khảo 2 hình mô tả sau để có thể dễ dàng hình dung hơn về nguyên lý hoạt động của thyristor nhé Cụ thể thì chúng ta có 3 trường hợp như sau:

 Trường hợp 1: Cực G để hở hay VG = 0 V

A

K G

Hình 2.16 Nguyên l{ hoạt động của thyristor (trường hợp 1)

Trong trường hợp khi cực G và VG = 0 V có nghĩa là transistor T1 không có phân

cực ở cực B nên T1 ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn Như vậy trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor

là IA = 0 và VAK ≈ VCC

Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến

điện thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode và dòng điện

IA tăng nhanh Lúc này thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với

lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì IH (Holding) Sau đó đặc tính của thyristor giống như một diode chỉnh lưu

 Trường hợp 2: Đóng khóa K

Hình 2.17 Nguyên l{ hoạt động của thyristor (trường hợp 2)

Trường hợp đóng khóa K thì VG = VDC – IGRG và thyristor dễ chuyển sang trạng thái

dẫn điện Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dòng điện IG chính là IB1làm T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dòng

điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1 Nhờ đó mà thyristor sẽ tự duy trì

trạng thái dẫn mà không cần có dòng IG liên tục

IC1 = IB2

IC2 = IB1

Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và hai

transistor chạy ở trạng thái bão hòa Khi đó điện áp VAK giảm rất nhỏ (≈ 0,7 V) và dòng điện qua thyristor là:

 Trường hợp 3: Phân cực ngược thyristor

Phân cực ngược thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương của nguồn VCC Trường hợp này giống như diode bị phân cực ngược Thyristor sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng rất nhỏ đi qua Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn thì thyristor sẽ bị đánh thủng và dòng điện qua theo chiều ngược lại Điện áp ngược đủ để đánh thủng

thyristor là VBR, thông thường trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu

f Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor Iv,tb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho phép Trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu suất không cao, vì thế với yêu cầu cao hơn người ta làm mát cưỡng bức thyristor bằng quạt gió hoặc bằng nước, tuy nhiên điều này có thể khiến kích thước thiết bị tăng đáng kể, dùng cho các thiết bị có công suất lớn Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau:

- Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép tới một phần ba dòng cho phép Iv,tb

- Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng cho phép bằng hai phần ba

dòng cho phép Iv,tb

- Làm mát cưỡng bức bằng nước: Có thể sử dụng đến 100% dòng Iv,tb

1.8.1.5 Điện áp ngƣợc cho phép lớn nhất (Vng,max )

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng

dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anode và cathode VAKluôn nhỏ hơn hoặc bằng Vng,max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về

điện áp, nghĩa là Vng,max phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ

1.8.1.5.1 Ứng dụng của thyristor

Các thiết bị thyristor đầu tiên được sản xuất cho mục đích thương mại vào năm

1956 Một thiết bị thyristor nhỏ có thể kiểm soát một lượng lớn điện áp và năng lượng

Vì thế nó được ứng dụng trong điều chỉnh ánh sáng, điều khiển công suất điện và điều khiển tốc độ của động cơ điện Trước đây, thyristor được dùng cho đảo ngược dòng điện để tắt thiết bị Trên thực tế, nó có dòng điện trực tiếp nên rất khó sử dụng cho thiết bị Nhưng bây giờ, bằng cách sử dụng tín hiệu cổng điều khiển có thể bật và tắt các thiết bị mới, có thể sử dụng thyristor để bật và tắt hoàn toàn Vì vậy, thyristor được

sử dụng làm công tắc chứ không thích hợp làm bộ khuếch đại analog

29

Trên thị tế thì thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng điện lớn, và thường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC, vì sự thay đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tự động được biết như

là quá trình Zero Cross - quá trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp hình sin

1.8.1.5.2 Các ƣu nhƣợc điểm khi sử dụng thyristor là gì

Hầu hết mọi thứ khi sử dụng đều có những điểm mạnh và điểm yếu với thyristor cũng không ngoại lệ, chúng cũng có những cái làm rất tốt và những cái chưa tốt Và phần này mình sẽ liệt kệ ra những ưu điểm và nhược điểm của thyristor:

a Ƣu điểm

Một số ưu điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):

- Có thể xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn

- Có thể được bảo vệ bằng cầu chì

Một số nhược điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):

- Bộ chỉnh lưu khiển silic (SCR) là thiết bị một chiều, vì vậy nó chỉ có thể điều khiển công suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều

Do đó chỉ có nguồn một chiều được điều khiển bằng thyristor

- Trong mạch xoay chiều, nó cần phải được bật trên mỗi chu kỳ