TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 1 KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Bài 2 LINH KIỆN BÁN DẪN 1 Giới thiệu Các[.]
Trang 1KHOA CƠ KHÍ
1 Giới thiệu
- Các linh kiện bán dẫn hay phần tử bán dẫn là các linh kiện điện tử khai thác tính chất điện
tử của vật liệu bán dẫn như silic, germane và arsenua galli cũng như chất bán dẫn hữu cơ
- Các linh kiện bán dẫn được sản xuất ở cả hai dạng là linh kiện rời và mạch tích hợp (IC) Trong IC có từ vài (thấp nhất là hai) đến hàng tỷ linh kiện, được gia công và kết nối với nhau trên một nền bán dẫn duy nhất là tấm wafer Trong phạm vi bài thí nghiệm, nội dung
là khảo sát hoạt động của diode, MOSFET, thực hiện một số mạch đơn giản ứng dụng linh
kiện bán dẫn đã học
Mục tiêu:
• Hiểu và kiểm nghiệm đặc tính hoạt động của diode bán dẫn Làm quen với các linh
kiện bán dẫn
• Quan sát được đặc tính chỉnh lưu dòng điện của diode bán dẫn, vận dụng kiến thức
về lý thuyết của dòng điện trong bán dẫn, giải thích được kết quả thực nghiệm
• Nắm vững và có khả năng thiết kế mạch driver điều khiển động cơ DC bằng MOSFET, vận dụng kiến thức về lý thuyết về MOSFET, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch
• Rèn luyện kỹ năng mắc mạch điện, sử dụng dụng cụ đo điện như Volt kế, Ampe
kế, dao động kí điện tử
2 Thiết bị thí nghiệm
2.1 Thành phần: tất cả 4 kit, mỗi kit bao gồm như sau
- Bảng breadboard (Hình 1)
Hình 1
- Các loại điện trở, biến trở với các mức công suất khác nhau
- Diode bán dẫn
Trang 2- Tụ điện 10μF
- Bộ nguồn 12VDC
- Đồng hồ vạn năng VOM
- Dao động ký hai kênh
- Dây nối
- MOSFET J306
- MOSFET K2638
- Transistor C1815
2.2 Sơ lược đặc tính thiết bị:
a) Breadboard
-Breadboard (Hình 2) là một dạng đế cắm nhiều lỗ, cho phép cắm các linh kiện điện tử, IC
và dây nối để tạo thành mạch điện tử mà không cần hàn nối Vì thế nên nó có thể được sử dụng lại và giúp cho việc thiết kế một mạch điện tử thí nghiệm được dễ dàng hơn Về cấu tạo breadboard gồm có hai phần chính:
Terminal strip: là vùng gắn các linh kiện Vùng này có 5 cột bên trái (A, B, C, D, E) và 5 cột bên phải (F, G, H, I, J) Trong đó, cột E và cột F cách nhau khoảng 0.3 inch (khoảng cách giữa hai hàng chân IC) nên hai cột này được ưu tiên để gắn IC Với vùng này, mỗi hàng nối với nhau như hình vẽ
Bus strip: là vùng cung cấp nguồn cho các linh kiện điện tử Một bus strip có hai cột, mỗi cột được nối với nhau như hình vẽ
Hình 2
b) Diode
- Khi tạo thành mối nối pn giữa khối bán dẫn loại n và khối bán dẫn p ta có diode cơ bản Diode là linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện qua nó theo một hướng định trước
- Trong hình 3, trình bày cấu tạo cơ bản của mối nối pn, trong vùng p có nhiều lổ trống (hạt tải đa) và có vài điện tử tử do (hạt tải thiểu) sinh ra do tác dụng nhiệt
Trang 3- Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự do (hạt tải đa) và một số rất ít lỗ trống (hat tải thiểu) bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 3
như boron Các lỗ trống hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa nguyên tử boron và nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện
- Tương tự , bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử
có hóa trị 5 như antimony Các điện tử hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa một nguyên tử tạp chất với bốn nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử (bao gồm các điện tử tự do) bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện
Hình 3
- Trong hình 4, trình bày hình dạng của diode dùng trong thực tế Mục tiêu chính của diode dùng thực hiện mạch chỉnh lưu Vùng n của mối nối pn được gọi là cathode, ký hiệu là K Vùng n được gọi là anod, ký hiệu là A
Hình 4
- Đặc tuyến Volt Ampere (Hình 5) là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp
giữa hai đầu diode với dòng điện qua diode
VF: điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận
VBIAS: điện áp phân cực cấp vào mạch diode
IF: dòng điện qua diode lúc phân cực thuận
Trang 4 VR: điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực nghịch
IR: dòng điện qua diode lúc phân cực nghịch
Hình 5
c) MOSFET:
- MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức
Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn Hình 6 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và hình 7 ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p
• 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 ngỏ Gate
Hình 6
- MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT Về nguyên lý cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân
S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ
Trang 5(gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví
dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1)
Hình 7
- Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành ba chế độ khác nhau tùy thuộc vào điện
áp trên các đầu cuối Với N-MOSFET thì ba chế độ đó là:
• Chế độ cut-off hay sub-threshold (Chế độ dưới ngưỡng tới hạn)
• Triode hay vùng tuyến tính
• Bão hòa
3 Nội dung thí nghiệm
3.1 Thời lượng: 5 tiết cho mỗi nhóm sinh viên
3.2 Thực hành
- Trong phạm vi bài thí nghiệm, diode
như hình 8 được khảo sát trong mạch
Hình 8
Trang 6
- Thực hiện mạch điện với diode D1, điện trở R1
như hình 9
Hình 9
a Đo điện áp trên R1 Hãy xác định diode phân cực thuận hay phân cực nghịch
b Dùng định luật Ohm để tính dòng điện I1 qua R1
c Tính điện áp trên diode trong trường hợp này
-Thực hiện lại mạch điện với diode D1 như
hình 10
Hình 10
d Đo điện áp trên R1 Hãy xác định diode phân cực thuận hay phân cực nghịch
e Dùng định luật Ohm để tính dòng điện I1 qua R1
f Tính lại điện áp trên diode trong trường hợp này
- Cho mạch điện như
hình 11 (a,b) bao gồm nguồn áp xoay chiều hình sin, 1 diode và 1 điện trở tải RL tạo thành
mạch chỉnh lưu bán kỳ
Hình 11.a
- Áp nguồn Vin cấp đến ngõ vào mạch chỉnh lưu có dạng sin, khi Vin > 0V (tương ứng bán kỳ dương) diode phân cực thuận và cho dòng đi qua điện trở tải Dòng điện này hình thành áp trên tải RL có cùng dạng với áp Vin
Trang 7- Khi Vin < 0V (tương ứng bán kỳ âm) diode phân cực nghịch không cho dòng đi qua nên áp trên tải bằng 0V
Hình 11.b
- Thực hiện mạch như hình 11 (a,b) Sử dụng dao động ký điện tử để hiển thị tín hiệu
a Dùng đồng hồ VOM đo và ghi điện áp ngõ vào
b Sử dụng dao động ký để đo lại ngõ vào và ngõ ra của mạch Điều chỉnh dao động
ký bằng cách nhấn nút Measure, sau đó lựa chọn kênh, giá trị cần đo Ghi lại giá trị điện áp hiệu dụng và trung bình tại ngõ vào và ngõ ra của mạch
c Quan sát dạng sóng ngõ ra Vo Biên độ xung âm hay xung dương bằng bao nhiêu ?
d Từ quan sát trên dao động ký, hãy cho biết đây là mạch chỉnh lưu bán kỳ dương hay âm ?
-Nguồn điện xoay chiều truyền phát đơn giản và kinh tế hơn nguồn điện một chiều nên nguồn xoay chiều được phát và phân phối trong mạng điện thực Nhưng các mạch điện tử yêu cầu có nguồn một chiều Mạch chỉnh lưu được sử dụng để biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều Mạch chỉnh lưu bán kỳ sử dụng 1 diode được sử dụng trong những
mạch cần dòng điện thấp Phương pháp hiệu quả cao hơn là sử dụng các nhóm diode vào
mạch chỉnh lưu toàn sóng
Hình 12.a
-Tại bán kỳ dương của áp thứ cấp trên biến áp như trong hình 12.a, điện thế tại các nút a
và b là Va > Vc > Vn > Vb, suy ra diode D1 và D2 phân cực thuận hay các diode D1 và D2
dẫn, các diode D3 và D4 ngưng dẫn: dòng điện từ nút a thứ cấp qua diode D1 đến nút c, qua tải đến n, qua diode D2 đến nút b, quay về thứ cấp
Trang 8Hình 12.b
-Tại bán kỳ âm của thứ cấp như trong hình 12.b, điện thế tại các nút a và b là Va < Vc <
Vn < Vb, suy ra diode D1 và D2 phân cực nghịch và các diode D3, D4 dẫn: dòng điện từ nút b thứ cấp qua diode D4 đến c, qua tải đến n, qua diode D3 đến nút a, quay về thứ cấp -Thực hiện mạch điện như hình 13, biết diode được sử dụng là loại như hình 8 Cấp nguồn
đầu vào AC cho mạch điện hoạt động Dùng dao động ký đo 2 kênh (đầu vào, đầu ra) của
mạch điện
Hình 13
a Quan sát dạng sóng ra trên dao động ký, điều chỉnh chế độ Measure để đo các thông
số sau: điện áp đỉnh-đỉnh (Vpk-pk), tần số (fin-fout) của ngõ vào Vin-ngõ ra Vo
b Tính điện áp ngõ ra trung bình (Vavg = Vpp x 0.636)
-Lắp thêm lần lượt vào mạch (hình 13) các phần tử sau: lắp điện trở R vào mạch, kiểm tra
các cực dương và cực âm giữa hai đầu điện trở R, sau đó lắp tụ C theo đúng phân cực trên
tụ Kết quả mạch điện như hình 14
Trang 9Hình 14
c Nêu công dụng của tụ C trên mạch
d Quan sát dạng sóng ra trên dao động ký, điều chỉnh chế độ Measure để đo các thông
số sau: điện áp đỉnh-đỉnh (Vpk-pk), tần số (fin-fout) của ngõ vào Vin-ngõ ra Vo
e Tính điện áp ngõ ra trung bình (Vavg = Vpp x 0.636)
- Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu vì nó được cấu tạo bởi 4 MOSFET như hình 15
Tác dụng của MOSFET trong mạch cầu H là đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn cấp cho tải với công suất nhỏ đến lớn Tìn hiệu điều khiển là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải
- Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm xung áp
Hình 15
- MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn Do cách thức hoạt
động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn (Hình 15.a) và
MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp (Hình 15.b) Thông thường các nhà sản xuất
Trang 10MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS) Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên
Hình 16
- Như hình 16a, một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC Ban đầu MOSFET
không được kích, không có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0 Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện
áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V Như thế MOSFET kênh
N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên) MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào
Hình 16b và 16c là mạch cầu H sử dụng 2 khóa trên là L1, R1 và 2 khóa dưới là L2, R2 Giả sử khóa (L1, R2) đóng, động cơ quay theo chiều kim đồng hồ Khi (L2, R1) đóng thì động cơ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ
Trang 11a Thực hiện mạch như hình 17: 2 MOSFET kênh N K2638 và 2 kênh P J306 làm
các khóa cho mạch cầu H
b Sử dụng 2 đèn LED giữa 2 đầu A, B để chỉ thị chiều quay của động cơ
c Sử dụng nguồn một chiều DC dùng làm nguồn kích cho mạch cầu H
d Phần kích cho các MOSFET kênh N như sau: dùng nguồn kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2 Các khóa trên (J306, kênh P) phải dùng thêm BJT C1815 để làm mạch kích
e Khi chưa kích BJT C1815, chân G của MOSFET J306 được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS cũng là điện áp chân S của J306 nên MOSFET J306 không dẫn Quan sát trạng thái đèn LED
f Khi kích các đường L1 hoặc R1, các BJT C1815 dẫn làm điện áp chân G của J306 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa C1815 đóng mạch) Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFET J306 dẫn Do đó, kích đồng thời đường L1 và R2, đèn LEDnào sáng ? Tương ứng với chiều quay nào của động cơ ?
g Để đảo chiều động cơ, kích đồng thời R1 và L2, đèn LED nào sáng ?
Hình 17
Trang 124 Kết quả thí nghiệm:
4.1 Khảo sát đặc tuyến V-A của diode
a Điện áp trên R1 =
Trong trường hợp này, diode là phân cực …
b Dòng điện qua R1 =
c Điện áp trên diode =
d Điện áp trên R1 ≈
Trong trường hợp này, diode là phân cực …
e Dòng điện qua R1 ≈
f Điện áp trên diode =
4.2 Mạch chỉnh lưu bán kỳ
a Đo bằng VOM, điện áp ngõ vào Vin =
b Đối với ngõ vào, giá trị điện áp hiệu dụng VrmsVin =
Đối với ngõ vào, giá trị điện áp trung bình VavgVin =
Đối với ngõ ra, giá trị điện áp hiệu dụng VrmsVout =
Đối với ngõ ra, giá trị điện áp trung bình VavgVout =
c Biên độ xung âm hay xung dương là
d Đây là mạch chỉnh lưu bán kỳ
4.3 Mạch chỉnh lưu cầu diode
a Trong trường hợp chưa có tụ C và điện trở tải R:
- Ngõ vào Vin, điện áp đỉnh Vpp = …………, tần số fin = ………
- Ngõ ra Vo, điện áp đỉnh Vpp = ………, tần số fout = ………
b Điện áp ngõ ra trung bình Vavg = ………
c Công dụng của tụ C:
d Trong trường hợp có tụ C và điện trở tải R:
- Ngõ vào Vin, điện áp đỉnh Vpp = ………… ,tần số fin = …………
- Ngõ ra Vo, điện áp đỉnh Vpp = … ………, tần số fout = ………
e Điện áp ngõ ra trung bình Vavg = ………….………
4.4 Mạch driver cầu H
a Thực hiện mạch driver cầu H Dùng 2 LED hiển thị 2 chiều dòng điện chạy qua cầu
H tương ứng với chiều quay của động cơ (CW, CCW)
Trang 13b Sử dụng nguồn pin kích đường L1 và R2 đồng thời, MOSFET Q1 J306 và MOSFET Q4 K2638 dẫn Đèn LED sáng, tương ứng với chiều quay
c Để đảo chiều quay của động cơ, sử dụng nguồn pin kích đường R1 và L2 đồng thời, MOSFET Q2 K2638 và MOSFET Q3 J306 dẫn Đèn LED sáng, tương ứng với chiều quay
Tên sinh viên:
Tổ: Kit số: Ngày thí nghiệm:
5 Tài liệu tham khảo
[1] Lessons in electric circuits, vol 3: semiconductors, Tony R Kuphaldt, Fifth Edition,
2004
[2] Power MOSFET, Shantanu Nakhate, 2012
[3] “Determining MOSFET Driver Needs for Motor Drive Applications”, Application Note 898, Microchip Co