DIODE VÀ ỨNG DỤNG Cấu tạo, nguyên lý làm việc diode

MỤC LỤC CHƯƠNG DIODE VÀ ỨNG DỤNG Cấu tạo, nguyên lý làm việc diode 3.1 Điốt lý tưởng 3.1.1 3.1.1.1 Ý tưởng diode lý tưởng 3.1.1.2 Đặc tuyến dòng điện – điện áp 3.1.1.3 Ứng dụng đơn giản điot lý tưởng Khái niệm bán dẫn 3.1.2 3.1.2.1 Chất bán dẫn 3.1.2.2 Chất bán dẫn tạp chất 11 3.1.2.3 Tiếp giáp P-N 12 Cấu trúc vật lý, ký hiệu nguyên lý làm việc Diode 14 3.1.3 3.1.3.1 Cấu tạo ký hiệu 14 3.1.3.2 Nguyên lý làm việc 14 3.2 Đặc tuyến Diode 15 3.2.1 Vùng phân cực thuận 15 3.2.2 Vùng phân cực ngược 16 3.2.3 Vùng đánh thủng 17 3.3 Mô hình tương đương Diode 17 3.3.1 Mơ hình Diode lý tưởng 17 3.3.2 Mơ hình sụt áp khơng đổi 17 3.3.3 Mơ hình tuyến tính đoạn (The Pieciwise Model) 18 3.3.4 Mô hình hàm số mũ (The Exponential model) 19 3.3.5 Mơ hình tín hiệu nhỏ 20 3.4 Các tham số Diode 23 3.5 Một số loại Diode đặc biệt 23 3.5.1 Diode ổn áp (Zener) 23 3.5.2 Diode Schottky (SBD) 26 3.5.3 Diode biến dung 27 3.5.4 Diode thu quang 28 3.5.5 Diode phát quang (LED) 29 3.6 Mạch chỉnh lưu sử dụng Diode bán dẫn 30 3.6.1 Mạch chỉnh lưu nửa sóng 31 3.6.2 Mạch chỉnh lưu tồn sóng 33 3.6.3 Chỉnh lưu với tụ điện lọc 37 3.6.4 Mạch chỉnh lưu nửa sóng xác– siêu điốt (The Super Diode) 41 3.7 Mạch hạn chế mạch ghim 43 3.7.1 Mạch hạn chế 43 3.7.2 Mạch ghim điện áp 45 3.7.3 Mạch bội áp 47 GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG DẪN NHẬP 48 TÓM LƯỢC CUỐI BÀI 50 CÂU HỎI ÔN TẬP 52 BÀI TẬP CUỐI BÀI 53 CHƯƠNG DIODE VÀ ỨNG DỤNG Hướng dẫn học Các linh kiện điện tử cấu tạo từ chất bán dẫn Vì vậy, chương này, tìm hiểu cấu tạo ứng dụng thiết bị bán dẫn đơn giản ứng dụng mạch điện tử thực tế Đó diode bán dẫn Trên sở các kiến thức tảng, nội dung chương ba tập trung vào phân tích ứng dụng Diode mạch chỉnh lưu dòng điện, mạch hạn chế biên độ, mạch ghim điện áp, mạch bội áp Bài học tập trung vào nội dung sau đây: Đưa ý tưởng việc xây dựng diode lý tưởng với ứng dụng chỉnh lưu dịng điện thực thi cổng logic số • • Nghiên cứu cấu tạo diode bán dẫn nhằm thực hóa diode lý tưởng Phân tích đặc tuyến làm việc diode bán dẫn, mơ hình hóa diode hoạt động vùng làm việc dạng sơ đồ tương đương theo lý thuyết mạch điện nhằm hỗ trợ cho việc phân tích thiết kế mạch điện tử sử dụng diode bán dẫn • • Tìm hiểu số loại diode thường gặp thực tế tham số quan trọng chúng Phân tích, thiết kế các mạch ứng dụng diode bán dãn thực tế chỉnh lưu dòng điện, mạch hạn chế biên độ, mạch ghim điện áp, mạch bội áp • Để bổ trợ cho kiến thức lý thuyết, học đưa số ví dụ để giải thích, minh họa Vì người học cần theo dõi ví dụ làm tập để hiểu rõ, nắm khái niệm cách thức tính tốn Để học tốt này, sinh viên cần tham khảo phương pháp học sau: Học lịch trình mơn học theo tuần, làm luyện tập đầy đủ tham gia thảo luận diễn đàn • • Đọc tài liệu học tập • Sinh viên làm việc theo nhóm trao đổi với giảng viên trực tiếp lớp học qua email • Tham khảo thơng tin từ trang Web môn học Nội dung chi tiết: Bài học gồm tiểu mục sau 3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc Diode 3.2 Đặc tuyến Diode 3.3 Mơ hình tương đương Diode 3.4 Các tham số Diode 3.5 Một số loại diode đặc biệt 3.6 Mạch chỉnh lưu sử dụng diode bán dẫn 3.7 Mạch hạn chế mạch ghim Mục tiêu Sau học xong này, sinh viên cần đảm bảo yêu cầu sau: • Nắm vững cấu tạo nguyên lý làm việc đặc tuyến I-V diode bán dẫn Nắm vững phương pháp mơ hình hóa diode bán dẫn dạng sơ đồ tương đương theo lý thuyết mạch điện • • Biết số loại diode đặc biệt ứng dụng thực tế • Phân tích, thiết kế các mạch chỉnh lưu dòng điện sử dụng diode bán dẫn • Phân tích, thiết kế các mạch hạn chế biên độ sử dụng diode bán dẫn • Phân tích, thiết kế các mạch ghim điện áp sử dụng diode bán dẫn • Phân tích, thiết kế các mạch bội áp sử dụng diode bán dẫn Tình dẫn nhập Tình : Dưới mơ tả hai mạch điện gồm diode, bóng đèn nguồn cấp đấu nối hình vẽ Câu hỏi: Hãy đèn sáng, đèn tắt hai mạch điện ? Tình : Hình 3.1 mơ tả hình ảnh cấp nguồn chiều ±12V sử dụng nhiều thực tế sơ đồ mạch nguyên lý bên Hình 3.1 Bộ cấp nguồn chiều ±12V Câu hỏi: 1) Vai trò diode sử dụng mạch nguyên lý ? 2) Giải thích nguyên lý hoạt động mạch? 3.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc diode 3.1.1 Điốt lý tưởng 3.1.1.1 Ý tưởng diode lý tưởng Trong thủy khí khí nén ta dễ dàng bắt gặp van chiều (Hình 3.2) Đây thiết bị cho phép lưu chất qua vị trí cửa van theo hướng định không cho ngăn chặn lưu chất ngược lại Van chiều thiết bị thông minh tự động vận hành theo lực tác động dòng chảy, với vai trò bảo vệ hệ thống đường ống, thiết bị bơm, hệ thống bình chứa Ngồi ra, van chiều cịn giảm thiểu cố liên quan đến đường ống rị rỉ giúp điều hướng kiểm sốt lưu chất có cố xảy Hình 3.2 Cấu tạo van chiều Tương tự, lĩnh vực điện, có lúc ta cần phải điều chỉnh, cho dịng điện chạy theo chiều định Hình 3.3 mơ tả việc cần thiết phải điều khiển chiều dịng điện từ pin mặt trời nạp vào ác quy (bảo vệ pin mặt trời), khơng cho dịng điện chảy theo chiều ngược lại từ ắc quy vào pin điện áp pin nhỏ Thiết bị diode Hình 3.3 Điều chỉnh dịng điện nạp vào pin mặt trời 3.1.1.2 Đặc tuyến dòng điện – điện áp Hình 3.4 Điốt lý tưởng: (a) ký hiệu điốt mạch; (b) đặc tuyến i − v (c) mạch tương đương với trường hợp phân cực ngược; (d) mạch tương đương với trường hợp mạch phân cực thuận Điốt lý tưởng xét thành phần mạch phi tuyến Nó có hai đầu, gọi Anode (A) Cathode (K), có ký hiệu Hình 3.4 (a), có đặc tuyến i − v Hình 3.4 (b) Đặc điểm điốt lý tưởng trình bày sau: Nếu điện áp ngược đặt lên điốt, khơng có dịng qua điốt hoạt động mạch hở (Hình 3.4 c) Điốt hoạt động chế độ gọi phân cực ngược Một điốt lý tưởng có dịng khơng khi hoạt động chế độ phân cực ngược gọi bị khóa Mặt khác, dịng thuận đặt lên điốt có điện áp khơng hai đầu điốt Nói cách khác, điốt lý tưởng hoạt động mạch ngắn mạch theo chiều thuận (Hình 3.4 d) Nó cho qua dòng với điện áp rơi khơng Một điot phân cực thuận gọi mở Từ trình bày lưu ý mạch phải thiết kế để giới hạn dòng thuận qua điốt điện áp ngược đặt lên điốt Hình 3.5 minh họa cho điều Trong Hình 3.5 (a) điốt hiển nhiên dẫn điện (mở) Do điện áp rơi dịng qua tính thơng qua điện áp cấp +10V qua điện trở k 10 mA Điốt Hình 3.5b hiển nhiên khóa, dịng 0, có nghĩa toàn điện áp 10V điện áp ngược đặt lên điot Hình 3.5 Hai chế độ hoạt động điốt lý tưởng sử dụng mạch để giới hạn dòng thuận(a) điện áp ngược (b) Đặc tuyến i − v điốt lý tưởng (dẫn theo hướng khơng theo hướng cịn lại) giải thích lựa chọn ký hiệu mũi tên sơ đồ mạch điện 3.1.1.3 Ứng dụng đơn giản điot lý tưởng ▪ Mạch chỉnh lưu Một ứng dụng điốt, sử dụng đặc tuyến i − v mạch chỉnh lưu Hình 3.6(a) Mạch bao gồm điôt D điện trở R mắc nối tiếp Đặt điện áp đầu vào v I có dạng hình sin Hình 3.6 (b) giả sử rằng điốt lý tưởng Trong nửa chu kỳ dương tín hiệu hình sin, có dịng qua điốt Khi đó, điện áp rơi điốt v D nhỏ (lý tưởng 0) Do mạch tương đương với mạch Hình 3.6(c) điện áp đầu vO điện áp đầu vào v I Mặt khác, nửa chu kỳ âm điện áp vào v I , điốt khơng dẫn điện Khi mạch tương đương với mạch Hình 3.6 (d) điện áp đầu vO Điện áp đầu có dạng sóng Hình 3.6 (e) Chú ý điện áp v I biến đổi cực tính có giá trị trung bình vO có hướng có giá trị trung bình xác định hay chiều Bởi vậy, mạch Hình 3.6 (a) chỉnh lưu tín hiệu gọi mạch chỉnh lưu Nó ứng dụng để tạo nguồn chiều từ nguồn xoay chiều Hình 3.6 (a) Mạch chỉnh lưu, (b) Dạng sóng đầu vào, (c) Mạch tương đương  I  , (d) Mạch tương đương  I  , (e) Dạng sóng đầu Ví dụ 3.1 Hình 3.7(a) minh họa mạch điện để sạc điện cho pin 12V Nếu vS điện áp hình sin đầu vào với biên độ 24V, tìm khoảng thời gian chu kỳ mà điốt dẫn (cho dòng điện qua) Tương tự tìm giá trị tìm giá trị cực đại dòng qua điốt giá trị cực đại điện áp phân cực ngược Hình 3.7 Mạch dạng sóng ví dụ 3.1 Lời giải: Điốt dẫn điện  S lớn 12V, Hình 3.7 (b) Góc dẫn  ,  tính bởi: 24 cos  = 12 Do  = 60o góc dẫn 120o 1/3 chu kỳ Giá trị đỉnh dịng qua điốt tính: I d = 24 − 12 = 0.12 A 100 Dòng điện ngược qua điốt lớn  S giá trị âm lớn tính 24+12 = 36V ▪ Các cổng logic điốt Các điốt với điện trở sử dụng thực hàm logic số Hình 3.8 minh họa hai cổng logic điốt Để quan sát hoạt động mạch, xét hệ logic thuận giá trị điện áp xấp xỉ tương ứng với mức logic (hoặc mức thấp) giá trị điện áp xấp xỉ +5V tương ứng với mức logic (hoặc mức cao) Mạch Hình 3.8 (a) có đầu vào  A ,  B  C Dễ thấy điốt kết nối điện áp +5V đầu vào dẫn, đầu Y có giá trị+5V Như đầu mức cao nhiều đầu vào mức cao Mạch thực chức logic OR, biễu diễn đại số Boolean sau: Y = A+B+C Tương tự vậy, mạch Hình 3.8 (b) thực chức logic AND, Y = A.B.C Hình 3.8 Các cổng logic: (a) cổng OR; (b) cổng AND Ví dụ 3.2: Giả sử điốt sau lý tưởng, Tính I V mạch Hình 3.9 Hình 3.9 Mạch cho ví dụ 3.2 Lời giải: Trước hết quan sát mạch khơng có, có một, hai điốt dẫn điện Chúng ta giả sử trường hợp, tiến hành phân tích, sau kiểm tra đầu lại Với mạch điện Hình 3.9 (a), giả sử hai điốt dẫn điện Như VB=0 10 − V=0 Dòng điện qua D2 xác định sau: I D = = 1mA 10 Viết phương trình nút B: I + = − (−10) Tính I = 1mA Do D1 mở giả sử ban đầu, kết cuối I=1mA V=0V Với mạch Hình 3.9 (b), ta giả sử hai điốt mở (dẫn), VB=0 V=0 Dịng điện qua D2 tính I D2 = 10 − = mA Phương trình nút B: I +2= − (−10) 10 Ta tính I= -1mA, điều khơng thể, giả sử ban đầu sai Chúng ta tính lại từ đầu, giả sử D1 đóng D2 mở Dịng qua D2 tính: ID2 = 10 − (−10) = 1.33 mA 15 Điện áp nút B VB = −10 + 10  1.33 = +3.3V Do D1 phân cực ngược giả sử, kết cuối I=0 V=3.3V 3.1.2 Khái niệm bán dẫn 3.1.2.1 Chất bán dẫn Electron hóa tri Liên kết cộng hóa trị Nguyên tử silic Hình 3.10 Hình ảnh hai chiều tinh thể Silic Chất bán dẫn thuần: chất bán dẫn cấu tạo đơn từ Silic (Si) Germanium (Ge) tạo thành cấu trúc mạng tinh thể Mặc dù silic germanium sử dụng để chế tạo chất bán dẫn, ngày công nghệ mạch tích hợp gần dựa silic Vì lý đó, nghiên cứu chủ yếu linh kiện chế tạo từ silic tồn mơn học Hai chất bán dẫn Si (14) Ge (32) có đặc điểm chung lớp ngồi có bốn điện tử hoá trị Khi vật liệu Si chế tạo thành tinh thể từ trạng thái xắp xếp lộn xộn chúng trở thành trạng thái hoàn toàn trật tự Khi khoảng cách nguyên tử cách Hình 3.10 minh họa hình ảnh hai chiều cấu trúc mạng tinh thể Bốn điện tử lớp ngồi ngun tử khơng chịu ràng buộc với hạt nhân ngun tử mà liên kết với bốn nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh có cặp điện tử góp chung Mỗi điện tử đơi góp chung vừa chuyển động xung quanh hạt nhân vừa chuyển động quỹ đạo điện tử góp chung Sự liên kết gọi liên kết đồng hoá trị Tại nhiệt độ đủ thấp, tất liên kết cộng hóa trị giữ nguyên khơng có (hoặc có ít) điện tử tự để dẫn dòng điện Tuy nhiên, nhiệt độ thường, số điện tử góp chung dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành điện tử tự do, hạt dẫn điện tử (Hình 3.11) Khi điện tử tách trở thành điện tử tự để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống) Khi điện tử góp chung đơi kề cạnh dễ dàng bị rơi vào lỗ trống tạo thành di chuyển điện tử góp chung Sự di chuyển giống di chuyển điện tích dương, di chuyển lỗ trống Hình 3.11 Quá trình hình thành electron tự lỗ trống, hai cho phép dẫn dòng Như vậy, lỗ trống loại hạt mang điện Khi đặt điện trường lên vật liệu bán dẫn xuất hai thành phần dịng điện chạy qua nó: thành phần dòng điện điện tử tự chuyển động có hướng thành phần dịng điện lỗ trống điện tử góp chung dịch lấp lỗ trống Điện tử tự mang điện âm, lỗ trống mang điện dương Các điện tử chuyển động ngược chiều với véc tơ cường độ điện trường cịn lỗ trống chuyển động chiều tạo nên dòng điện chất bán dẫn Kết luận: Bán dẫn mà dẫn xuất thực hai loại hạt mang điện (điện tử tự lỗ trống) có số lượng gọi chất bán dẫn (bán dẫn nguyên chất) 10 giá trị nhỏ giá trị điện áp đánh thủng transistor (Các transistor cấu tạo thành đầu vào mạch khuếch đại thuật tốn) Hình 3.49 Một số mạch hạn chế Một số mạch hạn chế minh họa Hình 3.49 Đặc tuyến truyền đạt thu sử dụng mơ hình số sụt áp không đổi Diode (𝑉𝐷 = 0.7𝑉 ) giả sử đường chuyển tiếp trơn vùng tuyến tính vùng bão hịa Trong Hình 3.49(a) mạch chỉnh lưu nửa sóng đầu lấy Diode Với 𝑣𝐼 < 0.7, Diode khóa, khơng có dịng qua điện áp rơi điện trở R 0; 𝑣𝑂 = 𝑣𝐼 Khi 𝑣𝐼 > 0.7, Diode thông, điện áp sụt áp Diode 0.7V Mạch Hình 3.49 (b) giống với Hình 3.49(a) ngoại trừ Diode mắc ngược Mạch hạn chế hai phía thực cách đặc hai Diode mắc song song ngược, Hình 3.49(c) Ở vùng tuyến tính đường đặc tuyến −0.7 < 𝑣𝐼 < 0.7 Với khoảng đầu vào 𝑣𝐼 này, hai Diode khóa 𝑣𝑂 = 𝑣𝐼 Khi 𝑣𝐼 vượt 0.7V, D1 mở điện áp +0.7V Tương tự, 𝑣𝐼 âm giá trị - 0.7V, D1 mở điện áp -0.7V Mức ngưỡng mức bão hịa mạch điều khiển cách sử dụng nhiều Diode mắc điện áp chiều nối tiếp với Diode minh họa Hình 3.49(d) Ví dụ 3.10: Cho sơ đồ mạch hạn chế Hình 3.50 Biết tín hiệu đầu vào 𝑣𝐼 = 𝑉𝑚 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡, Diode lý tưởng Rng → D mở → 𝑣𝑂1 = 𝑣𝐼 - Trong khoảng thời gian 𝑡1 < 𝑣𝐼 < 𝑡2 : 𝑣𝐼  E → 𝑉𝐷 < → D khoá → 𝑣𝑂1 = E - Trong khoảng thời gian 𝑡2 < 𝑣𝐼 < 𝑡3 : 𝑣𝐼 < E → 𝑉𝐷 > → D mở → 𝑣𝑂1 = 𝑣𝐼 Giản đồ điện áp 𝑣𝑂1 sơ đồ mạch điện Hình 3.50(a) minh họa Hình 3.51(b) - Trong khoảng thời gian < 𝑣𝐼 < 𝑡1 : 𝑣𝐼 < E → 𝑉𝐷 < → D khóa → 𝑣𝑂2 = 𝐸 - Trong khoảng thời gian 𝑡1 < 𝑣𝐼 < 𝑡2 : 𝑣𝐼  E → 𝑉𝐷 > → D mở → 𝑣𝑂 = 𝑣𝐼 - Trong khoảng thời gian 𝑡2 < 𝑣𝐼 < 𝑡3 : 𝑣𝐼 < E → 𝑉𝐷 < → D khóa → 𝑣𝑂 = 𝐸 𝑣𝐼 𝑣𝐼     𝑣𝑂1    u 𝑣𝑂2 r  (a) u   (b) r Hình 3.51 Giản đồ điện áp sơ đồ mạch điện Hình 3.50 3.7.2 Mạch ghim điện áp Nếu mạch chỉnh lưu đỉnh bản, đầu lấy điốt lớn không lấy tụ điện, kết ta mạch với nhiều ứng dụng quan trọng Mạch gọi phục hồi chiều (dc restorer), biểu diễn Hình 3.52 với sóng vng đầu vào Do cực tính mà điốt mắc vào, tụ điện nạp tới điện áp  C với cực tính hình vẽ với biên độ đỉnh âm tín hiệu đầu vào Tiếp theo, điốt khóa tụ điện giữ điện áp khơng xác định Ví dụ, đầu vào sóng vng có mức điện áp 6V +4V,  C 6V Hình 3.52 Tụ điện ghim phục hồi chiều (dc restorer) với sóng vng đầu vào không tải 45 Bây giờ, điện áp đầu O tính bởi: O = I + C nên dạng sóng đầu đồng với đầu vào, ngoại trừ dịch chuyển lên đoạn điện áp  C Do đó, ví dụ chúng ta, đầu sóng vng với mức 0V +10V Một khác để hình dung hoạt động mạch Hình 3.52 là: điốt mắc song song đầu với cực tính trên, ngăn điện áp đầu từ giá trị nhỏ 0V kết nối không ràng buộc sai lệch dương  O Do dạng sóng đầu có đỉnh nhỏ ghim tới 0V, lý mạch mạch tụ điện ghim Rõ ràng phân cực ngược cho điốt cho dạng sóng đầu với đỉnh lớn 0V Trong trường hợp khác, dạng sóng đầu có giá trị trung bình xác định thành phần DC Thành phần hồn tồn khơng có quan hệ với giá trị trung bình đầu vào Trong ứng dụng, xét tín hiệu xung truyền qua cặp điện dung hệ thống xoay chiều Các ghép cặp điện dung tạo chuỗi xung để làm giảm thành phần chiều ký sinh Kết ta thành phần DC xác định, trình biết đến phục hồi DC Đó lý mạch gọi phục hồi DC Phục hồi chiều hữu dụng thành phần chiều giá trị trung bình tín hiệu xung yếu tố quan trọng chu kỳ Chu kỳ xung điều chế (trong xử lý tín hiệu gọi điều chế độ rộng xung) để mang thông tin Trong hệ thống vậy, việc phát giải điều chế thực đơn giảnbằng cách đưa xung nhận tới phục hồi chiều sau sử dụng mạch lọc thơng thấp RC để tách giá trị trung bình dạng sóng đầu từ xung xếp chồng Hình 3.53 Tụ điện ghim với điện trở tải R Khi tải điện trở kết nối với điốt mạch ghim, Hình 3.53 Trong đầu mặt đất, dòng điện chiều phải qua điện trở R Do thời điểm điốt khóa, hiển nhiên dịng điện từ tụ điện, lý tụ điện phóng điện làm cho điện áp đầu giảm Điều minh họa Hình 3.53 đầu vào sóng vng Trong khoảng thời gian từ t0 đến t1, điện áp đầu giảm theo hàm số mũ với số thời gian CR Tại t1 đầu vào giảm xuống Va V, đầu giảm theo Đó lý điốt mở nhiều nhanh chóng nạp điện cho tụ điện Tại thời điểm cuối khoảng t1 tới t2, điện áp đầu thường vài phần mười với điện áp âm (ví dụ -0.5V) Sau đầu vào tăng lên điện áp Va (tại t2), đầu hình vẽ, chu kỳ lại lặp lại Tại trạng thái ổn định,điện tích 46 bị mấtdo tụ điện khoảng từ t0 đến t1được phục hồi khoảng t1 đến t2 Sự cân điện tích cho phép tính tốn giá trị dịng trung bình qua điốt tiết dạng sóng đầu 3.7.3 Mạch bội áp Hình 3.54 (a) minh họa mạch điện bao gồm hai phần: Phần mạch ghim với tụ điện C1 điốt D1, mạch chỉnh lưu đỉnh với điốt D2và tụ điện C2 Hình 3.54 Mạch nhân đôi điện áp: (a) Mạch điện; (b) Dạng sóng điện áp qua điốt D1 Khi kích thích tín hiệu hình sin, biên độ Vp, tín hiệu mạch ghim Hình 3.54 (b), giả thiết điôt lý tưởng Lưu ý đỉnh dương mạch ghim 0V, đỉnh âm mạch ghim -2Vp Tương ứng với dạng sóng này, phần chỉnh lưu đỉnh cung cấp cho tụ điện C2 điện áp chiều âm với độ lớn 2Vp Do điện áp đầu gấp đôi điện áp đỉnh đầu vào, nên mạch gọi mạch nhân đôi điện áp Kỹ thuật phát triển để điện áp chiều đầu nhiều lần điện áp Vp 47 GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG DẪN NHẬP Tình 1: Dưới mơ tả hai mạch điện gồm diode, bóng đèn nguồn cấp đấu nối hình vẽ Câu hỏi: Hãy đèn sáng, đèn tắt hai mạch điện ? Trả lời: Hai hình vẽ thể rõ ứng dụng chỉnh lưu diode Ở mạch này, diode đống vai trò van chiều, điều tiết dòng điện chạy qua nhánh mạch điện Kết làm cho số đèn tắt (khơng có dịng chạy qua) số đèn sáng (có dịng chạy qua) Trạng thái đèn sáng tắt hai mạch điện thể hình vẽ đây: Ở hình bên trái, D1, D2 phân cực thuận (coi dây dẫn), D3 phân cực ngược (coi hở mạch) nên đèn LP4 khơng khép kín mạch khơng sáng Các đèn LP1, LP2, LP3 sáng Ở hình bên phải, D1, D2, D3 phân cực ngược có D4 phân cực thuận Vì vậy, có dịng chạy từ dương nguồn, qua LP3, qua LP4, qua D4 âm nguồn Các nhánh khác bị khóa diode Tình 2: Hình mơ tả hình ảnh cấp nguồn chiều ±12V sử dụng nhiều thực tế sơ đồ mạch nguyên lý bên Bộ cấp nguồn chiều ±12V Câu hỏi: 48 1) Vai trò diode sử dụng mạch nguyên lý ? 2) Giải thích nguyên lý hoạt động mạch? Trả lời: 1) Vai trò diode sử dụng mạch nguyên lý ? - D1, D2, D3, D4 hình thành nên mạch chỉnh lưu cầu - Hai diode Zener thực ổn định điện áp 12V 2) Giải thích nguyên lý hoạt động mạch? Điện áp xoay chiều có biên độ 230 V hạ áp qua biến áp 15 V Tại đầu cuộn thứ cấp biến áp ta thu điện áp xoay chiều 15 V đỉnh đỉnh Điện áp đưa vào đầu vào mạch chỉnh lưu có tụ lọc nhằm giảm độ nhấp nhơ điện áp chiều đầu Hai diode Zenner phân cực ngược làm nhiệm vụ ổn định điến áp rơi diode 12 V Ba điểm điện áp đầu cho phép ta lấy nguồn +12V, -12 V nguồn ± 12 V 49 TÓM LƯỢC CUỐI CHƯƠNG Nhằm tạo thiết bị tương tự van chiều mạch điện, ý tưởng diode lý tưởng đời Tuy nhiên, thực tế chế tạo diode bán dẫn (có cơng gần với lý tưởng) Điốt bán dẫn linh kiện điện tử bán dẫn cho phép dịng điện qua theo chiều mà không chạy ngược lại Điốt bán dẫn thường có nguyên lý cấu tạo chung khối bán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N nối với chân anode cathode Để giải thích hoạt động diode thiết bị bãn dẫn khác, học viên cần nắm nguyên lý hoạt động lớp tiếp giáp PN điều kiện bình thường, phân cực thuận, phân cực ngược Đặc tuyến làm việc diode chia làm nhiều vùng hoạt động khác Việc sử dụng diode vùng đặc tuyến tùy thuộc vào ứng dụng Khi phân tích, thiết kế mạch điện tử có sử dụng diode, tùy thuộc vào độ xác, ta cần phải đưa diode dạng mơ hình tương dương theo lý thuyết mạch như: mơ hình diode lý tưởng, mơ hình sụt áp khơng đổi, mơ hình tuyến tính đoạn, mơ hình hàm mũ, mơ hình tín hiệu nhỏ Trong thực tế, ngồi diode chỉnh lưu cịn có nhiều diode đặc biệt như: diode ổn áp (Zener), diode Schottky (SBD), diode điện dung, diode quang, diode phát quang (LED)… Diode bán dẫn ứng dụng nhiều mạch điện tử thực tế bao gồm mạch chỉnh lưu, mạch hạn chế, mạch ghim, mạch bội áp ▪ Với mạch chỉnh lưu Tùy theo chất lượng điện áp chiều đầu mà ta chọn mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điểm trung tính chỉnh lưu cầu • Tùy vào việc xem xét diode hoạt động theo mơ hình mà ta có kết sai khác chút dạng sóng đầu ra, điện áp trung bình chiều, điện áp hiệu dụng, điện áp ngược cực đại đặt lên diode • Các mạch chỉnh lưu thường mắc thêm tụ điện đầu để làm giảm độ gợn sóng điện áp tải giảm thời gian dẫn diode Giá trị tụ điện tính theo điện trở tải, chu kỳ hoạt động tín hiệu trước chỉnh lưu điện áp gợn sóng • • Với tín hiệu nhỏ, ta sử dụng chỉnh lưu nửa chu kỳ xác cách kết hợp diode với IC khuếch đại thuật toán ▪ Với mạch hạn chế: Tùy thuộc cách mắc diode mà ta có mạch hạn chế nối tiếp hạn chế song song • Tùy thuộc vào ngưỡng hạn chế mà ta có mạch hạn chế trên, hạn chế dưới, hạn chế hai phía • Tùy thuộc dạng tín hiệu mà ta phân chia làm mạch hạn chế cứng, mạch hạn chế mềm • • Khi phân tích mạch hạn chế, cần có giả định phù hợp mơ hình hoạt động Diode 50 ▪ Với mạch ghim điện áp: Mạch ghim điện áp ứng dụng nhiều việc sửa dạng xung, khôi phục thành phần chiều • ▪ Với mạch bội áp Tùy thuộc vào cách mắc, ta tạo mạch nhân đôi điện áp dương, nhân đôi điện áp âm, nhân ba điện áp • 51 CÂU HỎI ƠN TẬP Phân tích đặc tuyến dịng điện – điện áp diode lý tưởng? Thế chất bán dẫn, chất bán dẫn thuần, chất bán dẫn tạp chất loại P, N? Phân tích đặc tuyến dòng điện – điện áp diode bán dẫn? Phân tích hoạt động diode bán dẫn miền đánh thủng? Ứng dụng thực tế? Phân tích hoạt động lớp tiếp giáp PN trường hợp bình thường, phân cực thuận, phân cực ngược Cách thức phân tích mạch điện có sử dụng diode? Trình bày mơ hình tương đương diode bán dẫn? Trình bày tham số quan trọng diode chỉnh lưu? Kể tên số diode đặc biệt thường gặp ứng dụng chúng? 10 Phân tích nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ? 11 Phân tích nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điểm trung tính? 12 Phân tích nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu cầu? 13 Các tham số đánh giá chất lượng điện áp chiều đầu chỉnh lưu? 14 Phân tích nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ xác? 15 Mạch hạn chế ? Phân biệt cách loại mạch hạn chế ? 16 Phân tích nguyên lý hoạt động mạch hạn chế mắc nối tiếp, song song ? 17 Phân tích nguyên lý hoạt động mạch ghim điện áp ? 18 Phân tích nguyên lý hoạt động mạch nhân đôi điện áp âm, nhân đôi điện áp dương ? 52 BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG Bài tập 3.1 Xác định trạng thái diode mạch điện hình vẽ tìm ID VD Sử dụng mơ hình sụt áp khơng đổi cho diode Hướng dẫn giải Giả sử diode phân cực thuận Do đó, thay diode nguồn 0,7V sau: Vì dịng diode âm nên diode phải phân cực ngược giá trị thực dòng diode ID = mA Do giả định ban đầu sai Để phân tích mạch đúng, thay diode mạch hở hình đây: Điện áp VD diode là: 53 Chúng ta biết cần có 0,7V diode phân cực thuận Vì VD 0,4V, câu trả lời xác nhận diode phân cực ngược Bài tập 3.2 Tính cường độ dịng điện qua điện trở 48 Ω mạch Giả sử điốt diode bán dẫn tính tốn theo mơ hình tuyến tính đoạn với 𝑉𝐷𝑂 = 0.7𝑉, 𝑟𝐷 = 1Ω Hướng dẫn giải Điốt D1 D3 phân cực thuận điốt D2 D4 phân cực ngược Do đó, coi nhánh chứa điốt D2 D4 hở mạch Thay điốt D1 D3 mạch tương đương chúng làm cho nhánh chứa điốt D2 D4 hở mạch, có mạch điện hình Như biết điốt diode bán dẫn tính tốn theo mơ hình tuyến tính đoạn với 𝑉𝐷𝑂 = 0.7𝑉, 𝑟𝐷 = 1Ω Dòng điện chạy qua điện trở là: (10 - 0.7 - 0.7)/(48+1+1)=172 mA Bài tập 3.3 Tìm điện áp dịng qua điốt Zener mạch Độ biến thiên điện áp tải điện áp nguồn thay đổi 25%? Biết VS = 20  V , R = k, RZ = 0.1 k VZ = V 54 Hướng dẫn giải Khi điện áp nguồn VS=20 V ta có : VL − 20V VL −5V VL + + =0 5000 100 5000 VL =5.19 V V −5V 5.19V −5V IZ = L = =1.9 mA 0 100 100 Khi điện áp nguồn VS=15 V ta có : VL −15V VL −5V VL + + =0 5000 100 5000 VL =5.10 V I Z =1 mA 0 Khi điện áp nguồn VS=25 V ta có : VL -25V VL -5V VL + + =0 5000Ω 100Ω 5000Ω VL =5.28 V I Z =2.8 mA>0 Vậy thay đổi 25% VS làm thay đổi 2% VL Bài tập 3.4 Xét mạch chỉnh lưu đỉnh, điện áp hình sin đầu vào 60Hz có giá trị đỉnh Vp = 100V Với điện trở tải R =10kΩ Tìm giá trị tụ điện C để có điện áp gợn sóng đỉnh – đỉnh 2V Tính tốn khoảng thời gian điốt mở giá trị đỉnh, giá trị trung bình dịng qua điốt Hướng dẫn giải Từ phương trình Vr = Vp fCR ta thu giá trị C C= Vp Vr fR = 100  60  10  103 = 83.3 F Góc dẫn t tính theo công thức:  t = 2Vr / V p t =  / 100 = 0.2 rad 55 Do điốt dẫn khoảng (0.2 / 2 )  100 = 3.18% chu kỳ Giá trị trung bình dịng điốt: ( iDav = I L +  2V p / Vr ) Ở IL = 100/10 = 10 mA iDav = 10(1 +  100 / 2) = 324 mA Giá trị đỉnh dòng điốt ( iD max = I L + 2 2V p / Vr ) iDmax = 10(1 + 2 100 / 2) = 638 mA Bài tập 3.5 Hãy thiết kế mạch hạn chế song song có đặc tuyến truyền đạt hình đây: Hướng dẫn giải Mạch có đặc tuyến truyền đạt hình phải mạch hạn chế hai phía với nhưỡng hạn chế V ngưỡng hạn chế -3 V Giả sử sử dụng mơ hình diode phân cực thận mơ hình sụt áp khơng đổi có VD=0.6 V ta có mạch hạn chế sau: Ta sử dụng diode Zenner chế độ ổn áp để thay cho hai nguồn chiều ±2.4 V mạch sau: Bài tập 3.6 Cho mạch hạn chế song song hình đây: 56 Giả thiết sử dụng mơ hình diode lý tưởng, phân tích ngun lý hoạt động, vẽ dạng tín hiệu đầu đặc tuyến truyền đạt mạch? Sử dụng mơ hình diode sụt áp không đổi VD=0.6 V, thay mạch cách mạch sử dụng diode Zenner Hướng dẫn giải Mạch mạch hạn chế hai phía Nếu giả thiết sử dụng mơ hình diode lý tưởng, ta thấy ngưỡng hạn chế 6V (khi Diode A mở, diode B khóa), ngưỡng hạn chế -9V (Khi diode B mở, diode A khóa) Vì ta có đặc tuyến truyền đạt sau: Dạng tín hiệu đầu mạch sau: Khi sử dụng diode Zenner chế độ ổn áp để thay cho hai nguồn chiều +6 V – 9V Với giả định tính tốn di ode theo mơ hình sụt áp khơng đổi VD=0.6 V ta có mạch thay sau: 57 58