Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 1 potx

Đặc trưng Von-Ampe và các tham số cơ bản của diode bán dẫn Diode bán dẫn gồm 1 lớp tiếp xúc p - n và 2 điện cực nối ra ngoài.. Cơ chế tạo thành dòng điện và đặc trưng Von-ampe của diode

Mục đích: Khảo sát nguyên lý hoạt động của các loại diode và các sơ đồ

ứng dụng của các loại diode này

và tạo ra một hiệu điện thế tiếp xúc Utx Lúc cân bằng Utx có giá trị không đổi, ở nhiệt độ phòng U tx≈ 0,3V đối với Ge và U tx≈ 0,6V đối với Si

Khi đặt một hiệu điện thế vào lớp tiếp xúc trạng thái cân bằng bị phá vỡ Có

2 khả năng xẩy ra:

- Điện trường ngoài Eng cùng chiều với điện trường tiếp xúc Etx: Khi đó điện trường ngoài tập trung chủ yếu chỗ tiếp xúc và điện trường tổng cộng tăng làm cho dòng khuếch tán giảm tới 0 (Ikt = 0) và dòng trôi nhanh chóng đạt giá trị bão hoà gọi là dòng ngược bão hoà Đó là hiện tượng phân cực ngược

- Điện trường ngoài Eng ngược chiều Etx: Khi đó điện trường tổng hợp giảm

và dòng khuyếch tán gia tăng Đó là hiện tượng khuếch tán hạt dẫn đa số qua vùng tiếp xúc và nó tạo ra một dòng điện từ p sang n Đó là hiện tượng phân cực thuận

Vậy khi có điện trường ngoài, lớp tiếp xúc p - n có tính chất dẫn điện 1 chiều Đó là hiệu ứng chỉnh lưu

+ Phân cực thuận (UAK > 0) dòng điện tạo bởi hạt dẫn đa số có giá trị lớn qua lớp tiếp xúc p - n mở

+ Phân cực ngược (UAK < 0) dòng điện qua lớp tiếp xúc là dòng các hạt thiểu số (dòng trôi) có giá trị nhỏ Lớp tiếp xúc p - n khoá (UAK là hiệu điện thế giữa miền bán dẫn loại p và miền bán dẫn loại n)

Bài 1 Diode các loại - đặc trưng và sơ đồ ứng dụng

Dựa vào nguyên tắc đó người ta chế tạo ra các loại diode bán dẫn

1.2 Đặc trưng Von-Ampe và các tham số cơ bản của diode bán dẫn

Diode bán dẫn gồm 1 lớp tiếp xúc p - n và 2 điện cực nối ra ngoài Cực nối

với miền p gọi là Anốt, cực nối với miền n gọi là Katốt

Khi thay đổi hiệu điện thế đặt vào diode thì dòng qua nó cũng thay đổi theo

Đường biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện qua diode vào hiệu điện thế ngoài gọi là đặc trưng Von-Ampe của diode (Xem hình 1-1a)

Đường đặc trưng có 3 vùng:

Vùng (1) là vùng phân cực thuận, vùng (2) là vùng phân cực ngược, vùng (3) là vùng đánh thủng Cơ chế tạo thành dòng điện ở vùng (1) và vùng (2) là cơ chế tạo thành dòng khuyếch tán các hạt đa số Ikt và dòng trôi của các hạt thiểu số

40

80 100

60

Si Ge

- Đánh thủng về nhiệt độ (To): ở nhiệt độ cao tại miền p - n các hạt tải điện không cơ bản được gia tốc bởi điện trường mạnh, khi va chạm gây nên sự ion hoá

và tạo ra hiện tượng thác lũ, các hạt tải điện tăng lên ồ ạt làm I tăng đột biến, điều

đó lại làm To tăng cứ như vậy có thể làm hỏng lớp tiếp xúc p ư n

- Đánh thủng vì điện (do 2 hiệu ứng): đánh thủng do ion hoá do va chạm giữa các hạt thiểu số được gia tốc bởi điện trường mạnh cỡ 105 V/cm với các nguyên tử bán dẫn thường xẩy ra ở các mặt tiếp xúc rộng (hiệu ứng Zener) và

hiệu ứng xuyên hầm (Tuner) xẩy ra ở các lớp tiếp xúc hẹp Đó là hiện tượng nhảy mức trực tiếp của điện tử hoá trị bên bán dẫn p xuyên qua hàng rào thế tiếp xúc sang miền bán dẫn n

Tính dẫn điện của diode cũng như transistor thay đổi nhiều theo nhiệt độ Một số tham số cơ bản của diode bán dẫn

- Các tham số giới hạn:

+ Điện áp ngược cực đại: Thường chọn Ung max = 0,8 Uđt

Uđt là hiệu điện thế đánh thủng

+ Dòng cho phép cực đại lúc mở : Im max

+ Công suất tiêu hao cực đại : Pth max

+ Tần số giới hạn để còn tính chất chỉnh lưu : fmax

dU

= + Điện dung tiếp xúc pưn: C = Ckt + Crào

Ckt : Chỉ phụ thuộc vào điện áp thuận (cỡ vài PF)

Crào : Chỉ phụ thuộc vào điện áp ngược (cỡ 0,2 PF)

1.3 Diode chỉnh lưu

Dựa vào tính chất chỉnh lưu (van) của lớp tiếp xúc pưn Cơ chế tạo thành dòng điện và đặc trưng Von-ampe của diode chỉnh lưu giống như đối với lớp tiếp xúc pưn đã khảo sát ở phần 1 và 2

1.4 Diode ổn áp (Zener)

Khác với diode chỉnh lưu, diode Zener thường xuyên làm việc ở chế độ phân cực ngược Dòng điện tạo nên nhờ hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng đường hầm

Nó làm việc ở chế độ dòng lớn nên thường là diode Silíc tiếp mặt

- Đặc trưng Von-Ampe của diode Zener như hình 1- 1b

Vùng (1) và (2) giống như diode thường, vùng (3) mới có ứng dụng quan trọng

Zđ càng nhỏ tính ổn định càng cao

U R

U dU I

dT

dU

Z Z

T = . =

1θ

Sự phụ thuộc của điện áp ổn định vào nhiệt độ có thể tính bằng công thức:

UZ0 là điện áp ổn định của diode ở nhiệt độ To

+ Công suất tiêu tán cực đại Pmax : là công suất lớn nhất mà diode còn hoạt

động bình thường

1.5 Diode phát quang (LED)

Là loại diode phát sáng khi có dòng điện thuận chạy qua Cơ chế phát sáng

năng lượng dư được giải phóng dưới dạng ánh sáng Cường độ sáng của LED tỉ lệ với dòng điện chạy qua diode Dòng cỡ vài mA đã phát rất mạnh ánh sáng bức xạ của LED

Với những vật liệu khác nhau ánh sáng phát ra của LED cũng có màu sắc khác nhau Đặc trưng Von-Ampe của LED ở vùng thuận và ngược giống như diode thường Điện áp thuận của LED từ 1V đến 4V Còn điện áp ngược cỡ 5V

E+ 0,6V

tE

Ura1

Ura2

t

Ura+ o

- o

Uvào

D

ER

Ur o

Hình 1.4a

Diode đ−ợc phân cực thuận nên điện áp 1 chiều 0,6V −U đặt vào điểm Q

Do đó tín hiệu ra (gồm điện áp xoay chiều trên nền điện áp một chiều nh− hình vẽ 1.4a)

- Nâng mức điện áp 1 chiều : Hình 1.5a là mạch điện và tín hiệu lối vào và

lối ra của bộ dịch mức điện áp Giải thích tương tự cho kết quả là điện áp lối ra

được nâng lên 1 lượng bằng Uˆ ư0,6V so với tín hiệu vào

Hình 1.5a

2 các mạch Chỉnh lưu, vi phân và tích phân

Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều :

Nó dùng làm nguồn nuôi trong các thiết bị điện tử và công nghiệp

Giả sử có một tín hiệu điều hoà U =U mcosωtqua một yếu tố phi tuyến, ở lối ra ta sẽ có tín hiệu bao gồm thành phần 1 chiều Uo và các thành phần điều hoà với tần số bằng bội của ω Nếu dùng một bộ lọc để tách chỉ lấy thành phần 1 chiều ta sẽ có bộ chỉnh lưu Vậy cấu trúc bộ chỉnh lưu gồm:

- Yếu tố phi tuyến: Có thể sử dụng một trong số các dụng cụ sau: Đèn điện

tử hai hay nhiều cực, đèn bán dẫn hai hay nhiều cực, đèn chứa khí

- Mạch lọc: Để tách lấy thành phần 1 chiều

- Để có điện áp xoay chiều theo yêu cầu người ta dùng 1 biến thế điện để

đổi điện áp mạng điện thành điện áp phù hợp với yêu cầu

Trong bài này ta chỉ xét đến bộ chỉnh lưu dùng diode bán dẫn Nguyên tắc dựa vào hiệu ứng chỉnh lưu (van) của lớp tiếp xúc pưn (dẫn điện tốt theo 1 chiều

và hầu như cách điện theo chiều ngược lại) Sau đây ta xét một vài sơ đồ chỉnh lưu dùng diode bán dẫn)

2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ

Đây là sơ đồ chỉnh lưu đơn giản nhất được vẽ trên hình 1.6a

BT: là biến thế

D : là diode bán dẫn, là phần tử phi tuyến

C : Tụ điện tham gia bộ lọc để tách lấy thành phần 1 chiều

~ 2

U

~ 1

Hoạt động của bộ chỉnh lưu:

- Xét khi chưa có tụ C: U2 ở nửa chu kỳ dương UAK > 0 diode D thông

Điện trở nội của diode Rd+ << R nên thế lối ra Ur có giá trị gần bằng U2 Nửa chu kỳ âm của U2 thì UAK < 0 nên diode D cấm Điện trở của diode Rdư >> R

Hoạt động của sơ đồ được giải thích như sau:

- Xét khi chưa có tụ C: Tương tự như trên ta có:

Nửa chu kỳ dương của U21 so với điểm chung cũng là nửa chu kỳ âm của

U22 diode D1 thông, D2 cấm dòng điện qua D1 qua R và Ur ≈ U21 Nửa chu kỳ dương của U22 so với điểm chung cũng là nửa chu kỳ âm của U21 diode D1 cấm,

D2 thông dòng điện qua D2 qua R và Ur ≈ U22 Vậy cả 2 nửa chu kỳ đều có dòng

điện qua R theo 1 chiều không đổi từ A đến B Ta thấy trên hình vẽ Ur đỡ mấp mô hơn so với chỉnh lưu nửa chu kỳ

- Khi có tụ C: Lý luận tương tự như chỉnh lưu nửa chu kỳ Lúc nạp tụ C có hằng số thời gian nhỏ lúc phóng có hằng số thời gian lớn nên Ur phẳng hơn

Chỉnh lưu cả chu kỳ ta tận dụng được hiệu suất dòng điện cả chu kỳ và Ur

ít mấp mô hơn nhưng nó có nhược điểm là cuộn thứ cấp của biến thế có số vòng gấp đôi Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu

Trong từng nửa chu kỳ của U2 một cặp diode có Anốt dương nhất và Katốt

âm nhất mở cho dòng điện 1 chiều ra R, cặp diode còn lại đóng và chịu điện áp ngược cực đại bằng biên độ U2m

Giả sử nửa chu kỳ dương của U2 cặp diode D1D3 mở, cặp diode D2D4 đóng, nửa chu kỳ cho dòng điện qua R từ A đến B Nửa chu kỳ âm của U2 cặp diode

D1D3 đóng, cặp diode D2D4 mở cho dòng điện qua R theo chiều không đổi

Ưu điểm của sơ đồ cầu là điện áp ngược đặt vào một diode đóng chỉ bằng nửa so với 2 sơ đồ trên Kết cấu thứ cấp biến áp đơn giản

2.4 Bộ nhân thế

Là mạch điện mà điện áp lối ra là bội số của điện áp lối vào Sau đây ta

giải thích hoạt động của 1 mạch nhân thế đơn giản (hình 1.9a)

~ U 2

~ U1

UR1

Nếu có n tầng nh− trên thì điện áp ra sẽ là 2nU2 sơ đồ nguyên lý đ−ợc vẽ trên hình 1.10a

- Mạch vi phân : Trên hình 1.11a nếu thoả mãn điều kiện: ωRC << 1 thì

điện áp ra bằng vi phân điện áp vào

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng:

1 Thiết bị chính cho thực tập tương tự (Khối đế nguồn)

2 Panel thí nghiệm AE - 101N về diode (Gắn lên khối đế nguồn)

3 Dao động ký 2 chùm tia

4 Dây nối cắm 2 đầu

B Cấp nguồn và nối dây

Panel thí nghiệm AE - 101N chứa 5 mảng sơ đồ A1- 1 A1- 5, với các chốt cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào thì cấp nguồn cho mảng sơ đồ đó

Đất (GND) của các mảng sơ đồ đã được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối

1 Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các điện áp

ổn áp ± 5V, ± 12V

2 Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung

cấp các giá trị điện áp một chiều 0 +15V và 0 ư15V Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện áp cần thiết Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện áp đặt

3 Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của khối đế tới trạm

nguồn của mảng sơ đồ cần khảo sát (Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và

đồng hồ đo)

C Các bài thực tập

1 Đặc trưng của diode

Thí nghiệm với các diode thực hiện trên mảng sơ đồ hình A1- 1

DIODE CHARACTERISTICS: Các đặc trưng của diode

1.1 Si - diode (Silicon Diode)

Nhiệm vụ:

Sinh viên xác định bằng thực nghiệm các đặc trưng Volt - Ampere của Si - Diode Dựa trên kết quả, nêu đặc điểm mắc Si - Diode trong sơ đồ điện tử

Các bước thực hiện:

1.1.1 Si - Diode với phân cực thuận:

1.1.1.1 Dùng dây nối A với A1 Nối nguồn +12V với chốt V cho mảng sơ

đồ A1-1 để mắc phân cực thuận cho diode D1 trong mảng sơ đồ A1-1 như hình A1- 1a1

1.1.1.2 Mắc các đồng hồ đo :

- Đồng hồ đo sụt thế trên Diode: Nối các chốt đồng hồ đo (V) của mạch A1-1 với đồng hồ đo thế hiện số DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20V

- Đồng hồ đo dòng qua diode: Nối các chốt đồng hồ đo (mA) của mạch

A1-1 với đồng hồ đo dòng hiện số DIGITAL mA METER của thiết bị chính Khoảng

đo đặt ở 20mA

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

1.1.1.3 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị chính Vặn biến trở P1 cực đại Ghi

giá trị dòng chảy qua diode IF và sụt thế UF trên diode vào bảng A1-1

1.1.1.4 Giảm từng bước biến trở P1 Tại mỗi bước, ghi giá trị dòng chảy

qua và sụt thế trên diode vào bảng A1-1 Chú ý xác định giá trị ngưỡng mà tại đó dòng qua diode đo có sự thay đổi đột ngột

Bảng A1- 1

IF

UF

1.1.2 Si - Diode với phân cực ng−ợc:

1.2.2.1 Nối nguồn +12V với chốt V cho mảng sơ đồ A1- 1 để mắc phân cực

ng−ợc cho diode D1 trong mảng sơ đồ A1- 1 nh− hình A1- 1a2

Đồng hồ đo dòng hiện số DIGITAL mA METER của thiết bị chính Khoảng

đo đặt ở 2mA

1.2.2.2 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị chính Vặn biến trở P1 Ghi giá trị

dòng chảy qua diode IR và sụt thế UR trên diode theo các giá trị thế khi vặn P1 Ghi kết quả vào bảng A1-2

Chú ý: Với – Diode silic, dòng ng−ợc cỡ nA, nên có thể không đo đ−ợc bằng cách đơn giản

Bảng A1- 2

IR

UR

1.1.3 Với kết quả đo đ−ợc trên bảng A1- 1 và 1.2, vẽ đồ thị biểu diễn

đặc tr−ng volt- Ampere của Si - Diode I = f(V), trong đó dòng I biểu diễn theo

trục y và thế V biểu diễn theo trục x Nhánh thuận vẽ ở góc +x, +y, nhánh ng−ợc

vẽ ở góc −x, −y (Vẽ đồ thị vào trong bài báo cáo)

1.1.4 Nhận xét kết quả về đặc điểm mắc thuận - ng−ợc của Si - Diode

và đặc trưng Volt- Ampere của Si - Diode

1.2 Ge - Diode (Germanium Diode)

Nhiệm vụ:

Sinh viên xác định bằng thực nghiệm các đặc trưng Volt - Ampere của Ge

- Diode Dựa trên kết quả, nêu đặc điểm nối Ge - Diode trong sơ đồ điện tử

Các bước thực hiện:

1.2.1 Ge - Diode với phân cực thuận:

1.2.1.1 Dùng dây nối A với A2 Nối nguồn +12V với chốt V cho mảng sơ

đồ A1-1 để mắc phân cực thuận cho diode D2 trong mảng sơ đồ A1- 1 như hình A1- 1b1

1.2.1.2 Mắc các đồng hồ đo :

- Đồng hồ đo sụt thế trên Diode: Nối các chốt đồng hồ đo (V) của mạch A1-1 với đồng hồ đo thế hiện số DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20V

- Đồng hồ đo dòng qua diode: Nối các chốt đồng hồ đo (mA) của mạch A1-1 với đồng hồ đo dòng hiện số DIGITAL mA METER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20mA

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

1.2.1.3 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị chính Vặn biến trở P1 cực đại

Ghi giá trị dòng chảy qua diode IF và sụt thế UF trên diode vào bảng A1-3

1.2.1.4 Giảm từng bước biến trở P1 Tại mỗi bước, ghi giá trị dòng chảy

qua và sụt thế trên diode vào bảng A1-3 Chú ý xác định giá trị ngưỡng mà tại đó

dòng qua diode đo có sự thay đổi đột ngột

Bảng A1- 3

IF

UF

1.2.2 Ge - Diode với phân cực ng−ợc:

1.2.2.1 Nối nguồn - 12V với chốt V cho mảng sơ đồ A1- 1 để mắc phân

cực ng−ợc cho diode D2 trong mảng sơ đồ A1- 1 nh− hình A1 - 1b2

Đồng hồ đo dòng hiện số DIGITAL mA METER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 2mA

1.2.2.2 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị chính Vặn biến trở P1 Ghi giá trị

dòng chảy qua diode IR và sụt thế UR trên diode theo các giá trị thế khi vặn P1 Ghi kết quả vào bảng A1-4

Chú ý : Với Ge - Diode có dòng ng−ợc lớn hơn Si - Diode nên có thể đo

đ−ợc bằng cách đơn giản Đặc biệt khi làm nóng diode

Bảng A1- 4

IR

UR

1.2.3 Với kết quả đo đ−ợc trên bảng A1- 3 và 1.4, vẽ đồ thị biểu diễn đặc

tr−ng volt- Ampere của Ge - Diode I = f(V), trong đó dòng I biểu diễn theo trục y

và thế V biểu diễn theo trục x Nhánh thuận vẽ ở góc + x, + y, nhánh ng−ợc vẽ ở góc −x, − y

1.2.4 Nhận xét kết quả về đặc điểm mắc thuận - ng−ợc cho Ge - Diode

và đặc tr−ng Volt - Ampere của Ge - Diode So sánh các đặc tr−ng V - A giữa

1.3.1 Zener - Diode với phân cực thuận:

1.3.1.1 Dùng dây nối A với A3 Nối nguồn 0 +15V với chốt V cho mảng

sơ đồ A1-1 để mắc phân cực thuận cho diode D3 trong mảng sơ đồ A1-1 như hình A1-1c1

1.3.1.2 Mắc các đồng hồ đo :

- Đồng hồ đo sụt thế trên Diode: Nối các chốt đồng hồ đo (V) của mạch A1-1 với đồng hồ đo thế hiện số DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20V

- Đồng hồ đo dòng qua diode: Nối các chốt đồng hồ đo (mA) của mạch A1-1 với đồng hồ đo dòng hiện số DIGITAL mA METER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20mA

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

1.3.1.3 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị chính Chỉnh nguồn để có

V = +12V Vặn biến trở P1 cực đại Ghi giá trị dòng chảy qua diode IF và sụt thế

UF trên diode vào bảng A1-5

1.3.1.4 Giảm từng bước biến trở P1 Tại mỗi bước, ghi giá trị dòng chảy

qua và sụt thế trên diode vào bảng A1-5 Chú ý xác định giá trị ngưỡng mà tại đó dòng qua diode đo có sự thay đổi đột ngột

Bảng A1- 5

IF

UF

1.3.2 Zener - Diode với phân cực ngược:

1.3.2.1 Nối nguồn 0: -15V với chốt V cho mảng sơ đồ A1- 1 để mắc phân

cực ngược cho diode D3 trong mảng sơ đồ A1- 1 như hình A1 - 1c2