Giáo trình Kỹ thuật điện tử

Từ việc xác định chuẩn đầu vào và chuẩn đầu ra của đối tượng sinh viên cao đẳng đang theo học tại Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử của Trường, sao cho đáp ứng được yêu cầu về kỹ năng nghề ng

TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI

chính phục vụ cho công tác dạy học của giảng viên và dùng làm tài liệu học tập dành cho sinh viên hệ cao đẳng các ngành kỹ thuật như điện, điện tử, tự động hóa, điện tử công nghiệp, điện lạnh Nội dung tài liệu gồm 7 chương được trình bày theo đúng trình tự và mục tiêu thiết kế của chương trình

Từ việc xác định chuẩn đầu vào và chuẩn đầu ra của đối tượng sinh viên cao đẳng đang theo học tại Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử của Trường, sao cho đáp ứng được yêu cầu về kỹ năng nghề nghiệp, học đi đôi với hành và phù hợp với xu thế mới, nhóm đã dày công biên soạn các bài học lý thuyết sao cho được đơn giản hóa và những ứng dụng gắn liền thực tiễn nhằm dễ dàng đọc hiểu nâng cao khả năng tự học và rèn luyện tay nghề Qua đó, nhóm trình bày các nội dung từ cơ bản đến nâng cao và cập nhật về các kiến thức mới, công nghệ mới mà có tính ứng dụng cao Không chỉ thế, nhóm còn phân tích chi tiết các bài hướng dẫn, bài tập mẫu cụ thể, giới thiệu các mạch điện

có tính ứng dụng cao hiện nay trên thị trường giúp các em hứng thú và dễ dàng thực hành Giáo trình được biên soạn dựa trên các tài liệu chuẩn của nước ngoài Được viết một cách logic theo cách viết từ quá trình làm việc thực tế và kinh nghiệm đã qua của bản thân, để từ đó mọi sinh viên khối ngành kỹ thuật đều có khả năng tự học, tự nghiên cứu thậm chí sinh viên ngành xây dựng, cầu đường, kỹ thuật ô tô cũng hoàn toàn tìm thấy các điều bổ ích ở đây

Có lẽ vì thế cuốn giáo trình này trình bày khá khác biệt và sát với thực

tế hơn so với các cuốn giáo trình về điện tử cơ bản hiện có trên thị trường Đồng thời cuốn giáo trình được biên soạn không thuần túy là lý thuyết mà lại hướng đến việc dạy và học tích hợp và cuối mỗi chương đều có phần câu hỏi

ôn tập nhằm giúp người học củng cố kiến thức và rèn luyện thêm kỹ năng Cuốn giáo trình được biên soạn khá công phu, mỗi phần đều có lời giải thích

tử và tên tuổi của các nhà sáng chế ra nó nhằm tạo kích thích tinh thần hiếu học cũng như lòng say mê nghiên cứu khoa học trong sinh viên để từ đó Nhà trường, Khoa có thể dễ dàng phát động phong trào nghiên cứu khoa học cấp Khoa, cấp Trường và tham gia cuộc thi Robocon do VTV tổ chức hằng năm

Việc hoàn thiện cuốn giáo trình như mong đợi, đó là điều mà nhóm biên soạn không thể nào quên lời cảm ơn sâu sắc đến công đóng góp rất lớn từ

sự định hướng phát triển giáo dục, đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học của Ban Giám hiệu nhà trường, cảm ơn chân thành sự hướng dẫn cách trình bày, bố cục nội dung, mục tiêu đào tạo sao cho hợp lý của Phòng Đào tạo và lời cảm ơn sâu xa đến thầy Trưởng khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử đã đôn đốc,

hỗ trợ chuyên môn, cùng với các thầy cô đồng nghiệp góp ý tư vấn cả về nội dung lẫn hình thức

Mặc dù, nhóm biên soạn đã rất cố gắng, tận tâm nhưng có thể vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong đón nhận những ý kiến đóng góp

từ phía các chuyên gia, độc giả để lần tái bản sau cuốn giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn!

+ Trình bày được đặc điểm, cấu tạo, khái niệm, cơ chế làm việc và phân loại của các linh kiện điện tử như linh kiện thụ động, linh kiện tích cực, linh kiện công suất, linh kiện quang học

+ Giải thích được nguyên lý hoạt động của các loại linh kiện điện

tử như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, diode, Transistor, JFET, MOSFET, UJT, SCR, TRIAC, DIAC, RTD, OPTO …

+ Phân tích được các mạch điện tử ứng dụng như mạch chỉnh lưu, mạch ổn áp, mạch dao động, mạch chia áp, mạch chia dòng, mạch điều khiển AC/DC, mạch khuếch đại, mạch đóng ngắt + Phân tích và giải quyết được các bài toán về phân cực cho BJT như phân cực cố định, phân cực hồi tiếp, hồi tiếp kép, phân cực

tự phân áp Bên cạnh đó giúp cho sinh viên tự nghiên cứu các ứng dụng của linh kiện điện tử trong các mạch điện thực tế giúp các em tìm tòi, khám phá học hỏi liên tưởng đến môn học thực tập điện tử cơ bản là môn học thực hành theo sau môn học lý thuyết kỹ thuật điện tử

+ Tự thiết kế được các mạch điện tử đơn giản giúp cho sinh viên hiểu rõ thêm chức năng ứng dụng của linh kiện

 Về kỹ năng:

+ Khả năng nhận biết và xác định thông số, đánh giá được chất lượng tốt xấu của từng loại linh kiện điện tử thông qua nhận diện như màu sắc hoặc dùng các thiết bị đo kiểm như VOM

+ Xác định được ứng dụng của linh kiện thông qua các mạch điện ứng dụng trong thực tế , biết cách tìm kiếm và lựa chọn kiến thức để dùng vào những mục đích riêng biệt

+ Thuần thục việc đọc hiểu được các ký hiệu, các thông số kỹ thuật của các linh kiện điện tử

+ Sử dụng các thuật ngữ chuyên môn ngành điện trong giao tiếp tại nơi học tập, làm việc một cách hiệu quả

 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Khả năng tự cập nhật kiến thức, sáng tạo trong công việc

+ Nhận thấy tầm quan trọng, vị trí môn học trong toàn bộ quá trình tích lũy kiến thức và làm việc, nghiên cứu sau này

+ Hình thành thái độ nghiêm túc trong học tập và tự nghiên cứu + Sinh viên có thể nghiên cứu khoa học, yêu thích môn học, ngành học, đào sâu khả năng tự tìm hiểu mở rộng kiến thức dựa trên các nội dung cơ bản đã được cung cấp Có tinh thần hợp tác tốt, thái độ nghiêm túc trong học tập, nghiên cứu, làm việc nhóm, tích cực tham gia các hoạt động trên lớp

+ Phải bảo quản tốt các loại dụng cụ đo, thiết bị của nhà trường được phép sử dụng trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học + Tuân thủ nội quy nhà trường và theo hướng dẫn của giáo viên giảng dạy

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC TIÊU MÔN HỌC 4

MỤC LỤC 6

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐIỆN HỌC (ELECTRICAL BASIS) 1

1 Nguồn gốc của dòng điện (The origin of the current) 2

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển (A brief history of development) 2

1.1.2 Giới thiệu về điện (Introduction to Electricity) 5

1.2 Dòng điện một chiều (Direct Curent) 9

1.2.1 Định nghĩa (Define) 9

1.2.2 Định luật OHM (Ohm’s Law) 9

1.3 Dòng điện xoay chiều (Alternating Current) 13

1.3.1 Định nghĩa (define) 13

1.3.2 Dạng sóng (waveform) 13

1.3.3 Ứng dụng(Applications) 15

CÂU HỎI ÔN TẬP (Review questions) 16

Chương 2: LINH KIỆN THỤ ĐỘNG (PASSIVE COMPONENTS) 17

2.1 Điện trở 17

2.2 Tụ điện 17

2.3 Cuộn cảm 17

2.1 Điện trở (Resistor) 18

2.1.1 Điện trở là gì (What is Resistor) 18

2.1.2 Đơn vị điện trở (Resistor units) 18

2.1.3 Ký hiệu điện trở trong sơ đồ mạch (resistor schematic symbol) 19

2.1.4 Thành phần điện trở (Resistor composition) 20

2.1.5 Ý nghĩa điện trở trong mạch điện (resistor in circuit) 21

2.1.6 Giá trị điện trở của dây dẫn (resistance of conductor) 22

2.1.9 Các loại điện trở (Types of Resistors) 34

Điện trở công suất (power resistor) 44

2.1.10 Ứng dụng của điện trở 44

2.2 Tụ điện (Capacitor) 48

2.2.1 Giới thiệu về tụ điện (Introduction to Capacitors) 48

2.2.2 Các tham số chính của tụ (Main parameters of the capacitor) 51

2.2.3 Phân loại: 55

2.2.3 Cách mắc tụ : 64

2.3 Cuộn cảm 67

2.3.1 Khái niệm : 67

2.3.2 Cảm kháng của cuộn dây 73

2.3.3 Điện cảm tương hỗ (Mutual Inductance) 75

2.3.4 Cuộn cảm nối tiếp (Series inductor) 77

2.3.5 Cuộn cảm song song (Inductor Parallel) 80

2.3.6 Điện kháng cảm ứng (Inductive Reactance) 82

CÂU HỎI ÔN TẬP 84

Chương 3: CHẤT BÁN DẪN – DIODE 87

3.1 Chất bán dẫn ( Semiconductor) 88

3.1.1 Bán dẫn thuần khiết (Pure semiconducting) 88

3.1.2 Bán dẫn loại N (N-type Semiconductor Basics) 89

3.1.3 Bán dẫn loại P (P-type Semiconductor Basics) 91

3.1.4 Chuyển động của các electron và lỗ trong chất bán dẫn 92

3.1.5 Phân cực thuận tiếp điểm P - N 94

3.1.6 Phân cực ngược mối nối P - N 95

3.2 Diode bán dẫn 96

3.2.1 Cấu trúc và ký hiệu 96

3.2.2 Loại phẳng và loại Mesa (Planar Type and Mesa Type) 98

3.2.3 Các đặc điểm cơ bản của Diode (Basic Characteristics of Diode) 98

3.3 Phân loại Diode 100

3.3.1 Diode Zener 100

3.3.2 Diode trượt tuyết (Diode Avalanche) 103

3.3.3 Diode laser 103

3.3.4 Diode đường hầm (Tunnel diode) 105

3.3.5 Schottky diode 108

3.3.6 Varactor diode 110

3.4 Ứng dụng 112

CÂU HỎI ÔN TẬP 116

Chương 4: TRANSITOR LƯỠNG CỰC 118

2.1 Cấu tạo – Ký hiệu 118

2.2 Nguyên lý hoạt động 118

2.3 Hệ thức liên quan giữa các dòng điện 118

2.4 Các cách mắc cơ bản của Transitor 118

2.5 Đặc tuyến của Transitor 118

2.6 Hình dáng thực tế của Transitor 118

2.7 Sự phân cực của Transitor 118

4.1 Cấu tạo – Ký hiệu 119

4.1.1 Cấu tạo 119

4.1.2 Ký hiệu 121

4.2 Nguyên lý hoạt động 122

4.2.1 Nguyên lý làm việc của Transistor npn 122

4.2.2 Nguyên lý làm việc của transistor pnp 126

4.3 Hệ thức liên quan giữa các dòng điện 130

4.4.2 Mắc kiểu E chung (Common Emitter_CE) 137

4.4.3 Mắc kiểu C chung (Common Collector_CC) 140

4.4.4 Tóm lược đặc điểm ba cách mắc của Transistor 142

4.5 Đặc tuyến của Transitor 142

4.5.1 Đặc tuyến ngõ vào (input curves) 142

4.5.2 Đặc tuyến ngõ ra (output curves) 143

4.6 Hình dáng thực tế của Transitor 145

4.7 Sự phân cực của Transitor 147

4.7.1 Phân cực Transistor là gì? 147

4.7.2 Phân cực cố định dòng nền (Fixed Base Biasing) 149

4.7.3 Phân cực hồi tiếp thu (Collector Feedback Biasing) 153

4.7.4 Phân cực cố định nền với điện trở RE 156

4.7.5 Phân cực phát (Emitter Bias) 158

4.7.6 Phân cực tự phân áp (Voltage Divider Biasing) 159

4.7.7 Phân cực hồi tiếp kép (Dual Feedback Transistor Biasing) 162

4.7.8 Phân cực hồi tiếp phát (Emitter Feedback Bias) 163

CÂU HỎI ÔN TẬP 169

Chương 5: TRANSITOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET) 170

2.3.1 MOSFET kênh liên tục 170

5.1 Khái niệm 171

5.2 JFET 172

5.2.1 Cấu tạo – ký hiệu 172

5.2.2 Nguyên lý vận chuyển 173

5.2.3 Đặc tuyến – phân cực 177

5.3 MOSFET 178

P-Channel MOSFET 180

5.3.2 MOSFET kênh gián đoạn 181

CÂU HỎI ÔN TẬP 183

Chương 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM 185

6.1 Đại Cương 186

6.2 Transitor đơn nối ( UJT ) 186

6.2.1 Cấu tạo và đặc tính của UJT: 186

6.2.2 Ứng dụng đơn giản của UJT: 189

6.3 Thyristor (SCR) 190

6.3.1 Đôi nét về Lịch sử SCR 190

6.3.2 Cấu tạo và hoạt động 191

6.3.3 Ký hiệu SCR và mạch tương đương 192

6.3.4 Ứng dụng của SCR 193

6.4 DIAC 197

6.5 TRIAC 200

6.5.1 Giới thiệu 200

6.5.2 Cấu tạo và Ký hiệu điện tử của TRIAC: 200

6.5.3 Mạch tương đương của một TRIAC và hoạt động 201

6.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của TRIAC 202

6.5.5 Kích hoạt và kiểm tra TRIAC (Triggering & Testing ) 204

6.5.6 Ứng dụng: 205

CÂU HỎI ÔN TẬP 207

Chương 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 208

7.1 Khái niệm 209

7.2 Diode phát quang, Light Emitting Diode (LED) 211

7.3 LED bảy đoạn (7-segment Display) 217

7.4 Điện trở quang 223

7.7 Các bộ ghép quang (Opto – Couplers) 231 CÂU HỎI ÔN TẬP 234 TÀI LIỆU THAM KHẢO 235

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐIỆN HỌC (ELECTRICAL BASIS)

1 Mục tiêu:

+ Trình bày cấu tạo vật chất của chất dẫn điện

+ Phân tích được điện tích của chất dẫn điện

+ Xác định thông số cơ bản của dòng điện một chiều, xoay chiều

+ Xác định được cơ sở điện học về nguồn gốc của dòng điện

1 Nguồn gốc của dòng điện (The origin of the current)

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển (A brief history of development)

Lịch sử phát triển điện học có thể nói bắt đầu từ khoảng 600 năm trước công nguyên Thời bấy giờ những người Hi Lạp cổ đại lần đầu tiên đề cập đến những tính chất bí ẩn Nhà triết học Thales xứ Miletus đã phát hiện ra mảnh

hổ phách cọ xát (rubbed piece of amber) có thể hút được lông chim và làm nâng những chất liệu nhẹ khác như vỏ gỗ bào (lift small chips of wood) Phát hiện đó nhắc nhở Thales về truyền thuyết về Magnus (lấy từ tên người có từ magnetism) đây là đá từ còn gọi là nam châm có khả năng hút sắt

Hình 1.1: Đá nam châm có khả năng hút sắt

Sau nhiều thế kỷ các hiệu ứng tĩnh điện và từ tính (the electrostatic and magnetic effects) đã được nghiên cứu và xác minh bằng thực nghiệm để đặt nền móng của mạch điện (electrical circuits)

Mãi đến thế kỉ 13, một cách tiếp cận có phần chín chắn hơn thực hiện bởi người Pháp Pierre de Maricourt (Petrus Peregrinus), đã làm thí nghiệm với một đá nam châm hình cầu và những thứ khác, rồi công bố kết quả của ông trong cuốn “Epostolia de Magnete.” Ông là một trong những người đầu tiên đề xuất việc khai thác tính chất vẫn còn hiểu biết nghèo nàn của từ học để chế tạo một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu

Tuy nhiên, có một công cụ từ tính đã đi vào sử dụng đó là la bàn La bàn do người Trung Hoa phát minh từ thời Chiến quốc sau khi tìm ra đá nam

châm, còn gọi là “từ thạch” Người ta dùng đá nam châm thiên nhiên mài gọt thành hình dáng như một cái thìa, sau đó đặt trên một cái đế bằng đồng được mài nhẵn và quay chiếc thìa Đế đồng (như hình vẽ) được phân chia theo các cung quẻ, 4 phương 8 hướng Khi chiếc khi thìa dừng lại, hướng của cán thìa

sẽ quay về hướng Nam Vì vậy người Trung Quốc gọi là "kim chỉ Nam" (Hướng Nam xưa vốn được coi là hướng của quân vương) Trung Hoa sử dụng La bàn trong hàng hải sớm hơn phương Tây tới gần 100 năm Nhờ có La bàn, người châu Âu mới thực hiện khám phá những vùng địa lý mới như chuyến hải hành của Cristoforo Colombo tìm ra châu Mỹ

Hình 1.2: La bàn dạng thìa

Năm 1752 Benjamin Franklin thực hiện một thử nghiệm rât nguy hiểm bằng cách thả diều trong cơn bão Ông đã chứng minh rằng sét là một dạng điện (electricity), và do đó sự giống nhau của vật chất điện với ánh sáng hoàn toàn được chứng minh

Hình 1.3 : Benjamin Franklin thí nghiệm thả diều trong bão

Năm 1800, Alessandro Volta phát minh ra pin đầu tiên (the first battery) Đơn vị của lực điện (electrical force) hay điện áp là volt (được đặt theo tên của ông ta)

Hình 1.4: Alessandro Volta chế tạo Pin đầu tiên

Năm 1831, Michael Faraday là người đầu tiên tạo ra dòng điện trên quy

mô thực tế Faraday phát hiện ra rằng khi một nam châm được di chuyển bên trong cuộn dây đồng, một dòng điện nhỏ chạy qua

Hình 1.5: Faraday với thí nghiệm tạo ra dòng điện

Vào tháng 8 năm 1831, Faraday đã tạo ra máy biến áp đầu tiên Vài tháng sau, ông đã thiết kế và chế tạo bộ máy đơn giản đó là máy phát điện đầu tiên Năm 1879, Thomas Edison là một nhà phát minh nổi tiếng người Mỹ đã phát minh ra bóng đèn đầu tiên

Hình 1.6: Bóng đèn điện đầu tiên của Edison 1.1.2 Giới thiệu về điện (Introduction to Electricity)

Mọi thứ, từ nước và không khí đến đá, thực vật và động vật, được tạo thành từ các hạt nhỏ gọi là nguyên tử Chúng quá nhỏ để nhìn thấy, ngay cả với kính hiển vi mạnh nhất Các nguyên tử bao gồm các hạt nhỏ hơn gọi là proton, neutron và electron Hạt nhân của nguyên tử chứa proton, có điện tích dương và neutron, không có điện tích Các electron có điện tích âm và quỹ đạo xung quanh hạt nhân Một nguyên tử có thể được so sánh với một hệ mặt trời, với hạt nhân là mặt trời và các electron là các hành tinh trong quỹ đạo

Hình 1.7 : Cấu trúc của nguyên tử

Các electron có thể được giải thoát khỏi quỹ đạo của chúng bằng cách

áp một lực từ bên ngoài, chẳng hạn như từ trường, nhiệt độ, ma sát, hoặc phản ứng hóa học

Một electron tự do ra đi để lại một khoảng trống, có thể được lấp đầy bởi một electron tự do của nguyên tử khác Khi các electron tự do chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử kia, dòng điện tử được tạo ra Dòng điện tử này

là cơ sở của điện, gọi ngắn gọn là dòng điện

Đặc tính (characteristics)

Khi chúng ta nhìn vào dòng điện, chúng ta cần xem xét các đặc điểm của

nó Có ba đặc tính chính của điện:

 Dòng điện (Current) Ký hiệu là I

 Điện áp (Voltage) Ký hiệu là E hoặc V có khi là U

Bảng 1.1 : Bảng quy đổi đơn vị đo dòng điện

Khi nói về dòng điện, cần xem xét chiều của dòng điện Có hai giả thuyết khác nhau về điều này:

 Dòng quy ước (Conventional Flow)

 Dòng điện tử (Electron Flow)

Dòng quy ước: Lý thuyết này nói rằng các electron chảy từ dương sang âm

Benjamin Franklin đã phát triển thành một luận lý khi biết rất ít về điện Luận

lý đó nói rằng một dòng chảy vô hình được gọi là dòng điện chảy qua một dây điện có xu hướng từ đầu dương sang đầu âm (flow through a wire from the positive to the negative) Lý thuyết của Ben trở thành quy ước được dùng trong lý thuyết điện, toán học, sách giáo khoa và thiết bị điện mãi về sau

Dòng điện tử: Lý thuyết này nói rằng các electron chảy từ âm sang dương

Khi biết nhiều hơn về hành vi của các electron, các nhà khoa học đã khám phá

ra rằng các electron thực sự chuyển từ âm sang dương (from negative to positive) Vì các electron tích điện âm nên chúng bị thu hút bởi các vật thể tích điện dương và đẩy ra xa bởi các vật thể tích điện âm

Hình 1.8: Chiều dòng electronic chạy trong mạch điện

Mặc dù thực tế nó đã được xác định rằng dòng điện tử là lý thuyết chính xác, nhưng lý thuyết về dòng điện quy ước vẫn thống trị ngành công nghiệp Dòng quy ước vẫn sử dụng trong các mô-đun đào tạo trừ khi có quy định khác

Hình 1.0-9: Chiều dòng điện thực tế và quy ước Điện áp (Voltage)

Điện áp là lực điện được áp lên dây dẫn điện (conductor) để giải phóng các electron (free electrons), làm cho dòng điện chạy qua Nó được đo bằng volts hoặc “V” Dòng điện tiếp tục chạy trong dây dẫn miễn là vẫn còn điện

áp, hoặc áp suất điện được đặt vào cho dây dẫn

Bảng 1.2 quy đổi đơn vị đo điện áp

Có hai phương pháp mà lực điện áp tạo ra dòng điện:

 Dòng điện một chiều (Direct Current )

 Dòng điện xoay chiều (Alternating Current)

Trở kháng (Resistance)

Đây là đặc tính thứ ba của điện Sự hạn chế dòng electron chảy thông qua một dây dẫn được gọi là Trở kháng và nó được đo bằng ohms và viết tắt là "", đây là biểu tượng Omega trong Hy Lạp

Bảng 1.3 quy đổi đơn vị đo điện trở

1.2.2 Định luật OHM (Ohm’s Law)

Có một mối quan hệ xác định giữa ba đặc điểm điện chính: Dòng điện, điện áp và điện trở

Một nhà toán học người Đức, George Simon Ohm, đã xây dựng mối quan hệ này trong thế kỷ 19 Định luật Ohm cho rằng dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp và tỉ lệ nghịch với điện trở Công thức định luật đó:

Dòng điện = Điện áp / Điện trở

Trong đó:

o Dòng điện (I) đơn vị amps (A)

o Điện áp (E) đơn vị volt (V)

o Điện trở (R) đơn vị ohms (Ω)

Bằng cách sử dụng Luật Ohms, chúng ta có thể thấy rằng điện áp 1V đƣợc đặt vào điện trở 1Ω sẽ có dòng điện 1A chảy qua Giá trị điện trở lớn hơn, thì dòng điện sẽ chảy qua ít hơn với cùng một điện áp đã cho

Bất kỳ thiết bị điện hoặc thành phần nào tuân theo "Luật Ohms", dòng điện chạy qua nó tỉ lệ với điện áp trên nó, chẳng hạn, trong tự nhiên điện trở hoặc cáp thì đƣợc gọi là "Ohmic" và các thiết bị nhƣ Transistor hoặc Diode đƣợc gọi là thiết bị "Non-ohmic"

Định luật Ohm là công thức cơ bản đƣợc sử dụng trong tất cả các mạch điện AC và DC Vì vậy, nếu biết hai trong ba đặc điểm trên, ta hoàn toàn có thể tính toán yếu tố thứ ba

Hình 1.10: Biểu thức tam giác của Định luật Ohm

Các nhà thiết kế điện sử dụng định luật Ohm để xác định bao nhiêu điện áp là cần thiết cho một tải nhất định, nhƣ một động cơ, một máy tính, hoặc thậm chí các thiết bị có trong một ngôi nhà

Ví dụ 1 : Điện áp (E) và điện trở (R) đƣợc biết Xác định dòng điện trong mạch là gì?

Dễ dàng thấy, với tải 0.5Ω và pin mới được sạc ở 4.2 V, kết quả dòng điện sẽ

là 8.4 amps Nếu pin có giới hạn 10 A, thì cũng chỉ cung cấp dòng dưới mức này Cũng lưu ý rằng khi pin cạn kiệt, dòng điện cũng sẽ tắt Ví dụ khi pin đạt 3,7 V với cùng tải, dòng điện sẽ giảm xuống 7,4 A

Ví dụ 2:

Điện áp (E) và dòng điện (I) đã biết

Điện trở được tạo ra bởi đèn là gì?

Hướng dẫn(Tutorial)

Vận dụng công thức và thế số, ta có:

R = E / I = 24V / 6A = 4Ω

Công suất tính toán (wattage)

Điều tiếp theo muốn biết là công suất đƣợc tạo ra ở cuộn dây (wattage) Nó không đƣợc hiển thị trong tam giác, nhƣng công thức thì đơn giản Chỉ cần nhân dòng điện trong mạch với điện áp đặt vào:

Để tìm công suất (P) dùng 1trong 3 công thức sau:

[P = V.I] P (watt) = V (vôn) x I (amps)

1.3 Dòng điện xoay chiều (Alternating Current)

1.3.1 Định nghĩa (define)

Dòng điện xoay chiều: Với phương pháp này, điện áp buộc các electron chảy đầu tiên theo một hướng, sau đó chạy theo hướng ngược lại, sự thay đổi luân phiên này rất nhanh Loại điện áp này được gọi là điện áp xoay chiều (AC) Một máy phát điện được sử dụng để sản xuất điện áp AC Điện áp AC được cung cấp cho nhà dân, nhà máy và văn phòng

1.3.2 Dạng sóng (waveform)

AC có thể có một số dạng, miễn là điện áp và dòng điện xoay chiều Nếu chúng ta kết nối một dao động với một mạch với AC và vẽ điện thế của nó theo thời gian, chúng ta có thể thấy một số dạng sóng khác nhau Loại AC phổ biến nhất là sóng sin Nguồn AC dùng hầu hết trong dân dụng và công nghiệp, văn phòng là dạng sóng hình sin

Hình 1.11 : Dạng sóng hình sin của nguồn AC Các dạng AC thông dụng khác bao gồm sóng vuông và sóng tam giác:

Hình 1.12 : Dạng sóng vuông và tam giác của nguồn AC

Chúng ta thường muốn mô tả một dạng sóng AC bằng thuật ngữ toán học Chúng ta sẽ sử dụng sóng sin chung: Có ba phần là biên độ, tần số và pha có thể mô tả sóng sin là hàm toán học:

Hàm sin () chỉ ra rằng điện áp của chúng ta sẽ ở dạng sóng sin tuần hoàn, là một dao động trơn tru xung quanh 0V

2π là hằng số chuyển đổi tần số từ chu kỳ (hertz) sang tần số góc (radian / giây)

f mô tả tần số của sóng sin Điều này được đưa ra dưới dạng hertz Tần số cho biết có bao nhiêu lần dao động trong một giây(Chi biết sự tăng lên hay giảm)

t là biến phụ thuộc: thời gian (tính bằng giây) Khi thời gian thay đổi, dạng sóng thay đổi

φ mô tả pha của sóng sin Pha là một thước đo về sự thay đổi dạng sóng theo thời gian Nó thường được đưa ra như một số giữa 0 và 360 và được đo bằng

độ Do tính chất tuần hoàn của sóng sin, nếu dạng sóng bị dịch chuyển 360°,

nó trở thành dạng sóng giống nhau, như thể nó bị dịch chuyển 0°

Ví dụ: Tại Hoa Kỳ, điện áp AC cung cấp cho các hộ gia đình có biên độ 170V

và tần số 60Hz, giả sử pha của chúng là 0 Phương trình biểu diễn điện áp đó là: V(t) = 170sin(2.60.t)

Điện áp tăng lên đến 170V và xuống đến -170V theo định kỳ Ngoài ra, 60 chu kỳ của sóng sin xảy ra mỗi giây

1.3.3 Ứng dụng(Applications)

Nhà dân và các cửa hàng, văn phòng hầu như luôn luôn dùng nguồn

AC Điều này là do việc tạo và vận chuyển AC trên các khoảng cách dài là tương đối dễ dàng Ở điện áp cao (trên 110kV), ít năng lượng bị mất trong truyền tải điện Điện áp cao hơn có nghĩa là dòng điện thấp hơn, và dòng điện thấp hơn có nghĩa là ít nhiệt sinh ra trong đường dây điện hơn do điện trở AC

có thể được chuyển đổi và từ điện áp cao dễ dàng bằng cách sử dụng máy biến áp

AC cũng có khả năng cấp nguồn cho động cơ điện Động cơ và máy phát điện là cùng một thiết bị, nhưng động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học (nếu trục trên động cơ quay, điện áp được tạo ra tại các đầu cực) Điều này rất hữu ích cho nhiều thiết bị lớn như máy rửa chén, tủ lạnh, máy lạnh, máy giặt, máy bơm vv, chạy trên nguồn AC

CÂU HỎI ÔN TẬP (Review questions)

Câu 1: Nguyên tử lớn hơn electron (ĐÚNG/ SAI)

Câu 2: Xác định các phần trong một nguyên tử

Câu 3: Các electron tự nhiên bị đẩy lùi bởi điện tích dương của hạt nhân nguyên tử (ĐÚNG/ SAI)

Câu 4 Một Điện tử tự do là kết quả của việc nó bị loại ra khỏi của nó

Câu 5 Dòng electron đi từ nguyên tử này đến nguyên tử khác là cơ sở của điện

(ĐÚNG/ SAI)

Câu 6 Một dây dẫn điện tốt cho phép các electron tự do chuyển động

Tên hai vật liệu dẫn điện tốt:

và

Câu 7 Dòng điện chạy trong một dây dẫn bởi vì nó bị buộc phải bởi

Câu 8 Một kilovolt (1 kV) bằng 100 volt (ĐÚNG SAI)

Câu 9 Kháng được đo lường trong _

Câu 10 Thông thường, nhiệt độ dây dẫn càng cao, dòng điện chạy trong dây dẫn càng dễ (ĐÚNG /SAI)

Câu 11: Điện áp 10 volt được áp lên 2 đầu dây dẫn có điện trở 2.5 Ohm, xác định dòng điện chạy qua dây dẫn

Chương 2: LINH KIỆN THỤ ĐỘNG (PASSIVE COMPONENTS)

1 Mục tiêu

+ Trình bày được cấu tạo các linh kiện điện tử

+ Liên hệ thực tế về các ứng dụng các linh kiện điện tử

+ Đọc được các ký hiệu, bảng màu điện trở, tụ điện đọc các vòng màu thực tế, áp dụng vào các bài tập

+ Phân tích được các cấu tạo của linh kiện điện tử

+ Vận dụng các công thức tính toán phận cực linh kiện điện tử

2 Nội dung chính

2.1 Điện trở

2.2 Tụ điện

2.3 Cuộn cảm

2.1 Điện trở (Resistor)

2.1.1 Điện trở là gì (What is Resistor)

Điện trở (Resistor) là linh kiện điện tử thụ động gây ra trở kháng (resistance) làm cản trở dòng chảy của các electrons chạy trong mạch điện

Chúng được gọi là phần tử thụ động (passive) là vì chúng chỉ tiêu thụ năng lượng (consume power) mà không thể tạo ra năng lượng

Điện trở thường được sử dụng bổ sung thêm vào các mạch hoạt động như OP-AMP, vi điều khiển (microcontrollers) và các mạch tích hợp IC (integrated circuits) khác Các điện trở được sử dụng phổ biến để hạn dòng (limit current), mạch chia điện áp (divide voltages) và các đường mạch vào ra (pull-up I/O lines)

2.1.2 Đơn vị điện trở (Resistor units)

Để đo sự kháng điện của điện trở người ta dùng đơn vị là ohms, được biểu thị bằng chữ Hy Lạp Omega (Ω) Ohms được đặt theo tên của Georg Simon Ohm (1784-1854), một nhà vật lý người Đức, người đã nghiên cứu tìm

ra mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và điện trở Ông được công nhận vì đã xây dựng Luật Ohm

Trong hệ đơn vị SI, các giá trị lớn hơn hoặc nhỏ hơn của Ohms có thể được kết hợp với một tiền tố như kilo-, mega-, hoặc giga-, để làm cho các giá trị lớn dễ đọc hơn Nó rất phổ biến khi thấy các điện trở trong phạm vi kilohm (kΩ) và megaohm (MΩ) ít gặp hơn nhiều khi thấy các điện trở miliohm (mΩ)

Ví dụ: Một điện trở 4.700Ω tương đương với một điện trở 4.7kΩ

Điện trở 5.600.000Ω có thể được viết là 5,600kΩ hoặc 5.6MΩ

Tên của các điện trở thường là một chữ R trước một số Mỗi điện trở trong một mạch nên chỉ có một tên số duy nhất

Ví dụ: đây là một vài điện trở KÝ HIỆU trong mạch ĐỊNH THỜI 555 :

Hình 2 1: mạch định thời dùng IC555

Trong mạch này, điện trở đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập tần số đầu ra của IC555 Điện trở R3 hạn chế dòng điện qua LED

2.1.3 Ký hiệu điện trở trong sơ đồ mạch (resistor schematic symbol)

Tất cả các điện trở có hai đầu nối, khi được mô hình hóa trên sơ đồ thì điện trở được biểu thị theo một trong hai tiêu chuẩn:

 Hình chữ nhật (rectangular box) theo tiêu chuẩn của Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế hay IEC (International Electrotechnical Commission)

 Đường ngoằn ngoèo (zigzag) theo tiêu chuẩn Viện kỹ thuật Điện và Điện tử IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

Cả hai cách ký hiệu này đều có thể chấp nhận được, tuy nhiên dạng bản hộp chữ nhật được ưu tiên hơn dạng zigzag thường được sử dụng ở Mỹ và

Châu Á Nếu sử dụng phiên bản zigzag, thì số lượng đỉnh ở trên cùng là bốn

và thấp hơn là ba, do đó tổng cộng có bảy đỉnh trong biểu tượng

Hình 2.2: Các ký hiệu của điện trở 2.1.4 Thành phần điện trở (Resistor composition)

Điện trở có thể được xây dựng trên nhiều loại vật liệu Điện trở hiện đại được thực hiện bằng màng carbon hoặc kim loại hoặc oxit kim loại Trong các điện trở, một màng mỏng vật liệu dẫn điện (vẫn còn điện trở) được quấn xung quanh và bao phủ bởi một vật liệu cách điện

Hình 2.3: Điện trở từ trên xuống dưới: 27Ω, 330Ω và 3.3MΩ

Bên trong điện trở, một màng carbon được quấn quanh bởi một lớp chất cách điện Loại có nhiều lớp bọc đồng nghĩa với việc điện trở đó có giá trị trở kháng cao hơn

Bề mặt phủ bên ngoài điện trở thường dùng là một lớp dày hoặc dùng nhiều lớp màng mỏng xếp lại Màng phim dày thường rẻ hơn nhưng ít chính xác hơn loại màng mỏng

2.1.5 Ý nghĩa điện trở trong mạch điện (resistor in circuit)

Điện trở trong một mạch điện có thể dùng để thay thế cho nhiều thiết bị điện khác nhau từ bóng đèn đến động cơ Hầu hết các thành phần này có ký hiệu riêng nhưng chúng ta sẽ sử dụng ký hiệu đường Zigzag để biểu diễn các tải tiêu thụ điện

Ví dụ: Trong một mạch điện đốt nóng (electric heater circuit) như được mô tả trong hai hình minh họa dưới đây thì sợi dây đốt nóng xem như là điện trở

Để xác định chất lượng của sợi dây đốt nóng trong máy nhiệt điện ta thực hiện bằng cách đo giá trị điện trở bằng cách đo điện áp và dòng điện, sau đó

áp dụng Luật Ohm như sau

Hình 2 4: Biểu diễn mạch đốt nóng tốt

Trong ví dụ này, tổng điện trở mạch bình thường, một giá trị tham chiếu đã biết, là 60 Ω (240 ÷ 4 = 60 Ω) Điện trở 60Ω có thể giúp để xác định tình trạng của mạch điện

Hình 2.5: Biểu diễn mạch đốt nóng bị hỏng

Giả sử dòng điện là 3 amps thay vì 4 amps, điện trở mạch đã tăng từ 60 Ω đến

80 Ω (240 ÷ 3 = 80 Ω) Tăng 20 Ω trong tổng điện trở có thể do kết nối lỏng lẻo hoặc bẩn hoặc đứt cuộn dây Dây điện trở hở mạch, điện trở trong mạch tăng, làm giảm dòng điện

2.1.6 Giá trị điện trở của dây dẫn (resistance of conductor)

Nói chung, có bốn yếu tố ảnh hưởng đến giá trị điện trở trong dây dẫn

- Vật liệu (Material) quyết định bởi điện trở suất 

- Chiều dài L (Length)

- Diện tích mặt cắt ngang A (Cross-Sectional Area)

- Nhiệt độ T (Temperature)

Điện trở dây dẫn được xác định qua công thức

Hình 2.6: Các đại lượng trong dây dẫn

 Vật liệu: Cường độ dòng điện electrons phụ thuộc vào mức độ các

nguyên tử cụ thể từ bỏ các electron của chúng và chấp nhận các electron mới

- Vật liệu dẫn điện (Conductors) : Cho phép dòng electrons chạy qua

dễ dàng Ví dụ: Đồng, bạc và nhôm được coi là dây dẫn điện tốt

- Vật liệu cách điện (Insulation) không dễ dàng từ bỏ các electron, ngăn cản dòng electrons chảy qua Ví dụ: Cao su, thủy tinh và sứ được coi là chất cách điện tốt

 Chiều dài( L): Các dây dẫn càng dài, giá trị trở kháng của điện trở càng

lớn Điện trở tăng hoặc giảm tương ứng với chiều dài của dây dẫn Ví dụ: Một dây dẫn dài 2m sẽ có trở kháng gấp đôi dây dẫn dài 1m

 Diện tích mặt cắt ngang (A): Khi mặt cắt ngang của dây dẫn tăng, trở

kháng giảm, và ngược lại Ví dụ, nếu diện tích của dây dẫn được tăng gấp đôi, trở kháng giảm phân nửa

 Nhiệt độ (T): Thông thường khi nhiệt độ của dây dẫn tăng, trở kháng

tăng lên Yếu tố nhiệt độ không thể dự đoán được như các yếu tố khác

2.1.7 Mạch điện trở mắc nối tiếp (Resistor Series Circuits)

Ý tưởng cơ bản của nối tiếp “series” là các thành phần được kết nối từ đầu đến cuối trong một hàng để tạo thành một đường dẫn (Path) duy nhất cho các electron chảy qua

Hình 2.7: Cách mắc các điện trở nối tiếp

Vấn đề 1 (Problem 1): mạch nối tiếp gồm 3 điện trở với giả thiết:

o Điện áp E chƣa biết

o Dòng điện (I) bằng 4 amps

Tính toán 1: RT = R1 + R2 + R3 = 2 + 4+ 6 = 12 

Tính toán 2: E = I.RT = 4A x 12 = 48 volts

Vấn đề 2 (Problem 2): Xét mạch điện sau, biết rằng

o Mạch có điện áp E = 9 volt

o Điện trở mắc nối tiếp R1 = 3k , R2 = 10k và R3 = 5k

o Chúng ta cần tìm dòng điện chạy qua mỗi điện trở

Hình 2.9: mạch điện trở nối tiếp

Phân tích bài toán: chúng ta không thể lấy giá trị của 9 volt và chia nó cho

3kΩ, 10kΩ hoặc 5kΩ để tìm dòng điện chạy qua mối điện trở, bởi vì chúng ta không biết mỗi điện trở có điện áp là bao nhiêu

Đối với R1, Định luật Ohm sẽ liên kết 3 thành phần gồm

- Điện áp trên R1 là ER1

- Dòng điện qua R1 là IR1

- Điện trở R1 = 3kΩ:

 IR1 = ER1/3k => ER1 = IR1.3k

Nhưng, vì chúng ta không biết điện áp trên R1 (chỉ có tổng điện áp được cung cấp bởi pin qua kết hợp ba điện trở) và chúng ta không biết dòng điện qua R1, chúng ta không thể thực hiện bất kỳ phép tính nào với công thức trên Tương

tự như vậy đối với điện trở R2 và R3: chúng ta chưa thể áp dụng ngay được định luật Ohm

Vậy chúng ta có thể làm gì? Chúng ta biết điện áp của nguồn (9 volt) được

cấp cho chuỗi R1, R2 và R3 nối tiếp, nhưng vì những đại lượng đó không ở trong cùng một ngữ cảnh, chúng ta không thể sử dụng Định luật Ohm để xác định dòng điện Nếu chúng ta chỉ biết tổng điện trở là gì đối với mạch: thì chúng ta có thể tính tổng dòng điện với con số của chúng ta cho tổng điện áp (I = E / R)

Điều này đưa chúng ta đến nguyên tắc thứ hai của các chuỗi mạch: tổng điện trở của bất kỳ mạch điện nào bằng tổng của các điện trở riêng lẻ Điều này sẽ mang lại cảm giác trực quan: các điện trở mắc nối tiếp thì càng khó cho các dòng electron chảy qua Trong ví dụ này, chúng ta có một điện trở 3 kΩ, 10

kΩ và 5 kΩ nối tiếp, nên chúng ta tổng điện trở là 18 kΩ:

Hướng dẫn (Tutorial)

RT = R1 + R2 + R3 = 3 + 10 + 5 = 18 k

Chúng ta có thể vẽ lại mạch bằng một điện trở tương đương đại diện cho sự kết hợp của R1, R2 và R3

Hình 2.10: mạch biến đổi tương đương Tính toán dòng điện (Calculating Circuit Current)

Bây giờ chúng ta có tất cả các thông tin cần thiết để tính toán dòng điện bởi vì chúng ta có điện áp toàn mạch (9 volt) và điện trở tổng (18 kΩ):

IT = ET / RT

IT = 9 volt / 18 kΩ = 500 uA Biết rằng dòng điện là bằng nhau thông qua tất cả các thành phần của mạch nối tiếp (và ở đây chỉ cần xác định dòng điện qua pin), chúng ta có thể quay trở lại sơ đồ mạch ban đầu và lưu ý dòng điện qua từng thành phần:

Bây giờ chúng ta biết dòng điện qua mỗi điện trở, chúng ta có thể sử dụng Định luật Ohm để xác định sự sụt giảm điện áp trên mỗi điện trở (áp dụng Luật Ohm trong bối cảnh thích hợp)

Dễ dáng tính được: ER1 = 1,5V ; ER2 = 5V ; ER3 = 2,5V

Chú ý điện áp rơi trên mỗi điện trở và tổng của các điện áp rơi (1,5 + 5 + 2,5) bằng với điện áp nguồn cung cấp: 9 volt Đây là nguyên tắc thứ ba của mạch nối tiếp: điện áp cung cấp bằng tổng của điện áp riêng lẻ

Tuy nhiên, phương pháp mà chúng tôi vừa sử dụng để phân tích chuỗi mạch đơn giản này có thể được sắp xếp hợp lý để hiểu rõ hơn Bằng cách sử dụng một bảng liệt kê tất cả các điện áp, dòng điện và điện trở trong mạch điện, nó trở nên rất dễ dàng để xem những đại lượng nào có thể liên quan chính xác đến bất kỳ phương trình nào của Luật Ohm:

Bạn bắt đầu phân tích của bạn bằng cách điền vào các yếu tố của bảng được cung cấp cho bạn ngay từ đầu:

Điện áp pin 9 volt không được áp dụng trực tiếp trên R1, R2 hoặc R3 Tuy nhiên, chúng ta có thể sử dụng "quy tắc" của chúng ta về các mạch nối tiếp để điền vào các điểm trống trên một hàng ngang Trong trường hợp này, chúng ta có thể sử dụng quy tắc chuỗi các điện trở để xác định tổng điện trở

từ tổng các điện trở riêng lẻ:

Bây giờ, với một giá trị cho tổng điện trở đƣợc chèn vào cột ngoài cùng bên phải “Total”, chúng ta có thể áp dụng Định luật Ohm IT = ET / RT = 500 µA:

Sau đó, khi biết rằng dòng điện đƣợc chia đều cho tất cả các thành phần của một mạch nối tiếp (một “quy tắc” khác của mạch nối tiếp), chúng ta có thể điền vào các dòng điện cho mỗi điện trở từ con số hiện tại vừa đƣợc tính toán:

Cuối cùng, chúng ta có thể sử dụng Định luật Ohm để xác định mức điện áp rơi trên mỗi điện trở, một cột tại một thời điểm:

Vấn đề 3 (Problem 3) Mạch đơn giản được hiển thị, giả định rằng điện áp

được cung cấp là 12 vôn, và điện trở cung cấp 6 ohms

Để xác định dòng điện, hãy sử dụng công thức sau:

Một ví dụ khác về một mạch DC đơn giản là một đèn Pin chiếu sáng Pin cung cấp nguồn điện áp

DC, bên trong của trường hợp pin thường hoạt động như dây dẫn, và bóng đèn là tải Đèn pin có công tắc BẬT và TẮT điều khiển dòng điện khi công tăc là TẮT thì mạch hở Khi công tắc BẬT, mạch đóng kín và dòng chảy qua làm bóng đèn chiếu sáng

Tại nơi làm việc