Bài giảng điện tử 2

Nguyên tắc tạo tín hiệu từ tín hiệu tam giác là dùng bộ điện trở cùng hai dãy diode để giảm hệ số phân áp của mạch khi tín hiệu vào lớn (theo từng khoảng thời gian) làm tín hiệu vào bộ[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2018

THS LÊ MINH ĐỨC

§IÖN Tö 2

2

Chương 1: Phần tử nhiều mặt ghép P - N.Giới thiệu một số linh kiện

điện tử có cấu trúc đặc biệt như SCR,TRIAC, DIAC, UJT… và ứng dụng điển hình của chúng trong thực tế

Chương 2: Khuếch đại Đề cập tới cách mắc mạch khuếch đại sử dụng

transistor hiệu ứng trường(FET), cách ghép tầng trong một bộ khuếch đại, mạch khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thuật toán (OA): cấu trúc, đặc điểm và các ứng dụng như mạch cộng, mạch trừ, mạch vi phân, mạch tích phân, mạch lọc tích cực…

Chương 3: Tạo dao động điều hòa và nguồn một chiều Đề cập tới định

nghĩa, điều kiện của mạch tạo dao động hình sin; phân tích các mạch tạo dao động hình sin ghép biến áp, ghép RC, mạch dao động 3 điểm, dao động thạch anh Phân tích mạch cung cấp nguồn một chiều; các phương pháp bảo vệ quá dòng, quá áp của bộ nguồn; giới thiệu bộ nguồn chuyển mạch

Chương 4: Mạch điện tử ứng dụng Giới thiệu các mạch điện ứng dụng

thực tế sử dụng kiến thức đã trang bị ở 3 chương đầu Đề cập tới yêu cầu chức năng và nguyên lý hoạt động của các thiết bị đo lường điện tử; mạch chuyển đổi (điện áp/dòng điện, D/A, A/D, tần số/dòng điện, đo nhiệt độ…)

Bài giảng được biên soạn phù hợp với chương trình môn học Điện tử 2 mới nhất đã được Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt

Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn và chỉnh sửa nội dung, song đây là lần biên soạn đầu tiên nên chắc chắn không thể tránh được sai sót, rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các sinh viên để hoàn thiện bài giảng trong những lần tái bản sau Các ý kiến góp ý xin gửi về: Bộ môn Kỹ thuật điện &

Tự động hóa, Khoa Cơ điện & Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp

Tác giả

4

5

Chương 1 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P- N

Nội dung trong chương này giới thiệu về các linh kiện bán dẫn được cấu

tạo từ nhiều mặt ghép P-N như Thyristor, TRIAC, Diac, transistor một tiếp giáp

(UJT), diode Shortkey… và các ứng dụng điển hình của chúng: mạch chỉnh lưu

có điều khiển, mạch chuyển đổi điện áp, mạch khống chế pha, mạch kích…

1.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến và tham số của Thyristor

Thyristor là một cấu kiện chỉnh lưu có điều khiển quan trọng trong họ Thyristors Do được làm từ vật liệu Silic nên còn có tên gọi là cấu kiện chỉnh lưu Si có điều khiển SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Cấu kiện chỉnh lưu Si có điều khiển cấu tạo từ các dụng cụ như nhiều mặt

ghép P-N Các dụng cụ chỉnh lưu có đều có cấu trúc dạng bốn lớp bán dẫn công nghệ P- N- P-N xếp liên tiếp nhau

1.1.1 Cấutạo của Thyristor

Thyristor được chế tạo từ bốn lớp bán dẫn P1-N1-P2-N2 đặt xen kẽ nhau (trên đế N1 điện trở cao, tạo ra 2 lớp P1

++

và P2 +

, sau đó tiếp N2++) Giữa các lớp

bán dẫn này hình thành các chuyển tiếp P-N lần lượt là J1, J2,J3 và lấy ra 3 cực là Anode (A), Cathode (K) và cực khống chế G (hình1.1a)

Để tiện cho việc phân tích nguyên lí làm việc của Thyristor hãy tưởng tượng 4 lớp bán dẫn của Thyristor có thể chia thành hai cấu trúc transistorP1N1P2 và N1P2N2

như hình 1.1a với sự nối thông các miền N1 và P2 giữa chúng Từ đó có thể vẽ được

sơ đồ tương đương như hình 1.1b Kí hiệu quy ước của Thyristor cho trên hình 1.1c

Hình 1.1.Cấu tạo và ký hiệu của Thyristor

6

1.1.2 Nguyên lý làm việc củaThyristor

Có thể biểu diễn một Thyristor bằng sơ đồ tương đương với hai transistor

Q1, Q2mắc nối tiếp (hình 1.2) Trong đó: Q1 là transistor loại PNP, Q2 là transistor loại NPN

a) Trường hợp cực G hở mạch (I G = 0)

- Khi UAK> 0: J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược, toàn bộ điện áp UAK

đặt lên J2 Khi UAK còn nhỏ, trong mạch chỉ có dòng bão hoà ngược ICB0 của chuyển tiếp J2

- Khi UAK> 0 đủ lớn: Tăng mức độ phân cực thuận cho tiếp giáp J1, J3, tăng phân cực ngược cho J2 Khi UAK tăng tới điện áp đánh thủng J2 J2 bị đánh thủng trở thành dẫn điện Khi đó J1, J3tương đương hai Diode phân cực thuận mắc nối tiếp và nối tắt qua J2Thyristor chuyển sang trạng thái mở Khi Thyristor mở, nội trở của nó giảm về giá trị rất nhỏ coi như bằng không Đối với

vật liệu silic, giá trị điện áp bão hòa của transistorSilic xấp xỉ 0,2V còn UBE cỡ

khoảng 0,7V.Điện áp rơi trên hai cực A và K sẽ là:UAK = UEC1 + UBE2 0,2V +

0,7V  0,9V Giá trị điện áp UAK làm cho Thyristor chuyển trạng thái từ ngắt

sang mở gọi là điện áp kích mở tự nhiên (Ukmtn)

Như vậy, phương pháp tăng điện áp phân cực thuận UAK để Thyristor

chuyển từ khoá sang mở gọi là phương pháp kích mở bằng điện áp thuận

(phương pháp kích mở tự nhiên)  phương pháp này không dùng trong thực tế

- Khi UAK< 0: J1, J3 phân cực ngược, J2 phân cực thuận, dòng qua Thyristor

là dòng rò ngược (chiều từ K  A) có trị số nhỏ

Hình 1.2 Mạch điện minh họa hoạt động của Thyristor

- Khi UAK< 0 đến giá trị Ung.max  J1, J3 bị đánh thủng  dòng ngược qua Thyristor tăng nhanh Thyristor bị hỏng

7

b) Trường hợp I G 0 (phương pháp kích mở bằng dòng điều khiển)

Khi UAK<Ukmtn ta đặt một điện áp UGK> 0  điện áp UGK tạo ra dòng (IG +

ICB0), nếu dòng này lớn hơn dòng mở của transistor T2 T2 mở

T1mởThyristor chuyển sang trạng thái mở hoàn toàn Khi Thyristor đã mở thì

sự có mặt của dòng IG không còn có ý nghĩa Như vậy, ta chỉ cần đưa một điện áp

UGK có giá trị nhỏ (một xung điện áp dương có biên độ, độ rộng đủ lớn) làm mở Thyristor

c)Tính dòng I A , I K trong trạng thái mở

- Theo sơ đồ mạch tương đương của Thyristor ta thấy, khi Thyristor dẫn điện

có dòng điện từ A đến K và giữa các tiếp xúc P-N của Q1 vàQ2 có các dòng điện:

IE1 = IA; IC1 = 1IE1 = 1IA

IE2 = IK; IC2 = 2IE2 = 2IK

Mà dòng collector của mỗi Q1, Q2 là:

IC1 = 1IE1 + IC01 = 1IA + IC01

IC2 = 2IE2 + IC02= 2IK + IC02

Trong đó 1 và 2 là hệ số khuếch đại thác lũ (số nhân thác lũ)

- Dòng điện tổng qua Thyristor là:

Như vậy, khi 1 + 2 = 1  dòng IA tăng vọt và không điều khiển được, tương ứng với tiếp xúc J2 phân cực thuận Lúc này Thyristor dẫn điện  cả hai transistor đều dẫn bão hòaThyristor ở chế độ mở (ON)

Trên thực tế, khi đặt điện áp UAK nào đó lên Thyristor thì chỉ có dòng điện

8

ngược chạy qua Thyristor, còn dòng điều khiển IG sẽ tạo ra một thành phần dòng điện mà khi tổng các hệ số khuếch đại thác lũ của dòng điện 1 + 2 = 1 dẫn tớiThyristor sẽ khởi động

Khi cho một dòng điện vào cực điều khiển G, nó có thể tăng hệ số  mà

không phụ thuộc vào điện áp và dòng điện Dòng IG có tác dụng gia tăng hạt dẫn thiểu số (điện tử) cho lớp bán dẫn P2 để cho tiếp xúc J2 thông (phân cực thuận)

sớm hơn Tùy theo trị số của dòng IG mà điện áp đánh thủng tiếp xúc J2 và trị số

dòng điện duy trì IH thay đổi Khi IG có giá trị càng lớn thì UBF càng nhỏ và IH

càng nhỏ

1.1.3 Đặc tuyến Vôn-Ampe (V-A) của Thyristor

Đặc tuyến V-A thể hiện hoạt động của Thyristor như hình vẽ 1.3 và được

chia thành 4 miền rõ rệt:

a) Phân cực ngược UAK< 0

Thyristor có thể coi như là 2 diode phân cực ngược mắc nối tiếp J1, J3 Khi

UAK càng giảm thì dòng qua Thyristor nhanh chóng bằng dòng bão hòa ngược (bằng dòng bão hòa ngược của các diode), Thyristor làm việc ở “Miền chắn

ngược” hay trạng thái khóa “OFF” Nếu giảm UAK quá nhỏ (UAK<-VBR) thì 2 chuyển tiếp J1,J3 bị đánh thủng theo cơ chế thác lũ và xuyên hầm, dòng đánh thủng tăng vọt có thể làm hỏng Thyristor Vùng làm việc này gọi là “Miền đánh thủng ngược”

Hình 1.3 Đặc tuyến Vôn - Ampe của Thyristor

9

b) Phân cực thuận UAK> 0

*Trường hợp 1: Cực G hở (IG = 0):

Tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược, khi UAK còn nhỏ dòng

IA , IK nhỏ và được quyết định chủ yếu bởi dòng bão hòa ngược của J2, ID = IA =

IK được gọi là dòng dò thuận, Thyristor làm việc ở “Miền chắn thuận” (hay Thyristor ở chế độ trở kháng cao, trạng thái khóa “OFF”)

Nếu tăng dần UAK lên đến điện áp đánh thủng tiếp xúc J2 thì dòng điện qua

SCR tăng vọt Lúc này cả 3 tiếp xúc P-N đều coi như được phân cực thuận, điện

trở của chúng rất nhỏ làm cho sụt áp trên Thyristor giảm hẳn xuống còn khoảng

từ 1  2V Lúc này Thyristor đã chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở

“ON”, hay trạng thái dẫn điện hoặc ở chế độ trở kháng thấp, miền làm việc của Thyristor gọi là “Miền dẫn thuận”

Trong trạng thái mở, dòng điện qua Thyristor được hạn chế nhờ điện trở

mắc ở mạch ngoài và IA>IL(dòng chốt:Dòng điện nhỏ nhất trên Anode yêu cầu

để duy trì Thyristor ở trạng thái mở).Như vậy, khi Thyristor chuyển sang trạng

thái mở thì không cần dòng điều khiển IG Trị số điện áp mà tại đó xảy ra đánh thủng tiếp xúc J2 được gọi là điện áp đỉnh khuỷu VBF(hay điện áp kích mở) Như vậy, khi Thyristor đã dẫn điện thì dòng điện qua nó không thể điều

khiển được nếu dòng IA lớn Theo sơ đồ tương đương, khi tăng UAK tới giá trị

nhất định làm dòng ngược IC1 tăng (khi J2 bắt đầu bị đánh thủng), mà IB2= IC1,khi

IC1lớnhơn dòng mở cho Q2 thì Q2 sẽ mở làm cho IC2tiếp tục tăng, mà IB1=IC2.Như

vậy,IC1tiếp tục tăng, quá trình này xảy ra theo một vòng kín Kết quả là dù điều kiện gây ra sự đánh thủng J2 mất đi (khi UAKgiảm), quá trình cũng vẫn tự động tiếp tục dẫn tới Q1, Q2 mở hoàn toàn, nghĩa làThyristor mở hoàn toàn

Khi Thyristor đã mở hoàn toàn, nếu điện áp phân cực thuận UAKgiảmnhỏ

hơn điện áp kích mở thì dòng IAcũng giảm nhưng Thyristor vẫn mở.Thyristor

chỉ ngừng dẫn khi dòng điện IAbị giảm xuống dưới trị số dòngđiện IH gọi là

dòng điện duy trì và tương ứng với dòng IHta có điện ápduy trì UH

*Trường hợp 2: Cực G có dòng điều khiển (IG0):

Nếu điện áp thuận đặt vào ThyristorUAKnhỏ hơn mức điện áp kích mởUBF,

giữa cực G và K được đặt điện áp UG>0, tạo ra dòng IGđủ lớnlàm mở Q2và quá trình xảy ra theo một vòng kín tương tự như trên làm cho Q1 mở như vậy Thyristor được mở hoàn toàn

10

Điện áp mở ThyristorUGthường là một xung có biên độ đủ lớn, sau

khiThyristor mở nó giữ nguyên trạng thái này cho dù xung mở UGkhông cònnữa, muốn cho Thyristor chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khóa phảilàm cho dòng

IB1 , IB2giảm nhỏ hơn dòng mở của Q1, Q2, điều này cóthể thực hiện được bằng 2 cách sau:

- Giảm nhỏ điện áp thuận UAKIAsẽ giảm IB2 giảm nhỏ hơn dòng mở của Q2 làm cho Q2 khóa, dòng IC2=IB1cũng giảm đi làmcho Q1 khóa, kết quả là Thyristor khóa hoàn toàn

- Tạo điện áp UG<0, làm cho IB2giảm làm cho Q2 khóa, dẫn tới Q1cũng khóa, do đó Thyristor cũng khóa hoàn toàn

Nếu ta tăng dòng điều khiển IG1<IG2<IG3 thì điện áp đỉnh khuỷu VBFcũng

giảm từ VBF1<VBF2<VBF3…và khi IG= IG3thì Thyristor dẫn điện như mộtdiode

Khi UAKthuận tăng lên thì dòng điều khiển cần thiết để khởi động Thyristorsẽ giảm xuống

Chú ý:Khi Thyristor khóa, muốn nó mở trở lại có thể thực hiện bằng 2 cách:

- Tăng điện áp phân cực thuận UAKvượt quá giá trị điện áp kích mở;

- Kích khởi bằng xung điều khiển mở UG>0

1.1.4 Thông số kỹ thuật của Thyristor

Sau đây là các thông số kỹ thuật chính của Thyristor:

- Dòng thuận tối đa (IAmax): Là dòng điện Anode trung bình lớn nhất

màThyristor có thể chịu đựng được liên tục Trong trường hợp dòng lớn, Thyristor phải được giải nhiệt đầy đủ Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào mỗi Thyristor, có thể từ vài trăm mA  hàng trăm A

- Điện áp ngược tối đa: Là điện áp phân cực ngược tối đa mà chưa xảy ra

sự đánh thủng (breakdown) Thyristor được chế tạo với điện áp ngược từ vài chục V kV

- Dòng chốt IL(latching current):Là dòng thuận tối thiểu để giữ Thyristor ở

trạng thái dẫn điện sau khi Thyristor từ trạng thái khóa sang trạng thái mở Dòng

chốt thường lớn hơn dòng duy trì (IH) chút ít ở Thyristor công suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở Thyristor có công suất lớn

- Dòng cổng tối thiểu I Gmin (Minimum gate current):

Như đã thấy, khi điện áp UAK lớn hơn VBF thì Thyristor sẽ chuyển sang

trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG Tuy nhiên trong thực tế, thường người ta phải tạo ra một dòng cổng để Thyristor dẫn điện ngay Tùy theo mỗi

Thyristor, dòng cổng t

Thyristor có công suất càng l

cổng không được quá lớ

- Thời gian mở (turn

UAKxuống 0 rồi tăng lên ngay th

kích Thời gian tắt Thyristor

cao trở lại mà Thyristor

mở, thường khoảng vài ch

động ở tần số thấp, tối đa kho

trung ở gần vùng cổng nên vùng này d

di/dt tùy thuộc vào mỗi

này Thyristor sẽ dẫn đi

điện dung nội Cb giữ

transistor trong mô hình t

Thyristor Dòng điện qua t

11

ng tối thiểu từ dưới 1mA  vài chục mA Nói chung,

t càng lớn cần dòng kích lớn Tuy nhiên, nên chú ý là dòng

ớn, có thể làm hỏng nối cổngCathodecủ

(turn – on time): Là thời gian từ lúc bắ

n gần bão hòa (thường là 0,9 lần dòng định m Như vậy, thời gian hiện diện của xung kích ph

t (turn – off time):Để tắt Thyristor, ngườ

là dòng Anode cũng bằng 0 Thế nhưng n

i tăng lên ngay thì Thyristor vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng

Thyristor là thời gian từ lúc điện ápUAK xuThyristor không dẫn điện trở lại Thời gian này l

ng vài chục μs Như vậy, Thyristor là linh ki

i đa khoảng vài chục KHz

òng thuận tối đa di/dt:

đa của tốc độ tăng dòng Anode Trên tr

ng Lý do là khi Thyristor chuyển từ trạng thái khóa sang tr

ớn trong lúc dòng điện Anode tăng nhanh khi quá lớn Khi Thyristor bắt đầu dẫn, công su

ng nên vùng này dễ bị hư hỏng Khả năng ch

i Thyristor

n áp du/dt:

Thyristor dẫn điện bằng lên đến điện áp quay về

ng cách dùng dòng kích cực cổng

t cách khác là tăng điện áp UAK nhanh tức

n thân điện thế Anode không

c mA Nói chung,

n Tuy nhiên, nên chú ý là dòng

ủa Thyristor

ắt đầu có xung kích

nh mức) Thời gian

a xung kích phải lâu hơn thời

ời ta giảm điện áp nhưng nếu ta hạ điện áp

c dù không có dòng xuống 0 đến lúc lên

i gian này lớn hơn thời gian

là linh kiện chậm, hoạt

Trên trị số này Thyristor

ng thái khóa sang trạng thái tăng nhanh khiến công suất

n, công suất tiêu tán tập năng chịu đựng của

Hình 1.4 Hạn chế dòng điện

nội i cb

12

Dòng điện này chạy vào cực nền của Q1 Khi dU/dt đủ lớn thì icb lớn đủ sức kích Thyristor Người ta thường tránh hiện tượng này bằng cách mắc một tụ C

và điện trở R song song với Thyristor để chia bớt dòng icb (hình 1.4)

Những thông số nêu trên đây thường được cho trong các sổ tay ở nhiệt độ250C,ở chế độ xung tần số cao cần lưu ý đến thờigian mở và thời gian tắt của Thyristor

1.2 Các mạch khống chế điển hình dùng Thyristor

1.2.1 Mạch chỉnh lưu có khống chế kiểu pha xung

Mạch khống chế xung đơn giản nhất được trình bày trên hình 1.5 Nếu cực Gcủa Thyristor trong mạch luôn được phân cực để cho Thyristor thông thì vai trò củaThyristor cũng giống như một van chỉnh lưu thông thường Khi đặt vào cực G một chuỗixung kích thích làm Thyristor chỉ mở tại những thời điểm nhất định (cùng với chu kìdương của điện áp nguồn đặt vào Anode) thì dạng điện áp

ra trên tải của Thyristor khôngphải là toàn bộ các nửa chu kì dương như ở các mạch chỉnh lưu thông thường màtùy theo quan hệ pha giữa xung kích và điện áp nguồn, chỉ có từng phần của nửa chukì dương

Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

a) Sơ đồ nguyên lý b) Giản đồ điện áp

Hình 1.5 Mạch chỉnh lưu khống chế kiểu pha xung

Ví dụ: Cho Uv = 220sint, f = 50Hz, UTB = 40V, xác định góc mở ?

Thay các thông số vào công thức (1-4), ta được  820

13

1.2.2 Mạch khống chế pha

a) Mạch khống chế pha 90 0 (hình 1.6)

c) Dạng dòng điện cực G d) Dạng tín hiệu đầu ra trên R tai

Hình 1.6 Mạch khống chế pha 90 0

Dòng kích mở cực G được lấy từ nguồn cung cấp qua điện trở R1 Nếu R1

được điều chỉnh đến giá trị điện trở nhỏ thì Thyristor sẽ mở hầu như đồng thời với

nửa chu kì dương đặt vào Anode Nếu R1 được điều chỉnh đến một giá trị lớn

thích hợp thì Thyristor chỉ mở ở nửa chu kì dương lúc ev đến giá trị cực đại Điều

chỉnh điện trở R1 trong khoảng 2 giá trị này Thyristor có thể mở với góc pha từ 0

 900 Nếu tại góc pha 900 mà IG không mở Thyristor thì nó cũng không thể mở được bất cứ ở góc pha nào vì tại góc pha 900 dòng IG có cường độ lớn nhất Diode

D để bảo vệ Thyristor khi nửa chu kì âm của nguồn điện đặt vào cực G

Từ hình 1.6 có thể thấy rằng trong khoảng thời gian Thyristor mở, dòng IG

chảy qua R1, D và Rtai Bởi vậy, khi Thyristor mở có thể viết:

Tính tương tự tại 900: R1 = R1max = 288k

Như vậy, để góc mở của Thyristor có thể mở từ 50 900 thì điện trở R1 phải điều chỉnh từ 14k 288k

b) Mạch khống chế pha 180 0

Mạch khống chế pha 1800 điển

hình trình bày trên hình 1.7 Khoảng

nửa chu kì âm của điện áp đặt vào, tụ

C1 được nạp theo chiều âm Quá trình

nạp tiếp diễn tới giá trị cực đại của nửa

chu kì âm Khi điểm cực đại của nửa

chu kì âm đi qua diodeD được phân cực

âm (vì Anode của nó được nối với tụ

điện C1 có điện thế âm so với Cathode)

Sau đó tụ C1 phóng điện qua điện trở

R1 Tùy theo giá trị của R1 mà C1 có

thể phóng hết (điện áp trên hai cực của

tụ bằng 0), ngay khi bắt đầu nửa chu kì

dương của nguồn đặt vào Thyristor,

hoặc có thể duy trì một điện áp âm

nhất định trên cực của nó cho tới góc

pha 1800 của chu kì dương tiếp sau đặt

vào Thyristor

Hình 1.7.Mạch khống chế pha 180 0

Hình 1.8 Mạch khống chế pha với diode chỉnh lưu

Hình 1.9 Mạch khống chế đảo mắc song song

Khi tụ C1 tích điện theo chiều âm thì D cũng bị phân cực ngược và xung dương không thể đưa vào để kích mở cho Thyristor Như vậy bằng cách điều

chỉnh R1 hoặc C1 hoặc cả hai có thể làm Thyristor mở ở bất cứ góc nào trong khoảng từ 0  1800 của nửa chu kì dương nguồn điện áp đặt vào Thyristor

Trên cơ sở sơ đồ nguyên lí đơn giản hình 1.7 có thể thay đổi đôi chút vềkết

15

cấu mạch để được dạng điện áp ra trên tải theo ý mong muốn (hình 1.8)

Diode D được mắc thêm vào làm cho trên tải xuất hiện cả nửa chu kì âm của điện áp nguồn cung cấp bị khống chế chỉ thực hiện đối với nửa chu kì dương của nguồn

Trên hình 1.9 trình bày sơ đồ hai bộ chỉnh lưu có khống chế dòng Thyristor mắc song song ngược chiều Bằng cách mắc mạch như vậy có thể thực hiện khống chếđược cả nửa chu kì dương lẫn chu kì âm Trên đây mới chỉ nêu những

ví dụ đơn giản ứng dụng Thyristor các mạch chỉnh lưu có khống chế

1.3 Một số dụng cụ chỉnh lưu có cấu trúc bốn lớp

1.3.1 TRIAC

a) Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và đặc tuyến V-A

TRIAC (Triode for Alternating Current) là phần tử bán dẫn gồm năm lớp

bán dẫn, tạo nên cấu trúc P- N- P-N như ở Thyristor theo cả hai chiều giữa các

d) Đặc tuyến Vôn - Ampe

Từ đó thấy rằng TRIAC có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều

TRIAC có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra cực điều khiển) Tuy nhiên, xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, tức là để mở được TRIAC sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương Vì vậy, trong thực tế

để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua TRIAC thì sử dụng dòng điện dương là tốt hơn cả

Phương pháp kích khởi cho TRIAC:

- Cực G dương và cực A2 dương hơn so với A1;

- Cực G âm và cực A2 âm hơn so với A1

b) Ứng dụng

Do có tính dẫn điện theo cả hai chiều nên nó thường được dùng trong các mạch biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều Dưới đây ta xét mạch ứng dụng của TRIAC trong biến đổi điện áp công suất nhỏ và công suất lớn

* Mạch biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ:

Hình 1.11 Mạch biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ dùng TRIAC Trong các mạch biến đổi xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ ta có thể

dùng trực tiếp TRIAC Sơ đ

Tóm tắt nguyên lý ho

- Nửa chu kì dương c

qua D1 R cực G 

- Nửa chu kì âm: D

Như vậy, trên tải nh

biến trở R ta có thể thay đ

bình của điện áp trên tả

* Mạch biến đổi đi

Hình 1.12 M xoay chiều

Trong trường hợp t

Thyristor mắc song song ngư

khiển IG cho các Thyristor

Nguyên lý hoạt độ

Nửa chu kì dương c

khiển đến cực G của TRIAC

âm: D1 khoá, D2 mở  dòng điều khiển qua D

i nhận được một phần điện áp xoay chithay đổi được góc mở , do đó thay đổi đư

ải

i điện áp xoay chiều - xoay chiều công su

Hình 1.12 Mạch biến đổi điện áp

u - xoay chiều công suất lớn dùng TRIAC

p tải lớn mà TRIAC không thoả mãn, ta s

c song song ngược Trong đó TRIAC đóng vai trcho các Thyristor

ộng:

dương của điện áp xoay chiều, nếu đồng thTRIAC thì TRIAC dẫn dòng điều khiển qua DThyristor T1 (lúc đó D3 khoá)

âm: D1 khoá, dòng điều khiển qua D3, TRIAC

n D1, D2, D3, D4 cùng loại để dòng đi

ng nhau do đó góc mở  của hai Thyristor

ĐIAC hoàn toàn giống như TRIAC nhưng không có chay đúng hơn là một transistor không có cực nề

n áp như hình 1.11

ện dòng điều khiển

n qua D2 R cực G

n áp xoay chiều Khi điều chỉnh

i được giá trị trung

u công suất lớn:

TRIAC

mãn, ta sử dụng 2 đóng vai trò tạo dòng điều

ng thời có xung điều

n qua D1, R, TRIAC,

TRIAC, R, D2, kích mở điều khiển vào hai

Thyristor bằng nhau

nhưng không có cực

ền Hình 1.13 mô tả

cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương c

a) Cấu tạo

Khi đặt một điện áp m

thế VBO, ĐIAC dẫn điện và khi đ

VBO, ĐIAC cũng dẫn điện,

ĐIAC giảm khi dòng điện qua

hai Diode Zener mắc đối đầ

Thực tế, khi không có ĐIAC, ngư

Zener thích hợp để thay thế

hình 1.14

Hình 1.14 Đặc tuy V-A của ĐIAC

Trong ứng dụng, ĐIAC thư

chỉnh độ sáng của bóng đèn (h

Ở nửa chu kì dương th

ĐIAC dẫn, tạo dòng kích cho

ngưng Đến bán kì âm, tụ C n

ĐIAC lại dẫn điện kích TRIAC

18

ch tương đương của ĐIAC

Hình 1.13 ĐIAC

n áp một chiều theo một chiều nhất định thì khi

n và khi đặt điện áp theo chiều ngược lại thì

n, ĐIAC thể hiện một điện trở âm (điện th

n qua ĐIAC tăng) Như vậy, ĐIAC tương đương v

ầu

, khi không có ĐIAC, người ta có thể dùng 2 diode Zener có đi

ế (hình 1.13) Đặc tuyến V-A của ĐIAC đư

c tuyến

a ĐIAC

Hình 1.15 Mạch điều ch sáng của bóng đèn dùng

ng, ĐIAC thường dùng để mở TRIAC Ví dụ như

a bóng đèn (hình 1.15)

dương thì điện thế tăng, tụ nạp điện cho đến điệ

o dòng kích cho TRIAC dẫn điện Hết bán kì dương,

C nạp điện theo chiều ngược lại đến đi

TRIAC dẫn điện Ta thay đổi VR để thay đ

tương đương

nh thì khi đến điện

i thì đến trị số

-n thế hai đầu tương đương với

dùng 2 diode Zener có điện thế

a ĐIAC được cho ở

u chỉnh độ

a bóng đèn dùng ĐIAC

như:Mạch điều

ện thế VBO thì dương, TRIAC tạm

n điện thế -VBO, thay đổi thời hằng

19

nạp điện của tụ C, do đó thay đổi góc dẫn của TRIAC đưa đến làm thay đổi độ sáng của bóng đèn

1.3.3 Diode bốn lớp (Diode Shockley)

Diode Shockley gồm có 4 lớp bán dẫn P- N- P-N (Diode 4 lớp) nhưng chỉ

có hai cực Cấu tạo cơ bản và ký hiệu cùng với đặc tuyến Vôn-Ampe khi phân

cực thuận được mô tả ở hình vẽ 1.16

Hình 1.16 Cấu tạo, ký hiệu và đặc tuyến V-A của Diode 4 lớp

Ta thấy đặc tuyến giống như Thyristor lúc dòng cổng IG=0, nhưng điện thế

quay vềVBO của diode Shockley nhỏ hơn nhiều Khi ta tăng điện thế phân cực

thuận, khi điện thế Anode - Cathode tới trị số VBO thì diode Shockley bắt đầu dẫn, điện thế hai đầu giảm nhỏ và sau đó hoạt động như diode bình thường

Hình 1.17 Dùng Diode Shockley làm mạch kích mở cho TRIAC

Áp dụng thông thường của diode Shockley là dùng để kích Thyristor Khi phân cực nghịch, diode Shockley cũng không dẫn điện

Ở nửa chu kìdương, tụ C nạp điện đến điện thế VBO thì diode Shockley dẫn điện, kích SCR dẫn Bán kì âm, diode Shockley ngưng, SCR cũng ngưng

1.3.4 Transistor một tiếp giáp UJT (Uni Junction Transistor)

a) Cấu tạo, kí hiệu

Transistor một tiếp giáp gồm một nền là thanh bán dẫn loại N pha nồng độ rất thấp Hai cực kim loại nối vào hai đầu thanh bán dẫn loại N gọi là cực nền B1

20

và B2 Một dây nhôm nhỏ có đường kính nhỏ cỡ 0,1mm được khuếch tán vào

thanh N tạo thành một vùng chất P có mật độ rất cao, hình thành mối nối P-N

giữa dây nhôm và thanh bán dẫn, dây nhôm nối chân ra gọi là cực phát E

UJT ≡ Uni Junction Transistor là transistor đơn nối

B1(Base 1): Cực nền 1; B2(Base 2): Cực nền 2; E (Emitter): Cực phát

Hình 1.18 Transistor một tiếp giáp UJT

Transistor một tiếp giáp có thểvẽ mạch tương đương gồm 2điện trở RB1và

RB2 nối từ cực B1 đến cực B2 gọi chung là điện trở liên nền RBB và một Diode nối từ cực E vào thanh bán dẫn ở điểm B (hình 1.18c)

Ta có: RBB = RB1 + RB2

Điểm B thường ở gần cực B2 hơn nên RB1> RB2 Mỗi transistor đơn nối có

tỉ số điện trở khác nhau gọi là :

η= RB1

RBB=(0,5÷0,8) b) Đặc tuyến V-A

Xét mạch điện như hình 1.19, RBB có trị số từ vài k đến 10k, ta có:

VB≈RB1

RB2VCC ⟺ VB=ηVCC>0(Vì R1, R2 ≪ RCC)

Dòng IB:

BB CC 2

1 BB

CC B

R

VRRR

Tiếp tục tăng VDC sao choVB<VE<VB + V thì diodeEB được phân cực thuận

nhưng dòng không đáng kể Đến khi VE= VP = VB +V thì diodeEB được phân cực

thuận nên dẫn điện và dòng IE tăng lên cao, chiều IE từ E  B VP = VB +V:được gọi là điện thế đỉnh

Do vùng bán dẫn P của diodeEB có mật độ rất cao, khi diodeEB được phân cực thuận, lỗ trống từ P dồn sang thanh bán dẫn N, kéo điện tử từ cực âm của

nguồn VBBvào cực nền B1 tái hợp với lỗ trống Lúc đó hạt tải trong thanh bán dẫn N tăng cao đột ngột làm cho điện trở RB1giảm xuống và VB cũng bị giảm

xuống kéo theo VE giảm xuống trong khi dòng IEvẫn tăng cao

Hình 1.20 Đặc tuyến V – A của UJT

Trên đặc tuyến IE (VE) có khoảng điện thế VE bị giảm trong khi dòng điện IE

lại tăng nên người ta gọi đây là vùng điện trở âm

Khi RB1 giảm thì điện trở liên nền RBB cũng bị giảm và dòng IB tăng lên gần

Hình 1.19 Mạch điện khảo sát đặc tuyến của UJT

Dòng điện IE tiếp tục tăng và điện thế VEgiảm đến một trị số thấp nhất là

điện thế thung lũng VV(valley) thì dòng điện IE và VE sẽ tăng lên như đặc tuyến của một diode thông thường Vùng này gọi là vùng bão hòa

Trên hình 1.20 có điểm P(VP; IP) là điểm đỉnh; điểm V(VV; IV) là điểm

trũng (thung lũng); đoạn PV là vùng điện trở âm, xảy ra rất nhanh

c) Các thông số kỹ thuật của UJT

Transistor một tiếp giáp có các thông số kỹ thuật quan trọng cần biết khi sử dụng và tính toán là:

RBB=(0,5÷0,8) Từ giá trị của  có thể tính được điện

thế tại điểm B giữa hai điện trở RB1 và RB2 theo công thức:

Dòng điện đỉnh IP là dòng điện IE ứng với VE là điện thế đỉnhVP Dòng IP

thường có trị số nhỏ khoảng vài chục A

- Điện thế thung lũng V V :

Là điện thế cực phát VE giảm xuống thấp nhất sau khi phân cực thuận

diodeEB Điện thế VV có trị số khoảng vài vôn

- Dòng điện thung lũng I V :

Dòng điện thung lũng IV là dòng điện IE ứng với VE là điện thế thung lũng

VV Thường dòng điện I

- Công suất tiêu tán P

được khi có dòng điện đi qua, l

Khi mới cấp điện thì t

phân cực ngược nên chỉ

R1+RB1+R

Điện thế ở các cực n

23

IV có trị số rất lớn so với IP (IV khoảng vài mA tr

t tiêu tán P pmax :Là công suất nhiệt lớn nhất mà UJT có th

n đi qua, lớn hơn trị số này UJT sẽ bị hỏng

Do UJT có tính chất đặc biệt là khi VE <VP thì dòng IE

VP thì dòng IE tăng cao đột ngột và dòng

p đôi nên UJT thường được dùng trong các mạch t

Hình 1.21 Mạch dao động tích thoát dùng UJT

n thì tụ C coi như nối tắt nên VE = 0V

ỉ có dòng IB đi từ nguồn VCC xuống mass

Khi diode EB dẫn điệ

RB1giảm trị số nên VB giảm kéo theo

điện trở RB1 xuống mass

Khi tụ C xả điện từ điện th

hai cực B1, B2 không còn xung ra Xung

dương và âm (hình 1.22)

Sau khi tụ xả xong thì đi

điện qua VR, hiện tượng trên đư

n qua VR làm điện thế tăng lên đến trị s

có xung dương ra nhưng biên độ lớn hơn xung âm ở cực B2 nhi

n thế VP xuống trị số Vv thì diode EB ngưng dkhông còn xung ra Xung ra ở hai cực B1, B2 có dạ

điện thế các chân trở lại bình thường và t

ng trên được tiếp tục

nhiều lần vì IE có

ngưng dẫn và ở ạng xung nhọn

ng và tụ C lại nạp

25

Khi vừa mới đóng điện thì tụ sẽ nạp điện từ 0V lên đến VP rồi sau đó tụ xả

điện đến Vv Những lần sau tụ nạp từ Vv đến VP rồi lại xả từ điện thế VP xuống

Vv Thời gian nạp và xả của tụ được tính giữa hai điện thế này

Tụ C nạp điện theo công thức:

R R ( t P

C

1 1 B

e.V

1 B 2

C ).

R R ( t P

V

V

Vln.C)

RR

(te

.V

1.4.1 Câu hỏi ôn tập

1 UJT là gì? Có mấy loại? Kể tên và vẽ kí hiệu tương ứng của UJT?

2 Nêu nguyên lí hoạt động của UJT?

3 Nêu cách khảo sát đặc tuyến của UJT, vẽ dạng đặc tuyến của UJT?

4 Hãy vẽ dạng mạch dao động tích thoát dùng UJT Giải thích nguyên lí hoạt động của mạch này?

5 Thyristor là gì? Vẽ kí hiệu và mạch tương đương dùng hai BJT của nó?

6 Nêu nguyên lí hoạt động của Thyristor?

7 Nêu cách khảo sát đặc tuyến của Thyristor, vẽ dạng đặc tuyến của Thyristor?

8 ĐIAClà gì? Vẽ kí hiệu và mạch tương đương dùng bốn BJT của nó?

9 Nêu nguyên lí hoạt động của ĐIAC?

10 Nêu cách khảo sát đặc tuyến của ĐIAC, vẽ dạng đặc tuyến củaĐIAC?

26

11 TRIAClà gì? Vẽ kí hiệu và mạch tương đương dùng bốn BJT, mạch tương đương dùng hai Thyristor của nó?

12 Nêu nguyên lí hoạt động của TRIAC?

13 Nêu cách khảo sát đặc tuyến của TRIAC, vẽ dạng đặc tuyến củaTRIAC?

14 Vẽ và giải thích nguyên lí hoạt động của mạch ứng dụng Thyristor, ĐIAC, TRIAC?

15 So sánh dạng đặc tuyến của các linh kiện sau: Diode, ĐIAC, Thyristor, TRIAC?

1.4.2 Câu hỏi trắc nghiệm

TN1.1.Thyristor là linh kiện có:

C Dẫn điện hai chiều

TN1.4.Thyristor chỉ dẫn điện khi…

A TRIAC có hai cực là: A1, A2, còn ĐIAC thì có ba cực là: A1, A2 và G

B TRIAC có ba cực là: A, K và G, còn ĐIAC thì chỉ có hai cực là: A và K

C TRIAC và ĐIAC đều có cấu tạo hoàn toàn giống nhau

D TRIAC có 3 cực: A1, A2 và G, còn ĐIAC thì chỉ có hai cực là: A1 và A2

TN1.7.Nguyên lí làm việc của TRIAC khác với Thyristor ở chỗ:

27

A Có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều và không cần cực G điều khiển mở

B Khi đã làm việc thì cực G không còn tác dụng nữa

C Có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều và đều được cực G điều khiển mở

D Có khả năng làm việc với điện áp đặt vào các cực là tùy ý

TN1.8.Điện áp đỉnh của UJT được tính theo công thức:

1 Bộ môn Kỹ thuật điện tử (2011).Bài giảng Kỹ thuật Điện tử tương tự

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

2 Trần Thúy Hà (2009).Bài giảng Cấu kiện điện tử Học viện Công nghệ

Bưu chính viễn thông

3 Lê Thị Hồng Thắm (2009).Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trường Đại học

Bách khoa TP Hồ Chí Minh

4 Đỗ Xuân Thụ (2008).Kỹ thuật điện tử.Nxb Giáo Dục

5 https://voer.edu.vn

28

Chương 2 KHUẾCH ĐẠI

Nội dung chương trình bày về:

* Transistor hiệu ứng trường FET (Fiel Effect Transistor): cấu tạo, nguyên

lý làm việc, các họ đặc tuyến, các dạng phân cực, các dạng mắc mạch và mô hình tương đương ở tần số thấp;

* Ghép tầng khuếch đại: Lý do cần phải ghép nối các tầng khuếch đại, các phương pháp ghép tầng khuếch đại (điện dung, biến áp, trực tiếp), các yếu tố ảnh hưởng tới độ khuếch đại tổng của bộ khuếch đại (méo tần số, méo pha);

* Bộ khuếch đại thuật toán OA (Operation Amplifier): cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các ứng dụng phổ biến (khuếch đại đảo, không đảo, cộng, trừ tín hiệu, vi phân, tích phân )

2.1 Khuếch đại dùng transistor trường (FET)

2.1.1 Giới thiệu về transistor trường (FET)

Khác với transistor lưỡng cực mà đặc điểm chủ yếu là dòng điện trong chúng do cả hai loại hạt dẫn (điện tử và lỗ trống tự do) tạo nên, qua một hệ

thống gồm hai mặt ghép P-N rất gần nhau điều khiển thích hợp, transistor trường

(còn gọi là transistor đơn cực FET) hoạt động dựa trên nguyên lý ứng trường, điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng của 1 điện trường ngoài Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo ra Công nghệ bán dẫn,

vi điện tử càng tiến bộ, FET càng tỏ rõ nhiều ưu điểm quan trọng trên hai mặt xử

lý gia công tín hiệu với độ tin cậy cao và mức tiêu hao năng lượng cực bé Phần này sẽ trình bày tóm tắt những đặc điểm quan trọng nhất của FET về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các tham số đặc trưng đối với hai nhóm chủng loại: FET

có cực cửa là tiếp giáp P-N (JFET) và FET có cực cửa cách li (MOSFET hay

IGFET)

Định nghĩa:Transistor trường FET (hay đúng hơn là transistor hiệu ứng

trường) là một loại transistor đơn cực, nó làm việc dựa trên hiệu ứng trường và

là dụng cụ điều khiển bằng điện áp và chỉ dẫn điện bằng một loại hạt dẫn (n hoặc p)

FET chia ra hailoại:

 Loại có cực cửa tiếp giáp JFET (Junction Field Effect Transistor)

 Loại có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor

Field-Effect Transistor)

29

2.1.2 Transistor trường có cực cửa tiếp giáp JFET

a)Cấu tạo và ký hiệu qui ước

Hình 2.1 Cấu tạo và ký hiệu quy ước của JFET

Hình 2.1a đưa ra một cấu trúc JFET kiểu kênh n: Trên đế tinh thể bán dẫn

Si-N người ta tạo xung quanh nó 1 lớp bán dẫn p (có tạp chất nồng độ cao hơn so

với đế) và đưa ra 3 điện cực là cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain) và cực cửa G (Gate) Như vậy, hình thành một kênh dẫn điện loại n nối giữa hai cực D và

S, cách li với cực cửa G (dùng làm điện cực điều khiển) bởi 1lớp tiếp xúc P-N bao

quanh kênh dẫn Hoàn toàn tương tự, nếu xuất phát từ đế bán dẫn loại p, ta có loại JFET kênh p với các ký hiệu quy ước phân biệt cho trên hình 2.1b

b) Nguyên lý hoạt động

Để phân cực JFET, người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS> 0 và

UGS< 0 như hình vẽ 2.1 (với kênh p, các chiều điện áp phân cực sẽ ngược lại,

sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược) Do tác

dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện dòng điện (là dòng điện

tửvới kênh n) hướng từ cực D tới cực S gọi là dòng điện cực máng ID Dòng ID

có độlớn tuỳ thuộc vào các giá trịUDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc

mạnh cảhai điện trường này Nếu xét riêng sự phụ thuộc của ID vào từng điện áp khi giữ chođiện áp còn lại không đổi (coi là một tham số) ta nhận được hai hệ hàm quan trọng nhất của JFET là:

30

c) Các họ đặc tuyến

Hình 2.2 Đặc tuyến ra của JFET kênh n

- Họ đặc tuyến ra: ID = f(UDS) khi UGS = const;

- Họ đặc tuyến truyền đạt:ID = f(UGS) khi UDS = const;

- Đặctuyến ra chia làm ba vùng:

 Vùng tuyến tính(Vùng ohmic): Khi UDStăng dần, IDtăng dần, lúc đầu

UDScònnhỏ, sụt áp của nó gây trên điện trở kênh ảnh hưởng không đáng kể đến

độrộng của miền điện tích không gian, nên ID tăng tuyến tính theo UDS, vùng này còn được gọi là vùng ôm tính, làm việc giống như điện trở thuần

 Điểm thắt A: Khi UDStăng lên làm cho IDlớn đến mức sụt áp do dòng nàygây ra trên kênh làm tăng đáng kể điện áp phân cực ngược chuyển tiếp PNgiữa cực G và kênh, miền điện tích không gian lan sâu vào kênh, làm chođiện

trở kênh tăng dần, do đó IDtăng chậm lại Nếu như tiếp tục tăng UDSđến thời

điểm UDS=UP, thì hầu nhưIDkhông tăng mặc dù tiếp tục tăngUDS Điểm

UDS =UPđược gọi là điểm thắt A, UPlà điện áp thắt của kênh,dòng điện IDứng với

điểm thắt gọi là dòng bão hoà IDbh

 Vùng bão hoà (vùng làm việc tích cực): Khi UDStiếp tục tăng vượt qua

điểmthắt A, UDS>Up, thì IDhầu như không tăng, ID=IDbh, do khi UDS tăng vùngđiện tích không gian càng lan sâu vào kênh và điện trở kênh càng tăng lêntỉ

lệ với UDS, do đó dòng không đổi Nhưng giá trị dòng IDbh lại tăng nhanh theo

31

UGS

 Điểm đánh thủng B: Khi UDS tăng quá lớn, điện áp phân cực ngược giữa

Gvà kênh tăng mạnh, đến khi UDS=Uđt (điện áp đánh thủng) thì hiện đánh thủng

theo hiệu ứng thác lũxảy ra, do đó dòng IDtăng đột ngột khi UDStăng, Điểm B gọi là điểm đánhthủng, vùng ngoài điểm B gọi là vùng đánh thủng của kênh

Từ đặc tuyến ra của JFET kênh n, ta có các nhận xét:

 Khi UGSâm dần, sự phân cực ngượccủa G và kênh dẫn càng tăng, điện áp

thắtUpđể kênh đạt tới điểm thắt càng nhỏ (điểm A dịch chuyển càng gần gốc tọa độ)

 Tương tự, với điểm đánh thủng B, khiUGS càng âm việc đánh thủng chuyểntiếp PN xảy ra sớm hơn, điện áp đánhthủng càng nhỏ hơn

 Khi UGSUGS0 thì ID=0 mặc dù UDStăng, UGS0: Điện áp khóa kênh

- Đặc tuyến truyền đạt của JFET:

Hình 2.3 Đặc tuyến truyền đạt của JFET kênh n

Đặc tuyến truyền đạt của JFET mô tả mối quan hệ giữa IDvà UGSứngvới

một giá trị nhất định của UDS Dạng đặc tuyến truyền đạt khi JFET làmviệc ở

vùng bão hoà như bên trái hình 2.3 Đặc tuyến xuất phát từ một giá trị UGS0,tại

đó ID= 0, gọi là điện áp khoá Khi tăng UGS, IDtăng gần như tỷ lệ do độ dẫnđiện

của kênh tăng theo mức độ giảm phân cực ngược của tiếp giáp PN LúcUGS=0,

tại vùng bão hoà ID= IDSS, vậy IDSSlà dòng tĩnh cực máng bão hòa lớnnhất (khi

UGS=0)

Quan hệ giữa ID và UGS được xác định bởi phương trình Shockley với:

 IDSSlà dòng cực máng bão hoà khi UGS= 0, khi đó kênh mở rộngnhất và

lúc này IDđạt giá trị lớn nhất của nó, nên như vậy có nghĩa là IDSSlàdòng cực máng cực đại có thể đạt được của JFET;

 UGS0là điện áp khoá kênh hay điện áp ngắt kênh, vì ID=0 khi độ rộng

củakênh dẫn bằng 0, nên như vậy có nghĩa là UGS0là điện áp đặt lên cực cổnglàm cho JFET bắt đầu bị khoá lại hoàn toàn;

 IDSS, UGS0là 2 tham số quan trọng của JFET dùng nhiều khi thiết kếmạch

d) Các tham số kỹ thuật

- Tham số giới hạn:

 Dòng cực máng cực đại cho phép IDmax là dòng điện ứng với điểm B trên

đặc tuyến ra (đường ứng với giá trịUGS = 0); Giá trịIDmaxkhoảng  50mA;

 Điện áp máng - nguồn cực đại cho phép:UDSmax= UB

với UB là điện áp máng- nguồn ứng với điểm B (hình 2.2);

 Điện áp khóa UGS0 (hay Up): bằng giá trị UDS0 ứng với đường UGS = 0

rdthể hiện độ dốc của đặc tuyến ra trong vùng bão hòa

 Hỗ dẫn của đặc tuyến truyền đạt:

S= ∂ID

∂UGS U

(2-5)

Cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cửa tới dòng cực máng, giá trị

điển hình với JFET hiện nay là S = (7  10)mA/V

Cần chú ý giá trị hỗ dẫn S đạt cực đại S = S0 lúc giá trị điện áp UGS lân cận

rvào do độ dày của tiếp giáp P-N quyết định, có giá trị khoảng 109

 Ở tần số làm việc cao, người ta còn quan tâm tới điện dung giữa các cực

CDS và CGD (cỡ pF)

e) Phân cực cho JFET

Về nguyên tắc, việc cung cấp và ổn định điểm làm việc của transistor trường cũng giống như transistor lưỡng cực Đối với transistor trường xác định

điểm làm việc thông qua ID, UGSvà UDS Sau đây chúng ta xét phân cực và chế

độ làm việc của JFET kênh n

Các công thức chung sử dụng khi phân cực FET:

* Sơ đồ phân cực cố định:

Ở chế độ tĩnh (khi chưa có tín hiệu xoay chiều):

IG  0A và URG = IGRG = 0A, RG = 0V

Ở chế độ này, mạch tương đương được vẽ lại như ở hình 2.5

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng A ta có:

-UGG – UGS = 0 hay UGS = -UGG (2-10)

Vì UGG là nguồn một chiều cố định nên UGS cũng không thay đổi Do vậy,

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ trong phương trình Shockley được thể hiện ở

hình 2.6 Cho UGS = UP/2 thì dòng ID = IDSS/4 Đường cong đi qua 3 điểm: (0,

IDSS ), (UP, 0) và (UP/2, IDSS/4) chính là đường cong biểu diễn phương trình Shockley

Hình 2.6 Đặc tuyến tĩnh Hình 2.7 Tìm điểm làm việc

Ở hình 2.7, mức cố định UGS được biểu thị là một đường thẳng đứng có

phương trình: UGS = -UGG Tại bất kì điểm nào trên đường này ta cũng có UGS =

-UGG Từ đó dễ dàng xác định được mức ID tương ứng Điểm giao nhau của 2 đường gọi là điểm làm việc tĩnh Q

Theo Kirchhoff:

Vì cực S nối đất nên US = 0V:

35

UD = UDS và UG = UGS (2-12) Nhược điểm chính của cách phân cực này là cần 2 nguồn phân cực, chính

vì vậy nó ít được sử dụng trong thực tế

Ví dụ:Cho mạch điện như ở hình 2.8, biết điện áp thắt kênh UP = -8V, dòng

máng bão hòa IDSS = 10mA Tính các thông số UGSQ, IDQ, UDS, UD, UG, US

36

Sơ đồ tự phân cực sẽ loại trừ yêu cầu 2 nguồn 1 chiều Điện áp điều khiển

UGS bây giờ được xác định bởi điện áp đặt trên điện trở RS đưa vào cực S như ở hình 2.10

Ở chế độ tĩnh (1 chiều), tụ điện có thể thay thế bằng hở mạch và điện trở RG

được ngắn mạch vì IG = 0A Kết quả ta có sơ đồ tương đương như hình 2.11

Dòng chạy qua RS là dòng IS, nhưng IS = ID nên:URS = IDRS

Chọn chiều của vòng như hình 2.11, ta có:

phương trình của 1 đường cong

Parabol – gọi là đặc tuyến tĩnh

(đặc tuyến truyền đạt) như biểu

diễn ở hình 2.12

Từ (2-13) ta biểu diễn đồ thị

của phương trình này, đây là

phương trình đường thẳng nên

cần xác định 2 điểm:

Điểm thứ nhất: Cho ID = 0A

UGS = -IDRS = 0V

Điểm thứ hai: cho ID = IDSS/2 UGS = -IDRS = -IDSSRS/2

Nối 2 điểm này sẽ được đường tải tĩnh Giao điểm của đường này với

đường cong đặc trưng của linh kiện -đường đặc tuyến tĩnh, chính là điểm làm

UGS = -IDRS (phương trình đường tải tĩnh)

Chọn ID = 4mA UGS = (-4mA).(1K) = -4V

Ta vẽ được đường tải tĩnh như hình 2.14

Với phương trình Shockley (phương trình đặc tuyến tĩnh biểu diễn ở hình 2.15), giao điểm của đường tải tĩnh và đặc tuyến tĩnh là điểm làm việc tĩnh Q với

38

Hình 2.15 Cách tính dùng đồ thị Hình 2.16 Cách xác định điểm làm việc tĩnh Q

* Sơ đồ phân cực phân áp:

Ở sơ đồ phân cực phân áp đối với transistor FET (hình 2.17), các linh kiện được bố trí giống như phân cực phân áp cho BJT, nhưng ở trạng thái tĩnh sự

phân tích đối với 2 sơ đồhầu như khác nhau Đối với FET, IG = 0, nhưng độ lớn

IB của sơ đồ EC đối với BJT lại ảnh hưởng đến cả dòng và áp ở đầu vào và đầu

ra của mạch

Dòng IB trong sơ đồ phân cực phân áp đối với dòng BJT chính là đại lượng

liên kết giữa đầu vào và đầu ra, còn đối với FET thì vai trò này lại là UGS Ở chế

độ tĩnh ta có sơ đồ tương đương như hình 2.18

này trên đặc tuyến truy

của đường tải tĩnh với

các giá trị này được xác đ

Hình 2.18 Sơ đồ tương đương

= IR2 và điện áp phân cực chính là điện áp đ

n truyền đạt ta cũng xác định 2 điểm như hình 2.19 Giao

i đặc tuyến tĩnh là điểm làm việc tĩnh Q (

ĩnh Q (IDQ, UGSQ) Khi

ĩnh Q

(2-20)

(2-21) (2-22) (2-23)

2.20 Hãy tính các thông số sau:IDQ,