Giáo trình Vật liệu linh kiện điện tử (Nghề Điện tử dân dụng): Phần 2 được biên soạn nhằm cung cấp cho bạn kiến thức về các Điốt đặc biệt, các kiểu mạch định thiên (phân cực) Transistor trường (JFET) và các bộ ghép quang opto – couplers. Mời các bạn tham khảo!
Bài 4: Các Điốt đặc biệt Mục tiêu bài: - Trình bày xác cấu tạo, kí hiệu quy ước nguyên lý hoạt động loại Diode; - Xác định cực tính, chất lượng Diode; - Ý thức học tập nghiêm túc, thực thao tác đo kiểm tra để bảo đảm an toàn cho sinh viên trang thiết bị Nội dung: 1.Điốt ổn áp (Zener) 1.1 Cấu tạo kí hiệu : Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường có hai lớp bán dẫn P- N ghép với nhau, Diode Zener ứng dụng chế độ phân cựcngược, phân cực thuận Diode zener diode thường phâncực ngược Diode zener gim lại mức điện áp cố định giá trị ghi diode Kí hiệu : Zener Hình 4.1 Kí hiệu Zener Hình ảnh thực tế : Hình 4.2 Hình dạng thực tế diode Zenner DIODE ZENER 500MW 5.6V 5% DO-35 4V7 1W 1000mW DO-41 1.2 Nguyên lý hoạt động Như khảo sát phần trước, điện phân cực nghịch diode lớn, hạt tải điện sinh tác dụng nhiệt bị điện trường mạnh vùng tăng vận tốc phá vỡ nối hoá trị chất bán dẫn Cơ chế chồng chất vầ sau ta có dịng điện ngược lớn Ta nói diode vùng bị phá huỷ theo tượng tuyết đổ gây hư hỏng nối P-N Ta có loại phá huỷ khác phá huỷ trực tiếp nối hoá trị tác dụng điện trường Sự phá huỷ có tính hồn nghịch, nghĩa điện trường hết tác dụng nối hố trị lập lại, ta gọi tượng hiệu ứng Zener Hiệu ứng ứng dụng để chế tạo diode Zener Bằng cách thay đổi nồng độ 83 chất pha, người ta chế tạo diode Zener có điện Zener khoảng vài volt đến vài hàng trăm volt Để ý phân cực thuận, đặc tuyến diode Zener giống hệt diode thường (diode chỉnh lưu) Đặc tuyến dùng diode Zener phân cực nghịch vùng Zener, điện ngang qua diode gần không thay đôi dịng điện qua biến thiên khoảng rộng.volt đến vài hàng trăm volt Để ý phân cực thuận, đặc tuyến diode Zener giống hệt diode thường (diode chỉnh lưu) Đặc tuyến dùng diode Zener phân cực nghịch vùng Zener, điện ngang qua diode gần không thay đôi dịng điện qua biến thiên khoảng rộng Hình 4.3 Đặc tuyến Zenner Khi nhiệt độ thay đổi, hạt tải điện sinh thay đổi theo: − Với diode Zener có điện Zener V Z< 5V nhiệt độ tăng, điện Zener giảm − Với diode có điện Zener VZ>5V (còn g ọi diode tuyết đổ-diode avalanche) lại có hệ số nhiệt dương (VZ tăng nhiệt độ tăng) − Với diode Zener có V Z nằm xung quanh 5V gần V Z không thay đổi theo nhiệt độ Hình 4.4 Đặc tuyến Zenner theo nhiệt độ * Kiểu mẫu lý tưởng diode Zener: Trong kiểu mẫu lý tưởng, diode Zener dẫn điện điện phân cực nghịch lớn hay điện VZ Điện ngang qua diode Zener không thay đổi điện VZ Khi điện phân cực nghịch nhỏ hay điện điện (ID=0) Do tính chất trên, diode zener thường dùng để chế tạo điện chuẩn Thí dụ: mạch tao điện chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749 sau 84 Khi chưa mắc tải vào, thí dụ nguồn VS=15V, dịng qua zener là: * Kiểu mẫu diode zener điện trở động: Thực tế, vùng zener, dòng điện qua diode tăng, điện qua zener tăng chút khơng phải cố định kiểu mẫu lý tưởng Người ta định nghĩa điện trở động diode là: Trong đó: VZO điện nghịch bắt đầu dòng điện tăng VZT điện ngang qua hai đầu diode dòng điện sử dụng IZT 1.3 Ứng dụng 1.3.1 Mạch ổn định điện áp Diode Zenner Diode zener sử dụng làm ổn định điện áp mạch đây: Mạch cho thấy thay đổi dòng tải tương ứng với thay đổi điện trở tải Mạch thiết kế để diode làm việc vùng đánh thủng, nên gần nguồn điện áp lý tưởng Trong ứng dụng thực tế, điện áp nguồn V s thay đổi dòng tải thay đổi Nhiệm vụ thiết kế chọn trị số R i phép diode trì mức điện áp gần không đổi, điện áp nguồn vào thay đổi, dòng tải thay đổi Ta có phương trình nút mạch : 85 R i= v S−V Z v S −V Z = iR i R +i L Suy dòng zenner i Z : iZ= v S−V Z −i L Ri Các đại lượng thay đổi phương trình v S i L Để đảm bảo diode vùng điện áp (vùng đánh thủng ) ta khảo sát hai mơ hình trạng thái vào/ra sau: Mức dòng chảy qua diode, iZ nhỏ (I Zmin ) dòng tải, i L lớn (I Lmax ) mức điện áp nguồn, v S nhỏ (VSmin ) Mức dòng chảy qua diode, iZ nhỏ (I Zmin ) dòng tải, i L lớn (I Lmax ) mức điện áp nguồn, v S nhỏ (VSmin ) Khi đặc tính hai mơ hình kết hợp vào phương trình R i= v S−V Z v S −V Z = iR i R +i L , ta có: R i= v Smin −V Z I Lmax + I Zmin R i= v Smax −V Z I Lmin + I Zmax Do trị số Ri hải phương trình ,nên ta cân hai biểu thức để có : (v ¿ ¿ Smin−V Z )( I Lmin+ I Zmax )=(v Smax −V Z )( I Lmax + I Zmin) ¿ Trong toán thực tế, hợp lý cho biết khoảng điện áp vào, khoảng dòng tải, mức điện áp zener yêu cầu Do phương trình ,sẽ tương đương phương trình hai ẩn,dịng Zener lớn nhỏ nhất.Xác định phương trình thứ hai cách xét đặc tuyến diode Zener Để tránh phần đặc tuyến số, ta sử dụng quy tắc kinh nghiệm mức dòng zener nhỏ 0,1 lần mức dòng zener lớn nhất, tức là: I Zmin=0,1 I Zmax Giải phương trình theo I Zmax ,trong sử dụng tiêu chuẩn thiết kế giới thiệu , I Zmax = I Lmin ( V Z −v Smin ) +(v Smax−V Z ) v Smin −0.9V Z −0,1 I Zmax Thực hành : Thiết kế ổn định điện áp zener khoảng 10V theo hình sau cho điều kiện sau: a) Khoảng dòng tải từ 100mA đến 200mA khoảng điện áp nguồn từ 14V đến 20V b) Khoảng dòng tải từ 20mA đến 200mA khoảng điện áp nguồn từ 10,2V đến 14V Sử dụng diode zener 10V hai trường hợp 86 Giải: a) Việc thiết kế bao gồm chọn giá trị điện trở R i phù hợp, thông số định mức cơng suất cho zener Sử dụng phương trình từ mục để tính mức dịng lớn diode zener sau tính trị số điện trở vào I Zmax = I Lmin ( V Z −v Smin ) +(v Smax−V Z ) v Smin −0.9V Z −0,1 I Zmax = 100 mA ( 10 V −14 V ) +200 mA (20 V −10 V ) =533 mA 14 V −0,9 ×10 V −0,1 ×20 V Tiếp theo ,tính Ri : Ri = v Smax −V Z 20 V −10V = =15,8 Ω I Lmin + I Zmax 533 mA +100 mA Sẽ không đầy đủ xác định điện trở R i , nên cần phải chọn cơng suất định mức thích hợp cho điện trở Mức cơng suất lớn cho tích điện áp dịng điện, sử dụng trị số lớn cho đại lượng P R=( I Zmax + I Lmin ) ( v Smax−V Z )=6.3 W Cuối cùng, ta phải xác định công suất định mức cho diode zener Mức công suất lớn tiêu tán diode zener tính tích điện áp dòng điện zener P R=( I Zmax V Z )=0.53× 10V =5.3 W Tương tự tính cho câu b I Zmax = I Lmin ( V Z −v Smin ) +(v Smax−V Z ) v Smin −0.9V Z −0,1 I Zmax = 20 mA (10 V −10,2V ) +200 mA ( 14 V −10 V ) =−4020 mA 10.2 V −0.9 ×10 V −0.1× 14 V Trị số I Zmax âm biết biên độ v Smin V Z âm cho biết biên độ V Smin V Z không đủ lớn phép thay đổi dòng tải, nghĩa là, trạng thái xấu điện áp vào 10,2V dòng tải 200mA, zener khơng thể cho khả trì 10V hai cực diode zener Do đó, ổn định khơng hoạt động trị số chọn điện trở, nên ta tăng điện áp nguồn giảm mức dòng yêu cầu 2.Điốt biến dung 2.1 Cấu tạo kí hiệu : Diode biến dung hay varactor, loại cấu kiện bán dẫn có chức tụ điện thay đổi Nhắc lại rằng, tụ điện linh kiện gồm hai cực dẫn điện cách ly lớp điện môi (vật liệu cách điện) Trị số điện dung tụ phụ thuộc vào ba yếu tố: diện tích hai cực, khoảng cách hai cực, loại vật liệu làm điện môi cách ly hai cực Điện dung tỷ lệ thuận với diện tích hai cực (A) hệ số diện môi ε, tỷ lệ nghịch với khoảng cách (d) hai cực: C= εA d 87 Hình 4.5a, cấu trúc bên diode phân cực ngược, bao gồm hai vùng có hạt tải điện (vùng p vùng n) cách ly vùng nghèo khơng có hạt tải điện Diode phân cực ngược đóng vai trị tương tự tụ điện Hai vùng p n có chức hai cực dẫn điện, cịn vùng nghèo có chức lớp điện mơi Hình 4.5b, cho thấy điện áp phân cực ngược tăng lên, vùng nghèo rộng Tụ có điện dung hai vùng dẫn cách xa nên điện dung bị giảm xuống Hình 4.5: Tiếp giáp PN tụ điện Kí hiệu: Hình dạng thực tế: 2.2 Ngun lý hoạt động Sự phân bố điện tích dương âm vùng thay đổi điện phân cực nghịch thay đổi ,tạo hai đầu diode điện dung : A =ε | ∆Q ∆V | W C T= d Điện dung chuyển tiếp C T tỉ lệ nghịch với độ rộng vùng ,tức tỉ lệ nghịch với điện phân cực Một ứng dụng diode dùng tự điện thay đổi.Thí dụ muốn thay đổi tần số cộng hưởng mạch ,người ta thay đổi điện phân cực ngược diode biến dung Đặc tính ứng dụng để chế tạo diode biến dung mà trị số điện dung thay đổi theo điện phân cực nghịch nên gọi VVC diode (voltagevariable capacitance diode) Điện dung thay đổi từ 5pF đến 100pF điện phân cực nghịch thay đổi từ đến 25V 88 2.3 Ứng dụng Ứng dụng Diode biến dung Varicap ( VD )trong mạch cộng hưởng Ở hình trên ta chỉnh triết áp VR, điện ápngược đặt vào Diode Varicap thay đổi điên dung diode thay đổi => làm thay đổi tần số công hưởng mạch Diode biến dung sử dụng kênh Ti vi mầu, mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng điện áp Cụ thể : Đây mạch mạch điều chỉnh để chọn tần số tín hiệu từ antenna sử dụng diode biến dung Khi cộng hưởng, mạch điều hưởng song song có trở kháng cao Tín hiệu từ antenna tần số cộng hưởng mạch điều hưởng tạo sụt áp trở kháng cao mạch điều hưởng nên tín hiệu khuyếch đại Các tần số tín hiệu tần số khác xem mạch điều hưởng mạch có trở kháng thấp so với đất nên không đưa đến mạch khuyếch đại Giá trị điện dung tương đương mạch cộng hưởng 500pF mắc song song với nhánh tụ có điện dung 0,1µF điện dung diode biến dung Thực hành: mạch điều hưởng sử dụng diode biến dung MVAM108 để điều chỉnh tần số cộng hưởng Tính tần số cộng hưởng mạch điều hưởng [tuner] hình trên, theo hai mức điện áp đặt vào (a) 1V (b) 7V - Từ đặc tuyến điện dung theo điện áp ngược hình 2.50, ta xác định trị số điện dung diode biến dung điện áp phân cực ngược 1V 7V: (a) 500pF @ 1V; (b) 55pF @ 7V - Tính điện dung tương đương mạch điều hưởng Vì điện dung tương đương diode biến dung nhỏ nhiều so với 0,1µF, nên điện dung mạch nối tiếp trị số điện dung varactor Tổng điện dung tương đương mạch cộng hưởng giá trị điện dung varactor song song với 500 pF (a) C eq @ 1V = 500pF + 500pF = 1000pF (b) C eq @ 7V = 55pF + 500pF = 555pF - Tính tần số cộng hưởng hai mức điện áp đặt vào diode biến dung: 89 FR= (a) F R = π √ LC =504 kHz π √ 100 μH × 1000 pF (b) F R = =676 kHz π √ 100 μH × 555 pF 3.Điốt tunnel 3.1 Cấu tạo kí hiệu Được chế tạo lần vào năm 1958 Leo-Esaki nên gọi diode Esaki.Đây loại diode đặc biệt dùng khác với nhiều loại diode khác.Diode tune có nồng độ pha chất ngoại lai lớn diode thường nhiều (cả vùng P lẫn vùng N) Kí hiệu : Hình 4.6 kí hiệu cảu diode tunnel Hình dạng thực tế : Hình 4.7 Hình dạng thực tế diode tunnel 3.2 Nguyên lý hoạt động Hình 4.8 Đặc tuyến diode tunnel Khi phân cực nghịch, dòng điện tăng theo điện Khi phân cực thuận, điện thấp, dòng điện tăng theo điện lên đến đỉnh A (V P IP ), dòng điện lại tự động giảm điện tăng Sự biến thiên nghịch đến thung lũng B (VV IV ).Sau đó, dịng điện tăng theo điện diode thường có chất bán dẫn cấu tạo Đặc tính cụ thể diode hầm tùy thuộc vào chất bán dẫn cấu tạo Ge, Si, GaAs (galiumsenic), GaSb (galium Atimonic)… Vùng AB vùng điện trở âm (thay đổi từ khoảng đến 500 mV) Diode dùng vùng điện trở âm Vì tạp chất cao nên vùng diode hầm hẹp (thường khoảng 1/100 lần độ rộng vùng diode thường , nên hạt tải điện xuyên qua mối nối theo tượng chui hầm nên gọi diode hầm Tỉ số Ip/Iv quan trọng ứng dụng Tỉ số khoảng 10:1 Ge 20:1 90 GaAs Mạch tương đương diode hầm vùng điện trở âm sau: Hình 4.9 Mạch tương đương diode tunnel Ls: Biểu thị điện cảm diode, có trị số từ 1nH đến 12nH RD : Điện trở chung vùng P N CD: Điện dung khuếch tán vùng Thí dụ, diode hầm Ge 1N2939: Ls=6nH, C D =5pF,R d =-152Ω, R D =1,5Ω Diode có vùng hẹp nên thời gian hồi phục nhỏ, dùng tốt tần số cao Nhược điểm diode hầm vùng điện trở âm phi tuyến, vùng điện trở âm lại điện thấp nên khó dùng với điện cao, nồng độ chất pha cao nên muốn giảm nhỏ phải chế tạo mỏng manh Do đó, diode hầm bị diode schottky thay Ứng dụng thông dụng diode hầm làm mạch dao động tần số cao 4.Diode phát quang 4.1 Cấu tạo Diode phát quang có cấu tạo gồm lớp tiếp xúc P-N, Diode phát quang làm từ chất Ga – As, Ga – P, Ga As – P, Si – C Ký hiệu Hình 4.10.Ký hiệu LED 4.2 Phân loại 4.2.1 Theo vật liệu: -Diode Ga – As cho ánh sáng hồng ngoại mà mắt nhìn khơng thấy -Diode Ga As -P cho ánh sáng khả kiến, thay đổi hàm lượng photpho cho ánh sáng khác đỏ, cam, vàng -Diode Ga - P pha thêm tạp chất xạ cho ánh sáng Tùy loại tạp chất mà diode cho màu từ đỏ, cam, vàng, xanh -Diode SiC pha thêm tạp chất cho ánh sáng màu xanh da trời LED màu xanh da trời chưa phổ biến giá thành cao Do khác vật liệu chế tạo nên điện áp ngưỡng loại LED khác LED đỏ có V = 1,6 2V LED cam có V = 2,2V 3V 91 LED xanh có V = 2,7 V 3,2V LED vàng có V = 2,4V 3,2V LED xanh da trời có V = 3V 5V LED hồng ngoại có V = 1,8V 5V 4.2.2 LED hai màu LED hai màu loại LED đôi gồm hai LED nằm song song ngược chiều nhau, có LED đỏ LED xanh hay LED vàng LED xanh Loại LED hai màu thường để cực tính nguồn hay chiều quay động LED1 A1 A2 LED2 Hình 4.11 Sơ đồ diode hai màu Ký hiệu LED đôi loại hai màu Nếu chân A1 có điện áp dương LED1 sáng ngược lại chân A2 có điện áp dương LED sáng 4.2.3 LED ba màu LED ba màu loại LED đôi không ghép song song mà hai LED có chung chân catod, LED đỏ chân ngắn, LED màu xanh chân dài, chân catod chung Ký hiệu: A1 LED A2 LED xanh Hình 4.12 Sơ đồ diode ba màu Nếu chân A1 có điện áp dương LED đỏ sáng, chân A2 có điện áp dương LED xanh sáng, chân A1 A2 có điện áp dương LED sáng cho ánh sáng màu vàng 4.3 Ứng dụng 4.3.1 Mạch báo nguồn DC VAC D1 Vdc D2 LED C R Rt Hình 4.13 Mạch báo nguồn DC Khi sử dụng LED điều quan trọng phải tính điện trở nối tiếp với LED có trị số thích hợp để tránh dòng điện qua lED lớn làm hư LED 92 lên cao trở lại mà SCR không dẫn điện trở lại Thời gian lớn thời gian mở, thường khoảng vài chục µS Như vậy, SCR linh kiện chậm, hoạt động tần số thấp, tối đa khoảng vài chục KHz - Tốc độ tăng điện dv/dt: Ta làm SCR dẫn điện cách tăng điện anod lên đến điện quay VBO cách dùng dịng kích cực cổng Một cách khác tăng điện a nod nhanh tức dv/dt lớn mà thân điện V anod không cần lớn Thông số dv/dt tốc độ tăng lớn mà SCR chưa dẫn, vượt vị trí SCR dẫn điện Lý có điện dung nội Cb hai cực transistor mơ hình tương đương SCR.dịng điện qua tụ Dòng điện chạy vào cực T Khi dV/dt đủ lớn icb lớn đủ sức kích SCR Người ta thường tránh tượng cách mắc tụ C điện trở R song song với SCR để chia bớt dòng icb Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dt Đây trị số tối đa tốc độ tăng dòng anod Trên trị số SCR bị hư Lý SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu anod catod lớn lúc dịng điện anod tăng nhanh khiến cơng suất tiêu tán tức thời lớn Khi SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung gần vùng cổng nên vùng dễ bị hư hỏng Khả chịu đựng di/dt tùy thuộc vào SCR SCR hoạt động điện xoay chiều Khi SCR hoạt động điện xoay chiều tần số thấp (thí dụ 50Hz 60Hz) vấn đề tắt SCR giải dễ dàng Khi khơng có xung kích mạng điện xuống gần 0V, SCR ngưng Dĩ nhiên bán kỳ âm SCR không hoạt động có xung kích - Để tăng cơng suất cho tải, người ta cho SCR hoạt động nguồn chỉnh lưu tồn kỳ Vì điện 50Hz có chu kỳ T=1/50=20nS nên thời gian điện xấp xỉ 0V đủ làm ngưng SCR 180 1.3 Ứng dụng Mạch đèn khẩn cấp điện: Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu Lúc SCR ngưng dẫn bị phân cực nghịch, accu nạp qua D 1, R1 Khi điện, nguồn điện accu làm thông SCR thắp sáng đèn - Mạch nạp accu tự động (trang sau) - Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu nạp đầy, điện cực dương lên cao, kích SCR làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ accu - VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp) - Nguyên lý hoạt động - Ưng dụng Thực hành xác định cực tính chất lượng SCR Cấu tạo, kí hiệu quy ước, nguyên lý hoạt động ứng dụng TRIAC Thường coi SCR lưỡng hướng dẫn đn iệ theo hai chiều Hình sau cho thấy cấu tạo, mơ hình tương đương cấu tạo Triac Như vậy, ta thấy Triac gồm SCR PNPN dẫn điện theo chiều từ xuống dưới, kích dòng cổng dương SCR NPNP dẫn điện theo chiều từ lên kích dịng cổng âm Hai cực cịn lại gọi hai đầu cuối (main terminal) - Do đầu T2 dương đầu T1, để Triac dẫn điện ta kích dịng cổng dương 181 đầu T2 âm T1ta kích dịng cổng âm - Như đặc tuyến V-I Triac có dạng sau: - Thật ra, tương tác vùng bán dẫn, Triac nảy theo cách khác nhau, trình bày hình vẽ sau Cách (1) cách (3) nhạy nhất, cách (2) cách (4) Do tính chất dẫn điện hai chiều, Triac dùng mạng điện xoay chiều thuận lợi SCR Thí dụ sau cho thấy ứng dụng Triac mạng điện xoay chiều 2.TRIAC 2.1 Cấu tạo ,kí hiệu, quy ước TRIAC (viết tắt của Triode for Alternating Current) phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n thyristor theo hai chiều cực T1 T2, dẫn dịng theo hai chiều T1 T2 TRIAC coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược.để điều khiển Triac ta cần cấp xung cho chân G Triac 182 2.1 Nguyên lý hoạt động Như trình bày trên, thyristor dụng cụ mở phân áp U A-K dương Nếu mắc hai thyristor ngược chiều nhau, điều khiển mở hai chiều , điều khiển chúng mở tương ứng với chiều phân cực âm dương Trong trường hợp cần có hai tín hiệu điều khiền đồng với Triac dụng cụ tương đương với hai thyristor mắc ngược có chung cực điều khiển Do làm việc với nguồn phân cực âm dương, khái niệm Anode va Cathode triac không phù hợp Được quy ước sử dụng ký hiệu T2 (hoặc B2) T1 (B1)cho cực đối ravà cực điều khiển G gần T1 2.3 Ứng dụng Máy hàn nhựa cầm tay Triac S TRIAC đặc biệt hữu ích ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều công-tắc-tơ tĩnh 183 DIAC 3.1 Cấu tạo, kí hiệu quy ước Về cấu tạo, DIAC giống SCR khơng có cực cổng hay transistor khơng có cực Hình sau mơ tả cấu tạo, ký hiệu mạch tương đương DIAC 3.2 Nguyên lý hoạt động Khi áp hiệu điện chiều theo chiều định đến điện VBO, DIAC dẫn điện áp hiệu theo chiều ngược lại đến trị số -VBO DIAC dẫn điện, DIAC thể điện trở âm (điện hai đầu DIAC giảm dòng điện qua DIAC tăng) Từ tính chất trên, DIAC tương đương với hai Diode Zener mắc đối đầu Thực tế, khơng có DIAC, người ta dùng hai Diode Zener có điện Zener thích hợp để thay (Hình 17) - Trong ứng dụng, DIAC thường dùng để mở Triac Thí dụ mạch điều chỉnh độ sáng bóng đèn (Hình 18) Ở bán ký dương điện tăng, tụ nạp điện điệnthế VBO DIAC dẫn, tạo dịng kích cho Triac dẫn điện Hết bán kỳ dương, Triac tạm ngưng Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện -VBO, DIAC lại dẫn điện kích Triac dẫn điện Ta thay đổi VR để thay đổi thời nạp điện tụ C, thay đổi góc dẫn Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng bóng đèn - 3.3 Ứng dụng Thực hành xác định cực tính chất lượng DIAC Cấu tạo, kí hiệu quy ước, nguyên lý hoạt động ứng dụng điốt lớp - Cấu tạo, kí hiệu quy ước Diod shockley gầm có lớp bán dẫn PNPN (diod lớp) có hai cực Cấu tạo ký hiệu với đặc tuyến Volt-Ampere phân cực thuận mơ tả hình vẽ sau đây: - 184 Ta thấy đặc tuyến giống SCR lúc dòng cổng I G=0V, điện quay VBO Diod shockley nhỏ nhiều Khi ta tăng điện phân cực thuận, điện anod-catod tới trị số VBO Diod shockley bắt đầu dẫn, điện hai đầu giảm nhỏ sau hoạt động Diod bình thường Áp dụng thơng thường Diod shockley dùng để kích SCR Khi phân cực nghịch, Diod shockley không dẫn điện - Bán kỳ dương tụ C nạp điện đến điện V BO Diod shockley dẫn điện, kích SCR dẫn Bán kỳ âm, Diod shockley ngưng, SCR ngưng Câu hỏi ôn tập Trình bày nguyên lý hoạt động SCR? Trình bày nguyên lý hoạt động DIAC? 185 Bài 10 LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Mục tiêu bài: Trình bày cấu tạo, kí hiệu quy ước, nguyên lý hoạt động ứng dụng linh kiện quang; - Xác định cực tính, chất lượng linh kiện quang; - Ý thức học tập nghiêm túc, thực thao tác đo kiểm tra để bảo đảm an toàn cho sinh viên trang thiết bị Nội dung: - Khái niệm Linh kiện quang điện tử linh kiện cảm biến có đặc tính đổi lượng ánh sáng thành dịng điện ngược lại đổi dòng điện thành ánh sáng Những linh kiện có đặc tính đổi ánh sáng thành dịng điện điện trở quang, diode quang, transistor quang Ngược lại linh kiện có đặc tính đổi dịng điện thành ánh sáng diode phát quang (LED), hiển thị tinh thể lỏng (LCD) Diode phát quang 2.1 Cấu tạo Diode phát quang có cấu tạo gồm lớp tiếp xúc P-N, Diode phát quang làm từ chất Ga – As, Ga – P, Ga As – P, Si – C Ký hiệu Hình 10.1Ký hiệu LED 2.2 Phân loại a Theo vật liệu: -Diode Ga – As cho ánh sáng hồng ngoại mà mắt nhìn không thấy -Diode Ga As -P cho ánh sáng khả kiến, thay đổi hàm lượng photpho cho ánh sáng khác đỏ, cam, vàng -Diode Ga - P pha thêm tạp chất xạ cho ánh sáng Tùy loại tạp chất mà diode cho màu từ đỏ, cam, vàng, xanh -Diode SiC pha thêm tạp chất cho ánh sáng màu xanh da trời LED màu xanh da trời chưa phổ biến giá thành cao Do khác vật liệu chế tạo nên điện áp ngưỡng loại LED khác LED đỏ có V = 1,6 2V LED cam có V = 2,2V 3V 186 LED xanh có V = 2,7 V 3,2V LED vàng có V = 2,4V 3,2V LED xanh da trời có V = 3V 5V LED hồng ngoại có V = 1,8V 5V a LED hai màu LED hai màu loại LED đôi gồm hai LED nằm song song ngược chiều nhau, có LED đỏ LED xanh hay LED vàng LED xanh Loại LED hai màu thường để cực tính nguồn hay chiều quay động Ký hiệu Hình 10.2 Ký hiệu LED đơi loại hai màu Nếu chân A1 có điện áp dương LED1 sáng ngược lại chân A2 có điện áp dương LED sáng b LED ba màu LED ba màu loại LED đôi khơng ghép song song mà hai LED có chung chân catod, LED đỏ chân ngắn, LED màu xanh chân dài, chân catod chung Ký hiệu: A1 LED A2 LED xanh Hình 7.3 Nếu chân A1 có điện áp dương LED đỏ sáng, chân A2 có điện áp dương LED xanh sáng, chân A1 A2 có điện áp dương LED sáng cho ánh sáng màu vàng 2.3 Ứng dụng a Mạch báo nguồn DC R VAC LED D 187 Hình 10.3 Khi sử dụng LED điều quan trọng phải tính điện trở nối tiếp với LED có trị số thích hợp để tránh dịng điện qua lED lớn làm hư LED Điện trở mạch báo nguồn DC tính theo cơng thức: V DC −V LED I LED R= b Mạch báo nguồn AC R VAC D LED Hình 10.4 Trong mạch báo nguồn AC, LED sáng phân cực thuận bán kỳ thích hợp , LED bị phân cực nghịch diode D phân cực thuận nên dẫn điện để giữ cho mức điện áp ngược LED VD = 0,7V tránh hư LED Điện trở mạch báo nguồn AC đựơc tính theo cơng thức: V AC −V LED R= I LED 2.4 LED bảy đọan LED bảy đoạn có loại anode chung loại cathode chung Hiện LED bảy đoạn dùng nhiều thiết bị thị số + Vcc + Vcc Hình 7.6 A B C D E F LED Cathode chung G A Hình B C D E F LED anode chung G 10.7 LED bảy đoạn tập hợp bảy LED chế tạo dạng dài xếp hình vẽ ký hiệu bảy chữ a, b, c, d, e, f, g Phần phụ LED bảy đoạn 188 chấm sáng (p) để dấu phẩy thập phân Dấu chấm LED p tương ứng phát sáng Khi cho sáng với số lượng vị trí thích hợp ta có chữ số từ đến chữ từ A đến F Điện trở quang (Photoresistor) Điện trở quang gọi điện trở tùy thụôc ánh sáng LDR (Light dependent resistor) có trị số điện trở thay đổi theo độ sáng chiếu vào điện trở quang Khi bị che tối điện trở quang có trị số điện trở lớn, chiếu sáng điện trở giảm nhỏ CdS LDR Hình 10.8 Hình dạng ký hiệu điện trở quang Điện trở quang có trị số điện trở thay đổi khơng tuyến tính theo độ sáng chiếu vào Khi bóng tối điện trở quang có trị số khoảng vài mega Ohm, chiếu sáng điện trở quang có trị số nhỏ khoảng vài chục đến vài trăm Ohm Diode quang (diode cảm quang – Photodiode) Diode quang có cấu tạo bán dẫn giống diode thường đặt vỏ cách điện có mặt nhựa hay thuỷ tinh suốt để nhận ánh sáng bên chiếu vào mối nối P-N diode, có loại dùng thấu kính hội tụ để tập trung ánh sáng Ký hiệu: A K PHOTODIODE Hình 10.9 Ký hiệu diode quang Đối với diode phân cực thuận dịng điện thuận qua diode lớn dòng hạt tải đa số di chuyển, phân cực nghịch dịng điện qua diode nhỏ dòng hạt tải thiểu số di chuyển Qua thí nghiệm cho thấy photodiode phân cực thuận hai trường hợp mối nối P-N chiếu sáng hay che tối dòng điện thuận qua diode không đổi Ngược lại diode bị phân cực nghịch, mối nối P - N chiếu sáng dịng điện nghịch tăng lên lớn nhiều lần so với bị che tối Do nguyên lý nên diode quang sử dụng trạng thái phân cực ngược mạch điều khiển ánh sáng Photodiode có đặc tính: - Rất tuyến tính - Ít nhiễu - Dãy tần số rộng - Nhẹ có sức bền học cao - Có đời sống dài 189 Transistor quang (Phototransistor) 5.1 Cấu tạo Cấu tạo bán dẫn transistor quang coi gồm có diode quang transistor quang 5.2 Nguyên lý hoạt động Trong transistor quang có diode quang làm nhiệm vụ cảm biến quang điện transistor làm nhiệm vụ khuếch đại Diode quang sử dụng mối nối P-N cực B C, transistor phân cực cho chân diode BE phân cực thuận cịn diode BC phân cực nghịch Khi diode BC phân cực nghịch chiếu sáng dịng điện rỉ ICB tăng cao bình thường nhiều lần Dịng điện rỉ ICB trở thành dòng IB transistor khuếch đại Độ khuếch đại quang transistor từ 100 đến 1000 độ khuếch đại khơng tuyến tính theo cường độ ánh sáng chiếu vào mối nối Transistor quang có tốc độ làm việc chậm tụ điện ký sinh C CB (tụ ký sinh cực C B ) gây hiệu ứng Miller Transistor quang có tần số làm việc cao vài trăm Kz tần số làm việc cực đại diode quang đến vài chục Mz 5.3 ký hiệu Hình 10.10 Transistor quang (Phototransistor) Darlington phototransistor Trường hợp bỏ hở cực B mạch làm việc theo nguyên lý transistor quang Trường hợp bỏ hở cực E mạch làm việc theo nguyên lý diode quang +Vcc +Vcc Rc Rc Hình 10.11 5.4 Ứng dụng Mạch hình vẽ dùng transistor quang ráp Darlington với transistor công suất để điều khiển rơle RY Khi chiếu sáng quang transistor dẫn làm transistor công suất dẫn cấp điện cho rele RY 190 +Vcc D1 Ry Q Hình 10.12 Mạch hình vẽ sau lấy điện áp Vc transistor quang để phân cực cho cực B transistor công suất Khi transistor quang chiếu sáng dẫn điện làm điện áp Vc giảm, cực B transistor công suất không phân cực nên ngưng dẫn rơ le không cấp điện +Vcc R D1 Ry Q Hình 10.13 Mạch điện hình vẽ sau dùng transistor cơng suất loại PNP nên có ngun lý: transistor quang chiếu sáng dẫn điện tạo sụt áp điện trở để phân cực cho cực B transistor công suất loại PNP làm transistor công suất dẫn cấp điện cho rơ le +Vcc R D1 Ry Hình 10.14 Các ghép quang: (opto – couplers) 6.1 Cấu tạo Bộ ghép quang gồm có hai phần gọi sơ cấp thứ cấp Phần sơ cấp diode loại GaAs phát tia hồng ngoại, phần thứ cấp transistor quang loại silic Ký hiệu: 191 If Ic Hình 10.15 Ký hiệu ghép quang 6.2 Nguyên lý hoạt động Khi phân cực thuận, didoe phát xạ hồng ngoại chiếu lên mặt transistor quang Như vậy, tín hiệu điện sơ cấp LED hồng ngoại (còn gọi phần phát) đổi thành tín hiệu ánh sáng Tín hiệu ánh sáng phần thứ cấp transistor quang (còn gọi phần nhận đổi lại thành tín hiệu điện.) 6.3 Đặc trưng kỹ thuật -Bộ ghép quang dùng để cách điện hai mạch điện có điện áp cách biệt lớn Điện áp cách điện sơ cấp thứ cấp thường từ vài trăm volt đến hàng ngàn volt -Bộ ghép quang làm việc với dịng điện chiều hay tín hiệu điện xoay chiều có tần số cao -Điện trở cách điện sơ cấp thứ cấp có trị số lớn thường khoảng vài chục đến vài trăm M dòng điện chiều -Hệ số truyền đạt dòng điện tỉ số phần trăm dòng điện thứ cấp I C với dòng điện vào sơ cấp IF Đây thông số quan trọng ghép quang thường có trị số từ vài chục phần trăm đến trăm phần trăm tùy lọai ghép quang 6.4.Các ghép quang 6.4.1 Bộ ghép quang transistor (Opto –transistor) 4 Hình 7.16 Thứ cấp ghép quang phototransistor loại Silic Đối với ghép quang transistor có bốn chân transistor khơng có cực B Trường hợp ghép quang có sáu chân cực B nối ngồi hình vẽ Bộ ghép quang khơng có cực B có lợi điểm hệ số truyền đạt lớn, nhiên loại có nhược điểm độ ổn định nhiệt Nếu nối cực B E điện trở ghép quang transistor ghép quang làm việc ổn định với nhiệt độ hệ số truyền đạt lại bị giảm 192 6.4.2 Bộ ghép quang Darlington –Transistor Bộ ghép quang Darlington –transistor có nguyên lý ghép transistor quang với hệ số truyền đạt lớn vài trăm lần nhờ tính chất khuếch đại mạch Darlington Bộ ghép quang loại có nhược điểm bị ảnh hưởng nhiệt độ lớn nên thường chế tạo có điện trở chân B E transistor để ổn định nhiệt Hình 10.17 6.4.3 Bộ ghép quang với quang thyristor: Một quang thyristor thay photodiode transistor Khi có ánh sáng hồng ngoại LED sơ cấp chiếu vào quang diode có dịng điện IB cấp cho transistor NPN transistor NPN dẫn điều khiển transistor PNP dẫn điện Như quang thyristor dẫn điện trì trạng thái dẫn mà khơng cần kích liên tục sơ cấp 6.5 Ứng dụng Các loại opto – couplers có dịng điện sơ cấp cho LED hồng ngoại khoảng 10mA Đối với opto – transistor thay đổi trị số dòng điện qua LED hồng ngoại sơ cấp làm thay đổi dòng điện IC phototransistor thứ cấp Opto-coupler dùng thay đổi cho rơ le hay biến áp xung để giao tiếp với tải thường có điện áp cao dịng điện lớn Mạch điện hình vẽ sau ứng dụng opto – transistor để điều khiển đóng ngắt rơle Transistor quang ghép quang ghép Darlington với transistor cơng suất bên ngồi, LED hồng ngoại sơ cấp cấp nguồn 5V transistor quang dẫn điều khiển transistor công suất dẫn để cấp điện cho rờ le RY Điện trở 390 hạn dòng cho led khoảng 10mA Câu hỏi ôn tập Vẽ sơ đồ ghép quang transistor ? Nêu đặc trưng kỹ thuật ghép quang ? 193 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình linh kiện điện tử, trường cao đẳng nghề công nghiệp Hà nội [2] Giáo trinh linh kiện điện tử, Nguyễn Tấn Phước [3] Giáo trình mạch điện tử, Trương Văn Tám 194 ... cơng thức ( 2- 21), ( 2- 22) ta có: RE RC CE +VCC RL ( 2- 48) R1 R2 ( 2- 49) 117 Trong hình có CC ta có: thay vào cơng thức ( 2- 21), ( 2- 22) ta có: ( 2- 50) ( 2- 51) Ta ln có: ( 2- 52) ( 2- 53) 2. 4.3 .2 Chế độ bất... thường chưa biết điện trở phân cực R1, R2 107 Từ đồ thị (H3 -2 ) , ta thấy sóng lớn khi: ( 2- 21) ( 2- 22) Với sơ đồ (H 3-1 ) ta có: RAC = RDC = RC + RE nên từ ( 2- 21) ( 2- 22) ta suy ra: ( 2- 23) ( 2- 24) Chế độbất... kết nhận xét kết 2. 4 .2 Mạch cực chung Common Base C B 2. 4 .2. 1 Chế độ tối ưu: CC Ri + Vi RC Cb RL VL R1 R2 +VCC Thay vào ( 2- 21), ( 2- 22) ta được: ( 2- 54) ( 2- 55) ( 2- 56) ( 2- 57) 2. 4 .2. 2 Chế độ bất kỳ: