Khuếch đại công suất dùng Tranzito : Khoá luận tốt nghiệp đại học

2.Mục đích chọn đề tài Tập hợp các tài liệu liên quan đến khuếch đại công suất dùng Tranzito nhằm giúp người ngiên cứu và những người quan tâm về lĩnh vực này hoàn toàn dễ hiểu 3.Nhiệm v

Loi cam on Trong thời gian nghiên cứu khoá luận này em đã được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong tổ Kỹ thuật nói riêng và khoa Vật lý nói chung, cùng các bạn

sinh viên Đặc biệt là thầy giáo thăc sĩ: NGUYÊN NGỌC TUẦN đã tận tình giúp

đỡ em hoàn thành bài khoá luận này -

Em xin chân thành cảm ơn thạc sĩ: NGUYÊN NGỌC TUẦN, cùng tất cả các thầy cô và các bạn trong khoa Vật lý nói chung và tổ Kỹ thuật nói riêng

Trong quá trình nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót em rất mong được thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để khoá luận của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Nếu những øì tôi viết trên đây không đúng sự thật, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

2 ^

MO DAU

1.Ly do chon dé tai

Tranzito ra doi vao nam 1948 do Bardeen ,Brattin va Schckley phat minh ra tại phòng thí nhiệm Bell telephone danh dấu buớc phát triển cách mang trong kỹ thuật điện tử và dần trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất của cách mạng kỹ thuật ở trình độ cao Ngày nay khi thế giớivà đất nước đang có sự bùng

nổ vê công nghệ thông tin Khoa hoc công nghệ và kỹ thuật đã trở thành một ngành mũi nhọn Sự ra đời của Tranzito và một số linh kiện khác đã làm thay đổi hầu hết các lĩnh vực khác trong cuộc sống của con ngudi

Do sự phát triên nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và nhu cầu tìm hiểu ngày càng sâu rộng của sinh viên về kỹ thuật điện tử Bản thân tôi thấy một số giáo trình viết về phần nào khó hiểu cho người nghiên cứu, người đọc cũng như các bạn sinh viên Vì vậy kháo luận này tôi đã đi nghiên cứu đề tài “khuếch đại công suất dùng Tranzito” Với mong muốn tích luỹ thêm kiến thức cho mình

ngoài ra còn muốn người đọc hiểu hơn về bô môn này Đó là lý do chọn đề tài

của tôi

2.Mục đích chọn đề tài

Tập hợp các tài liệu liên quan đến khuếch đại công suất dùng Tranzito nhằm

giúp người ngiên cứu và những người quan tâm về lĩnh vực này hoàn toàn dễ hiểu 3.Nhiệm vụ của đề tài

-Hiểu rõ để vận dụng trình bày về cơ sở lý thuyết của khuếch đại công suất

-Đưa ra cách trình bày đơn giản nhất về vấn đề nghiên cứu là khuếch đại

công suất dùng TranzIto

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng 3 phương pháp

+Phân tích

+Tổng hợp

+Khái quát

5 Đối tượng nghiên cứu

Các tài liệu về khuếch đại công suất dùng Tranzito dùng cho các trường đại học, cao đẳng và trung học chuyên nghiệp thuộc khối kỹ thuật

6 Phạm vỉ nghiêm cứu

Các giáo trình về kỹ thuật điện tử

Giáo trình điện tử công suất

7 Cấu trúc khoá luận

Mở đầu:

Lý do chọn đề tài

Mục đích của đề tài Nhiệm vụ của đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Nội dung:

Chương I: Những vấn đề chung của khuếch đại công suất dùng Tranzito

Chuong 2: Khuéch đại công suất dùng TranzIto

Kết luận ,kiến nghị và phụ lục

NOI DUNG

CHUGNG 1 :NHUNG VAN DE CHUNG CUA KHUECH DAI CONG

SUAT DUNG TRANZITO

1 sơ lược về sự phát triển của điên tử công suất

Sự phát triển của truyền điện động điện đã thúc đẩy sự ra đời của điện tử

công nghiệp Tuy nhiên ứng dụng của nó còn bị hạn chế và thiếu những linh kiện điện tư công suất có hiệu suất cao Năm 1948 Barde, Brattain va Schockley da phat minh ra Tranzito tại phòng thí nghiệm Bell Telephonevà giải thưởng nôben

năm 1956 đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kĩ thuật điện tử.Kể từ đó

kĩ thuật điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng:

+KI thuật điện tử tín hiệu

+Điện tử công suất

2.Các khái niệm liên quan

+Khuếch dai: La một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó có

năng lượng của nguồn cung cấp một chiều (không chứa một chiều) được biến

đổi thành dạng năng lượng xoay chiều (có quy luật biến đổi mạng thông tin

cần thiết) Nói cánh khác đây là một quá trình gia công sử lý thông tin dạng anolong

+tKhuếch đại công suất: tầng khuếch đại công suất là tầng cuối cùng mắcvới tải ngoài để nhận được công suất tối ưu theo yêu cầu trên tải

Tầng khuếch đại dùng :

+tranzito lưỡng cực +IC khuếch đại công suất +Điện tử công suất (điện tử dòng điện mạnh)

Với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạnh (đóng-cắt) dòng điện lớn ,điện áp cao để thay đổi độ lớn ,dạng sóng,tần số dòng công suất

+Linh kiện điện tử :

3 là: Tranzito lưỡng cực cổng cách li IGBI là loại FET đặc biệt có chức năng

của BỊT và điều khiển cổng bằng FET

Trong các Tranzito trên thì Tranzito lưỡng cực cổng BỊT là linh kiện cơ bản tham gia vào mạch khuếch đại nhằm biến đổi công suất vào ,được đặc trưng bởi điện áp ra U1 ,dòng I1,và tần số dòng điện f1 thành các đại lượng tương ứngU2 I2,f2 (Hình vẽ 1)

đại công đại dòng đại điện đại điện

suất điện áp trở

4.Các chỉ tiêu tham số cơ bản

Để đánh giá chất lượng của một tầng khuếch đại người ta chỉ định nghĩa các chỉ tiêu và tham số cơ bản sau:

( U „) lấy ở một tần số cố định của dải tần số tín hiệu (U )

+ Trở kháng lối vào và lối ra của tầng khuếch đại

Trong thực tế khi nghiên cứu và tìm hiểu về điện tử công suất cũng có những

có những thuận lợi và khó khăn

-Thuận lợi : Tài liệu tham khảo nhiều và dễ tìm

-Khó khăn : Do nhiều tài liệu tham khảo nên viêc chọn tài liệu tham khảo phục vụ cho việc nghiêm cưu cũng gặp nhiều khó khăn

CHUONG 2

1 Cau tao va nguyén ly lam viéc cua mot tang khuéch dai

Tang khuéch dai chung

1.1.1Cấu tạo chung của Tranzito

Tranzito có 2 loại:

+Tranzito thuan pnp +Tranzitonghich npn

Tiếp giáp giữa Emitơ và Clectơ là Je

Tiếp giáp giữa Clectơ va Bazo la Jc

Xét về mặt cấu trúc Tranzito có thể coi là 2 điốt mắc nối tiếp nhau điều đó

không có nghĩa là khi ta mắc 2 điốt nối tiêp nhau thì tạo thành Tranzito vì giữa chúng không có sự tương tác giữa các tiếp giáp p-n

Sơ cấu tạo của Trazito thành 2 điốt

-Chi y: ki hiéu mii tén dat giữa E và B có chiều từ p sang n Hiệu ứng Tranzito chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa 2 tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của các hạt dẫn

1.1.2 Nguyên lý làm việc của Tranzito

Hình 2: Sơ đồ khuếch đại của Tranzito dạng p-n-p và n-p-n

Ta đi phân tích nguyên lý làm việc của Tranzito 6 dang p

Do J, phân cưc thuận các hat đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua ]; tạo nên dòng Emitơ (I,) Chúng tới vùng Bazơ để trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch

tán sâu vào vùng Bazơ hướng tới lạ trên đường khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của Bazơ tạo nên dòng điện cực Bazơ (I¿) Do cấu tạo miền Bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các hạt khuếch tán tới được bờ của J¿ và bị trường gia tốc (do J, phân cực ngược) cuốn qua tới được miền Colectơ tạo nên dòng điện Colecto( I,) Qua đó ta có hệ thức cơ bản tạo về dòng điện trong Tranzito 1a

B dé danh gid tac dung diéu khién cia dong I, téi dong I,

8 có giá trị khoảng vài chục tới vài trăm

Từ (1) và (2) ta có: Ie=l»(1+ø)=> z= a

1.1.3 ứng dụng của Tranzito

Dùng để khuếch đại dòng điện, điện áp, công suất

Để bảo vệ các thiết bị điện tử công suất

1.1.4 Chế độ làm việc

Chế độ khoá

Chế độ bão hoà

Chế độ khuếch đại

1.2 Khuếch đại công suất dùng Tranzito

Trong khuếch đại công suất dùng Tranzito chủ yếu là sử dụng Tranzito lưỡng cực BỊT Chính vì thế trong bài khoá luận này tôi chỉ đi tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý lam viéc của loại Tranzito nay

1.2.1Cấu tạo của Tranzito

'TranzIto lưỡng cực RƑT công suất có 2 loại:

Tranz1to phân cực thuận p-n-p Tranzito phân cực ngược n-p-n Hình 3 sơ đồ BJT

Trong đó :C là colectơ

B là bazơ

E 1a emito

C và E hình thành 2 cực của khoá chuyển mạch có điều khiển ,chúng nằm

trong mạch công suất

B là cực điều khiển

Cho phép : - Chuyển RỊT sang trạng thái bão hoà hay trạng thái dẫn

-Chuyển BỊT sang trạng thái khoá với công suất tiêu thụ rất thấp

Từ hình vẽ (hình 4) ta có lớp N nối với colectơ là lớp dầy nhất, bao gồm một vùng N đóng vai trò khi TranzIto phải khoá các điện áp thuận cao

Hình 4 sơ đô cấu trúc và phân cực RJT

Có : Chuyển tiếp C-B phân cực ngược (U ,,> 0)

Chuyển tiếp E-B phân cực thuận ( U „< 0)

1.2.2 Nguyên lý làm việc

U„>0 các điện tử đa số của Emitơ kéo đến Bazơ, ở đây chúng trở nên thiểu

số Một phần điện tử qua Bazơ và tái hợp với các lỗ đa số ở đây Các điện tử

dễ đàng qua chuyển tiếp C-B phân cực ngược và đạt tới C Như vậy các điện tử

từ E đến C qua B, được B lôi kéo

Và hình thành hiệu ứng Tranzito Mỗi khi một lỗ trong Bazơ tái hợp với một điện tử từ E nguồn điện áp E; cung cấp một điện tích dương, mới duy trì U,; = const Các điện tích tạo nên dòng điện Bazơ 1, có cường độ liên quan đến dòng điện từ E đến C và tạo nên dòng i,

Hình 5a: 1, = 0 dòng từ E đến C (không nối Bazơ)

Chuyển tiếp B —E phân cực thuận là rất nhỏ dòng của các hạt thiểu số qua

vùng này cho phép bù các tái hợp giữa các lỗ và điện tử trong Bazơ

=1¿ =lz= (l+) l„ø

Hình 5b: U„, và 1; liên hệ bởi phương trình: U, =R,.1;= 0

Nếu R ; không quá lớn suy ra U „„> 0và nhỏ hơn ngưỡng chuyển tiếp B — E

dong dién i, < 0 ứng với tích các dién tir trong Bazo do nguén E,, qua dién tréd

R, taco:

ip=i,-i, >i, V6ii, <0

Hình 5c: Chuyển tiếp B — C phân cực ngược sẽ không có hiệu ứng Trazitoi, <0

—=-E, gửi đến B để duy ti U,, khong đổi :

lo =I CBO

1z=Ï ;zo <Ï œo

i,=1,-i, <0 Trong ca 3 trường hợp dòng điện rò thuận là rất nhỏ Sự khác nhau giữa chúng tác động đến chuyển mạch ở trạng thái mỡ

+ Tranzito bao hoa (hình 6)

Có 3 trạng thái bão hoà

-Bão hoà

- Gần bão hoà

- Quá bão hoà

Để Tranzito đóng vai trò của một chuyển mạch kín, ta làm cho Tranzito bão hoà nhờ dòng điện Bazơ dương lớn hơn giá trị cần thiết để bù sự tái hợp giữa

các lỗ và điện tử trong Bazơ

Khi các diện tích trong Bazơ dương nó khuếch tán trong vùng X“ kích tạp yếu của Côlectơ là kích tạp kiểu P mở rộng vùng Bazơ làm giảm vùng w- Khi đó điện trở tăng, điện áp rơi giảm trong Colectơ

Với dòng 1, đã cho nếu 1„ ở vùng N' lại giảm Khi vùng này hoàn toàn

chuyển sang loại P Tranzito bão hoà, lớpw* của Colectơ kích tạp mạnh, ngăn trở vùng Bazơ mở rộng hơn

Việc tăng số tái hợp do mở rộng Bazơ làm hệ số khuếch đại dòng điện giảm

Khi d6 U,, 4m một chút

Khi U,„< 0 để chuyển tiếp C-B tré nén dan theo chiéu thuan, dòng điện

colectơ đổi chiều, Tranzito sẽ bị bão hoà ta cần tránh hiện tượng này

Hình 6: Tranzito bao hoa

BT,

2.Dac tinh tinh

Có 3 cách mắc mạch là Emitơ chung (EC), Bazo chung (BC), Colecto

chung (CC) Trong khoá luận này ta chỉ đi phân tích đặc tính fính của (EC) 2.1 Đặc tính ra

Đặc tính ra biểu thị quan hệ giữa dòng ¡„ qua chuyển mạch theo điện áp U „„ trên cực của nó, với các giá trị dòng điều khiển ¡„ khác nhau

Trong vùng làm việc tuyến tính (hình 7) ta nhận được các đoạn thẳng theo biểu thức

Các đoạn thẳng này không hoàn toàn nằm ngang bởi vì # val,,, tang theo „ một chút

Hình 7: Đặc tuyến ra

wun=L

le | Ip3 >'p4 Bao] Ị inn «i

Khi U„„< 0 > U,; < U;; Trên cực chuyển tiếp B-E phân cực thuận

Trong vùng gần bão hoà việc giảm hệ số khuyếch đại dòng điện sẽ dẫn tới giảm 1¿ Ở giá trị1, đã cho Khi đạt tới giá trị bão hoà, 1„ không phụ thuộc vào 1„ nữa, tất cả các đặc tính trùng nhau ở một đường cong đi qua điểm U,„= 0, ¡„= 0Ö Trong điện tử công suất người ta cho Tranzito làm việc ở chế độ đóng hoặc

mo

2.2 Dac tinh diéu khién

Hinh 8: Dac tinh diéu khién

U ~ =f„, với ¡„ không đổi (hình 8a)

Với ¡„ đã cho (hình 8b) U,„ giảm khi i, tăng và tiến đến giá tri cực tiểu ứng

với giao điểm của đường thẳng ở i„ không đổi với phần đặc tính ra ở đó tranzito

bão hoà, giá trị cuc tiéu tang theo i, ki hiéu 14 U,, bao hoa

Nếu lấy i, va U,, ta cling nhan duoc gia tri dong dién i, khi dat ti gidi han thi U,, bao hoà, tăng 1; không ảnh hưởng gì Ngược lại lượng điện tích dư trong bazo sẽ lớn hơn, làm tăng thời giam tích tụ Thông thường các đặc tích giới hạn Ở lạ = ic

Để đặc trưng cho tranzito công suất về dòng điện cho:

- Dòng điện colectơ ở chế độ một chiều

- Giá trị cực đại của dòng điện colectơ xung lặp lại lạ

- Điện áp rơi U,„ cho theo một hoặc nhiều giá trị 1„., trong đó I,„ bão hoà 2.2.3 Đặc tính vào:

Đặc tính vào U,„= f0; ) vẽ theo các giá trị 1„ (hình7) có dạng như đường cong của chuyển tiếp PN ở dòng điện ¡, đã cho, U,„ tăng theo i„ một chút Mặc dù hệ số khuếch đại dòng điện ở chế độ bão hoà thấp, hệ số khuếch đại

công suất lớn bởi vì U,„ nhỏ hơn điện áp trong mạch điều khiển nhiều

Để chuyển mạch nhanh sang trạng thái mở, có thể đạt điện áp U „„< 0, nghĩa

là phân cực ngược chuyển tiếp Bazơ - Emitơ

3 Các chế độ chuyển mạch

Có 2 loại chuyển mạch là:

+ Chuyển mạch đóng +Chuyển mạch mở

3.1.Chuyển mạch đóng

Trong các bộ biến đổi nh, Tranzito được sử dụng như một khoá chuyển

mạch, khi ở trạng thái bão hoà ( Vạ, ~ 0 do đó khoá chuyểm mạch đóng) Khi thì

bị khoá (i„= 0 khoá chuyển mạch hở) Sự chuyển mạch cần ngắn nhất có thể, gây tổn hao công suất thấp như muốn làm việc ở tần số cao Mặt khác sự chuyển

mạch là nguồn gốc tạo nên đỉnh nhọn điện áp hoặc dòng điện phụ thuộc vào mạch chứa Tranzito

Khi đặt vào bazơ của Trazito bị khoá bằng điện áp V„; dương một bước nhảy dòng điện 1;,, dòng điện côlectơ tăng dần từ không tới I (hình 10) thời gian

tổng xác lập dòng điện I mở gồm:

Thời gian từ t, để ¡„ = 0 + 0,11

Thoi gian tang trudng dé i, = 0,11 +I

Hinh 10 xac lap dong dién i,

Sự tăng dòng điện tương ứng việc xác lập dòng điện tử trong lớp P từ emitơ tới và tạo nên dòng 1„ Điện tích chứa trong lớp bazơ khi 1„ = I gọi là dòng

khuếch tán

Trong hệ trục Vạ¿ — ic, điểm làm việc phải chuyển từ điểm B sang điểm S bão

hoà

Quỹ đạo tiếp tục của điểm làm việc đi từ B tới S với tốc độ chuyển mạch phụ

thuộc vào sự tăng trưởng của điện áp Vợ; và mạch nối với tranzIto

Hình 11: Sự chuyển mạch dòng điện chuyển từ điện cảm -điôt tới tranzito