VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Các nội dung trên được phân bổ trong 9 chương được nhóm tác giả có kinh nghiệm giảng dạy trong lĩnh vực này biên soạn hướng tới mục tiêu:  Trang bị các kiến thức cơ sở về vật liệu và li

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

TS Nguyễn Viết Nguyên (đồng chủ biên)

TS Nguyễn Hoài Giang (đồng chủ biên)

VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Nhµ xuÊt b¶n gi¸o dôc viÖt nam

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM

LỜI NÓI ĐẦU

Cuốn "Vật liệu và linh kiện điện tử" được biên soạn bao gồm các kiến thức cơ bản

về các linh kiện và vật liệu điện tử dùng làm giáo trình và tài liệu tham khảo cho các đối tượng trong lĩnh vực điện tử Sách còn có thể được dùng làm tài liệu tham khảo, học tập cho các đối tượng có liên quan tới các lĩnh vực khác như điện, tự động hóa, đo lường, điều khiển Nội dung sách đề cập tới các nhóm kiến thức về linh kiện thụ động, các linh kiện bán dẫn điện rời rạc, bán dẫn điện tổ hợp và phân tích các ứng dụng mang lại của các nhóm linh kiện này

Các nội dung trên được phân bổ trong 9 chương được nhóm tác giả có kinh nghiệm giảng dạy trong lĩnh vực này biên soạn hướng tới mục tiêu:

 Trang bị các kiến thức cơ sở về vật liệu và linh kiện điện tử: cấu tạo, các tính chất cơ bản, đặc tính và tham số;

 Giới thiệu và phân tích những ứng dụng quan trọng nhất của các nhóm linh kiện, vật liệu điện tử cũng như công cụ đo;

 Đưa ra hệ thống các câu hỏi, bài tập để người đọc có thể tự đánh giá, kiểm tra sau mỗi chương

Đây là các kiến thức làm nền tảng để người học tiếp cận đến các môn học khác thuộc ngành điện tử, hỗ trợ cho người học các kỹ năng cơ sở để tiếp thu có hiệu quả các môn học tiếp theo trong chương trình đào tạo của ngành

Tuy nhiên, quá trình biên soạn không tránh khỏi các thiếu sót và các tác giả mong muốn nhận được những ý kiến xây dựng từ bạn đọc gần xa, mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:

Khoa Công nghệ Điện tử thông tin - Viện Đại học Mở Hà Nội

Xin chân thành cảm ơn!

CÁC TÁC GIẢ

MỤC LỤC

Trang

1.2 Các thông số trạng thái của một linh kiện điện tử 3

4.2 Nguyên lý hoạt động của tranzito npn 116

4.4 Các đặc tuyến và tham số của tranzito mắc Emitơ chung 118

4.6 Điều khiển tranzito (Chế độ cho BJT làm việc với tín hiệu xoay chiều) 124 4.7 Dòng điện dư, điện áp ngược và điện áp đánh thủng 126 4.8 Trạng thái điều khiển quá mức và các điện áp bão hòa 128

4.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ và ổn định nhiệt điểm làm việc 131

5.1 Tranzito hiệu ứng trường có cực cửa là một lớp khoá (JFET) 145 5.2 Tranzito hiệu ứng trường có cực cửa cách ly 151

7.7 Diot phát quang LED 202

MỞ ĐẦU

Chương 1 tóm tắt các thuộc tính cơ bản của tin tức và tín hiệu là các đối tượng tác động đến các linh kiện điện tử đồng thời trình bày kĩ thuật đo lường các thông số cơ bản của một tín hiệu sử dụng máy đo hiện sóng

Hệ thống lại các kiến thức cơ bản về tính chất của

tín hiệu điện

Xác định trạng thái điện của một linh kiện thông

qua các thông số trạng thái điện áp, dòng điện và trở

kháng

Cách sử dụng công cụ oxylo để đo các thông số

của tín hiệu

1.1 Tin tức và tín hiệu 1.2 Các thông số trạng thái của một linh kiện điện tử

1.3 Kỹ thuật đo dùng máy hiện sóng Câu hỏi và bài tập

tin tức, tín hiệu, tín hiệu tương tự, tín hiệu xung số, độ

dài tín hiệu, năng lượng toàn phần, công suất tín hiệu,

trị hiệu dụng, trị trung bình, góc dịch pha, điện áp, dòng

điện, trở kháng, điện trở suất, trạng thái ngắn mạch,

trạng thái hở mạch, nội trở, nguồn sức điện động, vật

liệu dẫn điện, bán dẫn điện, điện môi, máy hiện sóng,

độ nhạy lái tia, bộ khuếch đại X và khuếch đại Y, bộ suy

giảm, điện áp quét, đồng bộ về tần số, chế độ đồng bộ

trong, chế độ đồng bộ ngoài, chế độ tự đồng bộ, độ

sáng và độ hội tụ tia điện tử, đường cong Lissajous, thời

gian cơ sở, gốc thời gian

Xem các mục tương đương tại các sách sau:

1) Phương Xuân Nhàn, Lý thuyết mạch và tín hiệu, NXB KHKTVN,

2008

2) Đỗ Xuân Thụ (CB), Kỹ thuật điện

tử, NXBGDVN, 2013 (tái bản) 3) Nguyễn Viết Nguyên (dịch), Linh kiện điện tử, NXBGDVN, 2008,

2012

CHƯƠNG 1

1.1 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU

 Đối tượng để các linh kiện và mạch điện tử thu thập, gia công, xử lý, truyền tải là

tin tức và tín hiệu Tin tức được hiểu là nội dung chứa đựng trong một hay nhiều sự kiện

xảy ra và luôn được đo bằng xác suất xuất hiện của sự kiện (càng hiếm hoi thì càng nhiều

tin, càng hỗn loạn thì càng nhiều tin) Trong khi tin tức là đối tượng gián tiếp thì tín hiệu là

đối tượng trực tiếp Tín hiệu được định nghĩa là biểu hiện vật lý hay biểu diễn toán học của tin tức Khi biểu diễn một tín hiệu (ký hiệu hàm s) theo biến thời gian ta có hàm s(t), còn theo biến tần số ta nhận được hàm s(f) Nếu vào lúc t0 xuất hiện s(t) và đến lúc t0 + s(t) biến mất thì  được gọi là độ dài của tín hiệu s(t)

 Nếu hàm s(t) có tính liên tục trong  thì s(t) được gọi là tín hiệu tương tự hay tín

hiệu analog Còn khi s(t) biến thiên gián đoạn trong  thì s(t) được gọi là tín hiệu xung số hay tín hiệu digital Theo đó các linh kiện điện tử và các mạch điện tử cũng có hai chế độ

làm việc cơ bản là chế độ analog và chế độ digital

 Thường trong các linh kiện hay mạch điện tử, tín hiệu tác động ở lối vào hay đáp ứng nhận được ở lối ra chính là các thông số trạng thái điện áp u hay dòng điện i Trong một số trường hợp tín hiệu xuất hiện ở dạng biểu diễn theo năng lượng (công suất)

 Năng lượng toàn phần của tín hiệu Es được tính theo:

ta luôn có lượng liên hợp phức s*(t) = a - jb = Ae-jφ (với j2 = -1), theo đó

được gọi là môđun (biên độ) và gọi là góc pha (argument) Khi chọn A = 1 (chuẩn hoá) thì a  cosφ và b  sinφ hay

ejφ = cosφ + jsinφ và e-jφ = cosφ - jsinφ (1.6)

t (t )

1.2 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MỘT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

 Điện áp được xác định giữa hai đầu (hay hai chân khác nhau) của linh kiện và được tính bằng hiệu điện thế giữa chúng Dòng điện được xác định tại một chân của linh kiện (khi khép kín mạch ngoài) và là dòng chuyển động có hướng của các hạt mang điện

 Cần ghi nhớ hai quy tắc quan trọng: Tổng các điện áp đo theo một vòng kín của mạch điện luôn bằng 0 và tổng các dòng điện chuyển qua một điểm của mạch điện luôn bằng 0 Nghĩa là nếu đo điện áp giữa hai điểm A và B dù đi theo nhiều nhánh khác nhau (trên đó có nhiều linh kiện mắc nối tiếp nhau) thì kết quả luôn giống nhau và tổng các dòng điện đi vào một điểm luôn bằng tổng các dòng đi ra khỏi điểm đó

 Nếu coi điện áp u trên một phần tử là biến số tác động (tuỳ ý, chọn một cách thích hợp) thì dòng điện i trên nó là hàm số của u : i = f(u) Đường đồ thị biểu diễn phương trình

này gọi là đặc tuyến V - A của phần tử, f được gọi là trở kháng (hay điện trở) của phần tử,

thể hiện phản ứng của linh kiện về mặt dẫn điện tốt (nếu trở kháng nhỏ) hay xấu (nếu trở kháng lớn)

 Cần lưu ý hai trạng thái tới hạn trên một phần tử là trạng thái dẫn điện kém nhất

(hở mạch), khi đó i = 0 và đo được điện áp Uhm (là giá trị max) trên linh kiện đang xét

Trạng thái tới hạn thứ hai là lúc dẫn điện tốt nhất gọi là trạng thái ngắn mạch, khi đó đo

điện áp trên linh kiện u = 0 và dòng có giá trị Ingm là giá trị dòng lớn nhất chảy qua linh kiện Như vậy, mọi trạng thái khác đều tuân theo hệ thức (1.7):

0  i  Ingm ; Uhm u  0 (1.7)

 Một nguồn sức điện động được đặc trưng bằng hai thông số lý tưởng: Uhm là giá trị điện áp tối đa nguồn có thể cấp cho mạch ngoài (khi cho tải Rt → ) và Ingm là giá trị dòng điện tối đa nguồn có thể cấp cho tải (khi Rt = 0)

Nguồn thực tế tiêu hao một phần năng lượng bên trong nó trước khi cấp cho tải và được đặc trưng bằng nội trở Rnguồn Một nguồn điện áp càng tốt khi Rnguồn càng nhỏ và một nguồn dòng càng tốt khi Rnguồn càng lớn

 Điện trở suất của một số vật liệu điện cơ bản thường gặp được cho trong bảng 1.1:

Bảng 1.1 Điện trở suất của các vật liệu điện phổ biến nhất đo

ở nhiệt độ phòng 200C (vật liệu đẳng hướng)

Vật liệu Giá trị điện trở suất 

(Pha tạp nhôm) điện 10 23 /m 3

Điện môi

1.3 KỸ THUẬT ĐO DÙNG MÁY HIỆN SÓNG (OXYLO)

1.3.1 Khái niệm chung

Máy hiện sóng (oxylo) là một thiết bị thông dụng và đa năng dùng để quan sát và tiến hành đo lường dạng tín hiệu, có thể lưu kết quả nhờ cơ cấu nhớ Tên gọi "Oszillograph" bắt nguồn từ gốc La tinh "Oscillare - dao động" và từ gốc Hy Lạp "grafein - ghi" Như vậy, Oxylograf có thể dịch nghĩa là bộ ghi lại dao động gồm 3 chức năng chính: giữ lại dao động, hiển thị và ghi lại nó Ngoài ra, tên gọi Oxyloscop có ý nghĩa chỉ gồm chức năng quan sát dao động

Nhờ Oxyloscop có thể quan sát một dao động điện áp biến thiên theo thời gian thông qua đồ thị thời gian của nó trên màn ảnh: U = f(t)

Hình 1.1 Ví dụ về đồ thị thời gian

Tiếp theo có thể hiển thị mối quan hệ hàm số

giữa hai điện áp U1 = f(U2) (hình 1.2) Với các

dòng điện I(t), không thể biểu diễn trực tiếp mà

cho I chảy qua một điện trở R để nhận được điện

áp UR tương đương (tỷ lệ) có cùng quy luật với I(t)

và việc hiển thị I(t) được thực hiện gián tiếp qua

UR(t) (hình 1.3)

Tương tự với việc biểu diễn các đại lượng

khác như đường sức từ B(t), cường độ từ trường H(t) hay tần số f(t), trước tiên cần biến đổi chúng về một điện áp tương đương có cùng quy luật biến thiên, sau đó hiển thị điện áp tương đương này Mọi phép quan sát hoặc đo lường được thực hiện một cách gián tiếp qua điện áp tương đương

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy hiện sóng

Nhờ một chùm tia điện tử được tạo ra từ một "súng điện tử" của ống tia điện tử, các dạng điện áp U = f(t) hay U1 = f(U2) được hiển thị trên màn ảnh của ống tia (hình 1.4) Các tia điện tử được gia tốc chuyển động nhanh dọc theo trục ống tia và được lái lệch quỹ đạo tạo thành các đường quét phát sáng trên màn hình từ trên xuống dưới và từ trái qua phải nhờ một hệ thống lái tia đặt trong lòng ống tia (loại điều khiển lái tia bằng điện trường - hình 1.5

và hình 1.6)

Hình 1.4 Cấu tạo cơ bản

Hình 1.6 Nguyên lý lái tia theo chiều ngang

Sóng

®iÖn tö

§ iÓm s¸ ng

Hình 1.3 Biến đổi dòng điện I thành một điện áp tương đương,

đồ thị thời gian của dòng điện

Một cặp phiến điện cực điều khiển tia lệch theo phương thẳng đứng nhờ điện áp đặt vào chúng gọi là cặp phiến Y

Tương tự, một cặp phiến làm lệch tia theo phương nằm ngang gọi là cặp phiến X

Nhờ hệ thống lái tia này, một tia điện tử có thể quét đến mỗi điểm trên màn hiển thị Trong oxylo loại hai tia, ống tia điện tử có hai súng điện tử tạo ra hai tia và do đó có hai hệ thống hội tụ và làm lệch tia độc lập nhau, thông thường do nhu cầu sử dụng loại hai tia, cặp phiến lệch đứng độc lập, còn cặp phiến lệch ngang được sử dụng chung và do đó hai tín hiệu được hiển thị đồng thời trên màn và có thể được so sánh với nhau nhờ việc quét ngang chung

Độ lệch tia trên màn (hiệu quả của việc lái tia bằng điện áp trên các phiến lệch) được đánh giá nhờ hệ số lái tia hay độ nhạy lái tia tính theo V/cm Đơn vị V/cm được định nghĩa

là cần bao nhiêu volt để làm lệch tia đi được 1cm theo chiều ngang hoặc theo chiều đứng Khi điện áp tác động vào phiến có giá trị nhỏ (hơn 1V) cần dùng các mạch khuếch đại điện áp trước khi đưa tới các cặp phiến làm lệch (hình 1.7 và 1.8) - được gọi tương ứng

là bộ khuếch đại X (cho điện áp làm lệch ngang) và bộ khuếch đại Y (cho điện áp làm lệch đứng)

Hình 1.7 Bộ khuếch đại Y có thể điều chỉnh

hệ số khuếch đại liên tục hay từng nấc

Hình 1.8 Bộ khuếch đại X, có thể điều chỉnh

hệ số khuếch đại liên tục hay từng nấc

Các bộ khuếch đại X và khuếch đại Y có thể thay đổi hệ số khuếch đại theo từng thang (từng bậc) và thay đổi liên tục trong một thang đã chọn Khi điện áp vào khá lớn, thường

có bộ suy giảm (làm yếu tín hiệu cần quan sát) được sử dụng tại lối vào như hình 1.9 Hình 1.10 thể hiện sơ đồ khối tổng quát của một máy hiện sóng, bao gồm các khối cơ bản nhất Các lối vào X và lối vào Y là không đối xứng, luôn có một cực tiếp đất (0V) và có điện trở

vào khoảng vài MΩ

Tín hiệu Y đặt tới lối vào Y, qua bộ suy giảm Y, qua bộ khuếch đại Y, đặt tới cặp phiến lệch Y

Bộ khuếch đại Y thường là bộ khuếch đại một chiều, có khả năng khuếch đại cả thành phần một chiều của tín hiệu Y Khi không muốn biểu diễn thành phần một chiều này trên màn hình, có thể nối một tụ điện phía trước nhờ một chuyển mạch có ghi rõ "chuyển mạch AC/DC" Ở đây:

 AC: dòng điện hoặc điện áp xoay chiều (biến thiên theo thời gian) chính là tín hiệu cần quan sát

 DC: dòng điện hoặc điện áp một chiều (không đổi theo thời gian) có chứa trong tín hiệu Khi ở vị trí AC thì tụ C được nối vào

Tín hiệu X đặt tới lối vào X, qua bộ suy giảm X, qua bộ khuếch đại X sau đó đưa tới phiến làm lệch X

Tín hiệu trên màn ảnh có thể được dịch

chuyển theo hai chiều: thẳng đứng (hình 1.11) và

dịch ngang (hình 1.12) theo ý muốn của người sử

dụng (đang quan sát tín hiệu) Khi đó cần bổ sung

vào tín hiệu Y (cho dịch chiều đứng tại phiến làm

lệch Y) hoặc vào tín hiệu X (cho dịch chiều ngang,

tại phiến làm lệch X) các giá trị điện áp một chiều

thích hợp Các chức năng trên do tầng "dịch Y"

hay tầng "dịch X" thực hiện Tia điện tử được dịch

tịnh tiến theo chiều tương ứng tuỳ giá trị và cực

tính của các điện áp một chiều này

Hình 1.10 Cấu trúc khối của một Oxylo

Khi muốn thể hiện sự phụ thuộc hàm số của điện áp theo thời gian, cần duy trì tốc độ quét của tia điện tử (từ trái qua phải) không đổi Nghĩa là thời gian làm lệch tia cố định theo một dòng quét (ví dụ thời gian quét (chu kỳ quét) một dòng từ trái qua phải là 1/50 giây) Điện áp thực hiện việc lái tia được gọi là điện áp quét, có dạng răng cưa (hình 1.13) được tạo ra từ một bộ phát xung răng cưa:

Tần số của điện áp răng cưa có thể thay đổi theo nhiều thang và thay đổi liên tục trong mỗi thang Tần số này càng lớn thì tốc độ quét của tia điện tử càng nhanh

Hình 1.14 Quan hệ giữa chu kỳ của tín hiệu

Y và chu kỳ của điện áp răng cưa

Khi muốn hiển thị một chu kỳ điện áp hình sin, tín hiệu này cần đưa tới lối vào Y; điện

áp răng cưa được đưa tới lối vào X Chu kỳ của hai điện áp này phải bằng nhau: Tx = Ty

(hình 1.14)

Nếu Tx Ty hình trên màn sẽ không đứng vững (bị trôi đi)

Nếu Tx = 2Ty trên màn sẽ xuất hiện hai chu kỳ tín hiệu hình sin

Ta chỉ nhận được hình vững trên màn khi T x bằng bội số nguyên của T y

Ta nói tín hiệu cần quan sát Uy và tín hiệu quét ngang Ux được đồng bộ nhau về tần số

Có thể thực hiện việc đồng bộ bằng điều chỉnh tay nhưng khá khó khăn, các oxylo ngày nay được đặt ở chế độ tự động bám đồng bộ nhờ khối đồng bộ trong cấu trúc hình 1.10 Tầng đồng bộ có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau như:

 Đồng bộ theo lưới điện 50Hz

 Đồng bộ theo các điện áp ngoài đặt vào để điều khiển

 Chế độ tự đồng bộ khi tín hiệu Y trực tiếp được sử dụng (bằng cách trích ra) để điều khiển đồng bộ tín hiệu X

Ở chế độ tự đồng bộ, chuyển mạch chọn chế độ đồng bộ ở vị trí "+" là chọn phần dương của tín hiệu Y; còn ở vị trí "-" là chọn phần âm của tín hiệu Y

Khối nguồn nuôi cung cấp các mức điện áp khác nhau cho oxylo Khối nguồn cao áp

Hình 1.13 Điện áp quét

dạng răng cưa

Chu kú

lÆp T

điều khiển cường độ dòng tia điện tử và do vậy điều khiển độ sáng của hình ảnh trên màn Ngoài ra, việc điều chỉnh các giá trị điện áp một chiều vào các điện cực của ống tia điện tử

có thể thay đổi độ hội tụ (độ nét) của tia điện tử Các chiết áp điều chỉnh độ sáng hay độ nét đều được đặt ở phía ngoài mặt trước oxylo cho người sử dụng thao tác khi cần hình ảnh

rõ nét theo ý muốn

1.3.3 Sử dụng máy hiện sóng

Có rất nhiều chuyển mạch và các núm điều chỉnh trên mặt trước oxylo Thường chúng được ghi ký hiệu và thông tin cần thiết cho người sử dụng, do nguồn gốc sản xuất rất đa dạng nên không có quy tắc chung cho việc ký hiệu này Do sử dụng ống tia điện tử, việc khởi động oxylo cần có thời gian vài chục giây tới vài phút để tạo tia cho tới khi có tia quét ngang trên màn ảnh Điều chỉnh độ sáng của tia thích hợp, điều chỉnh các núm dịch X và dịch Y cho tia nằm chính giữa màn hình Chọn thời gian làm lệch (thời gian quét) thích hợp, chọn độ nét tia phù hợp

đỉnh là OA

Giá trị chuẩn theo trục ngang là 10ms/1 thang chia (tia quét ngang được 1 đơn vị thang chia cần 1 thời gian là 10ms) Tín hiệu đang quan sát có chu kỳ là 10 ô  10ms = 100ms Việc chuẩn thang chia là quan trọng nhất trong việc đo đạc các tham số của tín hiệu Y đang quan sát

Ví dụ: Bộ làm lệch Y của một oxylo được đặt ở 10mV/1 đơn vị thang chia và độ lệch

thời gian đặt là 25s/1 đơn vị thang chia

Như trên hình 1.16 xuất hiện điện áp hình sin trên màn ảnh Hãy tính giá trị biên độ đỉnh và tần số của dao động đang quan sát Theo trục thời gian: 1 chu kỳ hình ảnh chiếm khoảng 6 ô (6 đơn vị chia ngang), vậy chu kỳ T = 6.25s = 150s

Theo trục thẳng đứng biên độ hình ảnh từ đỉnh tới đỉnh chiếm 4 ô (4 đơn vị chia dọc), vậy biên độ đỉnh - đỉnh của hình ảnh là: 4.10mV = 40mV

Biên độ đỉnh: u = 20 mV

Tần số của tín hiệu: f =  6,67kHz

Có loại oxylo không có chuẩn thang chia bên trong, khi đó cần chuẩn từ các điện áp

Uy và Ux biết trước đặt vào đầu vào tương ứng để chuẩn từ ngoài, sau đó mới đưa tín hiệu cần đo vào để so sánh với các mẫu đơn vị chia vừa có, nếu chưa phù hợp cần chuẩn lại Tuy nhiên các thế hệ oxylo sau này được chuẩn thang một cách tự động và đa dạng

1.3.4 Vẽ đặc tuyến dùng máy hiện sóng

Đặc tuyến Von-Ampe của một phần tử thể hiện quan hệ giữa tác động điện áp lên phần tử và đáp ứng dòng điện qua nó Đặc tuyến Von-Ampe có hai dạng cơ bản là dạng tuyến tính và dạng phi tuyến tính có thể nhận được trực tiếp trên màn hình máy hiện sóng

Có thể dùng máy hiện sóng thông thường để xác định đặc tuyến của một diot bán dẫn, khi đó trục Y thể hiện dòng qua diot, trục X thể hiện điệp áp đặt vào diot, không dùng thời gian cơ sở mà đặt một điện áp ngoài vào để làm lệch hướng X

Hình 1.17 Mạch đo đặc tuyến Von-Ampe của một diot bán dẫn

Cần đặt các điện áp tuần hoàn (ví dụ 50Hz hình sin) để làm lệch hướng X và hướng Y (hình 1.17) Trong mạch 1.17, điện áp rơi trên điện trở R được sử dụng để đo dòng qua diot (mức độ tác động của điện áp Y) tác động lên diot là điện áp X Chú ý, điện áp xuất hiện trên diot và trên R trong mạch là ngược dấu nhau nên các lối vào X và vào Y phải được nối tới mạch như hình 1.17 thể hiện Nếu chọn R = 1kΩ thì độ lệch Y được chuẩn hoá 1V/cm với thang dòng điện (trục Y) là 1mA/cm

1.3.5 Hiển thị và đo điện áp trên máy hiện sóng

a) Hiển thị và đo điện áp tuần hoàn

Máy hiện sóng có thể hoạt động ở các chế độ đồng

bộ "trong", "tự động" hay "ngoài" Khi điện áp đo có

tần số của điện lưới công nghiệp, có thể dùng chế độ

đồng bộ "mạng lưới" Trong trường hợp tần số tín hiệu

Hình 1.18 Đo chu kỳ và đo biên

độ điện áp nhờ máy hiện sóng

tần thấp vài trăm Hz ghộp tới đầu vào đồng bộ

Cỏch đo chu kỳ và xỏc định biờn độ của một điện ỏp nhờ dạng súng thu được trờn màn hỡnh mỏy hiện súng được thể hiện trờn hỡnh 1.18

Độ lệch: Y: 0,5 V/cm; thời gian cơ sở: 1s/cm;

Uss = 0,5V/cm  4,6cm = 2,3V;

T = 1s/cm  8cm = 8s

Với hai tớn hiệu vào cú tần số khỏc nhau (khi sử dụng mỏy hiện súng loại hai kờnh A

và B) cần lưu ý hỡnh ảnh mỗi tớn hiệu chỉ xuất hiện khi tần số của chỳng cú một tỷ lệ xỏc định với nhau Tớn hiệu đồng bộ khi đú được chọn từ một trong hai kờnh A hoặc B Với tỷ

lệ tần số khỏc đi, chỉ cú một điện ỏp tớn hiệu được hiển thị (được đồng bộ)

b) Hiển thị và đo cỏc điện ỏp đột biến một lần

Khi muốn hiển thị quỏ trỡnh (đường cong) nạp điện cho một tụ điện, tức là đo một tớn hiệu khụng tuần hoàn, cần sử dụng loại mỏy hiện súng cú độ lưu ảnh lớn, đặc biệt là loại cú ống tia cú nhớ Lối vào đồng bộ được đặt ở chế độ "trong" hay "ngoài" Nếu điện ỏp tớn hiệu tăng hay giảm rất chậm cần sử dụng chế độ đồng bộ với bộ lọc DC hay Lf Ở chế độ quột đồng bộ trong thấp nhất, độ lệch tia điện tử cú giỏ trị 0,5cm theo hướng Y, như vậy tia chỉ bắt đầu được quột khi hướng Y cú độ lệch 0,5cm, tức là đoạn đầu của tớn hiệu đó bị bỏ qua Cú thể khắc phục hiện tượng trờn nhờ đặt chế độ đồng bộ ngoài lấy từ một bước nhảy đột biến điện ỏp (hỡnh 1.19)

1.3.6 Đo tần số và đo gúc pha trờn mỏy hiện súng

a) Sử dụng thời gian chuẩn (gốc) của bộ phỏt nhịp

Việc đo tần số của tớn hiệu thực hiện đơn giản nhờ việc chọn thời gian cơ sở của mỏy hiện súng một cỏch thớch hợp (việc chọn này thực hiện trờn mặt mỏy)



Hỡnh 1.19 Mạch đo để hiển thị quỏ trỡnh nạp cho một tụ điện

Đồng bộ ngoài Oxylo có nhớ

Đặt chế độ:

 D-ơng

 Ngoài

 L-ới điện công nghiệp

 Một lần

 Stop một chiều

Hình 1.20 Đo góc dịch pha nhờ chọn thời gian cơ sở

2 Xác định chu kỳ T của tín hiệu nhờ thời gian cơ sở (thời gian gốc) được chọn phù hợp

3 Xác định khoảng dịch t khỏi thời gian cơ sở đã chọn

Để có thể nhận được kết quả đo chính xác hơn cần chọn thời gian cơ sở để tốc độ quét tăng lên (ví dụ gấp ba lần như thể hiện ở hình 1.21)

Hình 1.21 Đo góc dịch pha nhờ dãn trục thời gian ba lần so với hình 1.20

Chiều dài l có thể xác định chính xác, khi đó:

 t = l  Thời gian = l  thời gian cơ sở

Đơn vị dài

b) Đánh giá qua đường cong Lissajous

Hình 1.22 Điều khiển tia điện tử bằng hai điện áp hình sin hướng X và hướng Y để xuất hiện

Nếu việc làm lệch ngang X không dùng điện áp quét dạng răng cưa mà dùng một điện

áp hình sin lấy từ ngoài, ta nhận được các đường Lissajous là một chế độ làm việc điển hình của máy hiện sóng

Khi lối vào Y cũng đưa tới một điện áp tín hiệu hình sin, tỷ số tần số giữa hai điện áp hình sin ở kênh X, kênh Y sẽ quyết định dạng đường cong Lissajous Trường hợp riêng khi hai tần số này bằng nhau, góc dịch pha giữa chúng sẽ quyết định dạng đường Lissajous Khi hai điện áp tác động cùng pha nhau, đường Lissajous thể hiện trên hình 1.22

 Đo góc pha: Trước tiên chọn độ lệch Y thích hợp (thường chọn lớn hơn độ lệch X)

Hình 1.23a thể hiện hình ảnh khi

chưa có điện áp X, hình 1.23b

khi chưa có điện áp Y (hai vạch

cần có độ dài bằng nhau)

Khi xuất hiện sự dịch pha

giữa hai điện áp điều khiển,

đường cong Lissajous có các

dạng trên hình 1.24b đến 1.24e

Khi góc dịch pha dương (điện áp

Y xuất hiện trước), ta có độ lệch pha j xác định từ hệ thức:

Trường hợp hai điện áp đồng pha nhau, đường cong Lissajous có dạng như hình 1.24a

a) j = 0 0 hay 360 0 ; b) j = 30 0 hay 330 0 ; c) j = 90 0 hay 270 0 ; d) j = 150 0 hay 210 0 ; e) j = 180 0

 Đo tần số: Điện áp có tần số cần đo đưa tới bộ khuếch đại Y Điện áp đưa tới đầu

vào X là điện áp mẫu để so sánh, với tần số chính xác đã biết Việc so sánh được tiến hành bằng việc điều chỉnh tần số điện áp mẫu cho tới khi xuất hiện trên màn một trong các hình thể hiện ở hình 1.24, khi đó fy = fx

BSin

A

 

Hình 1.23 Tia điện tử được điều khiển chỉ theo hướng Y (a) và chỉ theo hướng X (b)

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

1 Công thức tính công suất, trị hiệu dụng và trị trung bình của một tín hiệu s(t) Ý nghĩa

của các tham số này

2 Phát biểu hai quy tắc về điện áp theo một vòng kín và dòng điện đi qua một điểm

(nút) Cho ví dụ minh hoạ

3 Nêu hai cách biểu diễn một nguồn: Nguồn điện áp và nguồn dòng điện làm việc với tải

ngoài Rtải Viết phương trình vòng điện áp cho cách biểu diễn nguồn áp và nút dòng điện cho cách biểu diễn nguồn dòng Nhận xét kết quả có được

4 Việc điều khiển tia điện tử lệch ngang và lệch đứng xảy ra trong ống tia điện tử như

thế nào?

5 Nhiệm vụ của bộ khuếch đại Y là gì?

6 Bộ tạo điện áp răng cưa dùng vào việc gì?

7 Cần hiểu "sự đồng bộ" trong oxylo như thế nào?

8 Chuyển mạch AC/DC trong mỗi oxylo có ý nghĩa gì?

9 Trục thời gian trên màn hình oxylo được tạo ra như thế nào?

10 Việc chuẩn độ lệch ngang có ý nghĩa gì?

11 Nhiệm vụ của tầng Trigơ trong cấu trúc khối của oxylo (hình 1.10) là gì?

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG

Chương 2 đề cập đến một số kiến thức chung về một nhóm các linh kiện điện tử thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn dây được sử dụng một cách hết sức phổ biến trong các mạch và các thiết bị điện tử đồng thời giới thiệu các phương pháp nối, kết hợp các phần tử R, L, C để thực hiện các mục đích gia công xử lý tín hiệu thường gặp trong thực tế

Các kiến thức cơ sở về tính chất của điện

trở, tụ điện và cuộn dây trong mạch điện một

chiều và xoay chiều

Cách ghép nối kiểu nối tiếp hay song

song để thay đổi giá trị

2.7 Cuộn dây trong mạch điện một chiều 2.8 Cuộn dây trong mạch điện xoay chiều 2.9 Mắc nối tiếp và song song các cuộn dây 2.10.Mạng hai cực, mạng bốn cực phụ thuộc tần số dạng RC và RL

2.11.Mạch cộng hưởng RLC Câu hỏi và bài tập

THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG

điện trở tuyến tính, điện trở phi tuyến, điện trở

vi phân, dung sai, giá trị danh định, mã vạch

mầu, công nghệ SMD, công nghệ vi điện tử,

biến trở, hệ số nhiệt điện trở, điện trở nóng

(NTC), điện trở lạnh (PTC), tham số định mức,

tham số giới hạn, áp trở VDR, điện dung,

Fara, tụ điện một chiều, tụ điện xoay chiều, tụ

giấy, tụ mica, tụ kim loại-giấy (MP), tụ MK, tụ

gốm, tụ điện hóa, tụ xoay, hằng số thời gian

nạp, hằng số thời gian phóng, dung kháng, hệ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Xem các mục tương đương tại các sách sau:

1) Phương Xuân Nhàn, Lý thuyết mạch, NXB KHKTVN, 2008

2) Nguyễn Viết Nguyên (dịch), Linh kiện điện

tử, NXBGDVN, 2008, 2012 3) Nguyễn Viết Nguyên, Linh kiện điện tử và ứng dụng, NXBGDVN, 2009

CHƯƠNG 2

2.1 Điện trở tuyến tính và điện trở phi tuyến

2.1.1 Các tính chất chung

Điện áp và dòng điện là hai thông số xác định trạng thái về điện của một phần tử trong mạch điện Quan hệ giữa hai đại lượng này là không độc lập mà phụ thuộc lẫn nhau Nếu coi điện áp tác động lên phần tử là biến số thì dòng đi qua phần tử là hàm số, ta có quan hệ hàm i = f(u) Ở đây quan hệ hàm f được định

nghĩa là trở kháng hay điện trở của phần tử

đang xét

Điện trở tuyến tính là các phần tử điện

trở có đặc tuyến i = f(u) là một đường thẳng

(hình 2.1)

Trường hợp điển hình là tồn tại mối quan

hệ tuyến tính:

I = U (2.1) Với hệ số R = được định nghĩa là điện

trở thuần của một phần tử đo bằng đơn vị Ω

và quan hệ hàm số này là định luật Ôm cho

một điện trở thuần

Đặc tuyến I - U đối với một số điện trở

được cho trên hình 2.2 Mức độ dốc hay tg

được định nghĩa là điện dẫn của phần tử đo

bằng hay Siemens (đọc là Simen):

Điện trở tuyến tính còn được gọi là điện trở Omíc, nó tuân theo định luật Ôm

Điện trở phi tuyến là các điện trở có đặc tuyến I - U dạng không phải là đường thẳng

Hình 2.3 là ví dụ đặc tuyến I - U của một điện trở phi tuyến, ở đây quan hệ dòng điện

và điện áp trên phần tử không là tỷ lệ, không áp dụng được định luật Ôm cho phần tử loại này Nếu ta chỉ chú ý tới một đoạn nhỏ trên đặc tuyến (hình 2.4) có thể coi trong phạm vi hẹp này (từ P1 tới P2) phần tử được tuyến tính hoá, quan hệ dòng điện và điện áp trong vùng hẹp gần như đường thẳng Điện trở vi phân của phần tử được xác định ở chế độ xoay chiều theo định nghĩa là tỷ số các vi phân điện áp và dòng điện (xét tại lân cận một điểm

1RUI







Hình 2.1 Đặc tuyến I - U tuyến tính của một điện trở thuần

với các giá trị điện trở khác nhau

Hình 2.3 Đặc tuyến I - U của một điện trở

Điện trở vi phân r thể hiện sự biến thiên nhỏ của I và U trong một vùng đủ hẹp của đặc tuyến đang quan tâm

Các phần tử có điện trở phi tuyến chiếm số lượng và chủng loại đa số như diot bán dẫn, tranzito, thyristo, ống tia điện tử, các loại nhiệt điện trở, áp điện trở,

Các điện trở được phân thành hai nhóm: nhóm có giá trị điện trở cố định và nhóm có giá trị thay đổi được, chúng đều có tham số đánh giá khả năng chịu tải là lượng công suất điện biến đổi thành công suất toả nhiệt trên điện trở Khả năng chịu tải phụ thuộc dạng điện trở, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ tối đa cho phép trên điện trở, được đánh giá qua tham

số điện trở nhiệt RthU

ở đây: P là khả năng chịu tải của điện trở tính bằng Watt (W);

max là nhiệt độ tối đa cho phép trên điện trở;

u là nhiệt độ môi trường không khí

Giữa giá trị điện trở thực và giá trị điện trở do nhà sản xuất muốn có khi chế tạo luôn

có sự khác biệt gọi là dung sai (sai số) của điện trở Thường dung sai được tính theo phần trăm đo bằng tỷ số giữa độ lệch tuyệt đối (hiệu số giữa giá trị đã làm ra và giá trị muốn có)

và giá trị muốn có: ví dụ 0,1% với loại có độ chính xác cao, hoặc 20% với loại kém chính xác

Hình 2.5 Giá trị tiêu chuẩn IBC của điện trở seri E6, E12 v E24

Khi muốn một giá trị cụ thể nào đó, cần chọn giá trị điện trở có giá trị chuẩn gần giá trị muốn có nhất hoặc phải dùng loại điện trở có thể thay đổi được giá trị (biến trở)

Các loại mẫu ký hiệu seri E6, E12 và E24 được dùng phổ biến Giá trị điện trở thường được ký hiệu theo mã màu quốc tế là các vòng màu khác nhau bố trí trên thân điện trở Giá trị sai số cũng được thể hiện bằng vòng màu hoặc chữ cái ký hiệu cuối cùng trên thân điện trở (xem bảng màu quy ước ở bảng 2.1, 2.2)

Các loạt điện trở mã ký hiệu E6 có sai số 20% với các giá trị danh định là:

Loại E12 có sai số 10%, E24: 5%; E48: 2%; E96: 1% và E192: 0,5%

Dải thăng giáng giá trị thực có được sau khi chế tạo xung quanh trị danh định cho loại E6 cho trên hình 2.6 với các giá trị điện trở từ 1Ω đến 6,8Ω

Công suất chịu tải nhà sản xuất cho trong dải danh định: 0,05W; 0,1W; 0,25W; 0,5W; 1W; 2W; 3W; 6W; 10W; 20W xét ở trong một dải nhiệt độ môi trường, ví dụ đến 500C, khi nhiệt độ môi trường cao hơn, giá trị công suất danh định đã cho của điện trở bị giảm

Hình 2.6 Sai số của một vài giá trị điện trở danh định thuộc seri E6

Bảng 2.1 Bảng mã màu quy định quốc tế cho loại 4 vòng màu (E6, E12, E24)

Phân bố vòng màu quốc tế (loại 5 vòng)

E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96

Giá trị và sai số

b) Các dạng cấu tạo của điện trở

 Điện trở lớp

Trên thân lõi ống bằng gốm sứ hay thuỷ tinh, trong chân không, một lớp mỏng (từ 0,001µm đến 20µm) vật liệu dẫn điện được phủ lên nhờ phương pháp công nghệ nhúng hay khuếch tán hơi Các loại vật liệu làm lớp điện trở thường dùng là than, kim loại (kể cả kim loại hiếm) hay oxyt kim loại Giá trị điện trở phụ thuộc vào vật liệu được chọn, vào thời gian bám phủ (hay độ dày lớp bám phủ) Các hình dạng lớp phủ kiểu công nghệ bốc bay trong chân không được cho trên hình 2.7 hoặc 2.8 Cấu hình lớp điện trở cho trên hình 2.9 Bên ngoài phần đưa chân ra thường dùng nồi kim loại chụp hai đầu, phủ các hợp chất chống cháy, chống xâm thực của môi trường và ổn định về cơ học Gần đây các điện trở được chế tạo cấu hình đưa chân ra về một phía (hình 2.11) Thân trụ gốm được thay bằng một bề mặt gốm trên đó đã cho lớp vật liệu bốc bay bám trên bề mặt Hiện nay công nghệ chế tạo điện trở thực hiện lắp ráp ngay với các phân tử liên quan theo một mặt phẳng xác định (gọi là công nghệ lắp ráp bề mặt SMD - Surface Mounted Device) Hình 2.12 chỉ ra cấu tạo điển hình của một điện trở SMD trên bề mặt một phiến dẫn điện

Hình 2.7 Điện trở với các lớp uốn lượn

Hình 2.12 Điện trở lớp chế tạo theo công nghệ SMD

Điện trở cấu tạo

từ các đường díc dắc

Điện trở nồi nắp kim loại

Điện trở không có nồi nắp

và mặt cắt của nó

§ - êng d©y dÉn

Mèi g¾n (keo d¸ n) PhiÕn dÉn

ThiÕc hµn

 Điện trở trong công nghệ vimôđun (vi điện tử)

Trong công nghệ vi điện tử, điện trở cùng mọi linh kiện khác được chế tạo đồng thời theo một quy trình công nghệ chuẩn và đã được ghép nối sẵn thành một hoặc nhiều mạch hoàn chỉnh (gọi là một hoặc nhiều môđun) Cần phân biệt hai loại công nghệ: công nghệ lớp dày và công nghệ màng mỏng Thân điện trở trong hai loại công nghệ này được vẽ trên các hình 2.13a (với công nghệ lớp dày) và hình 2.13b (với công nghệ màng mỏng) Ở công nghệ lớp, trên đế là một tấm oxyt nhôm, nhờ phương pháp nóng chảy có nén, một lớp bột kim loại (kim loại quý, oxyt hay một hợp chất dẫn điện) được gắn lên (đế) Còn trong công nghệ màng mỏng điện trở cũng như các linh kiện khác được chế tạo theo phương pháp bốc bay ở pha hơi kim loại cho bám lên một đế gốm sứ trong môi trường chân không qua một mặt nạ với các cửa sổ khác nhau Theo đó các linh kiện trong đó có điện trở được tạo ra với kích thước hình học chính xác nhờ các tia laze cắt, giá trị điện trở có sai số có thể đạt tới  0,1%

Hình 2.13

 Các điện trở loại dây quấn

Các dây điện trở được quấn trên một thân đế làm bằng gốm sứ chịu nhiệt tạo thành nhóm điện trở dây quấn

Hình 2.14 Điện trở dây quấn, nguyên lý quấn kép

Các điện trở dây quấn có điện cảm riêng khá lớn vì các vòng dây của nó đã tự tạo ra điện cảm ký sinh Để giảm nhỏ điện cảm không mong muốn này, cần dùng công nghệ quấn dây đôi, kiểu đối ngẫu (hình 2.14) Sợi dây điện trở được lấy điểm giữa và tạo ra một cặp dây song song để quấn Như vậy, một cặp vòng dây luôn có chiều dòng điện là ngược nhau (hình 2.14) và từ trường bị triệt tiêu Tuy nhiên, do tính không đối xứng lý tưởng, vẫn còn điện cảm nhỏ và do đó hạn chế tần số làm việc của loại điện trở này dưới 200kHz Các vòng dây quấn được cách điện (thường dùng sơn cách điện phủ lên hoặc nhờ lớp điện môi oxyt bề mặt)

Khi đòi hỏi công suất lớn (hàng chục W hay hơn nữa), các điện trở dây quấn dạng chữ nhật được sử dụng Các dạng điện trở dây quấn thông dụng được cho trên hình 2.15, được bảo vệ chống ẩm, chống cháy, chống xâm thực của môi trường và bền về cơ học

Điện trở

Đường dẫn

Hình 2.15 Các dạng cấu tạo điện trở dây quấn

2.1.3 Điện trở thay đổi giá trị (biến trở)

Các điện trở thuộc nhóm này có giá trị thay đổi được trong một dải nhất định và được cấu tạo có vị trí động để chọn mức giá trị cần có nhờ một cơ cấu dịch chuyển quay hay tịnh tiến (hình 2.16 và hình 2.17)

Hình 2.16 Điện trở điều chỉnh được nhờ con chạy

Hình 2.17 Các dạng điện trở biến đổi

Trên hình 2.16, giá trị điện trở thay đổi được nhờ một tiếp điểm trượt trên một đường ray điện trở, qua đó chọn đoạn làm việc cho điện trở Đường ray điện trở có thể là hình tròn hay đoạn thẳng Đặc tính biến đổi của điện trở tính theo độ dài làm việc có thể là tuyến tính (tốt nhất theo mong muốn) hay phi tuyến tính được biểu diễn trên hình 2.18,

Hình 2.15 Các dạng cấu tạo điện trở dây quấn

Nối kiểu kẹp

Nối kiểu hàn

Nồi kim loại ghép nối

Ký hiÖu § iÖn trë d¹ ng lí p

hình 2.19 hay hình 2.20 Ở các đặc tính tuyến tính, với gia số một góc quay cố định hay gia

số một độ dài đường ray cố định luôn nhận được một giá trị điện trở không đổi Các dạng biến đổi phi tuyến tính (hàm exp, logarit, chữ S ) được cho trên các hình 2.19 và 2.20

Hình 2.18 Đường cong giá trị điện trở phụ thuộc vào vị trí con chạy

Hình 2.19 Quan hệ lôgarit dương

§ - êng ray ®iÖn trë

Con ch¹ y

(1) (2) (3)

(4) (5)

(2) log d- ¬ng (3) ch÷ S (4) tuyÕn tÝnh (5) log ©m (6) exp ©m

 Biến trở loại lớp

Các đường ray điện trở loại này được chế tạo giống như loại điện trở lớp cố định Điểm khác biệt là tiếp điểm tiếp xúc với đường ray cần có độ cứng bề mặt để tiếp xúc tốt, tránh nhiễu điện áp xuất hiện khi dịch vị trí

Do đặc điểm cấu tạo, loại điện trở lớp có công suất nhỏ (từ 0,25W đến 2W) và có điện dung riêng lớn, cần đặc biệt chú ý khi dùng ở tần số cao Khi sử dụng cần quay góc của đường ray điện trở, loại này còn được gọi là chiết áp khi đường ray điện trở được chế tạo

từ loại chất dẻo dẫn điện, chiết áp loại này làm việc bền vững trong thời gian dài

 Biến trở dây quấn

Loại biến trở dây quấn dùng cho các mạch điện công

suất trung bình hoặc công suất lớn (đến 1kW), được quấn

trên lõi sứ (hình 2.21), thường không dùng lớp bảo vệ hoặc

một lớp chịu nhiệt, trừ phần đường ray di chuyển điểm tiếp

xúc của con chạy Quan hệ biến thiên điện trở với đoạn làm

việc của biến trở là tuyến tính, nhưng thực chất là nhảy bậc

(không liên tục)

2.1.4 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở

Các giá trị điện trở cố định hay giá trị đã cho (của loại biến đổi được) xác định thường

ở 200C Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị của điện trở thay đổi theo Mức độ biến thiên được xác định qua hệ số nhiệt :

ở đây: R là sự biến thiên giá trị điện trở vì nhiệt độ;

R20 là giá trị điện trở tính tại 200C;

 là lượng biến thiên nhiệt độ tác động lên điện trở;

RK gọi là điện trở lạnh; RW gọi là điện trở nóng

Thay giá trị R đã có vào biểu thức của RW và RK, có:

1C

Hình 2.21 Biến trở dây quấn trên lõi sứ

2.1.5 Nhiệt điện trở nóng và nhiệt điện trở lạnh

a) Nhiệt điện trở nóng

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nếu điện trở được chế tạo từ các loại vật liệu

có hệ số  lớn, khi đó chúng được gọi là các nhiệt

điện trở Khi  > 0 (nhiệt độ tăng) thì R < 0

(điện trở giảm) nhiệt điện trở được gọi là loại nóng

(nhiệt điện trở nóng NTC) Còn khi  > 0 thì R

> 0 gọi là nhiệt điện trở lạnh PTC

Vậy, loại điện trở NTC (Negative Temperature

Coefficitent) có hệ số  < 0 (hình 2.22)

Giá trị của nhiệt điện trở nóng (NTC) giảm

khi nhiệt độ tăng, hệ số  âm và có độ lớn (môđun)

phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng và vào nhiệt độ

Với các loại NTC,  thường có giá trị -2%/0C đến -10%/0C, các vật liệu sử dụng để chế tạo điện trở NTC thường là hợp chất bán dẫn đa tinh thể như oxyt sắt, oxyt niken, oxyt cacbon hay các hợp chất có titan

 Giá trị định mức và giá trị giới hạn

Các tham số định mức và tham số giới hạn do nhà sản xuất đưa ra hỗ trợ người sử dụng những thông tin quan trọng ở chế độ làm việc và ở chế độ tới hạn (sức chịu đựng) của linh kiện trong điều kiện khắt khe nhất Đối với điện trở NTC có các thông số sau:

R20: Điện trở ở trạng thái lạnh (ở 200C), có khi cho ở các nhiệt độ lạnh khác như: R25

(ở 250C) hoặc R40 (ở 400C)

t: Thời gian nguội: tính từ lúc đạt tới Pmax (sau khi ngừng tác động nhiệt) đến khi giá trị điện trở tăng gấp đôi khi nhiệt độ giảm

Tol: Dung sai của R20 (hay R25, R40)

Pmax: Công suất cho phép lớn nhất

max0: Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép khi không tải

maxP: Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép khi P = Pmax

Hình 2.23 là ký hiệu quy ước điện trở NTC trong mạch điện, ký hiệu hai mũi tên ngược chiều nhau thể hiện quan hệ nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại

Hình 2.23 Ký hiệu nhiệt

Hình 2.22 Quan hệ điện trở nhiệt độ

của loại NTC điện trở

 Ứng dụng

Phần lớn ứng dụng của điện trở NTC là để ổn định nhiệt cho các mạch bán dẫn nhờ hiệu ứng gây hồi tiếp âm bù lại phần mất ổn định nhiệt do linh kiện khác gây ra Khi cung cấp cho nhiệt điện trở NTC một dòng điện ổn định, có thể dùng nó như một cảm biến nhiệt

độ (sensor nhiệt) để đo hay điều chỉnh nhiệt độ trong một hệ thống đo lường điều khiển

b) Nhiệt điện trở lạnh

 Cấu tạo và hoạt động

Nhiệt điện trở lạnh (điện trở PTC: Positive

Temperature Coefficient) có giá trị điện trở nhỏ nhất ở

trạng thái lạnh và tăng giá trị khi nhiệt độ tăng lên (đồ

thị hình 2.25)

Giá trị điện trở của loại điện trở PTC tăng lên khi

tăng nhiệt độ

Trên đồ thị hình 2.25, bắt đầu từ nhiệt độ A (nhiệt

độ khởi động) giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng,

đoạn A <  < N có tính chất phi tuyến mạnh; đoạn

N <  < E quan hệ tuyến tính và là vùng làm việc chủ

yếu của nhiệt điện trở PTC, giá trị R của điện trở tăng

mạnh (nhiều cấp thập phân) theo nhiệt độ tăng do hình

thành các lớp khoá có điện trở lớn trong tinh thể vật liệu Hệ số  trong khoảng từ 200C đến A có giá trị âm Khi  > A,  có dấu dương và rất lớn trong đoạn N đến E

Độ lớn của  do loại vật liệu sử dụng và do nhiệt độ quyết định Giá trị thông thường của  từ 7%/0C đến 50%/0C

Ký hiệu quy ước loại nhiệt điện trở lạnh (PTC) cho trên hình

2.26 Loại điện trở nhiệt PTC được làm từ loại gốm titan đa tinh

thể cho pha tạp vài chất lạ có chọn lọc

 Thông số của nhiệt điện trở PTC

Umax : Điện áp làm việc tối đa cho phép

Hình 2.25 Quan hệ điện trở nhiệt

độ của loại PTC

Hình 2.26 Ký hiệu nhiệt điện trở lạnh

Nhiệt độ của điện trở PTC xác định qua điện áp làm việc đặt lên nó và qua sự làm mát

nó quyết định

Hình 2.27 Nhiệt điện trở lạnh làm phần tử

Hình 2.27 nêu một ứng dụng của điện trở nhiệt

PTC thông báo trạng thái đầy mức chất lỏng trong

bình: khi mức chất lỏng trong bình đầy làm ngập điện

trở, nó được làm nguội nhanh và do đó giá trị điện trở

giảm mạnh, dòng điện qua rơle tăng (mạch nối tiếp với

điện trở) hút mạch tự động cắt quá trình làm đầy bình

Đặc tuyến Von-Ampe I-U ở chế độ tĩnh của điện trở

cho trên hình 2.28, vùng U nhỏ tương ứng với chế độ

làm nóng ngoài, còn vùng U lớn ứng với chế độ tự làm

nóng Ở chế độ làm nóng ngoài, đặc tuyến có dạng gần

tuyến tính (hình 2.29), tức là điện trở có giá trị gần như

không đổi Ở chế độ tự làm nóng, đặc tuyến có dạng phi tuyến tính mạnh do quá trình tự tạo nhiệt (dòng lớn) và làm mát điện trở quyết định, khi đó giá trị điện trở thay đổi theo từng điểm làm việc

Vï ng lµm nãng ngoµi Vùng tự làm nóng

Hình 2.29 Đặc tuyến Von-Ampe trong vùng U thấp của hình 2.28

2.1.6 Các điện trở có giá trị phụ thuộc điện áp

a) Cấu tạo và hoạt động

Khi giá trị của điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt trên nó, điện trở được gọi là VDR (Voltage Dependent Resistor), vật liệu thường dùng là sợi Cacbua Silic được thiêu kết ở một nhiệt độ nhất định trong một thời gian xác định Sợi Cácbua Silic là loại vật liệu bán dẫn điện đa tinh thể có cấu tạo từ nhiều tinh thể bán dẫn nhỏ hơn có tính dẫn điện khác nhau Giữa các vùng bán dẫn này xuất hiện các lớp chắn giống như trong diot bán dẫn Việc phân cực các lớp chắn là hoàn toàn không đều nhau Dưới tác động của điện trường ngoài, các lớp chắn được phân cực khác nhau, tạo ra các vùng có điện trở suất khác nhau Khi cường độ điện trường càng lớn thì càng nhiều lớp chắn được phân cực

Giá trị điện trở của phần tử VDR luôn giảm khi điện áp đặt vào tăng lên Cực tính của điện áp không có vai trò quyết định Đặc tuyến thể hiện sự thay đổi điện trở của VDR theo điện áp đặt trên nó cho ở hình 2.30a Đặc tuyến Von-Ampe I-U của VDR cho ở hình 2.30b

Hình 2.30 b) Các tham số định mức và tham số giới hạn của VDR

Các tính chất quan trọng nhất của VDR được thể hiện qua đặc tính Von-Ampe hình 2.30b Quan hệ I(U) là phương trình dạng:

trong đó:  là hệ số điều chỉnh;

C là hằng số phụ thuộc vào kích thước hình học của VDR

Hằng số C có giá trị từ 15 đến 5000, được xác định khi cho dòng điện bằng 1A chảy qua VDR

Hệ số hiệu chỉnh b quyết định độ dốc của đặc tuyến (nằm trong dải từ 0,15 đến 0,40) Tham số giới hạn có:

Pmax: Công suất tối đa cho phép;

max: Nhiệt độ tối đa cho phép

Các tham số định mức được xác định khi tác động điện áp một chiều lên VDR và đặc tính Von-Ampe cũng xác định với điện áp một chiều Ở chế độ xoay

chiều đường đặc tính có lệch một chút Ký hiệu quy ước của VDR được

cho trên hình 2.31 Các mũi tên ngược chiều nhau thể hiện khi tăng điện

áp tác động lên VDR thì điện trở của nó giảm hoặc ngược lại

  

1 0,2

  

1 0,2

1

UIC

 Ứng dụng của VDR

Một ứng dụng phổ biến và quan trọng của VDR là hạn chế điện áp khi VDR được coi

là một điện trở bảo vệ nối song song với phần tử cần được bảo vệ chống quá áp (hình 2.32) Với một điện áp hình sin tác động lên VDR, đáp ứng dòng điện không còn dạng hình sin và được thể hiện trên hình 2.33 Trường hợp ngược lại cũng tương tự nếu dòng tác động qua VDR là hình sin thì điện áp trên nó không còn dạng hình sin Việc sửa (làm méo dạng) điện áp hay dòng điện như trên được sử dụng trong kỹ thuật xung, kỹ thuật truyền hình và kỹ thuật điều khiển hoặc điều chỉnh

dư ra Ngược lại vật thể sẽ tích điện dương khi số

lượng electron ít hơn số proton và lượng điện tích

dương của nó được xác định bằng tổng các điện tích

nguyên tố của số proton dư thừa

Không gian xung quanh vật thể tích điện là một

trạng thái đặc biệt gọi là trường điện Trường điện

được tạo từ các đường sức, được sắp xếp có trật tự bắt

đầu xuất phát từ điện tích dương và kết thúc nơi điện

tích âm Nếu hai vật thể dẫn điện được bố trí cách ly

nhau và được đặt vào một điện áp, khi đó hai vật thể này được nạp điện (hình 2.34)

Vật thể được nối tới cực âm của nguồn áp sẽ nhận được một lượng điện tử dư thừa và phía đối diện, vật thể thứ hai sẽ thiếu hụt một lượng electron tương đương khi nó nối tới cực dương của nguồn áp Giữa hai vật thể đã xuất hiện một trường điện

Hình 2.34 Điện trường phân bố giữa các vật tích điện

Số lượng điện tích Q hai vật thể đang xét nhận được phụ thuộc vào kết cấu hai vật thể, hình dạng của chúng và độ lớn của trường điện

Trường điện xuất hiện phụ thuộc giá trị điện áp đặt vào, vào kích thước vật thể và khoảng cách giữa chúng Điện dung của hệ thống hai vật thể đang xét là đại lượng đặc trưng cho sự kết hợp các yếu tố đã nêu trên (kích thước vật thể, cường độ điện áp đặt vào ) Theo định nghĩa điện dung C là tỷ số giữa điện tích Q và điện áp U:

trong đó: Q là điện tích của hệ hai vật thể đang xét;

C là điện dung của hệ;

U là điện áp đặt vào chúng

Do đơn vị đo lường của Q là Ampe giây (As) = Culon, của điện áp U là Volt (V), nên đơn vị đo của điện dung là: = Ss (đọc là Siemens sekunde) được gọi là Fara (F): 1F = 1Ss Theo đó có các đơn vị ước số: 1mF = 10-3F; 1µF = 10-6F; 1nF = 10-9F và 1pF = 10-12F

là các đơn vị nhỏ hơn của Fara

Một phần tử có điện dung 1F khi với một điện áp 1V đặt lên, vật thể sẽ nhận được một điện tích 1 Culon

Điện dung chỉ hình thành giữa hai vật thể dẫn điện nằm cách ly nhau về điện Hai vật thể có thể rất lớn như một vệ tinh và quả đất hay rất nhỏ như hai sợi dây dẫn song song cạnh nhau

Điện dung là một thuộc tính dưới tác động của một điện áp, các điện tích sẽ được nạp

Một tụ điện gồm hai bản kim loại (hình 2.35) có điện dung:

a là khoảng cách giữa hai bản kim loại

Để có C lớn thường dùng hai lá kim loại cách ly nhau bằng một lớp cách điện mỏng và được quấn lại song song nhau

0 r.Aa

 

Hình 2.35 Tụ điện phẳng

Lớp điện môi Mặt phẳng

A

Do lớp điện môi có điện trở không phải vô cùng lớn (có giá trị hữu hạn) nên khi đã được nạp điện tích (từ nguồn áp ngoài) tụ sẽ tự phóng điện qua điện trở của lớp điện môi Ngoài ra, khi làm việc lớp điện môi bị làm nóng và gây ra tổn hao (nhiệt) cho tụ điện, tổn hao ở chế độ một chiều khi chịu tải và ở chế độ xoay chiều

Cần phân biệt hai dạng tụ điện: tụ một chiều và tụ xoay chiều

Tụ một chiều được chế tạo để chỉ làm việc với điện áp một chiều khi đó vật liệu điện môi có tính chất tổn hao rất lớn ở chế độ xoay chiều Tụ một chiều luôn có điện áp danh định và không thể làm việc với điện áp xoay chiều có trị biên độ bằng giá trị danh định này Trong một số trường hợp đặc biệt, chúng có thể làm việc với các điện áp xoay chiều với biên độ rất nhỏ (trên nền giá trị một chiều lớn, ví dụ tụ lọc trong nguồn chỉnh lưu) tụ xoay chiều chỉ làm việc với tín hiệu xoay chiều Các tụ điện có kích thước hình dạng và chủng loại rất khác nhau

Tham số danh định và tham số giới hạn thể hiện các tính chất của tụ điện

 Tham số danh định:

 Điện dung danh định;

 Dải nhiệt độ làm việc;

 Độ lệch (dung sai)

 Thời gian sử dụng:

 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện dung;

 Độ tin cậy khi làm việc;

 Sự phụ thuộc độ ẩm của điện dung;

 Hệ số tổn hao;

 Hằng số thời gian tự phóng điện

 Tham số giới hạn:

 Điện áp giới hạn (danh định);

 Điện áp giới hạn tác động lâu;

 Điện áp giới hạn hay đỉnh (tác động nhanh);

 Điện áp xoay chiều tối đa

Các giá trị của tụ điện (giá trị điện dung của tụ) được quy định biểu diễn theo mã màu với các màu cơ bản giống như quy định quốc tế với điện trở Dùng loại mã màu 5 vòng, quy định tuân theo bảng 2.4

Chú ý, tụ điện có điện dung danh định theo tiêu chuẩn IEC - loạt chuẩn tương tự cho loạt E6, E12, E24; sai số tuân theo loạt E48, E96 và E192 Ngoài ra, với các tụ điện bọc kim cần chú ý chân nối 0V và phân biệt nó với các chân nối ra mạch ngoài

Sự phụ thuộc của điện dung vào nhiệt độ được xác định qua hệ số nhiệt c trong hệ

với: C là sự thay đổi điện dung do nhiệt độ gây ra;

C là giá trị điện dung của tụ điện tại 200C (hay tại 400C) (trị danh định);

c là hệ số nhiệt của tụ đo bằng 1/0C;

 là sự biến thiên của nhiệt độ tác động trực tiếp lên tụ C

Thời gian phóng điện s là tích số của điện trở cách điện Ris và điện dung C của tụ

s = Ris.C

Tụ điện có s càng lớn thì chất lượng càng tốt, giá trị của s thường trong khoảng 1000s đến 10000s (s: giây)

Hình 2.36 Ký hiệu quy ước

Sai sè

Dải nhiệt độ làm việc, thời gian sử dụng (ví dụ từ 8 đến 15 năm) Độ tin cậy khi làm việc (ví dụ 100 000 giờ/3%), hệ số tổn hao  là các tham số khác do nhà sản xuất cung cấp thông tin cho người sử dụng Chú ý, hệ số tổn hao  tăng theo sự tăng của tần số Khi nhiệt

độ tăng cao điện áp danh định giảm (ví dụ ở 400C điện áp danh định là 100V thì ở 800C giá trị này chỉ còn lại 60V) Khi làm việc ở chế độ xung, cần quan tâm tới giá trị điện áp đỉnh danh định, nó cho biết khả năng chịu điện áp trong một thời gian ngắn của tụ

b) Cấu tạo tụ điện

 Tụ giấy và tụ mica

Tụ giấy (hình 2.38) gồm hai tờ kim loại

mỏng thường là giấy nhôm được cách ly nhờ

một tấm giấy mỏng Hệ thống trên được cuộn

tròn chặt lại, sau đó được tạo hai cực ra từ hai tờ

giấy kim loại và được bọc kín bằng vật liệu

chống ẩm, có độ cứng bảo vệ, chống cháy

Ngày nay lớp cách điện thường được dùng

là lớp vật liệu nhân tạo (mica, polyme) có nhiều

ưu điểm hơn giấy: kích thước gọn hơn, giá trị

điện dung C và điện áp chịu đựng ổn định hơn

Đặc biệt, vật liệu polystyrol có nhiều ưu điểm về

tổn hao điện môi thấp, hệ số nhiệt c âm, giá trị

nhỏ thích hợp cho việc sử dụng ở tần số cao, ví

dụ trong mạch tạo dao động tần số cao

 Tụ kim loại - giấy (tụ MP)

Bề dày của phiến kim loại không ảnh hưởng

tới giá trị điện dung của tụ Khi muốn có một giá

trị điện dung lớn (trên một đơn vị thể tích với

một điện áp nạp xác định) cần giảm bề dày phiến

kim loại tới mức tối thiểu Tụ kim loại - giấy được chế tạo để đạt được mục đích trên Kim loại được bốc bay dưới dạng một lớp mỏng trên bề mặt giấy cách điện Bề dày lớp kim loại

cỡ 0,05µm Bề dày lớp giấy được chọn tuỳ điện áp danh định cần có, các lớp kim loại mỏng có điện trở tương đối lớn là nhược điểm của loại tụ MP Các chân tụ (các cực) được lấy ra trên hai mặt đã được mài nhọn ở đầu cuộn về 2 phía của lớp kim loại Việc cấu tạo này làm giảm điện cảm riêng của cuộn

Nếu thực hiện đục một lỗ thủng (hình 2.39), tại vùng xung quanh lỗ sẽ xuất hiện trong thời gian ngắn một mật độ dòng điện khá lớn Đây là điểm đặc biệt của các lớp kim loại được bốc bay phủ thành màng mỏng Lớp điện môi nhờ đó không bị phá huỷ Điểm thủng

lỗ là cách ly về điện Lỗ thủng có tính chất tự lành lại (tự hồi phục)