Giáo trình Điện tử cơ bản (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Giáo trình Điện tử cơ bản (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) được thiết kế theo mô đun thuộc hệ thống mô đun/môn học của chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở cấp trình độ Cao đẳng nghề, và được dùng làm giáo trình cho học viên trong các khóa đào tạo. Giáo trình kết cấu gồm 9 bài và chia thành 2 phần, phần 2 trình bày những nội dung về: tranzitor trường; một số linh kiện đặc biệt; mạch nguồn 1 chiều; mạch khuếch đại tín hiệu; khuếch đại thuật toán;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BÀI 5: TRANSISTOR TRƢỜNG Mã bài: MĐ14.05 Giới thiệu: Bài học giới thiệu transistor trường JFET, MOSFET cấu tạo, ký hiệu, đặc tuyến mạch Mục tiêu: - Trình bày cấu tạo, ký hiệu nguyên lý hoạt động transistor trường - Trình bày đặc tuyến, thông số transistor trường - Trình bày kiểu mắc mạch, đặc tính kiểu mạch transistor trường - Lắp ráp, hiệu chỉnh kiểu mạch transistor trường - Nghiêm túc, cẩn thận, an toàn Nội dung chính: Cấu tạo Transistor trình bày trước gọi transistor mối nối lưỡng cực (BJT = Bipolar Junction Transistor) BJT có điện trở ngõ vào nhỏ cách mắc thơng thường CE, dịng IC = IB, muốn cho IC lớn ta phải tăng IB (thúc dịng lối vào) Đối với transistor hiệu ứng trường có tổng trở vào lớn Dòng điện lối tăng b ng cách tăng điện áp lối vào mà khơng địi hỏi dịng điện Vậy loại điện áp tạo trường trường tạo dòng điện lối Field Effect Transistor (FET) FET có hai loại: JFET MOSFET JFET gọi FET nối hay thường gọi FET 1.1 JFET 1.1.1 Cấu tạo Hình 5.1 Cấu tạo JFET kênh N P Nếu so sánh với BJT, ta thấy: cực thoát D tương đương với cực thu C, cực nguồn S tương đương với cực phát E cực cổng G tương đương với cực B JFET kênh N tương đương với transistor NPN JFET kênh P tương đương với transistor PNP Hình 5.2 Sơ đồ chân tương đương JFET với transistor BJT Cũng giống transistor NPN sử dụng thông dụng transistor PNP dùng tốt tần số cao JFET kênh N thông dụng JFET kênh P với lý 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Về nguyên lý hoạt động loại JFET tương đối giống nhau, khác chiều dòng điện Ở chế độ khuếch đại, ta phải cấp nguồn U GS để tiếp xúc P-N phân cực ngược Nguồn UDS làm cho hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S cực máng D => tạo dịng ID mạch cực máng Hình 5.3 Mạch FET kênh N kênh P - Ta xét JFET kênh N: Hình 5.4 Mạch FET kênh N  Điện áp VGG đặt tới cực G S để phân cực ngược cho tiếp giáp P-N Điện áp VDD đặt tới D S để tạo dòng điện chảy kênh dẫn  Điện áp phân cực ngược đặt tới G S làm cho vùng nghèo dọc theo tiếp giáp P-N mở rộng chủ yếu phía kênh dẫn, điều làm kênh hẹp lại điện trở kênh dẫn tăng lên dòng qua kênh dẫn giảm Với cách phân cực điện áp phân cực G D lớn điện áp phân cực ngược G S làm cho vùng nghèo mở rộng khơng Hình 5.5 Nguyên lý hoạt động FET kênh N 1.2 MOSFET 1.2.1 Cấu tạo Mosfet Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Transistor đặc biệt có cấu tạo hoạt động khác với Transistor thơng thường mà ta biết Mosfet thường có cơng suất lớn nhiều so với BJT Đối với tín hiệu chiều coi khóa đóng mở Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa hiệu ứng từ trường để tạo dòng điện, linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại nguồn tín hiệu yếu Hình 5.6 Cấu tạo MOSFET kênh N Cấu tạo Mosfet ngược Kênh N G: Gate gọi cực cổng S: Source gọi cực nguồn D: Drain gọi cực máng Trong đó: G cực điều khiển cách lý hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại lớp điện mơi cực mỏng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2) Hai cực lại cực gốc (S) cực máng (D) Cực máng cực đón hạt mang điện Mosfet có điện trở cực G với cực S cực G với cực D vơ lớn, cịn điện trở cực D cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch cực G cực S (UGS) Khi điện áp UGS = điện trở RDS lớn, điện áp UGS > => hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS lớn điện trở RDS nhỏ Ký hiệu: Hình 5.7 Ký hiệu MOSFET kênh N, P Qua ta thấy Mosfet có chân tương đương với Transitor + Chân G tương đương với B + Chân D tương đương với chân C + Chân S tương đương với E 1.2.2 Nguyên lý hoạt động Mosfet hoạt động chế độ đóng mở Do phần tử với hạt mang điện nên Mosfet đóng cắt với tần số cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn vấn đề điều khiển lại đề quan trọng Mạch điện tương đương Mosfet Nhìn vào ta thấy chế đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện ký sinh Ở tơi khơng nói rõ chi tiết cấu trúc bán dẫn để đóng mở Các bạn hiểu sau: + Đối với kênh P: Điện áp điều khiển mở Mosfet Ugs0 Điện áp điều khiển đóng Ugs 0V  đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng Khi cơng tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên Q1 khóa ==>Bóng đèn tắt => Từ thực nghiệm ta thấy r ng : điện áp đặt vào chân G khơng tạo dịng GS Transistor thông thường mà điện áp tạo từ trường => làm cho điện trở RDS giảm xuống Đặc tính làm việc Mục tiêu: - Trình bày đặc tính làm việc JFET 2.1 JFET Đặc tuyến ra: Xét trường hợp JFET phân cực với điện áp VDD = Hình 5.9 Phân cực với điện áp VDD Hình 5.10 Đường đặc tính JFET Tăng dần VDD VDS tăng ID tăng tuyến tính theo Khi tăng VDD vùng nghèo có xu hướng rộng ra, nhiên VDD chưa đủ lớn bề rộng vùng nghèo chưa đủ rộng để gây ảnh hưởng tới I D => ID VDS có mối quan hệ tuyến tính VDD đủ nhỏ Mối quan hệ thể đặc tuyến A → B (Miền OHM) - VDD đủ lớn, VDS đủ lớn, lúc bề rộng vùng nghèo bắt đầu gây ảnh hưởng dịng ID Nó kiềm hãm tăng dòng ID trước tăng VDS Mối quan hệ thể đặc tuyến B → C (Miền không đổi) - VDD tiếp tục tăng đến giá trị đủ lớn để đánh thủng tiếp giáp P-N ID tăng đột ngột theo VDS, miền gọi miền đánh thủng; JFET làm việc chế độ bị hỏng • Đặc tuyến truyền đạt: Ta thấy VGS(0 → VGS off) điều khiển dòng ID Với JFET kênh N VGS off < 0, JFET kênh P VGS off > Đồ thị thể mối quan hệ VGS ID đặc tuyến truyền đạt, có dạng: Hình 5.11 Đặc tính truyền đạt JFET kênh N Đường cong đặc tuyến truyền đạt JFET kênh N, cho ta biết giới hạn hoạt động JFET Thực hành Mục tiêu: - Nhận dạng phân loại JFET MOSFET - Kiểm tra chất lượng JFET MOSFET Chuẩn bị: Một đồng hồ vạn với que đo, để đồng hồ thang x1KΩ, kiểm tra dây đo tốt, dụng cụ kẹp linh kiện cố định hay miếng lót cách điện Trước đo Mosfet – FET (FET) dùng dây dẫn hay tơ vít nối tắt chân MosFet – FET lại để khử hết điện tích chân (lý FET linh kiện nhạy cảm, điện tích chân ảnh hưởng đến kết đo)  Mosfet – Fet tốt kết đo sau: Hình 5.12 Đo G S Bước 1: Đo G S hai chiều kim không lên (tiếp giáp GS chưa bị thủng) Hình 5.13 Đo G D Bước Đo G D hai chiều kim không lên (tiếp giáp G D chưa bị thủng) (Hình 5.13) Hình 5.14 Dùng tơ vít nối tắt chân G chân D Bước Dùng Tơ vít nối tắt G vào D để điện tích cực G (do q trình đo để lại điện tích chân G) (Hình 5.14) Hình 5.15 Đo chân D S Bước Đo D S (Sau G điện cực G ) có chiều kim khơng lên (có đảo que đo) (Hình 5.15)  Các trường hợp sau Mosfet – Fet bị hỏng Đo G S kim lên => chập G S Đo G D kim lên chập G D thuận rơi diode D1 vàD2 ( loại diode silic) để có tổng điện áp chung hai điểm B1 B2 UB1B2 = (1,1 ÷ 1,2)V; hệ số nhiệt âm là: (-1mV/°C) - Bình thường transistor T3, T4 chế độ khóa T1 T2 làm việc lúc dòng điện chưa đạt tới giá trị tới hạn ± Irmax - Khi dòng điện đạt tới giá trị tới hạn chạy qua R1 R2 tạo giảm áp R1 R2 đẩy điện áp VBE T3, T4 tới ngưỡng mở ( khoảng ± 0,6V), làm T3, T4 mở làm dòng Ib1, Ib2 T1 T2 b ng 0,.do tổng điện áp chung hai điểm B1 B2 UB1B2 = (1,1 ÷ 1,2)V tổng điện áp chung hai điểm B3 B4 UB3B4 = (1,1 ÷ 1,2)V - Ngồi ra, nhờ sử dụng thêm điện trở hồ tiếp âm mắc cực Emitơ T1 T2, với R1 R2 nhỏ BÀI 9: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mã bài: MĐ14.09 Giới thiệu: Mạch khuếch đại thuật toán thuộc khuếch đại dịng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào đầu chung Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, tính chất khuếch đại thuật tốn - Vẽ phân tích sơ đồ mạch ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán theo yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính xác, nghiêm túc học tập thực công việc Khái quát chung 1.1 Khái niệm Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), thường gọi tắt op-amp mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn Trong ứng dụng thơng thường, đầu điều khiển b ng mạch hồi tiếp âm cho xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào tổng trở đầu 1.2 Các tính chất Mạch khuếch đại thuật tốn (Operational Amplifier: Op-Amps) có ký hiệu hình sau: Hình 9.1 Ký hiệu khuếch đại thuật tốn Trong đó: Vin- điện áp ngõ vào (-) gọi ngõ vào đảo Vin+ điện áp ngõ vào (+) gọi ngõ vào không đảo Iin- dòng điện ngõ vào (-) Iin+ dịng điện ngõ vào (+) Hình 9.2 Sơ đồ bên mạch khuếch đại thuật tốn 741 Hình 9.3 Sơ đồ chân khuếch đại thuật toán thực tế  Op-amp thường đóng gói dạng linh kiện tích hợp chân hay 16 chân, tùy loại mà bên chứa (Single Op - amp), (Dual Op – amp) hay Op-amp (Quad Op – amp) Tính chân IC tiêu chuẩn hóa nên ta thay IC Op-amp tương đương  Cách xác định chân số IC Op-amp xoay IC hướng mình, cho bạn đọc ký hiệu mã linh kiện Chân từ bên trái qua, hàng chân phía đánh b ng dấu trịn định vị âm lưng IC – chân số 1, chân số chân đánh dấu theo chiều ngược kim đồng hồ, đối diện chân số chân số (với loại IC có chân) Các mạch ứng dụng 2.1 Mạch khuếch đại 2.1.1 Mạch khuếch đại đảo Hình 9.4 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo - Dùng để đổi dấu khuếch đại điện áp (nhân với số âm) Vout  Vin ( Rf Rin ) 2.1.2 Mạch khuếch đại không đảo Hình 9.5 Sơ đồ mạch khuếch đại khơng đảo - Dùng để khuếch đại điện áp (nhân với h ng số lớn 1) Vout  Vin (1  Rf Rin ) 2.2 Mạch cộng trừ 2.2.1 Mạch cộng Phép cộng thao tác tốn học Có hai loại mạch cộng thực sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán mà ta nghiên cứu mạch cộng đảo mạch cộng khơng đảo a Mạch cộng thuận Hình 9.6 Sơ đồ mạch cộng đảo Sơ đồ mạch điện hình 9.6, tín hiệu vào đưa tới cửa thuận Khi U  điện áp hai đầu vào b ng b ng: UV   UV   R1 U R1  Rht Khi dòng vào đầu thuận b ng ( RV  ¥ ) ta có: U1  UV  U  UV  U  UV     n 0 R R R Hay: U1  U   U n  nU V U1  U   U n  n Từ đó: U  R1 U R1  Rht R1  Rht (U1  U   U n ) n.R1 b Mạch cộng đảo Hình 9.7 Sơ đồ mạch cộng đảo Điện áp đầu ra: Vout   R f ( VA VB VC   ) RA RB RC 2.2.2 Mạch trừ Để thực trừ hai điện áp, người ta thường sử dụng mạch hình vẽ sau: Hình 9.8 Sơ đồ mạch trừ Ta có: U  U  U A  U B I  I  U r  U  U1 2.3 Mạch tích phân Hình 9.9 Sơ đồ mạch tích phân Điện áp đầu ra: Vout   vin dt RC  2.4 Mạch vi phân Mạch vi phân mạch điện áp đầu tỷ lệ với vi phân điện áp đầu vào, tức U  k dUV , k hệ số dt Mạch vi phân dùng IC khuếch đại thuật tốn hình 9.10 Hình 9.10 Sơ đồ mạch vi phân Xem như: U  0; I  Nên: IV  C dUV dt Mà: U   IV R Nên: U   RC dUV dt Trong k  RC   gọi h ng số vi phân mạch Dấu (-) nói lên U ngược pha với U v Khi tín hiệu vào hình sin mạch vi phân làm việc lọc tần cao 2.5 Mạch lọc tín hiệu Mục tiêu: - Vẽ phân tích sơ đồ mạch lọc tín hiệu 2.5.1 Sơ đồ mạch Mạch lọc thụ động có ưu điểm đơn giản, nhiên hệ số truyền đạt nhỏ bị tổn hao RC, phụ thuộc nhiều vào tải, khó phối hợp tổng trở với mạch ghép Muốn hạn chế độ suy giảm phải lắp nhiều mắt lọc liên tiếp, lúc tần số cắt lọc khác với tần số cắt mắt lọc Cách khắc phục nhược điểm sử dụng mạch lọc tích cực Cụ thể đưa mắt lọc RC vào đường hồi tiếp Op-Amps để tăng hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất, đồng thời làm giảm ảnh hưởng tải b ng cách dùng tầng đệm để phối hợp trở kháng Cũng mạch lọc thụ động, phân mạch lọc tích cực theo tần số làm việc như: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dãy Ở giới thiệu mạch lọc tích cực lọc thông thấp: mạch lọc mà tần số thấp truyền qua nguyên vẹn, cò tần số cao bị suy giảm chậm pha với tín hiệu vào Hình 9.11 Sơ đồ mạch lọc tín hiệu 2.5.2 Nguyên lý hoạt động Có thể dùng cơng thức để tính tốn thành lập biểu đồ Bode biên - tần mạch lọc hình: Hình 9.12 Biểu đồ Bode biên-tần mạch lọc Các nhận xét mạch lọc thống thấp: - Tại tần số cắt fc có độ lệch pha - 45o; biên độ điện áp giảm gần dB - Tại tần số thấp f > fc: biên độ |A| = 1/ωRC 2.6 Mạch khuếch đại vi sai Mục tiêu: - Vẽ phân tích sơ đồ mạch khuếch đại vi sai 2.6.1 Sơ đồ mạch Hình 9.13 Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai 2.6.2 Điện áp đầu Vout  Rf Rin (VB  VA ) 2.7 Thực hành mạch ứng dụng 2.7.1 Mạch khuếch đại đảo *Sơ đồ mạch điện: Giá trị linh kiện: R2 Vin  Op -Amp LM741 R1 Vo LM741 +  R1= 2,2kΩ Vo  R2 = 5,6kΩ R3  R3 = 1,5kΩ Hình 9.14 Mạch khuếch đại đảo *Các bước thực hành:  Trường hợp 1: Cấp nguồn đôi cho Op - Amp ± VSS = ± 15V - Ráp mạch - Đo ghi kết theo bảng số liệu tính hệ số Bảng Bảng số liệu Vin(V) -10 -8 -6 -4 -2 10 V0(V) - Tính hệ số Kd theo lý thuyết - Vẽ đặc tuyến ngõ dựa vào bảng số liệu đo: Vo(V) Vin(V) Hình 9.15 Vẽ đặc tuyến ngõ Vout theo bảng số liệu  Trường hợp 2: Cấp nguồn đơn cho Op -Amp ( VSS = 15V ; -VSS = 0V) - Ráp mạch - Đo ghi kết theo bảng số liệu tính hệ số Bảng 9.2 Bảng số liệu Vin(V) -10 -8 -6 -4 -2 Vout(V) - Tính hệ số Kd theo lý thuyết - Vẽ đặc tuyến ngõ dựa vào bảng số liệu đó: ………… 10 Vo(V) Vin(V) Hình 9.16 Vẽ đặc tuyến ngõ Vout theo bảng số liệu - Nhận xét trường hợp đó: 2.7.2 Mạch khuếch đại Không đảo *Sơ đồ mạch điện: Giá trị linh kiện: R2  Op - Amp LM741 R1 LM 741 Vin V in R3 Vr0 + + Vin R4  R1 = 2,2kΩ  R2 = 5,6kΩ  R3 = R4 = 10kΩ Hình 9.17 Mạch khuếch đại không đảo *Các bước thực hành Trường hợp1: Cấp nguồn đôi cho Op - Amp ± VSS = ± 15V - Bước 1: Ráp mạch hình 9.3 mơ hình (test board) - Bước 2: Đo ghi kết theo bảng số liệu tính hệ số Bảng 9.3 Bảng số liệu Vin(V) -10 -8 -6 -4 -2 10 Vin +(V) Vin -(V) Vout(V) ( - Bước 3: Tính hệ số Kd theo lý thuyết ( - Bước 4: Tính điện áp theo lý thuyết )( ) ) - Bước 5: Vẽ đặc tuyến ngõ dựa vào bảng số liệu đó: Vo(V) Vin(V) Hình 9.18 Vẽ đặc tuyến ngõ V0 theo bảng số liệu Trường hợp 2: Cấp nguồn đơn cho Op-Amp (VSS = 15V; -VSS = 0V) - Bước 1: Ráp mạch hình 18.14 mơ hình ( test board) - Bước 2: Đo ghi kết theo bảng số liệu tính hệ số Bảng 9.4 Bảng số liệu Vin(V) Vin +(V) Vin -(V) V0(V) -10 -8 -6 -4 -2 10 - Bước 3: Tính hệ số Kd theo lý thuyết - Bước 4: Tính điện áp theo lý thuyết ( ( )( ) ) - Bước 5: Vẽ đặc tuyến ngõ dựa vào bảng số liệu đó: Vo(V) Vin(V) Hình 9.19 Vẽ đặc tuyến ngõ Vout theo bảng số liệu - Nhận xét trường hợp đó: CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MƠN AC (Altermating Current): Dịng điện xoay chiều DC (Direct Current): Dòng điện chiều AV (Average): Giá trị trung bình BJT (Bipolar Junction Transistor): Transistor lưỡng cực LED (Light Emitting Diode): Diode phát quang FET (Field Effect Transistor): Transistor hiệu ứng trường SCR (Silicon Controlled rectifier): Thyristor TRIAC (TRIODE FOR ALTERNATING CURRENT): TRIAC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện, mạch điện tử, NXB Giáo dục 2008 [2] Nguyễn Văn Tuân, Sổ tay tra cứu linh kiện điện tử,NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [3] Đỗ Xuân Thụ, Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo dục 2005 [4] Nguyễn Đình Bảo, Điện tử 1, NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [5] Nguyễn Đình Bảo, Điện tử 2, NXB Khoa học kỹ thuật 2004 ... mạch điện hình 7 .21 - Chọn biến điện áp ngõ vào 22 0V, điện áp ngõ giá trị 12V - Diode 1N 4007 (số lượng 4), tải RL= 1kΩ - Tụ điện C có trị số 1μF- 50V; 10μF- 50V, 100μF- 50V, 22 00μF- 50V Hình 7 .21 ... số tụ điện 1μF - 25 V - Chọn kênh CH1 (CHA) đo điện áp VAC, CH2 (CHB) đo điện áp VDC - Vẽ dạng sóng điện áp VAC (V), điện áp VDC (V) hệ trục hình 7 .22 Hình 7 .22 Vẽ dạng sóng điện áp VAC, điện áp... T1 - Điện trở R21, R 22 tạo cầu phân áp cấp nguồn cho cực B transistor T2 - Điện trở RC2, RE2 tạo phân cực điểm làm việc Q transistor T2 - Tụ điện Cin, Cout ngăn thành phần chiều ngõ vào - Tụ điện