Bài giảng điện tử cơ bản tổng hợp

+ Chất bán dẫn: Chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm rất nhỏEG < 2eV Hình 1.1: Cấu trúc dải năng lượng của vật chất a- Chất cách điện; b- Chất bán dẫn; c- Kim loại + Kim loại: Cấu trúc vùng

Chương 1 Các khái niệm cơ bản

1.1 Vật dẫn điện và cách điện.

Các vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện tử rất đa dạng và rấtnhiều Chúng được gọi chung là vật liệu điện tử để phân biệt với cácloại vật liệu sử dụng trong các lĩnh vực khác Tuỳ theo mục đích sửdụng và yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn vật liệu sao cho thích hợpđảm bảo về các chỉ tiêu kỹ thuật, dễ gia công và giá thành rẻ

- Dựa vào lý thuyết vùng năng lượng người ta chia vật chất ralàm ba loại là chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện Theo

lý thuyết này thì các trạng thái năng lượng của nguyên tử vật chất

được phân chia thành ba vùng năng lượng khác nhau là: vùng hóa

trị, vùng dẫn và vùng cấm Mức năng lượng cao nhất của vùng

hóa trị ký hiệu là EV; mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn kýhiệu là EC và độ rộng vùng cấm ký hiệu là EG

+ Chất cách điện: Cấu trúc vùng năng lượng của chất cáchđiện được mô tả trong hình 1-1a Độ rộng vùng cấm EG có giá trịđến vài eV (EG ≥ 2eV)

+ Chất bán dẫn: Chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm rất nhỏ(EG < 2eV)

Hình 1.1: Cấu trúc dải năng lượng của vật chất

a- Chất cách điện; b- Chất bán dẫn; c- Kim loại

+ Kim loại: Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể không cóvùng cấm, do đó vùng hóa trị hòa vào vùng dẫn (hình 1-1c) nênđiện tử hóa trị chính là các điện tử tự do

- Dựa vào ứng dụng, các vật liệu điện tử thường được phânchia thành 4 loại là chất cách điện (hay chất điện môi), chất dẫnđiện, chất bán dẫn và vật liệu từ

a Định nghĩa.

Chất cách điện, hay còn gọi là chất điện môi Chất cách điện

có điện trở suất cao vào khoảng 107 ÷ 1017Ωm ở nhiệt độ phòng.Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ.Chúng có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn

b Các tính chất của chất điện môi.

- Độ thẩm thấu điện tương đối (hay còn gọi là hằng số điện môi): Hằng số điện môi ký hiệu là ε, nó biểu thị khả năng phân cực

của chất điện môi và được xác định bằng biểu thức:

- Độ tổn hao điện môi (Pa): Độ tổn hao điện môi là công suất

điện chi phí để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong điện trường

và được tính theo công thức tổng quát sau:

Trong đó:

 Pa là độ tổn hao điện môi đo bằng oát (w)

 U là điện áp đặt lên tụ điện đo bằng vôn (V)

 C là điện dung của tụ điện dùng chất điện môi đo bằng Farad (F)

 ω là tần số góc đo bằng rad/s

 tgδ là góc tổn hao điện môi

- Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t.): Nếu ta đặt một chất

điện môi vào trong một điện trường mà nó bị mất khả năng cáchđiện - ta gọi đó là hiện tượng đánh thủng chất điện môi Trị số điện

áp khi xẩy ra hiện tượng đánh thủng chất điện môi gọi là điện ápđánh thủng Uđ.t thường đo bằng KV, và cường độ điện trườngtương ứng với điểm đánh thủng gọi là độ bền về điện

Độ bền về điện ký hiệu là Eđ.t và được tính theo công thức:

[KV/ mm;KV/ cm]

Trong đó: Uđ.t - là điện áp đánh thủng chất điện môi và d - là bềdày của chất điện môi bị đánh thủng

- Nhiệt độ chịu đựng: Là nhiệt độ cao nhất mà ở đó chất điện

môi giữ được các tính chất lý hóa của nó

- Dòng điện trong chất điện môi (I): Dòng điện trong chất điện

môi gồm có 2 thành phần là dòng điện chuyển dịch và dòng điệnrò

• Dòng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi là dòng điện phân cực):Quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chấtđiện môi sẽ tạo nên dòng điện phân cực IC.M Khi ở điện áp xoaychiều dòng điện chuyển dịch tồn tại trong suốt thời gian chất điệnmôi nằm trong điện trường Khi ở điện áp một chiều dòng điệnchuyển dịch chỉ tồn tại ở các thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp

• Dòng điện rò Irò: Dòng điện rò là dòng điện được tạo ra docác điện tích tự do và điện tử phát xạ ra chuyển động dưới tác độngcủa điện trường Dòng điện tổng qua chất điện môi sẽ là:

I = IC.M + Irò

- Điện trở cách điện của chất điện môi: Điện trở cách điện được

xác định theo trị số của dòng điện rò:

Trong đó: I - Dòng điện nghiên cứu và ΣIC.M - Tổng các thành phần dòng điện phân cực

Phân loại và ứng dụng của chất điện môi.

Chất điện môi được chia làm 2 loại là chất điện môi thụ động

 Về điện trường có gốm, thuỷ tinh,

 Về cơ học có chất áp điện như thạch anh áp điện

 Về ánh sáng có chất huỳnh quang

 Electric hay cái châm điện là vật chất có khả nănggiữ được sự phân cực lớn và lâu dài

2 Chất dẫn điện

a.Định nghĩa.

Chất dẫn điện là vật liệu có độ dẫn điện cao Điện trở suất của chất dẫn điệnnằm trong khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,m Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,chất lỏng hoặc chất khí

b Các tính chất của chất dẫn điện.

- Điện trở suất:

ρ = R R l [Ω.m] , [Ω.mm] , [Ω.m]Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,.m] , [Ω.m] , [Ω.mm] , [Ω.m]Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,.mm] , [Ω.m] , [Ω.mm] , [Ω.m]Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,.m]

trong đó: S - tiết diện ngang của dây dẫn [Ω.m] , [Ω.mm] , [Ω.m]mm2; m2]

l - chiều dài dây dẫn [Ω.m] , [Ω.mm] , [Ω.m]mm; m]

R - trị số điện trở của dây dẫn [Ω.m] , [Ω.mm] , [Ω.m]Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,]

Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng từ: ρ = 0,016 μΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,.m (của bạcAg) đến ρ= 10 μΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,.m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm)

- Hệ số nhiệt của điện trở suất (α): Hệ số nhiệt của điện trở suất biểu thị sự

thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10C Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suấtcũng tăng lên theo quy luật:

ρt= ρ0(1+ αt)

trong đó: ρt - điện trở suất ở nhiệt độ t (0C)

ρ0 - điện trở suất ở nhiệt độ 00C

α - hệ số nhiệt của điện trở suất [K-1]

Để cho kim loại nguyên chất thì hệ số nhiệt của chúng hầu nhưđều bằng nhau và bằng:

α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 [K-1]

- Hệ số dẫn nhiệt : λ

Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S trong thời gian t là:

Trong đó: λ - là hệ số dẫn nhiệt [w/ (m.K)]

ΔT/Δl - là gradien nhiệt độ (ΔT là lượng chênh lệch nhiệt

độ ở hai điểm cách nhau một khoảng là Δl)

S - là diện tích bề mặt

t - là thời gian

- Công thoát của điện tử trong kim loại: Năng lượng cần thiết

cấp thêm cho điện tử để nó thoát ra khỏi bề mặt kim loại được gọi

là công thoát của kim loại EW

- Điện thế tiếp xúc: Nghiên cứu hai chất kim loại tiếp xúc với

nhau như tiếp xúc C trong hình

Hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại này được xác định là sự chênh lệch thếnăng EAB giữa điểm A và B và được tính theo công thức:

EAB = EW2 - EW1 Tương ứng với thế năng EAB (đo bằng eV) ta có điện thế tiếp xúc (đo bằngVôn), ký hiệu là VAB và có trị số bằng EAB Nếu kim loại 1 và 2 giống nhau, điện thếtiếp xúc giữa chúng bằng 0 Nếu hai kim loại khác nhau thì kim loại nào có côngthoát thấp hơn trở thành điện tích dương và kim loại có công thoát cao hơn sẽ trởthành điện tích âm

b Một số loại vật liệu dẫn điện thường dùng.

Chất dẫn điện được chia làm 2 loại là chất dẫn điện có điện trở suất thấp vàchất dẫn điện có điện trở suất cao

- Chất dẫn điện có điện trở suất thấp: Chất dẫn điện có điện trở suất thấp (hay

độ dẫn điện cao) thường dùng làm vật liệu dẫn điện Bảng sau giới thiệu một số chấtdẫn điện có điện trở suất thấp và tham số của chúng

- Chất dẫn điện có điện trở suất cao: Các hợp kim có điện trở suất cao dùng để

chế tạo các dụng cụ đo điện, các điện trở, biến trở, các dây may so, các thiết bị nungnóng bằng điện

Một số hợp kim thông thường và tính chất điện của chúng.

1.2 Các hạt mang điện và dòng điện trong các môi trường.

1.2.1 Dòng điện trong kim loại.

Theo sự khảo sát trên, dải năng lượng do điện tử chiếm có thể chưa đầy vàkhông có dải cấm cho những năng lượng cao Nghĩa là điện tử có thể di chuyển tự dotrong kim loại dưới tác dụng của điện trường

Hình trên vẽ phân bố điện tích trong tinh thể Na Những chỗ gạch chéo tiêu biểucho những điện tử ở dải hóa trị có năng lượng thấp nhất, những chỗ trắng chứa nhữngđiện tử có năng lượng cao nằm trong dải dẫn điện Chính những điện tử này là nhữngđiện tử không thể nói thuộc hẳn vào một nguyên tử nhất định nào và có thể di chuyển

tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác Vậy kim loại được coi là nơi các ion kếthợp chặt chẽ với nhau và xếp đều đặn trong 3 chiều trong một đám mây điện tử màtrong đó điện tử có thể di chuyển tự do

Hình ảnh này là sự mô tả kim loại trong chất khí điện tử Theo thuyết chất khíđiện tử kim loại, điện tử chuyển động liên tục với chiều chuyển động biến đổi mỗi lần

va chạm với ion dương nặng, được xem như đứng yên Khoảng cách trung bình giữahai lần va chạm được gọi là đoạn đường tự do trung bình Vì đây là chuyển động tánloạn, nên ở một thời điểm nào đó, số điện tử trung bình qua một đơn vị diện tích theobất cứ chiều nào sẽ bằng số điện tử qua đơn vị diện tích ấy theo chiều ngược lại Nhưvậy, dòng điện trung bình triệt tiêu

1.2.2 Dòng điện trong điện môi lỏng và điện môi rắn

Loại điện môi lỏng trung tính điển hình như dầu biến áp, độ dẫn điện phụ thuộcvào hàm lượng tạp chất phân ly có trong dầu, kể cả nước mưa Loại điện môi lỏnglưỡng cực ( có cực tính) điển hình là dầu cách điện xôvôn độ dẫn điện không chỉ phụthuộc vào hàm lượng tạp chất phân ly mà còn phụ thuộc vào sự phân ly của bản thânphân tử điện môi, vì vậy loại điện môi lỏng có cực tính, bao giờ cũng có độ dẫn điệnlớn hơn loại điện môi lỏng trung hòa

Điện dẫn suất của điện môi lỏng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ: Khi nhiệt độcủa điện môi lỏng tăng thì mức độ phân ly tăng làm cho điện dẫn suất tăng theo Khi

E = (10-100) kV/mm dòng điện qua điện môi lỏng không tuân theo định luật Ôm, lý

do trong cùng một đơn vị thời gian lượng iôn tự do tăng không đều khi xảy ra iôn hóa

va chạm

Tính dẫn điện của điện môi rắn:

Phụ thuộc lượng ion của bản thân điện môi Lượng iôn tạp chất xuất hiện bêntrong và trên bề mặt lớp điện môi

Đối với loại điện môi rắn cấu tạo liên kết mạng tinh thể tính dẫn điện chỉ phụthuộc vào hàm lượng tạp chất xuất hiện bên trong và trên bề mặt lớp điện môi, điểnhình như thủy tinh cách điện, gốm cách điện Đối với các loại điện môi rắn cấu tạoliên kết iôn độ dẫn điện được xác định chủ yếu do sự dịch chuyển các iôn đã đượcgiải phóng do dao động nhiệt gây ra: Ở nhiệt độ chưa cao, các iôn được giải phóngthường là các iôn liên kết yếu, ví dụ như iôn của các loại tạp chất, ở nhiệt độ cao một

số iôn liên kết của bản thân điện môi cũng được giải phóng tự do tham gia chuyểnđộng trong điện trường, hình thành dòng điện rò chạy qua lớp điện môi

Trong qúa trình dòng điện rò và dòng điện hấp thụ chạy qua điện môi rắn cóchứa tạp chất, các iôn tạp chất có thể bị trung hòa trên điện cực, làm cho độ dẫn điệncủa điện môi rắn bị suy giảm dần sau một thời gian duy trì điện áp đặt lên lớp điệnmôi, vì vậy để xác định chính xác trị số dòng điện rò chạy qua điện môi rắn phải chờcho kim chỉ của đồng hồ ampe ổn định sau một thời gian tối thiểu là 60 giây

1.2.3 Dòng điện trong điện môi khí.

Dòng điện đi qua điện môi khí chỉ có thể tồn tại khi trong điện môi khí có iônhay điện tử tự do, khi điện áp đặt vào lớp điện môi khí chưa đủ mạnh, thì điện truờngphân bố trong các lớp điện môi khí còn yếu, khi đó độ dẫn điện của điện môi khíđược gây ra bởi các yếu tố iôn hóa bên ngoài gọi là điện dẫn không tự duy trì (yếu tốiôn hóa bên ngoài như là bức xạ hoặc nhiệt độ cao v v)

Khi điện áp đặt vào lớp điện môi khí đủ mạnh đạt

tới giới hạn Ui(điện áp iôn hóa) sẽ xảy ra iôn hóa quang

hoặc iôn hóa va chạm, khi đó điện tích tự do trong điện

môi khí sẽ tăng lên, gây ra hiện tượng phóng điện vầng

quang hoặc phóng điện tia lửa, được gọi là điện dẫn tự

duy trì Đặc tính (V-A) như hình vẽ:

U(V) i(A)

Đoạn đặc tính từ 0 đến Uđm khi u tăng thì i tăng

Đoạn đặc tính từ Uđm đến Uth dòng điện qua điện môi khí không đổi bởi vì cáciôn sinh ra chưa kịp tái hợp đã bị kéo về trung hòa trên các điên cực, nên lượng điệntích tự do sinh ra trong một đơn vị thời gian không tăng thêm được, vì vậy cho dùđiện áp đặt vào lớp điện môi khí vẫn tăng, nhưng dòng điện qua lớp điện môi khí vẫnkhông đổi

Đoạn đặc tính sau Uth đã xảy ra iôn hóa va chạm làm xuất hiện điện dẫn tự duy trì, cho nên điện áp đặt vào điện môi khí tăng thì dòng điện chạy qua điện môi khí cũng tăng theo hàm số mũ

1.2.4 Dòng điện trong chất bán dẫn.

Định nghĩa và đặc điểm của chất bán dẫn.

Chất bán dẫn là vật chất có điện trở suất nằm ở giữa trị số điệntrở suất của chất dẫn điện và chất điện môi khi ở nhiệt độ phòng: ρ

= 10-4 ÷ 107Ω.m

Trong kỹ thuật điện tử chỉ sử dụng một số chất bán dẫn có cấutrúc đơn tinh thể, quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani vàSilic Thông thường Gecmani và Silic được dùng làm chất chính, còncác chất như Bo, Indi (nhóm 3), phôtpho, Asen (nhóm 5) làm tạpchất cho các vật liệu bán dẫn chính Đặc điểm của cấu trúc mạngtinh thể này là độ dẫn điện của nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và nó

sẽ tăng theo lũy thừa với sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi

có trộn thêm tạp chất

Chất bán dẫn mà ở mỗi nút của mạng tinh thể của nó chỉ cónguyên tử của một loại nguyên tố thì chất đó gọi là chất bán dẫnnguyên tính (hay chất bán dẫn thuần) và được ký hiệu bằng chỉ số i(Intrinsic)

- Hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần:

Hạt tải điện trong chất bán dẫn là các điện tử tự do trong vùngdẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị

Xét cấu trúc của tinh thể Gecmani hoặc Silic biểu diễn trongkhông gian hai chiều như Gecmani (Ge) và Silic (Si) đều có 4 điện tửhóa trị ở lớp ngoài cùng Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử Ge(hoặc Si) sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình vào liên kết cộng hóa trịvới 4 điện tử hóa trị của 4 nguyên tử kế cận để sao cho mỗi nguyên

tử đều có hóa trị 4 Hạt nhân bên trong của nguyên tử Ge (hoặc Si)mang điện tích +4 Như vậy các điện tử hóa trị ở trong liên kết cộnghóa trị sẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, mặc dù cósẵn 4 điện tử hóa trị nhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ởnhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng là gần đúng và tinh thể bán dẫn như

là một chất cách điện

a) b)a) Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian hai chiều

b) Tinh thể Gecmani với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ

Tuy nhiên, ở nhiệt độ trong phòng một số liên kết cộng hóa trị

bị phá vỡ do nhiệt làm cho chất bán dẫn có thể dẫn điện Hiệntượng này mô tả trong hình 1- 4 Ở đây, một số điện tử bứt ra khỏiliên kết cộng hóa trị của mình và trở thành điện tử tự do Nănglượng EG cần thiết để phá vỡ liên kết cộng hóa trị khoảng 0,72eVcho Ge và 1,1eV cho Si ở nhiệt độ trong phòng

Chỗ thiếu 1 điện tử trong liên kết cộng hóa trị được gọi là lỗtrống Lỗ trống mang điện tích dương và có cùng độ lớn với điện tíchcủa điện tử Điều quan trọng là lỗ trống có thể dẫn điện như điện tử

tự do

Chương 2 Linh kiện thụ động

2.1 Điện trở.

+ Điện trở là gì ? Ta hiểu một cách đơn giản - Điện trở là sự cản trở dòng điện củamột vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điệntrở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn

Điện trở của dây dẫn :

Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện củadây được tính theo công thức sau:

R = ρ.L / S

 Trong đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu

 L là chiều dài dây dẫn

 S là tiết diện dây dẫn

 R là điện trở đơn vị là Ohm (Resistor)

Điện trở trong thiết bị điện tử.

2.1.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo.

+ Điện trở được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.+ Ký hiệu: Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý như sau:R1

1k R21k

Hình 1

+ Đơn vị điện trở: Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,, KΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,, MΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, Trongđó

1KΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, = 1000,

1MΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, = 1000000

+ Phân loại: các loại điện trở trong các mạch điện tử có thể phân loại theo công suấtnhư sau:

- Loại 1: Các điện trở có công suất, có công suất lớn hơn 2W trở lên

Ví dụ như các điện trở công suất, điện trở sứ

Hình 2

- Loại 2: Điện trở thường là các điện trở có công suất nhỏ từ 0,125Wđến 0,5W

+ Đọc giá trị :

- loại 1 thì trị số thường được ghi trực tiếp trên thân

- loại 2 điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng mầu , điện trở

chính xác thì ký hiệu bằng 5 vòng mầu Giá trị điện trở được tính

theo quy ước quốc tế

Hình 5

TC : Hệ số nhiệt, chỉ dùng cho các linh kiện dán SMD

Ví dụ loại 4 vòng màu

Hình 6

 Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũbạc, đây là vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ quavòng này

 Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số3

 Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị

 Vòng số 3 là bội số của cơ số 10

 Trị số = (vòng 1)(vòng 2) x 10 ( mũ vòng 3)

 Có thể tính vòng số 3 là số con số không "0" thêm vào

 Mầu nhũ chỉ có ở vòng sai số hoặc vòng số 3, nếu vòng số 3 lànhũ thì số mũ của cơ số 10 là số âm

Ví dụ loại 5 vòng màu

 Vòng số 5 là vòng cuối cùng , là vòng ghi sai số, trở 5 vòngmầu thì mầu sai số có nhiều mầu, do đó gây khó khăn cho takhi xác điịnh đâu là vòng cuối cùng, tuy nhiên vòng cuối luôn

có khoảng cách xa hơn một chút

 Đối diện vòng cuối là vòng số 1

 Tương tự cách đọc trị số của trở 4 vòng mầu nhưng ở đây vòng

số 4 là bội số của cơ số 10, vòng số 1, số 2, số 3 lần lượt làhàng trăm, hàng chục và hàng đơn vị

Hình 7

Ví dụ loại điện trở dán SMD

có giá trị là: 47*103 = 47000Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, = 47KΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,

có giá trị là: 473*102 = 47200Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, =47.2KΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,

R2180R

Hình 9

Điện trở tương đương sẽ bằng R = R1+R2 = 360Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,

- Mắc kiểu song song

Ví dụ

R310kR410k

Hình 10 Điện trở tương đương sẽ bằng R = R R33*R R44

 = 1010*1010

 KΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, = 5KΩm Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn,

Công suất của điện trở.

Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ mộtcông suất P tính được theo công thức

P = U I = U 2 / R = I 2 R

o Theo công thức trên ta thấy, công suất tiêu thụ của điện trởphụ thuộc vào dòng điện đi qua điện trở hoặc phụ thuộc vàođiện áp trên hai đầu điện trở

o Công suất tiêu thụ của điện trở là hoàn toàn tính được trướckhi lắp điện trở vào mạch

o Nếu đem một điện trở có công suất danh định nhỏ hơn côngsuất nó sẽ tiêu thụ thì điện trở sẽ bị cháy

o Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công suấtdanh định > = 2 lần công suất mà nó sẽ tiêu thụ

Ví dụ : Khi đóng K1, K2 thì 2 điện trở có cháy không ?

Hình 11

+ Biến trở: Là điện trở có thể chỉnh để thay đổi giá trị, có ký hiệu

là VR chúng có hình dạng như sau :

Hình 12

+ Triết áp : Triết áp cũng tương tự biến trở nhưng có thêm cần

chỉnh và thường bố trí phía trước mặt máy cho người sử dụng điềuchỉnh

Ví dụ như - Triết áp Volume, triết áp Bass, Tress v.v , triết áp nghĩa

là triết ra một phần điện áp từ đầu vào tuỳ theo mức độ chỉnh

Hình 13

+ Điện trở gói (thanh): Nhiều điện trở được đóng gói thành chung

một khối Mỗi điện trở bên trong có giá trị bằng nhau và bằng giá trịghi trên gói Kí hiệu trên sơ đồ nguyên lý như sau:

R4 1k R3

1k

R2 1k

Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở

là linh kiện quan trọng không thể thiếu được, trong mạch điện, điệntrở có những tác dụng sau :

- Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp, Ví dụ có một bóng

đèn 9V, nhưng ta chỉ có nguồn 12V, ta có thể đấu nối tiếp bóng đènvới điện trở để sụt áp bớt 3V trên điện trở

Hình 15

o Như hình trên ta có thể tính được trị số và công suất của điện trở cho phù hợp như sau: Bóng đèn có điện áp 9V và công suất 2W vậy dòng tiêu thụ là I = P / U = (2 / 9 ) = Ampe đó cũng chính là dòng điện đi qua điện trở.

o Vì nguồn là 12V, bóng đèn 9V nên cần sụt áp trên R là 3V vậy

ta suy ra điện trở cần tìm là R = U/ I = 3 / (2/9) = 27 / 2 = 13,5 Ω

o Công suất tiêu thụ trên điện trở là : P = U.I = 3.(2/9) = 6/9 W

vì vậy ta phải dùng điện trở có công suất P > 6/9 W

- Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được một điện áp theo ý

muốn từ một điện áp cho trước

Hình 16

o Từ nguồn 12V ở trên thông qua cầu phân áp R1 và R2 ta lấy ra điện áp U1, áp U1 phụ thuộc vào giá trị hai điện trở R1 và R2.theo công thức

Tụ điện : Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất

rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong cácmạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạchtạo dao động vv

2.2.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo.

+ Ký hiệu Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor) Thông thường nếu là tụ

có cực tính thì trên ký hiệu sẽ có sự khác nhau giữa hai bản tụ

Ngược lại, tụ không có cực tính thì trên ký hiệu hai bản tụ giống nhau

C2 1uF

C1 1uF

Hình 17

+ Cấu tạo của tụ điện

- Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có mộtlớp cách điện gọi là điện môi

- Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm

chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của

các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá Hình 18

Hình 18

+ Hình dáng thực tế của tụ điện.

Hình 19

Hình 20

2.2.2 Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện.

+ Đọc giá trị

Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản

cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bảncực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theocông thức

C = ξ S / d

 Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

 ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện.

 d : là chiều dày của lớp cách điện

 S : là diện tích bản cực của tụ điện

Đơn vị điện dung của tụ : Đơn vị là Fara (F) , 1Fara là rất lớn do

đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (μF)F), NanoFara (nF), PicoFara (pF)

o 1 Fara = 1000 μF) Fara = 1000.000 n F = 1000.000.000 p F

o 1 μF) Fara = 1000 n Fara

o 1 n Fara = 1000 p Fara

- Với tụ hoá : Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên

thân tụ => Tụ hoá là tụ có phân cực (-) , (+) và luôn luôn có hình trụ

Hình 21

- Với tụ giấy , tụ gốm : Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký

hiệu

Hình 22

Cách đọc : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10(Mũ số thứ 3 )

o Ví dụ tụ gốm bên phải hình ảnh trên ghi 474K nghĩa là

Giá trị = 47 x 10 4 = 470000 p ( Lấy đơn vị là picôFara)

o Ta thấy rằng bất kể tụ điện nào cũng được ghi trị số điện ápngay sau giá trị điện dung, đây chính là giá trị điện áp cực đại

mà tụ chịu được, quá điện áp này tụ sẽ bị nổ

o Khi lắp tụ vào trong một mạch điện có điện áp là U thì bao giờngười ta cũng lắp tụ điện có giá trị điện áp Max cao gấpkhoảng 1,4 lần

o Ví dụ mạch 12V phải lắp tụ 16V, mạch 24V phải lắp tụ 35V

+ Phân loại: Tụ điện có nhiều loại như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mi ca,

Tụ hoá nhưng về tính chất thì ta phân tụ là hai loại chính là tụkhông phân cực và tụ phân cực

- Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mica (Tụ không phân cực )

Các loại tụ này không phân biệt âm dương và thường có điện dung nhỏ từ 0,47 μF)F trở xuống, các tụ này thường được sử dụng trong cácmạch điện có tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu

Hình 25

- Tụ hoá (Tụ có phân cực )

Tụ hoá là tụ có phân cực âm dương , tụ hoá có trị số lớn hơn và giá trị từ 0,47μF)F đến khoảng 4.700 μF)F , tụ hoá thường được sử dụng trong các mạch có tần số thấp hoặc dùng để lọc nguồn, tụ hoá luôn luôn có hình trụ

- Tụ giấy và tụ gốm thường hỏng ở dạng bị dò rỉ hoặc bị chập, để

phát hiện tụ dò rỉ hoặc bị chập ta quan sát hình ảnh sau đây

Hình 28

Ở hình ảnh trên là phép đo kiểm tra tụ gốm, có ba tụ C1 , C2 và C3

có điện dung bằng nhau, trong đó C1 là tụ tốt, C2 là tụ bị dò và C3

là tụ bị chập

 Khi đo tụ C1 ( Tụ tốt ) kim phóng lên 1 chút rồi trở về vị trí cũ

( Lưu ý các tụ nhỏ quá < 1nF thì kim sẽ không phóng nạp )

 Khi đo tụ C2 ( Tụ bị dò ) ta thấy kim lên lưng chừng thang đo

và dừng lại không trở về vị trí cũ

 Khi đo tụ C3 ( Tụ bị chập ) ta thấy kim lên = 0 Ω và không trởvề

 Lưu ý: Khi đo kiểm tra tụ giấy hoặc tụ gốm ta phải để đồng hồ

ở thang x1KΩ hoặc x10KΩ, và phải đảo chiều kim đồng hồ vàilần khi đo

- Tụ hoá ít khi bị dò hay bị chập như tụ giấy, nhưng chúng lại hay

hỏng ở dạng bị khô ( khô hoá chất bên trong lớp điện môi ) làm điệndung của tụ bị giảm , để kiểm tra tụ hoá , ta thường so sánh độphóng nạp của tụ với một tụ còn tốt có cùng điện dung, hình ảnhdưới đây minh hoạ các bước kiểm tra tụ hoá

Hình 29

không, ta dùng tụ C1 còn mới có cùng điện dung và đo sosánh.

 Để đồng hồ ở thang từ x1Ω đến x100Ω ( điện dung càng lớn thì

để thang càng thấp )

 Đo vào hai tụ và so sánh độ phóng nạp , khi đo ta đảo chiềuque đo vài lần Nếu hai tụ phóng nạp bằng nhau là tụ cần kiểmtra còn tốt, ở trên ta thấy tụ C2 phóng nạp kém hơn do đó tụC2 ở trên đã bị khô

 Trường hợp kim lên mà không trở về là tụ bị dò

+ Mắc tụ điện

Các tụ điện mắc nối tiếp có điện dung tương đương C tđ được

tính bởi công thức : 1 / C tđ = (1 / C1 ) + ( 1 / C2 ) + ( 1 / C3 )

C4 1uF

C3 1uF

C1 1uF

+

C6 1uF +

C5 1uF +

C2 1uF

Hình 31

Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng

tổng điện dung của các tụ cộng lại

C = C1 + C2 + C3

C31uF

C11uF

+

C61uF

+

C51uF

+

C21uF

2.3.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo.

+ ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý

Hình 33 L1 là cuộn dây lõi không khí, L2 là cuộn dây lõi ferit,

L3 là cuộn dây có lõi chỉnh, L4 là cuộn dây lõi thép kỹ thuật

+ Cấu tạo và phân loại

Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dâyquấn được sơn emay cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí,hoặc là vật liệu dẫn từ như Ferrite hay lõi thép kỹ thuật

Hình 34 Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi Ferit

2.3.2 Cách đọc, đo và cách mắc cuộn cảm.

+ Hệ số tự cảm ( định luật Faraday) Hệ số tự cảm là đại lượng đặc

trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua

L = ( μF)r.4.3,14.n2.S.10-7 ) / l

o L : là hệ số tự cảm của cuôn dây, đơn vị là Henrry (H)

o n : là số vòng dây của cuộn dây

o l : là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (m)

o S : là tiết diện của lõi, tính bằng m2

o μF)r : là hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi

+ Cảm kháng Cảm kháng của cuộn dây là đại lượng đặc trưng cho

sự cản trở dòng điện của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều

+ Điện trở thuần của cuộn dây.

Điện trở thuần của cuộn dây là điện trở mà ta có thể đo được bằngđồng hồ vạn năng, thông thường cuộn dây có phẩm chất tốt thì điện

trở thuần phải tương đối nhỏ so với cảm kháng, điện trở thuần còngọi là điện trở tổn hao vì chính điện trở này sinh ra nhiệt khi cuộndây hoạt động.

+ Tính chất nạp , xả của cuộn cảm

* Cuộn dây nạp năng lượng : Khi cho một dòng điện chạy qua cuộndây, cuộn dây nạp một năng lượng dưới dạng từ trường được tínhtheo công thức

W = L.I2 / 2, trong đó

o W : năng lượng ( June )

o L : Hệ số tự cảm ( H )

o I : dòng điện

Hình 36

Ở thí nghiệm trên : Khi K1 đóng, dòng điện qua cuộn dây tăng dần (

do cuộn dây sinh ra cảm kháng chống lại dòng điện tăng đột ngột )

vì vậy bóng đèn sáng từ từ, khi K1 vừa ngắt và K2 đóng , nănglương nạp trong cuộn dây tạo thành điện áp cảm ứng phóng ngượclại qua bóng đèn làm bóng đèn loé sáng => đó là hiên tượng cuộndây xả điện

Rơ le cũng là một ứng dụng của cuộn dây trong sản xuất thiết bịđiện tử, nguyên lý hoạt động của Rơle là biến đổi dòng điện thành

từ trường thông qua quộn dây, từ trường lại tạo thành lực cơ họcthông qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đóng mởcông tắc, đóng mở các hành trình của một thiết bị tự động vv

+ loa

Hình 38

Loa gồm một nam châm hình trụ có hai cực lồng vào nhau , cực N ởgiữa và cực S ở xung quanh, giữa hai cực tạo thành một khe từ có từtrường khá mạnh, một cuôn dây được gắn với màng loa và được đặttrong khe từ, màng loa được đỡ bằng gân cao su mềm giúp chomàng loa có thể dễ dàng dao động ra vào Khi ta cho dòng điện âmtần ( điện xoay chiều từ 20 Hz => 20.000Hz ) chạy qua cuộn dây,cuộn dây tạo ra từ trường biến thiên và bị từ trường cố định củanam châm đẩy ra, đẩy vào làm cuộn dây dao động => màng loadao động theo và phát ra âm thanh

+ biến áp

Hình 39 biến áp có lõi bằng thép lõi ferit lõi không khí

- Tỷ số vòng / vol của bién áp

o Gọi n1 và n2 là số vòng của quộn sơ cấp và thứ cấp

o U1 và I1 là điện áp và dòng điện đi vào cuộn sơ cấp

o U2 và I2 là điện áp và dòng điện đi ra từ cuộn thứ cấp

+ Phân loại biến áp trong các ứng dụng điện tử

- Biến áp nguồn và biến áp âm tần:

số trung bình khoảng 1KHz - đến 3KHz

- Biến áp xung & Cao áp

Biến áp xung là biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chụcKHz như biến áp trong các bộ nguồn xung , biến áp cao áp lõi biến

áp xung làm bằng ferit , do hoạt động ở tần số cao nên biến ápxung cho công suất rất mạnh, so với biến áp nguồn thông thường cócùng trọng lượng thì biến áp xung có thể cho công suất mạnh gấphàng chục lần

Hình 41

Chương 3 Linh kiện bán dẫn

+ Từ các chất bán dẫn ban đầu (tinh khiết) người ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bándẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thuđược Diode hay Transistor Si và Ge đều có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện

tử, ở thể tinh khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trịnhư hình trên

Hình 2

3.1.3 Chất bán dẫn loại N.

Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn

Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên

tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện

tử tự do => Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được gọi

là bán dẫn N (Negative : âm)

Hình 3

3.2 Tiếp giáp P-N; điôt tiếp mặt.

3.2.1 Tiếp giáp P-N.

Hình 4

 Khi hở mạch : P(+) và N(-) tạo ra các quá trình sau

 -1- các lỗ trống chạy qua miền n để kết hợp với các e tự do, kết quả tạo

ra lớp ion trung hoà Các lỗ trống tiếp tục chuyển qua miền n và chưakịp kết hợp với e tự do (1)

 -2- các e tự do có xu hướng ngược lại, nó chạy qua miền p để kết hợpvới lỗ trống, kết quả tạo ra lớp Ion trung hoà Các e tự do tiếp tục quamiền p và chưa kịp kết hợp với lỗ trống(2)

Hai quá trình 1,2 tạo ra dòng thuận I D

 -3- các e và lỗ trống (1), (2) có xu hướng kết hợp lại với nhau, dẫn đếntạo ra một dòng điện ngược IS

Khi hở mạch thì I D = I S

 Khi cấp dòng ngược: thì bên ngoài xuất hiện điện áp ngược VR Dòng I càngtăng thì VR càng tăng Giá trị I rất bé và cần phải giữ I nhỏ hơn IS max, nếukhông lớp tiếp giáp PN bị đánh thủng-hỏng và VR lúc đó gọi là điện áp đánhthủng Người ta chứng minh được

Trong đó : I0 là dòng điện bảo hòa ngược hay dòng rò rĩ

I là dòng chạy qua D lúc phân cực ngược

V là điện áp phân cực ngược <0

Và V T

, k là hằng số Boltzman, e là là điện tích của electronvà T

là nhiệt độ tuyệt đối

Ở nhiệt độ bình thường 250C lấy VT = 0.026Volt

Thông thường thì nên xem I ~ I0

1 2

Hình 5

 Khi cấp dòng thuận: bên ngoài suất hiện điện áp V Khi tăng dần I lên thì V

cũng tăng lên nhưng tăng rất ít

Hình 6

Người ta chứng minh được dòng thuận qua D

Với η = 1 khi mối nối là Ge η = 2 khi mối nối là Si

Giá trị V ở 250C nằm trong khoảng 0.5-0.7 V (đối với Si) và 0.3V(Ge)

I 0 phụ thuộc nhiệt độ theo công thức :

Đặc tuyến V/I của diode(Si) khi phân cực thuận phụ thuộc vào nhiệt độ

Nội trở tĩnh: (Static resistance) Nội trở tĩnh là điện trở nội của nối P-N trong

mạch điện một chiều Người ta định nghĩa điện trở một chiều ở một điểm phân cực là

tỉ số V/I ở điểm đó RD = V/I

Khi nối P-N phân cực thuận càng mạnh, dòng điện I càng lớn trong lúc điện thế

V gần như không đổi nên nội trở càng nhỏ

Nội trở động của nối P-N: (Dynamic Resistance)

Giả sử dòng dòng điện ngang qua nối P-N là I Q tương ứng V Q

Khi V biến thiên thì I cũng biến thiên, đặt

gọi rd là điện trở động của nối P-N khi phân cực thuận Dễ chứng minh được

K

Hai chân diode ký hiệu là A (Anode-nối miền P) và K (Cathode-nối miền N)

+ Đặc tuyến của Diode

Hình 8 Khi phân cực thuận - đặt vào A,K điện áp V AK >0 ví dụ như hình sau

V = 0 7 V o l t

+ V1 10V

R1 1k

D1 DIODE

Hình 9

Nếu VAK>0.5V thì bắt đầu suất hiện dòng thuận ID(từ A -> K) Và khi có dòng thuậnthì VAK chỉ nằm trong khoảng VD0 = 0.5V đến 1.2V (Si) Ví dụ đặc tuyến dòng-ápthuận của 1N914B:

I

D

(dòng thuận)

vAK>0 Phân cực thuận

điện áp đánh thủng VB

vAK<0 Phân cực ngược

(dòng ngược)

V D0

Khi phân cực ngược, đặt vào A, K một điện áp V AK <0 Ví dụ như sau

V = V 1

+ V1 10V

R1 1k

D1 DIODE

Hình 10

Khi VAK trong khoảng –VB đến 0 thì có dòng ngược chạy qua Diode, dòng ngược nàyrất bé, thông thường ta bỏ qua xem như bằng 0 Trong ví dụ hình 10, nếu ta tăng V1lên lơn hơn VB (-VAK < - VB) thì dòng ngược sẽ tăng lên đột ngột không kiểm soátđược Lúc này diode bị đánh thủng-hỏng Giá trị của VB có thể vài chục đến nghìnVolt

3.3 Cấu tạo, phân loại và các ứng dụng cơ bản của điôt.

Có nhiều loại diode được ký hiệu như sau

Hình 11

a Diode chỉnh lưu và tần số cao (HF); b LED; c,d diode Zener; e diode quang(photo diode); f,g diode tunnel (hiệu ứng đường hầm); h diode Schottky; i diodebreakdown; j diode capacitive

3.3.1 Điôt nắn điện- chỉnh lưu.

Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diodenày thường có loại dòng thuận max cho phép vài Ampe đến vài chục Ampe Thôngthường kích thước càng lớn thì dòng thuận cho phép càng lớn

Hình 12 + Các ứng dụng của Diode nén điện.

- Diode nén điện thường thấy trong các bộ nguồn một chiều Nó đóng vai trò mạchchỉnh lưu (diode rectifier) biến dòng xoay chiều thành một chiều