MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Tin tức và tín hiệu
Tin tức (information) là nội dung của một quá trình, một hiện tượng hay một sự kiện
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường truyền đạt thông tin thông qua tiếng nói, hình ảnh và âm nhạc, được gọi chung là tin tức Để truyền tải tin tức qua các hệ thống điện tử, người ta chuyển đổi chúng thành điện áp hoặc dòng điện, tỷ lệ thuận với lượng thông tin gốc Quá trình này được gọi là tạo ra tín hiệu.
Tín hiệu là biểu diễn vật lý của thông tin và xuất hiện trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các khái niệm liên quan đến tín hiệu không chỉ quan trọng trong lĩnh vực thông tin mà còn ảnh hưởng đến nhiều ngành khoa học và công nghệ, bao gồm hàng không, khí tượng, năng lượng, xử lý tín hiệu và xử lý hình ảnh.
Tín hiệu có thể được xem như một hàm toán học phụ thuộc vào một hoặc nhiều biến độc lập Hàm này có thể đơn giản hoặc phức tạp, ví dụ như tín hiệu tiếng nói có thể được biểu diễn dưới dạng hàm ánh sáng với hai biến không gian I (x,y).
Tín hiệu có thể được phân loại thành hai dạng chính: tuần hoàn và không tuần hoàn Tín hiệu tương tự (Analog) là loại tín hiệu liên tục theo thời gian, trong khi tín hiệu số (Digital) là tín hiệu gián đoạn theo thời gian.
Ví dụ: Xét một tín hiệu được biển diễn trên hình 1.1 có biểu thức toán học như sau: x(t) = x(t + mT)
Trong đó: m là số nguyên; T là một hằng số, giá trị nhỏ nhất của T được gọi là chu kỳ
Tín hiệu x(t) lặp lại sau một khoảng thời gian nhất định, cho thấy tính chất tuần hoàn của nó Tần số f của tín hiệu tuần hoàn được xác định theo công thức f = 1/T.
Một tín hiệu không tuần hoàn, dạng bất kỳ, có thể coi như là tín hiệu tuần hoàn có chu kỳ T → ∞
Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian
Khi biểu diễn tín hiệu theo thời gian, độ dài tín hiệu được xác định từ thời điểm bắt đầu đến khi kết thúc Đối với tín hiệu tuần hoàn, độ dài này tương ứng với thời gian tồn tại của tín hiệu trong một chu kỳ.
Nếu tín hiệu x(t) xuất hiện tại thời điểm t0 có độ dài là , thì giá trị trung bình của tín hiệu x(t) trong khoảng thời gian được xác định bởi:
Năng lượng của tín hiệu
Thông thường tín hiệu x(t) là tín hiệu dòng điện hoặc điện áp qua một điện trở
R Năng lượng của tín hiệu x(t) được định nghĩa là:
Hiện nay, tín hiệu phi điện cần được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua các bộ biến đổi hoặc cảm biến để xử lý trong hệ thống điện tử Ví dụ, để biến đổi âm thanh, chúng ta sử dụng microphone.
Tín hiệu điện là dạng tín hiệu chứa dòng điện và điện từ trường biến đổi theo thời gian và không gian với các tham số xác định Chúng thường được biểu hiện dưới dạng điện áp, dòng điện hoặc sóng điện từ.
Các hệ thống điện tử điển hình
Hệ thống điện tử bao gồm nhiều thiết bị điện tử hoạt động cùng nhau để thực hiện các nhiệm vụ kỹ thuật như xử lý thông tin, truyền dữ liệu, và đo lường các thông số điều khiển tự động.
Hệ thống điện tử có hai dạng cơ bản: hệ kín, nơi thông tin được xử lý theo cả hai chiều để đạt điều kiện tối ưu, và hệ hở, trong đó thông tin chỉ được truyền theo một hướng từ nguồn tin đến nguồn nhận tin.
1.3.1 Hệ thống thông tin thu - phát
Hệ thống thông tin thu - phát có chức năng truyền tải dữ liệu từ nguồn tin đến nơi nhận tin qua một khoảng cách nhất định Cấu trúc sơ đồ khối của hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc thể hiện cách thức hoạt động và các thành phần chính của nó.
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin dân dụng b) Các đặc điểm chủ yếu
- Hệ thống thông tin thu - phát là dạng hệ thống hở
- Hệ thống bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình điều chế và quá trình dải điều chế
Quá trình gắn tin tức vào tải tin tần số cao diễn ra thông qua việc điều chế dao động tải tin, với thông số biến thiên theo quy luật của tin tức tại thiết bị phát.
Quá trình dải điều chế là quá trình tách tin tức ra khỏi tải tin nhằm phục hồi nội dung tin tức tần số thấp tại thiết bị thu.
1.3.2 Hệ đo lường điện tử
Hệ loại này có chức năng thu thập dữ liệu và thông tin về một đối tượng hoặc quá trình cụ thể nhằm đánh giá các thông số và trạng thái của chúng Cấu trúc sơ đồ khối được minh họa trong hình 1.3.
Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống đo lường
Hệ thống đo lường nói chung có các đặc điểm cơ bản sau:
+ Có hai phương pháp cơ bản thực hiện quá trình đo: phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc;
Bộ biến đổi đầu vào đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi các đại lượng vật lý cần đo như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc thành tín hiệu điện tử Các tín hiệu này có tham số tỷ lệ với đại lượng cần đo, ví dụ như áp suất được chuyển đổi thành điện áp, hoặc nhiệt độ và độ ẩm thành dòng điện.
Sự can thiệp của thiết bị đo vào đối tượng đo làm cho đối tượng không còn độc lập, dẫn đến mất thông tin tự nhiên và gây ra sai số trong quá trình đo.
Mọi nỗ lực nhằm cải thiện độ chính xác của phép đo thường dẫn đến việc tăng tính phức tạp và chi phí kỹ thuật, đồng thời có thể tạo ra các nguyên nhân gây sai số mới, thậm chí làm giảm độ tin cậy của kết quả đo.
Có hai phương pháp gia công tin tức: phương pháp analog thực hiện liên tục theo thời gian và phương pháp digital thực hiện rời rạc Phương pháp analog theo dõi đại lượng đo được liên tục, trong khi phương pháp digital lấy mẫu giá trị tại các thời điểm xác định và so sánh với các mức cường độ chuẩn Phương pháp digital không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao độ chính xác và khả năng tích hợp với các thiết bị xử lý tin tức tự động.
Các đại lượng cơ bản
1.4.1 Điện áp và dòng điện a) Dòng điện
Dòng điện (Electrical Current) là dòng chuyển đổi có hướng của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc phần tử mạch điện
Dòng điện một chiều được ký hiệu là I và dòng điện xoay chiều là I(t) Đơn vị đo dòng điện là Ampe (A) Điện áp là năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian của điện tích khi di chuyển giữa hai điểm.
Ký hiệu điện áp một chiều là U (hoặc V), điện áp xoay chiều là u(t) (hoặc v(t)) Đơn vị điện áp là Vôn (V)
Mạch điện tử là tập hợp các linh kiện điện tử được kết nối, bao gồm linh kiện thụ động và linh kiện tích cực Trong đó, linh kiện tích cực có khả năng tạo ra năng lượng, trong khi linh kiện thụ động không có khả năng này.
Điện trở, tụ điện và cuộn cảm là các linh kiện thụ động, trong khi nguồn dòng và nguồn áp là những linh kiện tích cực quan trọng trong mạch điện Nguồn điện có khả năng tạo ra và cung cấp năng lượng điện cho các phần tử trong mạch, đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì hoạt động của mạch điện.
Nguồn điện áp là một thông số quan trọng trong mạch điện, thể hiện khả năng tạo ra và duy trì điện áp trên hai cực của nguồn điện Giá trị của điện áp này không bị ảnh hưởng bởi dòng điện mà nguồn cung cấp.
Nguồn áp được ký hiệu như trên hình 1.4 và được biểu diễn bởi một sức điện động e(t)
Chiều của sức điện động e(t) diễn ra từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao, trong khi chiều của điện áp u(t) là từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp Do đó, ta có mối quan hệ u(t) = e(t).
Hình 1.4 Ký hiệu nguồn áp
Nguồn dòng điện là yếu tố quan trọng trong mạch điện, thể hiện khả năng tạo ra và duy trì dòng điện với cường độ không phụ thuộc vào điện áp giữa hai cực của nguồn.
Nguồn dòng được ký hiệu như trên hình 1.5 j(t) = i(t)
Một số định luật cơ bản
Để phân tích mạch điện tử, người ta thường dựa vào các định luật cơ bản như: định luật Ohm và định luật Kirchhoff
U = I.R Điện áp trên điện trở R tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó
1.5.2 Định luật Kirchhoff a Định luật Kirchhoff 1
Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và đi ra tại một nút trong mạch điện bằng không
Trong đó: N là số nhánh được kết nối tới nút và in là dòng điện đi vào hay đi ra khỏi nút
Quy ước: Dòng đi vào nút thì mang dấu dương (+);
Dòng đi ra khỏi nút thì mang dấy âm (-)
Ví dụ: Xét một nút trên mạch điện như hình vẽ 1.6
Hình 1.6 Dòng tại một nút mô tả định luật Kirchhoff 1
Tại nút K trên hình 1.6 theo định luật K1 ta có: i1 - i2 - i3 = 0 i1 = i2 + i3
Định luật Kirchhoff thứ nhất khẳng định rằng tổng dòng điện vào một nút bằng tổng dòng điện ra khỏi nút, thể hiện tính liên tục của dòng điện Trong một nút, không có hiện tượng tích lũy điện tích; do đó, lượng điện tích đến nút sẽ bằng lượng điện tích rời khỏi nút.
Tổng các thành phần điện áp trong một vòng kín bằng không
Ví dụ: Viết định luật K2 cho các vòng I và II trên hình 1.7
Hình 1.7 Hình minh họa định luật Kirchhoff 2 Đối với vòng I: u1 – u2 + u’2 – u’1 = 0 Đối với vòng II: u1 – u3 + u’3 – u’1 = 0
Trong đó u’1, u’2, và u’3 lần lượt là điện áp trên hai cực của các nguồn s.đ.đ e1, e2 và e3
Thay u’1, u’2 và u’3 bởi các s.đ.đ và chuyển chúng sang vế phải ta có:
Điện áp rơi trên các phần tử không phải là nguồn sđđ được gọi là up Định luật Kirchhoff thứ hai (K2) phát biểu rằng trong một vòng khép kín, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng Các sức điện động và dòng điện cùng chiều với chiều đi của vòng được tính là dương, trong khi đó các trường hợp ngược lại được tính là âm.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1
1 Phân biệt tin tức và tín hiệu; tín hiệu số và tín hiệu tương tự?
2 Các đại lượng cơ bản của mạch điện?
3 Các hệ thống điện tử điển hình?
4 Nội dung và ý nghĩa của hai định luật Kirchhoff?
Bài 1.1 Tìm các dòng điện trong mạch điện như hình BT1.1 khi chuyển mạch ở vị trí 1 và khi chuyển mạch ở vị trí 2
Bài 1.2 Tìm dòng điện và điện áp và công suất tiêu thụ trên điện trở 4Ω trong mạch điện hình BT1.2
CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
Điện trở (Resistor)
2.1.1 Khái niệm Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện Ký hiệu điện trở là R Định nghĩa trên chính xác cho dòng điện một chiều Đối với dòng điện xoay chiều, khái niệm sự cản trở dòng điện được mở rộng thành trở kháng Z
Z = R + jX Trong đó: j 2 = -1; X được gọi là điện kháng
Ký hiệu trong mạch điện:
Hình 2.1 Ký hiệu điện trở trong mạch điện Đơn vị đo điện trở là Ohm (Ω)
Theo định luật Ohm, trong chế độ tĩnh, điện trở có thể được tính theo công thức:
R = V/I Trong đó: V là điện áp; I là dòng điện chạy qua điện trở
2.1.2 Các tham số đặc trưng của điện trở
- Trị số điện trở và dung sai:
Trị số điện trở là một tham số cơ bản và cần được duy trì ổn định, nó phụ thuộc vào tính chất dẫn điện cũng như kích thước của vật liệu chế tạo điện trở.
+ Dung sai: Là sai số của điện trở
- Công suất tiêu tán cho phép: Là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được
Công suất tiêu tán cho phép của điện trở Pttmax là mức công suất tối đa mà điện trở có thể chịu đựng Nếu vượt quá giới hạn này, điện trở sẽ bị nóng chảy và không còn khả năng sử dụng.
- Hệ số nhiệt điện trở: Biểu thị sự thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ môi trường
Điện trở R có giá trị thay đổi ∆R khi nhiệt độ biến đổi ∆T TCR (Temperature Coefficient of Resistance) là chỉ số thể hiện sự biến đổi tương đối của điện trở theo phần triệu (ppm) trên mỗi độ C.
2.1.3 Phân loại và ứng dụng của điện trở a Phân loại điện trở Điện trở có thể được phân loại theo nhiều cách Thông dụng nhất là chia điện trở thành hai loại:
- Điện trở có trị số thay đổi (biến trở)
Biến trở khác với điện trở cố định nhờ vào cấu trúc con chạy gắn với trục xoay, cho phép điều chỉnh trị số điện trở Con chạy có thể là kiểu xoay hoặc kiểu trượt Điện trở được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử, như giới hạn dòng điện, tạo sụt áp, phân cực, làm tải cho mạch điện, chia áp và định hằng số thời gian Việc lựa chọn điện trở phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của mạch điện.
Điện trở thông thường, thường không dây quấn, được chế tạo từ than hoặc các vật liệu dẫn điện kém khác Những vật liệu này được bao bọc bên ngoài một lõi bằng sứ, hoặc có thể có lớp bọc được xẻ theo đường rãnh xoắn ốc xung quanh lõi, tạo thành điện trở mặt.
Loại tụ điện này có kích thước nhỏ, được ép lại thành khối và có điện cảm cùng điện dung tạp Mặc dù giá thành rẻ, nhưng độ ổn định của nó kém và công suất tiêu thụ cũng nhỏ.
Điện trở dây quấn được làm từ dây côngtantan (điện trở thấp) hoặc nicrôm (điện trở cao), quấn quanh một ống sứ và được phủ lớp men màu nâu hoặc xanh Loại điện trở này có ưu điểm về độ ổn định và độ chính xác cao, mức tạp âm thấp, cũng như khả năng tiêu thụ công suất lớn Tuy nhiên, nhược điểm của nó là bị giới hạn về tần số do ảnh hưởng của điện cảm và điện dung tạp lớn.
Điện trở kiểu chiết áp dây quấn có cấu tạo tương tự như điện trở dây quấn nhưng cho phép điều chỉnh giá trị Con chạy bằng kim loại kết nối với trục trượt hoặc trục quay, di chuyển trên các vòng dây Giá trị của chiết áp dây quấn có thể thay đổi trong khoảng từ 1 trở lên.
200) kΩ, công suất khoảng (3 ÷ 5) W Chiết áp dây quấn thường được dùng trong các mạch công suất lớn
Hình 2.3 Kết cấu và ký hiệu của chiết áp, biến trở
Hình 2.4 Hình dạng các chiết áp
Điện trở kiểu chiết áp than hỗn hợp có lớp vật liệu hỗn hợp phủ trên tấm hình móng ngựa, với hai đầu được phủ bạc nối với chân ra Chiết áp này có phạm vi giá trị biến đổi từ 10 Ω đến 10 MΩ và công suất từ 0,1 đến 2 W, đồng thời cho phép điều chỉnh điện trở một cách tuyến tính Điện trở kiểu chiết áp lagarit thường được sử dụng trong các bộ lọc hoặc điều chỉnh âm sắc trong máy thu, trong khi điện trở kiểu chiết áp hàm mũ được dùng để điều chỉnh âm lượng.
2.1.5 Cách đọc giá trị điện trở
Cách đọc trị số của điện trở tùy thuộc vào cách biểu thị trị số điện trở
2.1.5.1 Biểu thị trị số điện trở bằng số và chữ
Trong các ghi chú về điện trở, thường sử dụng các ký hiệu R, K, M để biểu thị giá trị Ký hiệu R đại diện cho đơn vị ohm (Ω), K cho kilohm (kΩ), và M cho megohm (MΩ) Vị trí của các ký hiệu này xác định vị trí chữ số thập phân, trong khi giá trị số tương ứng thể hiện giá trị cụ thể của điện trở.
Nếu có ba chữ số thì thường chữ số thứ ba biểu thị số lũy thừa của 10
Ví dụ: 472 R → R = 47 x 10 2 Ω Đặc biệt chữ số thứ ba là số 0 thì đó là giá trị thực của điện trở
Quy ước về sai số: B = 0,1%; C = 0,25%; D = 0,5%; F= 1%; G = 2%; H 2,5%; J = 5%; K = 10%; M = 20%
2.1.5.2 Biểu thị trị số điện trở bằng các vòng màu
Giá trị điện trở được thể hiện bằng các màu sắc như trong bảng 2.1
Bảng 2.1 Các giá trị màu của điện trở Màu Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Lục Lam Tím Xám Trắng
Sai số Nhũ Vàng: 5% Nhũ Bạc: 10%
Thường dùng 3 vòng, 4 vòng hoặc 5 vòng để biểu diễn Các quy định màu đối với vòng màu điện trở như sau:
- Trường hợp điện trở có 3 vòng màu:
+ Vòng 1, 2 là vòng giá trị;
+ Vòng 3 là vòng biểu thị số lũy thừa của 10;
- Trường hợp điện trở 4 vòng màu:
+ Vòng 1, 2 là vòng giá trị;
+ Vòng 3 là vòng biểu thị số lũy thừa của 10;
+ Vòng 4 là vòng sai số
- Trường hợp điện trở 5 vòng màu:
+ Vòng 1, 2, 3 là vòng giá trị;
+ Vòng 4 là vòng biểu thị số lũy thừa của 10;
+ Vòng 5 là vòng sai số Để xác định thứ tự vòng màu căn cứ vào ba đặc điểm:
+ Vòng thứ nhất gần đầu điện trở nhất;
+ Tiết diện vòng cuối cùng là lớn nhất;
+ Vòng 1 không bao giờ là nhũ vàng, nhũ bạc
Ví dụ: Điện trở có 4 vòng màu lần lượt là cam - trắng - đỏ - nhũ vàng sẽ có trị số: 39 x 10 2 Ω ± 5%.
Tụ điện (Capacitor)
Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, cấu tạo từ hai bề mặt bán dẫn được ngăn cách bởi chất điện môi Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai bề mặt, điện tích cùng cường độ nhưng trái dấu sẽ xuất hiện trên chúng.
Sự tích tụ điện tích trên hai bề mặt của tụ điện cho phép nó lưu trữ năng lượng Khi điện thế xoay chiều xuất hiện, điện tích tích lũy trên tụ điện bị chậm pha so với điện áp, dẫn đến sự hình thành trở kháng trong mạch xoay chiều.
Tụ điện được cấu tạo bởi hai bản cực kim loại đặt song song, được cách điện bởi một lớp điện môi Hai bản cực này được kết nối với hai dây dẫn bên ngoài, tạo thành hai chân tụ, và toàn bộ được bảo vệ trong một vỏ bọc.
Ký hiệu của tụ trong mạch điện:
Điện dung C là khái niệm dùng để đặc trưng khả năng phóng nạp điện tích của tụ điện, với đơn vị đo là Fara (F) Các ước số thông dụng của điện dung bao gồm microfarad (μF), nanofarad (nF) và picofarad (pF).
Dòng điện i chạy trên mạch qua tụ có quan hệ với điện áp U trên hai bản cực là: dt
2.2.2 Các tham số cơ bản của tụ điện
Mỗi loại tụ điện đều có các tham số kỹ thuật quan trọng giúp lựa chọn và sử dụng tụ điện trong mạch điện tử một cách hiệu quả Các tham số chính của tụ điện bao gồm:
2.2.2.1 Trị số điện dung và dung sai
- Trị số điện dung C: Được tính theo tỷ số giữa điện tích hữu dụng của bản cực với khoảng cách giữa hai bản cực d
C: Là điện dung của tụ điện (F);
r : Là hằng số điện môi của chất điện môi;
0: Là hằng số điện môi của không khí hay chân không;
S: Là diện tích hiệu dụng của một bản kim loại; d: Là khoảng cách giữa hai bản cực (m)
Dung sai của tụ điện là tham số quan trọng, thể hiện sự sai lệch giữa giá trị điện dung thực tế và giá trị danh định được ghi trên thân tụ.
Cn: Là trị số điện dung thực tế;
Cdđ: Là trị số điện dung danh định
Mỗi tụ điện có một điện áp làm việc tối đa, và nếu vượt quá mức này, lớp điện môi sẽ bị đánh thủng, dẫn đến hư hỏng Đối với hầu hết các loại tụ điện thông thường, điện áp tối đa này thường là điện áp một chiều Trong trường hợp điện áp xoay chiều, giá trị hiệu dụng có thể thấp hơn từ 2 đến 5 lần so với điện áp làm việc của dòng một chiều.
Tụ điện lý tưởng trong mạch xoay chiều không tiêu tốn năng lượng, tuy nhiên, thực tế cho thấy một phần năng lượng bị mất mát do tổn hao trong chất điện môi và trên các bản cực.
Tính chất và kích thước của lớp điện môi ảnh hưởng lớn đến điện trở cách điện của tụ điện Đối với tụ hóa, điện trở cách điện được thể hiện qua dòng rò.
2.2.2.5 Hệ số nhiệt của tụ điện
Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, kích thước và khoảng cách giữa các bản tụ điện cùng với hệ số điện môi cũng sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi của điện dung Hệ số nhiệt của tụ điện được định nghĩa là sự biến thiên tương đối của điện dung khi nhiệt độ thay đổi 1 độ C.
2.2.2.6 Điện cảm tạp tán Điện cảm tạp tán phụ thuộc vào kích thước của các bản và các đầu nối Để công tác ổn định, tần số công tác lớn nhất phải nhỏ hơn tần số cộng hưởng của tụ điện khi tính tới điện cảm tạp tán của nó (hình thành một khung cộng hưởng LC)
2.2.3 Phân loại, cấu tạo, đặc tính của tụ điện
2.2.3.1 Tụ có giá trị cố định
+ Cấu tạo: Chất cách điện trong tụ giấy làm bằng loại giấy mỏng cách điện không thấm nước, còn đầu ra làm bằng các lá kim loại rất mỏng;
Tụ giấy với điện dung nhỏ hơn 0,1 μF yêu cầu có điện trở cách điện tối thiểu là 5.000 MΩ, trong khi đó, tụ giấy có điện dung lớn hơn 0,1 μF sẽ có điện trở cách điện thấp hơn mức này.
Tụ giấy dùng để phân đường, ngăn, nối tầng, lọc trong những điện tần số thấp
Hình 2.6 Hình ảnh tụ giấy
Tụ mica được cấu tạo từ chất cách điện là các bản mica chất lượng cao, kết hợp với các bản tụ điện làm bằng lá kim loại mỏng hoặc lớp bạc mỏng được tráng lên một mặt của bản mica Trong đó, tụ điện mica có bản làm bằng lá kim loại kém ổn định hơn so với loại được tráng bạc.
Hình 2.7 Hình ảnh tụ mica
Tụ mica có đặc tính tổn hao rất thấp và điện trở cao, lên đến khoảng 10.000 MΩ, vì vậy chúng thường được sử dụng trong các mạch cao tần và làm phần tử cách ly trong máy radio.
Tụ điện gốm được cấu tạo từ một miếng gốm nhỏ hình trụ hoặc giống khuy áo, với hai mặt được tráng bạc và cách điện với nhau, tạo thành hai má của tụ điện Chất điện môi của tụ điện này là gốm.
Cuộn cảm (Inductor)
Cuộn cảm là linh kiện điện tử thụ động, thường được sử dụng trong mạch điện có dòng điện thay đổi theo thời gian Nó có khả năng lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường và làm cho dòng điện đi qua bị trễ pha 90 độ so với điện áp.
Cuộn cảm được cấu tạo từ nhiều vòng dây quấn, có thể trên một lõi cách điện hoặc không có lõi, tùy thuộc vào tần số hoạt động của mạch.
Cuộn dây quấn lõi không khí Cuộn dây quấn lõi Ferit
Hình 2.10 Hình ảnh cuộn cảm
- Ký hiệu cuộn cảm trong mạch điện
Hình 2.11 Ký hiệu các loại cuộn cảm trong mạch điện
L1 là lõi không khí; L2 là lõi Ferit; L3 là lõi điều chỉnh được;
- Để đặc trưng cho khả năng cảm ứng điện từ, người ta đưa ra khái niệm điện cảm Đơn vị đo điện cảm là H (Henri)
- Điện áp U trên hai đầu cuộn cảm khi cho dòng điện i đi qua cuộn cảm là: dt
2.3.2.1 Độ tự cảm của cuộn dây l
Trong công thức tính toán cuộn dây, S biểu thị tiết diện của cuộn dây, N là số vòng dây, l là chiều dài của cuộn dây, àr là độ từ thẩm của vật liệu lừi sắt từ (H/m), và μ0 là độ từ thẩm của không khí (H/m).
2.3.2.2 Hệ số phẩm chất của cuộn dây Để tính hệ số phẩm chất của cuộn dây ta xem xét đến sự tổn thất của cuộn dây khi có dòng điện chạy qua Một cuộn dây thực khi có dòng điện chạy qua luôn có tổn
Công suất điện hao phí để làm nóng cuộn dây là 23 thất, được biểu thị bởi điện trở RS nối tiếp với điện kháng XL Hệ số phẩm chất Q của cuộn dây được tính bằng tỷ số giữa cuộn cảm kháng XL và điện trở nối tiếp hiệu dụng RS.
2.3.2.3 Điện dung tạp tán Điện dung tạp tán là điện dung ký sinh giữa các vòng dây tạo ra một tần số cộng hưởng riêng Điện dung ký sinh càng lớn khi cuộn cảm có nhiều lớp dây quấn, để giảm điện dung ký sinh thì cuốn dây theo kiểu phân đoạn
2.3.2.4 Tần số làm việc giới hạn
Cuộn cảm tạo ra các mạch cộng hưởng LC nhờ điện dung ký sinh giữa các cuộn dây, hoạt động như một mạch lọc tín hiệu Ở tần số cao, cuộn cảm hoạt động như một mạch cộng hưởng song song.
Dựa theo ứng dụng cuộn dây có một số loại sau:
- Cuộn cộng hưởng là cuộn dây dùng trong các mạch cộng hưởng LC;
- Cuộn lọc là cuộn dây dùng trong các mạch lọc một chiều;
- Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần
Dựa vào loại lõi của cuộn dây, có thể chia các cuộn dây ra một số loại sau:
- Cuộn dây lõi không khí hay cuộn dây không có lõi;
- Cuộn dây lõi sắt bụi;
- Cuộn dây lõi sắt từ
2.3.4 Cách đọc giá trị cuộn cảm
Cách đọc giá trị cuộn cảm tương tự như đọc tụ điện
Ví dụ: Đỏ đỏ nhũ bạc => cuộn cảm có giá trị 0,22 μH
Chú ý: Vạch màu to nhất là vạch sai số
Biến áp (Transformer)
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có chức năng biến đổi điện áp trong hệ thống điện xoay chiều mà không thay đổi tần số Đầu vào của máy biến áp, kết nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp (U1, I1, W1), trong khi đầu ra, nối với tải, được gọi là thứ cấp (U2, I2, W2).
Nếu U2 > U1: Máy biến áp tăng áp Nếu U2 < U1: Máy biến áp giảm áp
Công dụng của máy biến áp: Truyền tải và phân phối điện năng
Máy biến áp trong các mạch điện tử thường là máy biến áp một pha công suất nhỏ
Hình 2.12 Hình ảnh máy biến áp công suất nhỏ
Máy biến áp bao gồm ba bộ phận chính: lõi thép, dây quấn và vỏ máy, cùng với các thành phần phụ như phần cách điện, đồng hồ đo và bộ phận điều chỉnh Lõi thép đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn từ trường và tăng hiệu suất của máy biến áp.
Lõi thép máy biến áp được làm bằng thép kỹ thuật, có nhiệm vụ làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung quấn dây
Thép kỹ thuật là hợp kim sắt chứa silic, với các lá thép dày từ 0,3 đến 0,5 mm Những lá thép này được cán mỏng để giảm tổn hao năng lượng trong quá trình sử dụng Tính chất của thép kỹ thuật điện thay đổi tùy theo hàm lượng silic có trong hợp kim.
25 nếu hàm lượng silic càng nhiều thì độ tổn hao càng ít, tuy nhiên lại giòn và khó gia công
Lõi thép thường được chia làm hai loại: kiểu lõi trụ và kiểu lõi hình xuyến b) Dây quấn
Máy biến áp thường được chế tạo từ dây đồng hoặc nhôm, bao gồm hai cuộn dây: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp kết nối với nguồn điện, trong khi cuộn thứ cấp kết nối với tải.
Dây quấn sơ cấp và thứ cấp thường không nối điện với nhau, máy biến áp có hai dây quấn như vậy gọi là máy biến áp cảm ứng
Dây quấn sơ cấp và thứ cấp nối điện với nhau gọi là máy biến áp tự ngẫu c) Vỏ máy
Thường làm bằng kim loại để bảo vệ máy, chống rung Ngoài ta vỏ máy còn làm giá lắp đồng hồ, bộ phận chuyển mạch
2.4.3 Các thông số kỹ thuật của máy biến áp
Điện áp sơ cấp định mức (U1đm) là điện áp quy định cho dây quấn sơ cấp, trong khi điện áp thứ cấp định mức (U2đm) là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp.
Với máy biến áp một pha, định mức là điện áp pha; với máy biến áp ba pha định mức là điện áp dây
- Dòng điện định mức: Là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến áp, ứng với công suất định mức và điện áp định mức
- Công suất định mức: Là công suất biểu kiến định mức, ký hiệu Sđm đơn vị là
Với MBA một pha: Sđm = U2đmI2đm = U1đmI1đm
Với MBA ba pha: Sđm = 3U2đmI2đm = 3U1đmI1đm
Máy biến áp gồm cuộn dây sơ cấp có w1 vòng dây; cuộn dây thứ cấp có w2 vòng dây
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy biến áp một pha
Khi cuộn dây sơ cấp được kết nối với nguồn điện xoay chiều có điện áp u1, dòng điện i1 sẽ được tạo ra trong cuộn dây này Dòng điện i1 sẽ tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép, và do mạch từ khép kín, từ thông này sẽ cảm ứng sang cuộn thứ cấp, tạo ra sức điện động cảm ứng e2 tỷ lệ với số vòng dây w2 Đồng thời, từ thông biến thiên cũng tạo ra sức điện động tự cảm e1 trong cuộn sơ cấp, tỷ lệ với số vòng w1.
Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông tạo ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn sơ cấp là \( e_1 = -W_1 \frac{d\Phi}{dt} \) Tương tự, cuộn dây thứ cấp \( W_2 \) cũng có sức điện động cảm ứng được xác định bởi công thức \( e_2 = -W_2 \frac{d\Phi}{dt} \).
Khi máy biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch và dòng điện thứ cấp I2 bằng 0, do đó từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I0 tạo ra Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp kết nối với tải có tổng trở Zt, dẫn đến dòng điện thứ cấp i2 được sinh ra dưới tác động của sức điện động e2 để cung cấp điện cho tải Lúc này, từ thông chính được sinh ra đồng thời bởi cả hai dòng sơ cấp i1 và thứ cấp i2 Vì điện áp u1 có dạng hình sin, nên từ thông cũng biến thiên theo dạng hình sin: Φ = Φm.sinωt.
1 1 e E 2 sin( t / 2)Tương tự ở cuộn dây thứ cấp w2 có:
2 2 e E 2 sin( t / 2) Hai s.đ.đ trên biến đổi theo qui luật hàm số sin và có s.đ.đ hiệu dụng là:
Hệ số biến áp Ku được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp sơ cấp và điện áp thứ cấp, trong đó không tính đến tổn hao trên các cuộn dây.
Như vậy, căn cứ vào tỷ số biến áp có thể xác định được số vòng dây cụ thể của phần điện từ và ngược lại
Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu coi hao tổn trên MBA là không đáng kể thì công suất vào P1 phải gần bằng công suất ra P2 ta có:
Trong đó: Ki gọi là hệ số biến dòng
- Hiệu suất máy biến áp:
Hiệu suất máy biến áp được tính theo công thức sau:
P1: Là công suất tiêu thụ (công suất đầu vào máy biến áp);
P2: Là công suất đầu ra máy biến áp (công suất trên dây quấn thứ cấp);
∆P: Là tổn hao trong máy biến áp: ∆P = ∆Pđ1 + ∆Pst + ∆Pđ2;
∆Pđ1 = I1 2.R1 gọi là tổn hao đồng trên dây sơ cấp;
∆Pst gọi là tổn hao sắt từ;
∆Pđ2 = I2 2.R2 gọi là tổn hao đồng trên dây quấn thứ cấp
Ngoài ra, trên máy biến áp còn ghi tần số định mức fđm, số pha, sơ đồ đấu dây, điện áp ngắn mạch, chế độ làm việc
2.4.4 Một số loại máy biến áp thường gặp
Máy biến áp được phân thành nhiều loại khác nhau dựa vào cấu tạo, chức năng, cách thức cách điện, công suất và hiệu điện thế
Biến áp âm tần là thiết bị chuyên dụng hoạt động trong dải tần số âm thanh từ 20 Hz đến 20.000 Hz, với chức năng biến đổi điện áp mà không làm méo sóng Nó có vai trò quan trọng trong việc ngăn cách điện một chiều giữa các mạch, biến đổi tổng trở và đảo pha.
Biến áp cao tần được cấu tạo từ hai cuộn dây quấn trên một ống cách điện, thường sử dụng dây dẫn bằng đồng tráng men hoặc mạ bạc với đường kính lớn, hoặc kết hợp nhiều sợi dây nhỏ tết lại với nhau.
Cuộn sơ cấp và thứ cấp có thể được quấn chồng lên nhau hoặc cách nhau vài mm, với khoảng cách càng gần thì độ ghép càng lớn Để tăng hệ số tự cảm và hệ số phẩm chất, người ta thường thêm lõi thép ferit vào lòng cuộn dây Để giảm thiểu ảnh hưởng ghép ký sinh từ các vật liệu xung quanh, biến áp thường được bọc kín bằng một hộp kim loại.
Biến áp tự ngẫu là bộ biến đổi điện áp gồm một cuộn dây có một hay nhiều đầu dây trung gian
Sử dụng biến áp tự ngẫu thay cho biến áp truyền thống có thể giúp giảm chi phí dây quấn, vì trong một cuộn dây chung chỉ có dòng điện hiệu số chạy qua, được tính theo công thức I = I2 – I1 cho biến áp hạ áp và I = I1 – I2 cho biến áp tăng áp.
Biến áp tự ngẫu có ưu điểm nổi bật về chi phí dây dẫn khi tỷ số biến áp không lớn, với tỷ số k = 2 giúp tiết kiệm 50% chi phí dây đồng, trong khi k = 50 chỉ tiết kiệm khoảng 5% Do đầu ra và đầu vào của biến áp tự ngẫu được ghép trực tiếp, nên mạch biến áp tự ngẫu không cần nối đất.
2.4.4.2 Biến áp cộng hưởng Đây là biến áp cao tần (dùng ở trung tần hoặc cao tần) có lõi không khí hoặc sắt bụi hoặc ferit Các biến áp này ghép lỏng và có một tụ điện mắc ở cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp để tạo cộng hưởng đơn
DIODE
Chất bán dẫn
Các linh kiện điện tử như diode và transistor được chế tạo từ chất bán dẫn Bài viết này sẽ giới thiệu về ba loại bán dẫn cơ bản: bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp loại N và bán dẫn pha tạp loại P.
3.1.1 Khái niệm a) Khái niệm về chấn bán dẫn
Chất bán dẫn là loại vật chất có điện trở suất nằm giữa chất dẫn điện và chất điện môi ở nhiệt độ phòng, với giá trị điện trở suất ρ dao động từ 10^-6 đến 10^8 Ωm.
Trong tự nhiên tồn tại nhiều chất bán dẫn như Bo (B); Indi (In); Gali (Ga), Silic (Si); Gecmani (Ge)…
Trong ngành kỹ thuật điện tử, các chất bán dẫn thường được sử dụng là silicon (Si) và germanium (Ge), có cấu trúc tinh thể đơn với các nguyên tử được sắp xếp theo quy luật nhất định Cấu trúc vùng năng lượng của các chất rắn tinh thể này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất điện của chúng.
Theo lý thuyết cấu trúc nguyên tử, nguyên tử bao gồm một hạt nhân ở giữa và các quỹ đạo điện tử xung quanh Lớp hóa trị của nguyên tử được thay thế bởi các mức năng lượng, trong khi các điện tử hóa trị bị giới hạn trong vùng này Khi điện tử hấp thu đủ năng lượng, chúng có thể rời khỏi lớp hóa trị, trở thành điện tử tự do và tồn tại trong vùng dẫn.
Vùng cấm là sự chênh lệch năng lượng giữa các vùng hóa trị và vùng dẫn, xác định mức năng lượng tối thiểu mà điện tử hóa trị cần để chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Cấu trúc năng lượng của vật rắn tinh thể được chia thành ba vùng chính.
Vùng hóa trị, hay còn gọi là vùng đầy, là khu vực chứa các mức năng lượng mà trong điều kiện bình thường đã bị các điện tử chiếm giữ, do đó không còn trạng thái năng lượng tự do.
Vùng dẫn (vùng trống) là khu vực chứa các mức năng lượng mà trong điều kiện bình thường đã bị điện tử chiếm giữ, dẫn đến việc không còn trạng thái năng lượng tự do.
Vùng cấm (Forbidden Region): Trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm giữ
Vật rắn tinh thể được phân loại thành ba loại chính dựa trên vị trí tương đối của ba vùng: chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn.
Chất bán dẫn thì có ba loại: Chất bán dẫn nguyên chất; chất bán dẫn tạp chất loại N; chất bán dẫn tạp chất loại P
Khi hai loại bán dẫn P-N ghép với nhau sẽ tạo thành tiếp xúc P-N, hình thành lên dòng điện khuếch tán, dòng này dần đến 0
Trong chất bán dẫn loại N thì điện tử là hạt dẫn đa số, còn trong bán dẫn loại P thì lỗ trống là hạt dẫn đa số
Bán dẫn N mang điện tích âm, dấu ‘–’; gọi là catốt (K)
Bán dẫn P mang điện tích dương, dấu ‘+’ gọi là anốt (A) a) Hiện tượng tạo thành vùng nghèo
Khi bán dẫn P và N kết hợp để tạo thành chuyển tiếp P-N, điện tử tự do trong miền N khuếch tán sang miền P và kết hợp với các lỗ trống, làm cho miền N mất điện tử và tạo ra lớp điện tích dương gần lớp tiếp xúc Đồng thời, miền P mất lỗ trống do các điện tử kết hợp, dẫn đến hình thành lớp điện tích âm Sự tạo thành hai lớp điện tích âm và dương ở vùng tiếp xúc P-N tạo nên vùng nghèo.
Hình 3.1 Sự hình thành vùng nghèo ở mặt ghép P-N
Vùng nghèo là khu vực gần lớp tiếp xúc P-N nơi không còn hạt mang điện Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, vùng nghèo sẽ mở rộng và không có sự khuếch tán điện tử nào xảy ra qua lớp tiếp xúc.
Trong vùng nghèo theo định luật Cu-lông, một hàng rào thế năng hay điện trường được hình thành, ngăn cản các điện tử trong bán dẫn loại N di chuyển qua lớp tiếp xúc Năng lượng tối thiểu cần thiết để điện tử có thể vượt qua vùng nghèo được gọi là điện áp mở (hay điện áp ngưỡng), và giá trị của nó bằng điện áp tiếp xúc giữa hai lớp P-N.
Ở nhiệt độ phòng và điều kiện tiêu chuẩn, điện áp mở Umo của mặt ghép P-N là khoảng 0,3 V với Ge và 0,7 V với Si Khi phân cực thuận, một điện áp một chiều (Vth) được áp dụng lên mặt ghép P-N, với cực dương nối với miền P và cực âm nối với miền N, tương ứng với UDC = 0,7 V cho Si và UDC = 0,3 V cho Ge.
Hình 3.2 Mặt ghép P-N khi phân cực thuận
Khi phân cực thuận cho mặt ghép P-N, cực âm của nguồn Vth đẩy các electron tự do trong miền N qua mặt ghép P-N, tạo thành dòng điện tử Nguồn điện cung cấp đủ năng lượng cho các electron tự do vượt qua vùng nghèo và đến miền P, nơi chúng tái hợp với các lỗ trống trong vùng hóa trị Cùng lúc, cực dương của nguồn hút các electron hóa trị về phía bên trái của miền P, khiến chúng di chuyển từ lỗ trống này sang lỗ trống khác.
34 trống khác và tới được cực dương của nguồn Các lỗ trống là các hạt đa số của miền
P thực tế di chuyển sang phía bên phải lớp mặt ghép và gọi là dòng lỗ trống
Khi xảy ra phân cực thuận, vùng dẫn của miền N được nâng cao, tạo điều kiện cho một số lượng lớn electron tự do có năng lượng đủ để vượt qua rào và di chuyển sang miền P, nơi chúng kết hợp với các lỗ trống trong vùng hóa trị.
Vậy khi đặt một điện trường ngoài (thuận) vào hai bản cực P-N thì xuất hiện dòng điện ngoài Ing có:
Trong đó: Ikt là dòng khuếch tán; IAK gọi là dòng thông mạch
Mặt ghép P-N có khả năng dẫn điện mạnh khi được phân cực thuận, trong khi đó, khi phân cực ngược, nó gần như không dẫn điện Khi điện trường bên ngoài được đặt ngược, tiếp xúc P-N không cho phép dòng điện chạy qua.
Diode bán dẫn
3.2.1 Cấu tạo, hoạt động của diode
Diode bán dẫn cấu tạo là một mặt ghép P-N với hai điện cực nối với hai miền
P và N Điện cực nối với miền N gọi là miền Ka-tốt, điện cực nối với miền P gọi là miền A-nốt
Ký hiệu diode trong mạch điện: Có hai cách ký hiệu như hình sau:
Hình 3.5 Các kiểu ký hiệu diode trong mạch điện
Với diode Si có Umở = 0,7 V; diode Ge có Umở = 0,3 V
Nguyên lý hoạt động: Khi đặt một điện áp U lên diode, nếu UAK > 0 thì diode thông Nếu UAK < 0 thì diode khóa
3.2.2 Đặc tuyến V-A của diode Đặc tuyến V-A của diode bán dẫn giống với đặc tuyến V-A của lớp tiếp xúc P-N
Hình 3.6 Đặc tuyến Von-ampe của diode bán dẫn
Khi diode được phân cực thuận (UA > UK), nó cho phép dòng điện đi qua, được gọi là dòng thuận ID Khi điện áp UAK ban đầu bằng 0, dòng ID cũng bằng 0 Khi điện áp nguồn UAK vượt quá Ubh, dòng ID sẽ tăng lên tương ứng Dòng ID có thể được tính xấp xỉ theo công thức: T.
Khi diode được phân cực ngược (UA < UK), nó sẽ không cho dòng điện đi qua Tuy nhiên, nếu điện áp UAK vượt quá điện áp ngưỡng Ung, diode sẽ bị đánh thủng và không còn khả năng chỉnh lưu.
3.2.3 Các tham số của diode a) Các tham số giới hạn
Điện áp ngược cực đại cho phép U ngmax là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng trong khi vẫn hoạt động bình thường Thông thường, giá trị này được xác định trong khoảng Ung max = (0,7 ÷ 0,8) Uđt, trong đó Uđt là điện áp đánh thủng của diode.
- Dòng điện thuận lớn nhất đi qua khi diode mở: Imaxcp (A)
- Công suất tiêu hao cực đại cho phép: Pcp (W)
- Tần số làm việc cho phép: fmax (Hz)
Khoảng nhiệt độ làm việc của diode là yếu tố quan trọng để đảm bảo diode hoạt động bình thường Đối với diode Ge, khoảng nhiệt độ làm việc dao động từ
60 0 C đến + 85 0 C, diode Si khoảng từ - 60 0 C đến + 150 0 C b) Các tham số làm việc
Điện trở một chiều, hay còn gọi là điện trở tĩnh R0, là điện trở của diode khi hoạt động ở chế độ nguồn một chiều hoặc tại chế độ tĩnh, tức là tại điểm làm việc tĩnh trên đặc tuyến.
Điện trở một chiều R0 của diode là nghịch đảo góc nghiêng của đặc tuyến von- ampe tại điểm làm việc tĩnh, cho thấy rằng nó không phải là một tham số cố định mà thay đổi theo trị số điện áp và dòng điện tĩnh.
Điện trở xoay chiều, hay còn gọi là điện trở động (R i), là một tham số quan trọng trong điện tử Nó được xác định là nghịch đảo của góc nghiêng của tiếp tuyến với đặc tuyến von-ampe, cho thấy rằng R i tỷ lệ với cotang của góc nghiêng tại điểm làm việc tĩnh của diode.
- Hệ số chỉnh lưu k’: Đây là thông số đặc trưng độ phi tuyến của diode và được xác định bằng biểu thức sau:
Điện dung của diode C d bao gồm hai thành phần chính: điện dung của bản thân mặt ghép P-N (C0) và điện dung khuếch tán của mặt ghép P-N (Ckt).
Khi áp dụng điện áp ngược lên mặt ghép P-N, bề dày lớp tiếp xúc và mật độ điện tích trong vùng điện tích không gian đều tăng lên Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng điện dung, trong đó điện dung khuếch tán chỉ xuất hiện khi có hiện tượng khuếch tán Do đó, trong trường hợp diode phân cực thuận, điện dung tổng Ckt lớn hơn C0, còn khi diode phân cực ngược, điện dung tổng Ckt bằng 0 và C = C0.
Diode Zener được cấu tạo từ mặt ghép P-N, nhưng khác với diode chỉnh lưu, nó được thiết kế để hoạt động ở vùng đánh thủng ngược Điện áp đánh thủng của diode Zener được xác định thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ pha tạp trong quá trình chế tạo Khi phân cực thuận, diode Zener hoạt động tương tự như diode chỉnh lưu.
Trong chế độ phân cực ngược, diode Zener đạt tới điểm đánh thủng ngược, tại đó điện áp rơi trên diode gần như không đổi mặc dù dòng điện tăng mạnh Có hai loại đánh thủng ngược ở diode Zener: đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ.
Đánh thủng thác lũ xảy ra với diode Zener và diode chỉnh lưu khi điện áp ngược đạt mức đủ lớn Đặc biệt, diode Zener được pha tạp mạnh nhằm giảm điện áp đánh thủng, dẫn đến việc tạo ra một vùng nghèo rất mỏng Khi gần đạt điện áp đánh thủng (VZ), điện trường đủ mạnh để kéo các electron từ vùng hóa trị, từ đó tạo ra dòng điện.
Diode Zener với điện áp đánh thủng dưới 5 V chủ yếu hoạt động ở điện áp đánh thủng Zener, trong khi diode Zener có điện áp đánh thủng trên 5 V thường hoạt động ở điện áp đánh thủng thác lũ Trên thị trường, các diode Zener có điện áp đánh thủng từ 1,8 V đến 200 V với sai số dao động từ 1% đến 20% Đặc tuyến V-A của diode Zener được thể hiện trong hình 3.7, trong đó dòng ngược được gọi là dòng Zener Iz, và khi hiện tượng đánh thủng xảy ra, điện trở Zener được gọi là trở kháng.
Zener (Zz) bắt đầu giảm khi dòng ngược tăng mạnh
Hệ số nhiệt độ của diode Zener cho biết sự thay đổi điện áp Zener theo phần trăm khi nhiệt độ tăng 1 độ C Chẳng hạn, với diode Zener 12 V có hệ số nhiệt dương là 0,01%/°C, điện áp Vz sẽ tăng 1,2 mV khi nhiệt độ tăng 1 độ C.
- Ứng dụng của diode zener:
Thông thường diode Zener công suất nhỏ được dùng để cấp điện áp mốc (ổn áp) hoặc hạn chế mức điện áp cho mạch điện
Diode Zener công suất lớn thường được áp dụng trong mạch ổn áp kiểu song song Tuy nhiên, do tổn hao điện năng và nhiệt độ cao phát sinh trên diode và điện trở chặn, mạch này ít được ưa chuộng trong thực tế.
Một số mạch ứng dụng của diode
3.3.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ
Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều, phục vụ cho các thiết bị điện một chiều Sơ đồ mạch chỉnh lưu thể hiện cấu trúc và cách thức hoạt động của quá trình này.
Hình 3.14 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ b) Hoạt động của mạch
Khi cấp một điện áp xoay chiều U1 vào hai đầu cuộn L1 thì ở hai đầu cuộn L2 xuất hiện một điện áp cảm ứng xoay chiều U2
Trong nửa chu kỳ dương của U2, khi điểm A có điện thế dương và điểm B có điện thế âm (UA > UK), diode sẽ dẫn điện ở chế độ phân cực thuận Do đó, dòng điện sẽ di chuyển trong mạch theo chiều từ A (dương) qua D, rồi đến Rt, và cuối cùng đến B (âm).
+ Xét nửa chu kỳ âm của U2: Thì điểm A có điện thế âm, điểm B có điện thế dương; UA < UK, diode khóa
Nhận xét: Điện áp ra chỉ xuất hiện trong nửa chu kỳ dương của U 2 vì vậy điện áp ra là điện áp một chiều
Máy biến áp có đặc điểm với kết cấu mạch đơn giản và độ gợn sóng lớn Để cải thiện độ phẳng của điện áp ra, có thể mắc thêm tụ lọc song song với Rt.351 Khi tính toán, điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp của máy biến áp cần được xác định rõ ràng.
Trong đó: N1, N2 lần lượt là số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp.
Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:
U U V Trong đó: Urp: Là điện áp ra đỉnh; U2p: Là điện áp thứ cấp đỉnh
Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
Giá trị trung bình của dòng điện trên tải là: ra t t
R 3.3.2 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ a) Sơ đồ mạch
Hình 3.15 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ b) Hoạt động
Xét nửa chu kỳ dương của U21 (tức nửa chu kỳ âm của U22): Diode D1 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều A → D1 → Rt → 0 V
Xét nửa chu kỳ âm của U21 (tức nửa chu kỳ dương của U22): Diode D2 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều B → D2 → Rt → 0 V
Trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều, dòng điện đều đi qua tải Sơ đồ mạch chỉnh lưu cho hai nửa chu kỳ sử dụng diode, tương tự như hai sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ được mắc song song với tải chung.
- Điện áp ngược đặt lên diode lớn;
- Cấu tạo của biến áp dùng cuộn thứ cấp có điểm chung: Công suất bé, điện áp ra bé;
Để giảm độ gợn sóng trong mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, có thể mắc thêm tụ lọc song song với điện trở Rt nhằm làm cho điện áp ra trở nên phẳng hơn Bên cạnh đó, việc tính toán giá trị dòng và áp trên tải cũng rất quan trọng, đặc biệt là điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp của máy biến áp.
Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:
Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
Giá trị trung bình của dòng điện trên tải đối với trường hợp tải thuần trở: ra t t
Khi đó dòng qua các diode D1 và D2 là: 1 2
Và dòng cực đại qua diode là: ax
Điện áp ngược cực đại đặt vào diode khóa bằng tổng điện áp cực đại trên 2 cuộn thứ cấp của biến áp: max 2 2 2 3,14 ng ra
Khi đó cần chọn van D1, D2 có điện áp chược cho phép lớn hơn điện áp ngược cực đại
Khi tải có tụ lọc C, hiện tượng nạp và phóng của tụ điện C khiến mạch hoạt động theo chế độ không liên tục, tương tự như trường hợp với tải điện trở.
Trong trường hợp tải điện dung, mỗi van chỉ hoạt động trong khoảng thời gian nhỏ hơn nửa chu kỳ để nạp cho tụ điện, trong khi các van còn lại đều khóa do điện áp trên tụ đã nạp vượt quá giá trị tức thời của điện áp pha tương ứng Khi đó, tụ C phóng điện và cung cấp điện áp ra cho tải Rt, dẫn đến sự thay đổi của điện áp ra trung bình trong tình huống này.
3.3.3 Mạch chỉnh lưu cầu a) Sơ đồ mạch
Hình 3.16 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu cầu b) Hoạt động
Xét nửa chu kỳ dương của U2: Diode D1 và D3 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều A → D1 → Rt → D3 → B
Xét nửa chu kỳ âm của U2: Diode D2 và D4 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều B → D2 → Rt → D4 → A
Nhận xét: Trong cả hai nửa chu kỳ của của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải Đặc điểm:
- Điện áp ngược đặt lên diode nhỏ hơn so với mạch chỉnh lưu dùng hai diode;
- Cấu tạo của biến áp đơn giản hơn c) Tính toán giá trị dòng và áp trên tải Điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp máy biến áp:
Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:
Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
Giá trị trung bình của dòng điện trên tải đối với trường hợp tải thuần trở là: ra t t
Điện áp ngược cực đại đặt vào diode khóa bằng biên độ U2m: max 2 2
Khi tải có tụ lọc C, hiện tượng nạp và phóng của tụ điện C khiến mạch hoạt động ở chế độ không liên tục, tương tự như với tải điện trở Trong trường hợp này, điện áp ra trên tải được tính bằng công thức: U ra = 1,41 U2.
Hình 3.17 Sơ đồ mạch nhân đôi điện áp
Mạch hình 3.17 cho phép tạo ra điện áp ra một chiều gấp đôi điện áp vào Trong nửa chu kỳ dương, diode D1 mở và diode D2 khóa, dẫn đến tụ C1 được nạp với điện áp U2m Ngược lại, trong nửa chu kỳ âm, diode D1 khóa và diode D2 mở, khiến tụ C2 được nạp với cùng giá trị điện áp U2m.
C2 sẽ phóng điện trong nửa chu kỳ tiếp theo sau khi đã được nạp trong nửa chu kỳ trước đó Do đó, điện áp ra luôn bằng tổng điện áp của hai tụ C1 và C2.
3.3.5 Các mạch hạn chế biên độ (mạch ghim)
Các mạch hạn chế biên độ được thiết kế để kiểm soát điện áp ra, đảm bảo nó nằm trong các mức ngưỡng nhất định, không vượt quá biên độ lớn nhất của điện áp đầu vào Tùy thuộc vào cách mắc các phần tử hạn chế so với tải và cách lấy điện áp ra, có nhiều loại mạch hạn chế khác nhau như mạch hạn chế nối tiếp, song song, hạn chế trên, hạn chế dưới và hạn chế hai phía.
3.3.5.1 Mạch hạn chế nối tiếp
Mạch hạn chế mắc nối tiếp bao gồm một diode hạn chế kết nối với mạch tải, có hai loại chính là hạn chế biên độ phía trên và hạn chế biên độ phía dưới.
49 a) Mạch hạn chế trên mức E b) Mạch hạn chế dưới mức E
Hình 3.18 Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp
Mạch hạn chế nối tiếp trên mức E
Giải thích hoạt động: Giả thiết tín hiệu vào là hình sin và diode là lý tưởng
Gọi RDth và RDng là điện trở thuận và điện trở ngược của diode
Khi UD > 0 → Diode D mở và điện áp ra bằng: Áp dụng nguyên lý xếp chồng trong mạch điện ta tính được:
Khi UD < 0 → Diode D khóa và điện áp ra bằng:
Vậy nếu thỏa mãn điều kiện RDth + Rng 0 → Diode D mở → Ura = E
3.3.6 Ổn định điện áp bằng diode Zener (diode ổn áp)
Diode ổn áp hoạt động dựa trên hiệu ứng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ của tiếp giáp P-N khi được phân cực ngược, cho phép nó bị đánh thủng mà không bị hỏng.
Diode ổn áp dùng để ổn định điện áp đặt vào phụ tải
Kí hiệu, đặc tuyến V-A, sơ đồ ổn áp đơn giản dùng diode Zener như hình 3.22
Hình 3.22 Kí hiệu, đặc tuyến V-A và sơ đồ ứng dụng diode Zener
- Nhánh thuận đặc tuyến V-A của diode này giống như diode chỉnh lưu thông thường như nhánh ngược có phần khác: Lúc đầu khi điện áp ngược còn nhỏ thì
Ingược có trị số nhỏ giống diode thông thường
Khi điện áp ngược vượt qua giá trị đánh thủng, dòng điện ngược qua diode tăng đột ngột, trong khi điện áp ngược trên diode gần như không thay đổi Đoạn đặc tuyến gần như song song với trục dòng điện (đoạn A-B), và đoạn này được giới hạn bởi (Iôdmin, Iôdmax), tạo thành vùng làm việc của diode ổn áp.
