Bài giảng Điện tử cơ bản

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Engine Coolant Temperature sensor Trong các loại cảm biến trên ô tô thì cảm biến nhiệt độ nước làm mát có nhiệm vụ đo nhiệt độ của nước làm mát động cơ v

TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI

Lưu hành nội bộ - Năm 2010

C hương 1

Tín hiệu và các hệ thống điện tử

1.1 Khái niệm chung về tín hiệu

Tín hiệu là biểu hiện vật lý của tin tức Trong kỹ thuật điện tử , tin tức được biến

đổi thành các dao động điện từ hoặc điện từ Như vậy nói cách khác tín hiệu là các dao

động điện- từ có chứa tin tức Ví dụ mirco biến đổi tiếng nói thành một dòng điện gần

như liên tục theo thời gian ,gọi là tín hiệu âm tần Tín hiệu điện từ sơ khai vừa nói trên ta

gọi chung là tín hiệu sơ cấp

Khi nghiên cứu tín hiệu người ta thường biểu diễn nó là một hàm của biến thời gian

hoặc của biến tần số Tuy nhiên biểu diễn tín hiệu ( điện áp hoặc dòng điện ) là một hàm

của biến thời gian là thuận lợi và thông dụng hơn cả

Nếu ta biểu diễn tín hiệu là hàm s(t), trong đó t là biến thời gian thì tín hiệu

có thể là tuần hoàn hoặc không tuần hoàn

s(t) = s( t + nT);n=0, 1, 2 (1.1.) Khi s(t) thoả mãn điều kiện (1.1) ở mọi thời điểm t thì s(t) là một tín hiệu

tuần hoàn với chu kỳ T ( ở đây T nhận giá trị nhỏ nhất)

Nếu không tìm được một giá trị hữu hạn của T thoả mãn (1.1) tức là T tiến tới vô cùng( T ) thì s(t) sẽ là u(t)tín hiệu không tuần hoàn

thông dụng nhất là tín hiệu có dạng

0

Hình 1.1 Điện áp hình sin hình 1.1.Dao động này được biểu

diễn bằng hàm điều hoà:

là một hàm của thời gian , tín hiệu được chia thành 2 dạng cơ bản là dạng liên tục ( hay tương tự - analog) và dạng rời rạc ( hay tín hiệu xung -digital)

Trong thực tế thường sử dụng các dạng xung như ở hình 1.2 : a)xung vuông ,b) xung răng c-a, c) xung nhọn đầu, d)xung hình thang

1.2 Một số thông số và đặc tính của tín hiệu

1.2.1 Phổ của tín hiệu

Một tín hiệu liên tục cũng nh- rời rạc thường gồm nhiều thành phần tần số

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 2

Ví dụ như tiếng nói của con người là dao động phức tạp, gồm các tần số âm cơ bản

và các thành phần hài có biên độ và pha khác nhau Tần số cơ bản của tiếng nói nằm

trong khoảng 80 1200 Hz và do giọng nói quyết định

Để tìm hiểu tín hiệu, người ta thường biểu diễn sự phụ thuộc biên độ và pha

của tín hiệu vào tần số bằng đồ thị Đồ thị đó gọi tương ứng là phổ biên độ và phổ

pha của tín hiệu

a.Phổ của tín hiệu tuần hoàn

Nếu tín hiệu s(t) là tuần hoàn với chu kỳ T thoả mãn điều kiện:

thì có thể phân tích thành tổng của vô số các dao động điều hoà bằng (công cụ

toán) chuỗi Fourrier dạng:

Trong đó:

AK, K -tương ứng là biên độ và pha của sóng hài bậc k

Chuỗi (1.2) gọi là chuỗi Fourrie.Nó còn có thể biểu diễn dưới dạng phức

như (1.2)’ Chú ý là ,theo (1.3) : nếu s(t) là hàm chẵn các bksẽ bằng 0 , nếu s(t) là

hàm lẻ thì ak sẽ bằng 0

Trong (1.2)’ thì C

C k e k gọi là biên độ phức (Chữ C K có dấu chấm phía trên) của sóng hài bậc k , được xác định theo biểu thức (1.3) hoặc (1.3)’:

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 3

1.2.2 Một số đặc tính của tín hiệu

a)Trị số trung bình của tín hiệu

Khi truyền tín hiệu trên đ-ờng truyền thì thời gian tồn tại của tín hiệu là

thời gian kênh thông tin bị chiếm dụng Nếu tín hiệu s(t) tồn tại trong khoảng thời gian từ

t 1 đến t 2 thì trị số trung bình của tín hiệu được tính theo công thức:

b)Năng lượng, công suất và trị hiệu dụng của tín hiệu

Năng lượng W scủa tín hiệu s(t) tồn tại trong khoảng thời gian từ t1đến

t2được xác định như sau :

Công suất trung bình P tbtính theo công thức :

c) Dải động của tín hiệu

Dải động của tín hiệu đặc trưng cho mức của cường độ tín hiệu tác động lên

thiết bị Nó là tỷ số giữa trị số cực đại và cực tiểu của công suất tín hiệu tính

bằng dexibel(dê-xi-ben - db):

1.3 Các tín hiệu cảm biến trên ô tô

a Cảm biến vị trí trục khuỷu: (Crankshaft sensor)

Cảm biến vị trí trục khuỷu có chức năng xác định tốc độ động cơ và vị trí pit-tông Cảm biến này thường làm việc cùng lúc với cảm biến trục cam giúp máy tính vừa nhận biết vị trí pit-tông, vừa nhận biết vị trí của các su-pap để tính toán thời điểm đánh lửa và lượng nhiên liệu phun vào hợp lý nhất Cảm biến vị trí trục khuỷu thường lắp ở vị trí gần puly trục khuỷu, phía trên bánh đà hoặc phía trên trục khủy Đây được coi là cảm biến quan trọng nhất trên động cơ, khi cảm biến này bị lỗi, động cơ có thể gặp hiện tượng Misfire, động cơ bị rung

ngừng hoạt động

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 4

Hình ảnh và vị trí lắp cảm biến vị trí trục khuỷu (Crankshaft sensor)

b Cảm biến vị trí trục cam: (Camshaft sensor)

Trong các loại cảm biến trên ô tô thì cảm biến vị trí trục cam có chức năng xác định vị trí của trục cam và cung cấp thông tin cho bộ xử lý trung tâm để tính toán thời điểm phun nhiên liệu hợp lý nhất Cảm biến này sẽ làm việc song song với cảm biến vị trí trục khuỷu giúp động cơ

có thời điểm phun xăng và đánh lửa tối ưu Cảm biến vị trí trục cam thường được gắn ở đỉnh

xy lanh hoặc ở nắp hộp chứa trục cam Khi cảm biến vị trí trục cam bị lỗi có thể xảy ra một

số vấn đề ở động cơ như sau: Khó khởi động xe, động cơ chết đột ngột, động cơ bỏ máy hoặc không đáp ứng tăng tốc, sáng đèn CHECK ENGINE

Hình ảnh và vị trí lắp cảm biến vị trí trục cam (Camshaft sensor)

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 5

c Cảm biến vị trí bướm ga: (TPS sensor)

Cảm biến vị trí bướm ga có nhiệm vụ xác định độ mở của bướm ga và gửi thông tin về bộ xử

lý trung tâm giúp điều chỉnh lượng phun nhiên liệu tối ưu theo độ mở bướm ga Trên các dòng xe sử dụng hộp số tự động, vị trí bướm ga là thông số quan trọng để kiểm soát quá trình chuyển số Cảm biến vị trí bướm ga thường bố trí phía trong cổ hút Khi bị lỗi hoặc hư hỏng cảm biến này, động cơ có thể gặp một số vấn đề như: Sáng đèn CHECK ENGINE, xe không tăng tốc kịp thời, bỏ máy, hộp số tự động sang số không bình thường, chết máy đột ngột

Hình ảnh và vị trí lắp cảm biến vị trí bướm ga (TPS sensor)

d Cảm biến áp suất khí nạp: ( Map sensor)

Cảm biến áp suất có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu áp suất chân không dưới dạng điện áp hoặc tần số về bộ xử lý trung tâm để tính toán lượng nhiên liệu cần cung cấp cho động cơ Khi xe

ở chế độ không tải hoặc nhả ga, áp suất chân không giảm Ngược lại, khi tăng tốc hoặc tải nặng, áp suất chân không tăng lên Cảm biến áp suất khí nạp thường gắn tại đường khí nạp ở

cổ hút Khi cảm biến này bị hư hỏng, xe sẽ có các dấu hiệu như: Sáng đèn CHECK ENGINE

và báo lỗi MAP sensor, động cơ nổ không êm, công suất động cơ kém, tốn nhiên liệu, xe nhiều khói

Hình ảnh và vị trí lắp cảm biến áp suất khí nạp MAP sensor

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 6

e Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: (Engine Coolant Temperature sensor)

Trong các loại cảm biến trên ô tô thì cảm biến nhiệt độ nước làm mát có nhiệm vụ đo nhiệt

độ của nước làm mát động cơ và truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm để tính toán thời gian phun nhiên liệu, góc đánh lửa sớm, tốc độ chạy không tải, Ở một số dòng xe, tín hiệu này còn được dùng để điều khiển hệ thống kiểm soát khí xả, chạy quạt làm mát động cơ Cảm biến nhiệt độ nước làm mát được gắn ở thân động cơ và tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát Khi bị hư hỏng cảm biến này, xe thường có các dấu hiệu: Sáng đèn CHECK ENGINE với

mã lỗi báo hỏng cảm biến, xe khó khởi động, tốn nhiên liệu hơn bình thường, thời gian hâm nóng động cơ lâu,

hình ảnh và vị trí lắp cảm biến nhiệt độ nước làm mát (Engine Coolant Temperature sensor)

f Cảm biến lưu lượng khí nạp

Cảm biến lưu lượng khí nạp ( MAF) có chức năng đo khối lượng khí nạp qua cửa hút và truyền tín hiệu về ECU để điều chỉnh lượng nhiên liệu phun đạt tỉ lệ chuẩn Cảm biến lưu lượng khí nạp được gắn trên cổ hút, khi bị hư hỏng, xe thường có các dấu hiệu như: Đèn CHECK ENGINE sáng hoặc nhấp nháy, động cơ chạy không êm, không đều hoặc không chạy được, công suất động cơ kém, xe chạy tốn nhiên liệu hơn, chết máy,

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 7

Hình ảnh và vị trí lắp cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF sensor)

g Cảm biến kích nổ: Knock sensor

Cảm biến kích nổ có chức năng phát hiện sung kích nổ phát sinh bên trong động cơ và truyền tín hiệu này đến ECU nhằm điều chỉnh thời điểm đánh lửa trễ đi, ngăn chặn hiện tượng kích

nổ Cảm biến kích nổ thường gắn trên thân xy-lanh hoặc nắp máy Khi bị hư hỏng, xe có các dấu hiệu như: Đèn CHECK ENGINE sáng, có tiếng gõ ở đầu máy,

Hình ảnh và vị trí lắp cảm biến kích nổ (Knock sensor)

h Cảm biến oxy: (Oxygen sensor)

Cảm biến oxy có chức năng đo lượng oxy dư trong khí thải động cơ và truyền tín hiệu về ECU nhằm điều chỉnh tỉ lệ nhiên liệu và không khí cho phù hợp Cảm biến ô xy được gắn trên đường ống xả Khi bị lỗi hoặc hư hỏng, xe sẽ có một số dấu hiệu như: Sáng đèn CHECK ENGINE, xe không đạt kiểm tra khí xả, tiêu tốn nhiên liệu một cách bất thường

Hình ảnh và vị trí lắp đặt cảm biến oxy (Oxygen sensor)

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 8

Ge

Si

Trên đây là một số chia sẻ về các loại cảm biến trên ơ tơ mà bạn cần biết, kiến thức này sẽ gĩp phần quan trọng cho việc sử dụng và bảo trì xe tốt hơn

CHƯƠNG 2 : CHẤT BÁN DẪN VÀ DIODE

1 CHẤT BÁN DẪN :

1 Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn :

− Xét cấu tạo nguyên tử của hai chất Silicium(Si) và Germanium(Ge) Chất

Si có 14 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên ba lớp Chất Ge có

32 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên 4 lớp

− Hai chất Si và Ge có đặc điểm chung là số electron trên lớp ngoài cùng bằng nhau là bốn electron (hoá trị 4)

− Khi xét sự liên kết giữa các nguyên tử người ta chỉ xét lớp ngoài cùng Trong khối bán dẫn tinh khiết, các nguyên tử gần nhau sẽ liên kết với nhau theo kiểu cộng hóa trị Bốn electron của nguyên tử sẽ nối với bốn electron của nguyên tử xung quanh tạo thành bốn mối nối làm cho các electron được liên kết chặt chẽ với nhau Sự liên kết này làm cho các electron khó tách rời khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do, như vậy chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn

Hình 2.1 : Cấu tạo nguyên tử của Si và Ge

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 9

2 Đặc tính của chất bán dẫn :

− Điện trở suất : Hai chất bán dẫn thông dụng là chất silicium và germanium có điện trở suất là :

 si = 1014 mm2/m

 ge = 8,9.1012 mm2/m

− Trị số điện trở suất này rất lớn so với chất dẫn điện như đồng ( = 0,017mm2/m) nhưng lại rất nhỏ so với chất cách điện như thủy tinh ( = 1018 mm2/m)

− Ảnh hưởng của nhiệt độ : điện trở của chất bán dẫn thay đổi rất lớn do nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở chất bán dẫn giảm xuống, ở khoảng nhiệt độ càng cao thì mức điện trở giảm càng lớn

− Nhờ vào đặc tính này người ta chế tạo các trị số thay đổi theo nhiệt độ là điện trở nhiệt

− Ảnh hưởng của ánh sáng : điện trở của chất bán dẫn khi đặt trong vỏ kín không có ánh sáng chiếu vào có trị số rất lớn Khi chiếu ánh sáng vào chất bán dẫn thì điện trở giảm xuống, độ chiếu càng mạnh thì điện trở giảm càng lớn

− Nhờ vào đặc tính này người ta chế tạo ra các điện trở có trị số thay đổi theo ánh sáng gọi là điện trở quang

− Ảnh hưởng của độ tinh khiết : một khối bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn nhưng nếu pha thêm vào một tỉ lệ rất thấp các chất thích hợp thì điện trở của chất bán dẫn giảm xuống rõ rệt Tỉ lệ pha càng cao thì thì điện trở giảm càng nhỏ

− Nhờ vào đặc tính này người ta chế tạo ra các linh kiện bán dẫn như diode, transistor

CHẤT BÁN DẪN LOẠI N :

− Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất lớn các chất có cấu tạo nguyên tử với năm electron lớp ngoài cùng (hóa trị 5) như chất arsenic hay photpho Các nguyên tử của chất arsenic(As) có năm electron thì bốn electron sẽ

Hình 2.2 : Chất bán dẫn tinh khiết

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 10

liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau, còn lại electron thừa ra không liên kết với các electron của chất bán dẫn sẽ trở thành electron tự do

− Như vậy, khi pha một nguyên tử As sẽ có một electron tự do, pha thêm càng nhiều nguyên tử As thì sẽ có càng nhiều electron tự do Chất bán dẫn có electron tự do được gọi là chất bán dẫn loại N (loại âm)

CHẤT BÁN DẪN LOẠI P :

− Nếu pha một chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất ít các chất có cấu tạo nguyên tử với ba electron ở lớp ngoài cùng (hoá trị 3) như chất indium Các nguyên tử của chất indium có ba electron nên khi liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau sẽ có một mối nối thiếu một electron, chỗ thiếu electron này gọi là lỗ trống Lỗ trống của mối nối thiếu electron sẽ dễ dàng nhận một electron tự do

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 11

− Như vậy, khi pha thêm một nguyên tử indium sẽ có một lỗ trống, pha thêm càng nhiều nguyên tử chất indium sẽ có càng nhiều lỗ trống Chất bán dẫn có lỗ trống gọi là chất bán dẫn loại P (loại dương)

3 SỰ HÌNH THÀNH TIẾP GIÁP P-N :

− Hai chất bán dẫn loại N và loại P đặt riêng lẻ thì chúng không có gì đặc biệt nhưng khi chúng được kết hợp lại với nhau thì tại vị trí tiếp xúc của hai chất bán dẫn sẽ hình thành tiếp giáp P-N

− Nếu không có dòng điện đưa vào điểm tiếp giáp thì các điện tích và lỗ trống của chất bán dẫn nằm trong tư thế ngẫu nhiên Mặc dù là điện tích và lỗ trống dư, hệ thống điện tích của mỗi loại bán dẫn đều trung tính

− Khi nối hai chất bán dẫn với nguồn điện thế, dầu dương nối với bán dẫn N và đầu âm nối với bán dẫn P Những lỗ trống trong loại bán dẫn P sẽ bị hút về đầu tinh thể có mang điện tích âm Những electron thặng dư trong loại bán dẫn N được hút về phía dầu dương Chứng tỏ rằng không có một electron nào từ bán dẫn này chạy sang bán dẫn kia, hầu như không có dòng điện chạy qua tinh thể Chúng ta gọi tinh thể trong trường hợp này là phân cực ngược

− Bây giờ nếu chúng ta đảo ngược cực của nguồn điện thế, chúng ta sẽ thấy một tình huống hoàn toàn khác điện tích dương trên bán dẫn P sẽ kéo theo những electron Một số electron này sẽ rời bán dẫn N chạy về phía cực dương của nguồn

Hình 2.5 : tiếp giáp P-N, điện tích

nằm ngẫu nhiên

Hình 2.6 : Phân cực ngược ở

điểm tiếp giáp P-N

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 12

điện Vì một số electron đã bị đem đi khỏi bán dẫn P và vẫn còn đủ proton, bây giờ nó mang điện tích dương toàn bộ

− Đồng thời, tại cực âm của nguồn điện thế được mắc với bán dẫn N, đẩy hầu hết các electron của nó đi về phía điểm tiếp giáp Vì có nhiều electron được đẩy về phía điểm tiếp giáp và điện tích dương phía bên kia cũng kéo chúng, buộc chúng phải lách qua vùng chật hẹp để trung tính hóa phía bán dẫn P mang điện tích dương Đồng thời nguồn điện thế lại kéo đi nhiều electron của bán dẫn P, do đó nó vẫn giữ điện tích dương của nó trong những điều kiện như vậy dòng điện qua chất bán dẫn

I ĐẶC ĐIỂM DIODE BÁN DẪN :

Hình 2.7 : Phân cực thuận ở

điểm tiếp giáp P-N

Hình 2.8a : Cấu tạo của diode

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 13

II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA DIODE :

1 Phân cực ngược diode :

− Dùng một nguồn điện DC nối cực âm của nguồn vào chân A của diode và cực dương của nguồn vào chân K của diode Lúc đó điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng A và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng K làm cho lỗ trống và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống càng khó khăn hơn Tuy nhiên trường hợp này cũng có một dòng điện rất nhỏ đi qua diode từ vùng K sang vùng A gọi là dòng điện gỉ trị số khoảng vài  A Hiện tượng này được giải thích là do trong chất A cũng có một số ít electron và trong chất P cũng có một số ít lỗ trống gọi là hạt thiểu số những hạt thiểu số này sẽ sinh ra hiện tượng tái hợp và tạo thành dòng gỉ

− Dòng điện gỉ còn gọi là dòng bão hòa nghịch IS (saturate : bão hòa) Do dòng điện gỉ có trị số rất nhỏ nên trong nhiều trường hợp người ta coi như diode không dẫn điện khi phân cực ngược

2 Phân cực thuận diode :

Hình 2.8b : Kí hiệu và hình dạng diode

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 14

− Dùng một nguồn điện DC nối cực dương của nguồn vào chân A và cực âm của nguồn vào chân P của diode Lúc đó điện tích dương của nguồn sẽ đẩy lỗ trống trong vùng A và điện tích âm của nguồn sẽ đẩy electron trong vùng K làm cho electron và lỗ trống lại gần mối nối hơn và khi lực đẩy tĩnh điện đủ lớn thì electron từ K sẽ sang mối nối qua A và tái hợp với lỗ trống Khi vùng K mất electron trở thành mang điện tích dương thì vùng K sẽ kéo điện tích âm cực từ cực âm của nguồn lên thế chỗ, khi vùng nhận electron trở thành mang điện tích âm thì cực dương của nguồn sẽ kéo điện tích âm từ vùng A về Như vậy, đã có một dòng electron chạy liên tục từ cực âm của nguồn qua diode từ K sang A về cực dương của nguồn, nói cách khác có dòng điện đi qua diode theo chiều từ A sang K

3 Đặc tính kỹ thuật :

− Đầu tiên phân cực thuận diode rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên khi diode đạt trị số điện áp là VD = V thì mới bắt đầu có dòng điện qua diode

− Điện áp V gọi là điện thềm hay điện áp ngưỡng và có giá trị tùy thuộc chất bán dẫn

V = 0.5V – 0.6V; VDmax = 0.8V – 0.9V ( chất Si) V = 0.15V – 0.2V ; VDmax =0.4V – 0.5V (chất Ge)

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 15

− Khi phân cực ngược rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên theo trị số âm chỉ có dòng điện gỉ (hay dòng điện bão hòa nghịch) IS có trị số rất lớn đi qua diode Nếu tăng cao mức điện áp nghịch, đến một trị số khá cao, dòng điện qua diode tăng lên rất lớn sẽ làm hư diode Lúc đó nhiều electron ở vùng chung quanh mối nối bị đứt

ra, đập vào các electron lân cận tạo hiện tượng thác đổ làm tăng mạnh dòng điện qua diode

− Điện áp ngược đủ để tạo dòng điện ngược lớn qua diode phải lớn hơn trị số VRmax (reverse : ngược) lúc đó diode sẽ bị đánh thủng nên VRmax còn gọi là điện áp đánh thủng của diode Khi sử dụng diode phải đặc biệt chú ý đến trị số này

− Ngoài ra diode còn một thông số rất quan trọng khác đó là IFmax (forward : thuận) là dòng điện thuận cực đại, khi dẫn điện diode bị đốt nóng bởi công thức :

P = ID.VD Dòng ID > IFmax thì diode sẽ bị hư do quá nhiệt

Như vậy, một diode có các thông số kỹ thuật cần biết khi sử dụng là :

+ Chất dẫn điện chế tạo để có V và VDmax (đạt được hai ngưỡng này diode mới hoạt động)

+ Dòng điện thuận cực đại IFmax (quá dòng điện này, diode sẽ bị hư do quá nhiệt)

+ Dòng điện bão hòa nghịch IS

+ Điện áp nghịch cực đại VRmax

Ví dụ : Bảng tra diode bán dẫn trong sách tra cứu diode của Nhật Bản

Hình 2.11 : Đặc tuyến vôn - ampe

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 16

Mã số Chất I Fmax I S V Rmax

3 ỨNG DỤNG DIODE :

Mạch chỉnh lưu bán kỳ :

− Khi cuộn thứ cấp cho ra bán kỳ dương thì diode được phân cực thuận nên

dẫn điện, cho dòng điện chạy qua tải

− Khi cuộn thứ cấp cho bán kỳ âm thì diode được phân cực ngược nên không

dẫn điện lúc đó không có dòng diện chạy qua diode, không có dòng điện chạy qua

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 17

− Giả sử nửa chu kỳ đầu tại A có bán kỳ dương thì diode 1 được phân cực thuận, cho dòng điện qua tải, qua diode 4 kết thúc nửa chu kỳ đầu

− Nửa chu kỳ sau tại B có bán kỳ dương thì diode 2 được phân cực thuận cho dòng điện qua tải, qua diode 3 kết thúc nửa chu kỳ sau

− Như vậy cả hai chu kỳ của dòng điện xoay chiều đều có dòng điện một chiều qua tải

4 PHÂN LOẠI DIODE :

Diode Zener :

Diode zener được cấu tạo giống diode thường nhưng các chất bán dẫn được pha tạp chất với tỉ lệ cao hơn diode thường Diode zener thường là loại silicium

Kí hiệu và hình dạng diode zener

Hình 2.13a : Sơ đồ mạch chỉnh lưu toàn kỳ

Hình 2.13b : Đường biểu diễn điện áp

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 18

− Trạng thái phân cực thuận : Diode zener có đặc tính giống như diode nắn điện thông thường

− Trạng thái phân cực ngược do pha tạp chất với tỉ lệ cao nên điện áp nghịch

VRmax có trị số thấp hơn diode nắn điện gọi là điện áp zener VZ Ví dụ 3V,6V,9V Khi phân cực ngược đến trị số VZ thì dòng điện tăng mà điện áp không tăng

Diode thu quang (cds) :

- Diode quang có cấu tạo giống như diode thường nhưng vỏ bọc cách điện có một phần là kính hay thủy tinh trong suốt để nhận ánh sánh bên ngoài chiếu vào mối nối P-N bên trong

- Kí hiệu và hình dạng diode quang

Hình 2.14 : Kí hiệu và hình dạng diode zener

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 19

− Mối nối P-N phân cực nghịch khi được chiếu sáng vào mạch tiếp giáp sẽ phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối và dòng điện biến đổi một cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào nó

− Trị số điện trở diode quang trong trường hợp được chiếu sáng và bị che tối

+ Khi bị che tối Rnghịch = vô cực ohm, Rthuận = rất lớn

+ Khi chiếu sáng R = nghịch = 10 K – 100 K, Rthuận = vài trăm ohm

− Diode thu quang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động điều khiển theo ánh sáng, báo động cháy

Diode phát quang (Led - Light Emitting Diode) :

− Thông thường dòng điện đi qua một vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt Ở một số chất bán dẫn đặc biệt như (GaAs) khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng) Tùy theo nồng độ chất bán dẫn nhận được bước sóng ánh sáng khác nhau mà diode quang phát ra có màu khác nhau

- Kí hiệu và hình dạng diode phát quang

Led có điện áp phân cực thuận cao hơn diode nắn điện nhưng điện áp phân cực ngược cực đại thường không cao

- Phân cực thuận : Điện áp : VD = 1,4 V – 1,8 V (Led đỏ)

VD = 2 V – 2,5 V (Led vàng)

VD = 2 V – 2,8 V (Led xanh lá ) Dòng điện : ID = 5 mA – 20 mA ( thường chọn 10 mA)

Hình 2.16 : Kí hiệu và hình dạng diode quang

Hình 2.17 : Kí hiệu và hình dạng diode phát quang

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 20

Led thường được dùng trong các mạch báo hiệu, chỉ thị trạng thái của mạch như báo nguồn, trạng thái thuận hay ngược

Diode tách sóng :

Diode tách sóng là diode làm việc với dòng điện xoay chiều có tần số cao, có dòng điện chịu đựng nhỏ (IDmax = vài chục mA) và điện áp ngược cực đại thấp

chục V) để làm việc ở tần số cao diode tách sóng phải có điện dung kí sinh thuận nhỏ trên mối nối P-N có diện tích tiếp giáp rất nhỏ Diode tách sóng thường là loại

Ge

- Kí hiệu và hình dạng diode tách sóng

- Diode tách sóng ký hiệu như diode thường nhưng vỏ cách điện bên ngoài thường là thủy tinh trong suốt

Diode biến dung (Diode Varicap) :

- Diode biến dung là diode có điện dung kí sinh thay đổi theo điện áp phân cực

- Kí hiệu và hình dạng của diode biến dung

Hình 2.18 : Kí hiệu và hình dạng diode tách sóng

A D K

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 21

- Khi diode được phân cực thuận thì lỗ trống và electron ở hai lớp bán dẫn bị đẩy lại gần nhau và làm thu hẹp bề dày cách điện nên điện dung được tăng lên Khi diode được phân cực ngược thì lỗ trống và electron bị kéo ra xa và làm tăng bề dày cách điện nên điện dung bị giảm xuống

- Diode biến dung được sử dụng như một tụ điện biến đổi (bằng cách thay đổi điện áp phân cực ) để thay đổi tần số của mạch cộng hưởng

Diode hầm (Diode Tunnel) :

- Diode tunnel là loại được chế tạo đặc biệt có nồng độ tạp chất rất cao, do đó điện trở suất rất nhỏ và mối nối rất mỏng

- Kí hiệu và hình dạng của diode tunnel

- Khi được phân cực thuận ở trị số thấp dòng điện tăng nhanh đến trị số IP tiếp tục tăng điện áp, dòng điện giản dần xuống Đoạn này gọi là đoạn điện trở âm

- Diode tunnel được sử dụng trong các mạch dao động, khuếch đại tín hiệu ở tần số thật cao, mà các linh kiện thường không đảm nhận được

CÁCH KIỂM TRA DIODE :

Hình 2.19 : Kí hiệu và hình dạng diode biến dung

Hình 2.20 : Kí hiệu và hình dạng diode tunnel

V

VP

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 22

Thực tế khi sử dụng diode ta gặp các hư hỏng sau :

▪ Diode bị đứt mối nối P – N : do làm việc bị qúa công suất, do xung nhọn đột biến làm hỏng mối nối

▪ Diode bị đánh thủng mối nối P – N (còn gọi là chạm, chập, nối tắt) do làm việc bị quá áp

Khi sử dụng diode cần chú ý 3 điều :

▪ Chức năng : nắn điện, tách sóng, hay ổn áp để chọn đúng loại

▪ Áp chịu đựng và dòng tải, nếu dùng loại nắn điện

▪ Tần số cắt nếu dùng loại nắn xung, tách sóng, chọn tần

Chọn thang đo RX1 ta lợi dụng nguồn pin nuôi bên trong đồng hồ để phân cực cho diode Ta tiến hành đo hai lần có đảo que đo :

▪ Nếu quan sát thấy kim đồng hồ một lần lên kim vài Ohm và một lần kim không lên -> Diode còn tốt

▪ Nếu quan sát thấy kim đồng hồ một lần lên kim vài Ohm và một lần lên khoảng 1/3 vạch chia -> Diode bị gỉ

▪ Nếu quan sát thấy kim đồng hồ lên hết kim với cả hai lần đo -> Diode bị đánh thủng

▪ Nếu quan sát thấy kim đồng hồ không lên ở cả hai lần đo -> Diode bị đứt

C BÀI TẬP :

1 Trình bày cấu tạo của diode bán dẫn ?

2 Phân loại diode bán dẫn ?

3 Cho mạch điện như hình vẽ

Giả định mỗi led cần 1,2 V để thắp sáng Nếu tất cả các

điện trở bằng nhau Xác định xem các đèn led nào sáng

cho những nguồn điện đầu vào ?

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 23

CHƯƠNG 3 : TRANSISTOR LƯỠNG CỰC

BJT

(Bipolar Junction Transistor)

1.ĐẶC ĐIỂM CỦA TRANSISTOR :

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 24

+ Cực phát E (Emitter)

+ Cực thu C (Collector)

+ Cực nền B (Base)

- Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là cực phát E, cực nền B, và cực thu

C Cực phát và cực thu tuy cùng chất bán dẫn nhưng do kích thước và nồng độ pha tạp chất khác nhau nên không thể hoán đổi nhau được

2 Ký hiệu và hình dạng của transistor :

- Để phân biệt hai loại transistor NPN và PNP người ta dùng kí hiệu mũi tên lên

ở cực E để chỉ chiều dòng điện IE

Kí hiệu trên thân transistor :

Hình 2.22 : Kí hiệu transistor lưỡng cực

Hình 2.23 : Hình dạng transistor lưỡng cực

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 25

- Loại PNP A*** ; B*** ;

- Loại NPN C*** ; D *** ; E *** ; H *** ; 2N

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR :

1 Xét transistor loại NPN :

Trường hợp 1 : Cực E nối vào cực âm, cực C nối vào cực dương của nguồn

DC, cực B để hở

- Trường hợp này electron trong vùng bán dẫn N của cực E và cực C, do tác dụng của lực tĩnh điện sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E về cực C Do cực B để hở nên electron từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên không có hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống, do đó không có dòng điện qua transistor

Trường hợp 2 : Giống như trường hợp 1 nhưng nối cực B vào một nguồn điện

áp dương sao cho :

Hình 2.24a : Phân cực Transistor loại NPN cực B để hở

IC

IB

IE

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 26

- Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực B và E giống như một diode (gọi là diode BE) được phân cực thuận nên dẫn điện, eletron từ vùng bán dẫn

N của cực E sẽ sang vùng bán dẫn P của cực B để tái hợp với lỗ trống Khi đó vùng bán dẫn P của cực B nhận thêm electron nên có điện tích âm

- Cực B nối vào điện áp dương của nguồn nên sẽ hút một số electron trong vùng bán dẫn P xuống tạo thành dòng điện IB Cực C nối vào điện áp dương cao hơn nên hút hầu hết electron trong vùng bán dẫn P sang vùng bán dẫn N của cực C tạo thành dòng điện IC Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên khi bán dẫn N bị mất electron sẽ

bị hút electron từ nguồn âm lên thế chỗ tạo thành dòng điện IE

- Hình mũi tên trong transistor chỉ chiều electron di chuyển, dòng điện qui ước chạy ngược dòng electron nên dòng điện IB và IC đi từ ngoài vào transitor, dòng điện

IE đi từ trong transistor ra

- Số lượng electron bị hút từ cực E chạy sang cực B và cực C nên dòng điện IB

và IC đều chạy sang cực E

Ta có: IE  IB + IC

- Về cấu tạo transistor coi như hai diode ghép ngược Transistor dẫn điện khi được cung cấp điện áp các cực như trường hợp 2, lúc đó diode BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực ngược

2 Xét transistor loại PNP :

- Đối với transistor PNP thì điện áp nối vào các chân ngược lại với transistor NPN Hạt tải di chuyển trong transistor NPN là electron xuất phát từ cực E trong khi

đó transistor PNP thì hạt tải di chuyển là lỗ trống xuất phát từ cực E

Trường hợp 1 : Cực E nối vào cực dương, cực C nối vào cực âm của nguồn

DC, cực B để hở

Hình 2.24b : Phân cực thuận Transistor loại NPN

Phân cực thuận Phân cực ngược

Hình 2.24c : Mạch ghép diode tương đương Transistor loại NPN

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 27

- Trường hợp này lỗ trống trong vùng bán dẫn P của cực E và C, do tác dụng của lực tĩnh điện, sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E về cực C Do cực B hở nên lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn N của cực B nên không có hiện tượng tái hợp giữa lỗ trống và electron và do đó không có dòng điện qua transistor

Trường hợp 2 : giống như trường hợp 1 nhưng nối cực B vào một điện áp âm

sao cho :

VB < VE và VB > VC

- Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực E và B giống như diode được phân cực thuận nên dẫn điện, lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ sang vùng bán dẫn N của cực B để tái hợp với electron Khi vùng bán dẫn N của cực

B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương cực B nối vào điện áp âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống trong vùng bán dẫn N xuống tạo thành dòng điện IB Cực C nối vào nguồn điện âm cao hơn nên hút hầu hết lỗ trống trong vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P của cực C tạo thành dòng điện IC Cực E nối vào nguồn điện áp dương nên khi vùng bán dẫn P bị mất lỗ trống sẽ hút lỗ trống từ nguồn dương lên thế chỗ tạo thành dòng điện IE

- Hai mũi tên trong transistor chỉ chiều lỗ trống di chuyển, dòng lỗ trống chạy ngược chiều dòng electron nên dòng lỗ trống có chiều cùng chiều với dòng điện qui

Hình 2.25a : Phân cực Transistor loại NPN cực B để hở

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 28

ước, dòng điện IB và IC từ trong transistor đi ra, dòng điện IE đi từ ngoài vào transistor

- Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E đều chạy qua cực B và cực C nên dòng điện

IB và IC đều từ cực E chạy ra

Ta có IE  IB + IC

- Về cấu tạo transistor PNP nđược xem như hai diode ghép ngược Transistor PNP sẽ dẫn điện khi được cung cấp điện áp các cực như trường hợp 2 Lúc đó, diode

BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực ngược

ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA TRANSISTOR :

3 Đặc tuyến ngõ vào I B /V BE :

- Nối transistor như hình 2.26a, với nguồn điện áp VBB có thể điều chỉnh được

- Hình 2.26b đặc tuyến chỉ sự quan hệ giữa dòng điện IB theo điện áp VBE

Phân cực thuận

Phân cực nghịch

Hình 2.25c : Mạch ghép tương đương Transistor loại PNP

IB ( A)

V

Hình 2.26b : Đặc tuyến ngõ vào IB/VBE

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 29

- Đặc tuyến IB/VBE có dạng giống như đặc tuyến của diode, sau khi điện áp VBE

tăng đền trị số điện áp thềm V thì bắt đầu có dòng điện IB và dòng điện IB cũng tăng lên theo hàm số mũ như dòng ID của diode

- Ở mỗi điện áp VBE thì dòng điện IB có trị số khác nhau, ví dụ như sau :

VBE = 0.5 V , IB = 10 A

VBE = 0.55 V , IB = 20 A

VBE = 0.6 V , IB = 30 A

VBE = 0.65 V , IB = 40 A

- Đặc tuyến trên được vẽ ứng với điện áp VCE = 2 V, khi điện áp VCE lơn hơn 2

V thì đặc tuyến thay đổi không đáng kể

4 Đặc tuyến truyền dẫn I C /V BE :

- Xét mạch điện hình 2.26a với dòng điện IC theo điện áp VBE

- Đặc tuyến IC/VBE có dạng giống như đặc tuyến IB/VBE nhưng dòng điện IC lớn hơn IB rất nhiều lần

- Ở mỗi điện áp VBE thì dòng điện IC có trị số khác nhau thí dụ như :

VBE = 0.5 V , IC = 1 mA

VBE = 0.55 V , IC = 2 mA

VBE = 0.6 V , IC = 3 mA

VBE = 0.65 V , IC = 4 mA Người ta tạo tỉ số :

Gọi là độ khuếch đại dòng điện của transistor

IC (mA)

Biên Sọan : NINH HIẾU KỲ 30

5 Đặc tuyến ngõ ra I C /V CE :

- Xét mạch điện hình 2.26a nhưng thay đổi điện áp VCE bằng cách điều chỉnh nguồn VCC

- Nếu ở cực B không có điện áp phân cực đủ lớn (VB < V ) thì dòng điện IB = 0 và

IC = 0, do đó, đầu tiên phải tạo điện áp phân cực VBE, để tạo dòng IB, sau đó tăng điện áp VCE, để đo dòng điện IC

- Khi tăng VCE từ 0V lên, dòng điện IC tăng nhanh và sau khi đạt trị số IC =  IB

thì gần như IC không thay đổi mặc dù VCE tiếp tục tăng cao Muốn dòng điện IC tăng cao hơn nữa thì phải tăng pân cực ở cực B để có IB tăng cao hơn, khi đó dòng IC sẽ tăng theo VCE trên đường đặc tuyến cao hơn

6 Các thông số kỹ thuật của transistor :

- Đặc tính kỹ thuật của transistor, ngoài ba đặc tính quan trọng vừa xét còn có một số các thông số kỹ thuật có ý nghĩa giới hạn mà cần phải biết khi sử dụng transistor

a Độ khuếch đại dòng điện :

- Độ khuếch đại dòng điện  của transistor thật ra không phải là một hằng số mà  có trị số thay đổi theo dòng điện IC