Linh kiện điện tử thụ động

Tính năng, cấu tạo của các linh kiện điện tử thụ động: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm; cấu tạo các loại điện trở, cách ký hiệu giá trị; các loại tụ điện, cấu tạo và ký hiệu giá trị; cấu tạo và các đặc điểm cuộn cảm.

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG

I KHÁI QUÁT

- Nếu quan hệ i, u là phương trình đại số bậc nhất, hoặc theo phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất thì phần tử là phần tử tuyến tính Đặc điểm quan hệ này là

có tính xếp chồng

- Nếu quan hệ i, u không có tính chất xếp chồng thì phần tử là phi tuyến

- Mạch điện chỉ gồm những phần tử tuyến tính thì gọi là mạch điện tuyến tính

- Các linh kiện tuyến tính phổ biến là điện trở (ký hiệu R), tụ điện (C) và điện cảm (L) Chúng còn có tên gọi là các linh kiện thụ động

+ Điện trở: Là phần tử tiêu hao năng lượng dòng điện dưới dạng nhiệt năng Quan hệ dòng và áp: u = i.R

+ Tụ điện là cấu kiện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường

Quan hệ giữa dòng và áp: i = C (du/dt)

+ Cuộn cảm là cấu kiện có khả năng tích trữ năng lượng dòng điện dưới dạng từ trường

Quan hệ giữa dòng và áp : u = L.(di/dt)

Ba loại linh kiện thụ động này có mặt trong hầu hết các mạch điện tử

II ĐIỆN TRỞ

1 Tác dụng

- Tác dụng chính: Phân phối dòng điện trong mạch điện, biến đổi năng lượng điện thành nhiệt năng

- Vật liệu chính chế tạo điện trở là vật liệu dẫn điện có  lớn như các kim loại, hợp kim, than chì,

- Một số ứng dụng cụ thể:

+ Sử dụng trong các mạch phân áp để phân cực cho linh kiện bán dẫn

+ Làm phần tử hạn dòng cho các linh kiện

+ Sử dụng trong các dụng cụ sinh hoạt (bàn là, bếp điện hay bóng đèn,…) hoặc các thiết bị trong công nghiệp (thiết bị sấy, sưởi,…)

+ Xác định hằng số thời gian: Trong một số mạch tạo xung, điện trở được sử dụng để xác định hằng số thời gian

…

2 Phân loại, ký hiệu, tham số chính

a) Phân loại

- Theo đặc tuyến Vôn- ampe:

+ Điện trở tuyến tính;

+ Điện trở phi tuyến

- Theo đặc điểm cấu tạo:

+ Điện trở có giá trị cố định;

+ Điện trở có giá trị thay đổi

- Theo vật liệu chế tạo:

+ Điện trở làm bằng than trì;

+ Điện trở làm bằng dây cuốn;

+ Điện trở làm bằng màng kim loại;

+ Điện trở hỗn hợp

b) Ký hiệu

c) Tham số chính

Giá trị danh định

- Giá trị danh định của điện trở được sản xuất theo thang giá trị quy định của từng nước và được ghi trên bề mặt điện trở bằng chữ số hoặc bằng vạch màu Đơn

vị của điện trở là , K, M

- Cấp chính xác của điện trở chia ra nhiều cấp

Quy định cấp chính xác của điện trở

001; 002; 005 0,1%; 0,2%; 0,5%

I; II; III 5%; 10%; 20%

- Đối với điện trở ký hiệu bằng vạch màu hoặc chấm màu cách đọc giá trị điện trở như sau:

Bảng Ý nghĩa và giá trị các vòng màu trên điện trở

Màu

sắc đen nâu đỏ Cam Vàng Xanh lục Xanh lơ Tím Xám Trắng Vàng nhũ Bạc nhũ Không màu

% 20

% + Với điện trở có 4 vòng màu:

* Vòng thứ nhất và thứ hai chỉ giá trị của hai chữ số có nghĩa;

U Điện trở Varixto

R

Đ trở cố định

Chiết áp

t 0 Điện trở nhiệt

Biến trở

Điện trở công suất

* Vòng thứ ba chỉ bội số nhân 10n mà n là giá trị chữ số ứng với vòng thứ ba (hay chính là những chữ số không thêm vào đằng sau hai chữ số có nghĩa trên);

* Đơn vị đo là ;

* Vòng thứ tư chỉ dung sai của trị số danh định

R= 1000 ± 200 Ω (màu: Nâu, đen, đỏ, không màu)

Công suất danh định

- Là tham số chỉ công suất tiêu tán của điện trở trong điều kiện khai thác tiêu chuẩn, với công suất này điện trở làm việc ổn định đúng chức năng

- Pdđ phụ thuộc kích thước điện trở, khả năng chịu nhiệt của vật liệu chế tạo Mối quan hệ giữa Pd.đ và điện áp làm việc giới hạn (Ugh):

.R P

Ugh  d.d [V]

- Căn cứ Pd.đ và Rdđ sẽ biết giá trị điện áp lớn nhất (Ugh) có thể đấu vào điện trở mà điện trở không hỏng

Đặc tính tần số

Tần số cộng hưởng:

0

0 C L 2

1



 ch

Độ ổn định nhiệt

- Khi nhiệt độ môi trường thay đổi làm cho giá trị của điện trở biến đổi Sự biến đổi đánh giá qua hệ số nhiệt của điện trở

0 0

1 ) ( ) (

1

C dt

t dR t R

- Tuỳ thuộc cấu tạo và vật liệu chế tạo mà TKR có thể dương hay âm

Bảng hệ số nhiệt của một số loại điện trở

Ký hiệu loại điện trở Nước sản xuất TKHệ số nhiệt

R x 10-4[1/C0]

L 0 R

C 0

3 Một số loại điện trở

a) Điện trở cố định

Điện trở dây quấn

- Quấn dây hợp kim có điện trở suất cao lên một lõi cách điện (Sứ) Bên ngoài phủ một lớp sơn cách điện, men bảo vệ

- Điện trở dây quấn có giá trị không lớn nhưng độ ổn định nhiệt cao, công suất lớn, độ chính xác cao có thể đạt đến dung sai 0,1% Điện cảm riêng L0, và điện dung riêng C0 lớn, nên không dùng ở tần số cao

Điện trở màng than

- Chế tạo: cho khí than ngưng đọng trên lõi cách điện trong môi trường chân không Lớp màng than là lớp vật liệu dẫn điện

- Điện trở màng than có thể đạt giá trị hàng chục M Công suất nhỏ (<5W),

hệ số nhiệt âm (TKR -2.10-4 [1/C0]), chịu nhiệt kém, chịu ẩm kém (dải nhiệt độ làm việc -60  +1000C)

Điện trở màng kim loại

- Cho bốc hơi hợp kim có ρv lớn trong môi trường chân không lên lõi Sứ hoặc thuỷ tinh hay chất dẻo Lớp kim loại dày cỡ 0,1 đến 0,3 m Tuỳ độ dày màng kim loại, chiều dài và độ rộng của các vòng màng kim loại mà giá trị điện trở lớn hay nhỏ Điện trở màng kim loại có giá trị lớn hàng chục M

Điện trở hỗn hợp

Trộn keo liên kết với bột than chì, bột Mica với nhau, đúc thành khối Bên ngoài có lớp men cách điện bảo vệ Điện trở hỗn hợp có tính ổn định kém (TKR 

12.10-4 [1/C0]), độ chính xác kém, tạp âm lớn, tần số làm việc giới hạn thấp

2 Lớp men bảo vệ

3 Lớp bột than xoắn quanh lõi Sứ

4 Lõi Sứ cách điện

1

2 Dây hợp kim có v lớn

3 Lõi Sứ cách điện

4 Đầu dẫn ra

b) Điện trở biến đổi

Biến trở và chiết áp

Điện trở biến đổi có giá trị thay đổi từ Rmin đến Rmax

Điện trở nhiệt

- Sử dụng một số ôxýt kim loại chế tạo ra các điện trở nhiệt, thường từ hỗn hợp Ôxýt Niken, Ôxýt Măng gan, Ôxýt Ma nhê

- Khi thay đổi hàm lượng thành phần của hỗn hợp có thể điều chỉnh được tính chất và tham số của điện trở nhiệt Trị số của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ

- Điện trở nhiệt thường được dùng làm cảm biến để đo nhiệt độ, làm phần tử

bù trừ trong mạch điều khiển v.v

Điện trở Varisto

- Giá trị điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt lên điện trở: I = A.Ux

- Trong đó: x: hệ số phi tuyến, A: hệ số phụ thuộc kết cấu Varisto;

III TỤ ĐIỆN

1 Ứng dụng

- Tụ điện là cấu kiện dùng để tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường và ngăn dòng một chiều cho dòng xoay chều đi qua

- Tính chất nạp và phóng điện tích của tụ điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến điện, nhất là trong kỹ thuật xung, mach KĐ, tích phân, vi phân

- Một số ứng dụng chính:

+ Tụ ghép tầng: Ngăn thành phần một chiều mà chỉ cho thành phần xoay chiều qua, cách ly các tầng về thành phần một chiều, đảm bảo điều kiện hoạt động độc lập của từng tầng trong chế độ một chiều

+ Tụ thoát: Loại bỏ tín hiệu không hữu ích xuống đất (tạp âm) + Tụ lọc: Được sử dụng trong các mạch lọc (thông cao, thông thấp, thông dải hoặc chặn dải)

+ Tụ dùng trong các mạch cộng hưởng LC để chọn tần; sử dụng trong các mạch chỉnh lưu để là phẳng điện áp một chiều

1

2

3

4

5

4

1 Dây điện trở;

2 Vòng tiếp điểm;

3 Lớp men bảo vệ;

4 đầu ra của biến trở;

5 Ống Sứ cách điện

2 Cấu tạo, ký hiệu, phân loại

Cấu tạo

- Gồm 2 điện cực kim loại ở giữa là lớp điện môi cách điện Tham số quan trọng nhất của tụ là trị số điện dung danh định C

 F U

Q

C 

- Đối với tụ phẳng đơn: Cphẳng=ε ε S 0 r  

F 3.6 d  Trong đó: S: Diện tích hiệu dụng của má tụ

d: Khoảng cách giữa 2 bản cực

- Đối với tụ ống: Cống = 0 r  

2 1

2, 41.ε ε l

F D ln D

Trong đó: D2, D1là đường kính ống trong và ngoài

- Cấu tạo tụ hóa: Tụ hóa là loại tụ phân cực, gồm các lá nhôm được cách ly bởi dung dịch điện phân ( C2H4(0H)2, H3BO3, NH4(0H)…)và được cuộn lại thành dạng hình trụ Khi đặt điện áp một chiều lên hai má tụ, xuất hiện màng ôxít kim loại (Al203, Ta205) cách điện đóng vai trò là lớp điện môi Tụ hóa có giá trị điện dung lớn, điện áp đánh thủng thấp (vài trăm vôn), sai số lớn, giá thành thấp

S

 r

d

D 1

D 2

l



1 Dung dịch điện phân;

2 Lớp ô xít điện môi;

3 Cực kim loại

Ký hiệu

- Theo đặc điểm cấu tạo:

+ Tụ không đổi (có C cố định);

+ Tụ biến đổi (có C thay đổi như tụ xoay)

- Theo chất điện môi:

+ Tụ không khí; Tụ giấy; Tụ dầu; Tụ mi ca;

+ Tụ màng mỏng; Tụ thủy tinh; Tụ sứ

- Ngoài ra còn có tụ hoá có cực dương và cực âm chỉ sử dụng trong các mạch điện 1 chiều, khi sử dụng chú ý mắc đúng cực

3 Tham số chính

Trị số điện dung danh định

- Điện dung danh định C chỉ khả năng tích trữ điện tích của tụ điện khi đặt lên hai má tụ điện áp 1V Đơn vị của điện dung là Fara và các ước số của Fara

C=

U

Q; C = 1 Fara, nếu: Q =1 Culông [Cl]; U = 1Vôn [V]

Đơn vị đo: 1F = 10-6F, 1nF =10-9F, 1pF =10-12F

- Trị số điện dung được ghi trên bề mặt của tụ C bằng chữ số hoặc vạch màu hoặc chấm màu Cách đọc trị số điện dung của tụ tương tự như điện trở, chỉ khác đơn vị đo là pF

- Cấp chính xác của điện dung tương tự như điện trở, theo bảng sau:

Quy định cấp chính xác của tụ điện

001; 002; 005 0,1%; 0,2%; 0,5%

I; II; III 5%; 10%; 20%

Độ bền điện

- Độ bền điện là khả năng chịu điện áp một chiều của tụ Đặc trưng cho độ bền điện là các tham số:

+ Điện áp danh định: Udđ là điện áp khai thác tiêu chuẩn của tụ, tụ làm việc

an toàn đến điện áp này

+ Điện áp thử: Uthử  (1,5 đến 3)Udđ

+ Điện áp đánh thủng: Uđánh thủng  (3 - 10)Udanhđịnh

- +

Sự tổn hao trong tụ điện

Đánh giá mức độ tổn hao qua hệ số phẩm chất Q:

Q =

 tg 1

Trong đó  là góc tổn hao, là góc phụ của góc lệch pha I và U Tụ có phẩm chất tốt thì tg nhỏ

- Khi điện dung phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ:

TKC =   



0 0

1 T C C

C

- Khi C không quan hệ tuyến tính:

TKC =

 

 







 0 0 T

1

dC C

0 dT

Tính chất tần số

- Khi làm việc tụ điện như tương đương một mạch điện

- Tần số cộng hưởng riêng:

fc.h =

C L 2π

1 0

- Chọn tần số công tác: fgh 

3

1fc.h

Hằng số thời gian

- Khi tụ nạp UC(t): UC(t) = U0 













  nap

t

e 

Trong đó: U0 là điện áp đặt lên tụ khi nạp;

nạp = C.Rn là hằng số nạp; Rn là điện trở mạch nạp

- Khi tụ phóng điện: Uc(t) = U0 phong

t

e Trong đó: U0 là giá trị hiệu điện thế giữa hai má tụ khi bắt đầu phóng ;

L 0 : Điện cảm của má tụ và dây nối;

R: Điện trở của điện môi;

r: Điện trở má tụ, dây nối

R

ph = C.Rph là hằng số phóng; Rph là điện trở mạch phóng

t: Thời gian kể từ khi bắt đầu phóng

4 Một số loại tụ điện

Tụ giấy và tụ màng mỏng

Lớp điện môi trong tụ là giấy, với tụ màng mỏng thì điện môi của tụ là màng chất dẻo Các loại tụ này thường chế tạo theo dạng cuộn tròn từng lớp một

Bọc bên ngoài dùng parafin, hoặc dùng ống Sứ, ống kim loại

Tụ giấy có phẩm chất không cao, tổn hao lớn, kém chịu nhiệt chịu ẩm, nhưng C lớn đến 10F Tụ giấy có giá thành rẻ, sử dụng ở tần số thấp

Tụ màng mỏng kết cấu như tụ giấy nhưng phẩm chất màng chất dẻo tốt hơn giấy nên tụ màng mỏng tốt hơn tụ giấy

Tụ kim loại

Kết cấu gần tương tự như tụ giấy, chỉ khác là phủ trực tiếp lớp kim loại nhôm (Al) làm điện cực lên bề mặt của giấy làm điện môi (hình c) Cấu tạo không có khe hở giữa lớp điện môi và bản cực nên làm việc ổn định Tụ có khả năng tự phục hồi sau khi

bị đánh thủng lớp điện môi Loại này tổn hao lớn, kích thước nhỏ

Tụ mica và Thuỷ tinh

Có chất lượng tốt hơn tụ giấy và màng mỏng nhưng giá thành cao Độ bền điện cao, điện dung danh định nhỏ, chịu nhiệt chịu ẩm tốt Udđ có thể đạt 2500V

Tụ Thuỷ tinh có thể làm việc đến nhiệt độ1250C, hệ số nhiệt TKC  100.10-6

[1/C0]

Tụ sứ

Đây là nhóm tụ phong phú và đa dạng cả về chất lượng, tham số và kết cấu

Do Sứ là điện môi tốt nên chất lượng và độ ổn định tham số của tụ Sứ rất cao, khi

thay đổi thành phần hoá học của Sứ người ta chế tạo ra các loại tụ có phẩm chất cao, chịu ẩm, chịu nhiệt, chịu điện áp cao

Một số tham số chính:

+ Dải nhiệt độ làm việc - 600C  800C

+ tg < 20.10-4

+ Hệ số nhiệt: TKC=+300.10-6- 1500.10-6 [1/C0]

+ Điện trở cách điện: Rcđ > 10.000 M

+ Điện áp danh định: Udđ từ vài chục vôn đến 10KV với tụ Sứ cao áp

Tụ hoá

Khi dùng kim loại (Tantal) làm điện cực, điện môi hình thành sẽ là Ta2O5, có phẩm chất tốt hơn Al2O3, vì vậy tụ Tantal tốt hơn tụ Nhôm, chúng có điện dung rất lớn đạt hàn vạn F, kích thước trọng lượng nhỏ

Khi sử dụng tụ hoá chúng ta cần chú ý một số điểm sau:

+ Nếu để lâu không sử dụng lớp điện môi có thể bị phá huỷ dần vì vậy trước khi dùng lại cần đặt điện áp tăng dần từ thấp lên đến Udanh định để khôi phục lớp điện môi

+ Không nên sử dụng ở nhiệt độ quá thấp đối với tụ hoá vì chất điện phân bị đông đặc làm tăng điện trở, tụ không thông với mạch điện và mất tác dụng

+ Cần mắc đúng cực Cho tụ phóng hết điện tích trước khi sửa chữa

Tụ xoay

Điện môi dùng trong tụ xoay có thể là không khí, dầu, mica, thạch anh, chất dẻo v.v

.d 3,6

1).S (n ε ε





Biến đổi điện dung: Cmin ứng với Shdmin; Cmax ứng với Shdmax

3

2

3

1

a)

3

IV CUỘN CẢM

1 Sơ lược về cuộn cảm

- Cuộn cảm là cấu kiện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng từ trường

- Tạo từ trường từ dòng điện:

+ Khi cho dòng điện một chiều qua cuộn dây, dòng điện sẽ tạo nên từ trường đều trong lõi cuộn dây (được xác định theo quy tắc vặn nút chai)

+ Khi cho dòng điện biến thiên đi qua cuộn dây thì từ trường sinh ra trong cuộn dây cũng là từ trường biến thiên

- Tạo dòng điện bằng từ trường: Theo 2 định luật cơ bản:

+ Định luật Faraday: Nếu từ thông qua một cuộn dây biến thiên sẽ sinh ra trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng có độ lớn tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông

+ Định luật Lentz: Sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng

có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó.Hai định luật trên giải thích đầy đủ cho các hiện tượng cảm ứng điện từ, hiện tượng tự cảm và hỗ cảm

- Cuộn cảm dùng để tạo khung cộng hưởng, các bộ lọc, các mạch cộng hưởng, cuộn chặn

2 Phân loại, ký hiệu, tham số chính

a) Phân loại, ký hiệu

Phân loại

- Theo trị số điện cảm:

+ Cuộn cảm không đổi;

+ Cuộn cảm biến đổi

- Theo đặc điểm cấu tạo:

+ Cuộn cảm có lõi là không khí;

+ Cuộn cảm có lõi là ferit;

+ Cuộn cảm có lõi là sắt từ

- Theo tần số:

+ Cuộn cảm thấp tần;

+ Cuộn cảm cao tần

b) Tham số chính

Điện cảm L

- Hệ số điện cảm là tham số chính đặc trưng cho tính chất của cuộn cảm

- Biểu thức tính: L = 0.r

4l

.N

πD 2 2

[H]

Trong đó: r: Độ từ thẩm tương đối của vật liệu trong lòng cuộn cảm

- Đơn vị đo của cuộn cảm là Henri [H] và các ước số của Henri

Trở kháng của cuộn cảm

- Trong thực tế luôn tồn tại điện trở thuần R bên trong cuộn dây nên trở kháng toàn phần của cuộn cảm là tổng của điện trở thuần và cảm kháng:

ZL = RL + j.2π.f.L

- Công thức trên mô tả đặc tính tần số của cuộn cảm Với thành phần dòng 1 chiều, cuộn cảm cho dòng đi qua với cảm kháng bằng 0, còn ở tần số càng cao, cảm kháng càng lớn Do vậy, cuộn cảm là cuộn chặn tần số cao

Đặc tính tần số

- Cuộn cảm có sơ đồ thay thế tương đương:

- Tần số cộng hưởng riêng:

0

1



 ch f

L C

- Chọn tần số công tác: 1

3



lv ch

N

D

l

 r

R: Điện trở của dây;

r: Điện trở của vật liệu cách điện giữa các vòng dây;

C 0 : Điện dung ký sinh giữa các vòng dây

C 0

r

R L