Giáo Trình Môn Dụng Cụ Linh Kiện Điện Tử

Giáo trình dụng cụ linh kiện điện tử !

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1 Mạch điện

Mạch điện: một hệ gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại trong đó xảy ra quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp Mạch điện được cấu trúc từ các thành phần riêng rẽ đủ nhỏ, thực hiện các chức năng xác định được gọi là các phần tử mạch điện Hai loại phần tử chính của mạch điện là nguồn và phụ tải

- Nguồn: các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch

VD: máy phát điện, acquy …

- Phụ tải: các thiết bị nhận năng lượng hay tín hiệu điện

VD: động cơ điện, bóng điện, bếp điện, bàn là …

Ngoài 2 thành phần chính như trên, mạch điện còn có nhiều loại phần tử khác nhau như: phần tử dùng để nối nguồn với phụ tải (VD: dây nối, dây tải điện…); phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch (VD: máy biến áp, máy biến dòng …); phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu (VD: các bộ lọc,

bộ khuếch đại…)

Trên mỗi phần tử thường có một đầu nối ra gọi là các cực để nối nó với các phần tử khác Dòng điện đi vào hoặc đi ra phần tử từ các cực Phần tử có thể có 2 cực (điện trở, cuộn cảm, tụ điện …), 3 cực (transistor, biến trở …) hay nhiều cực (máy biến áp, khuếch đại thuật toán …)

2 Các đại lượng cơ bản

Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dịch có hướng Cường độ dòng điện (còn gọi là dòng điện) là lượng điện tích dịch chuyển qua một bề mặt nào đó (VD: tiết diện ngang của dây dẫn …)

3 Các định luật cơ bản của mạch điện

Định luật Ohm

U: điện áp giữa 2 đầu mạch

I: dòng điện chạy trong mạch

Z: tổng trở của mạch

U = Z.I u(t) = Z.i(t)

3.2.2 Định luật Kirchhoff 2

Tổng đại số các điện áp trên các phần tử dọc theo tất cả các nhánh trong một vòng bằng 0

Σ±uk = 0 Dấu của điện áp được xác định dựa trên chiều dương của điện áp đã chọn so với chiều của vòng Chiều của vòng được chọn tuỳ ý Trong mỗi vòng nếu chiều vòng đi từ cực + sang cực – của một điện áp thì điện áp mang dấu +, còn ngược lại thì điện áp mang dấu -

Ví dụ:

UR3 + UC3 + e2 - UL2 – UR1 – e1 = 0

UR3 + UC3 - UL2 – UR1 = e1 – e2

2 1 1 1

2 2 t

0

3 3

3

dt

di L dt i C

CHƯƠNG 1 ĐIỆN TRỞ

1 Tổng quan điện trở (Resistor)

Đặc tính điện và cấu tạo

R

Các tham số cơ bản của R

Là sai số của giá trị thực so với giá trị danh định

Thí dụ: R= 10KΩ có dung sai ± 10 0 Giá trị thực của R∈[9KΩ ;11KΩ]

- Tùy theo công dụng mà người ta chia thành các cấp chính xác như sau:

- Công suất của R: 2 V2

- Công suất chịu đựng tối đa Pmax tùy thuộc vào:

• Kích thước điện trở (kích thước càng lớn -> công suất càng lớn)

• Kỹ thuật giải nhiệt

• Tuỳ thuộc vào nhiệt độ: TA (nhiệt độ môi trường) và TC (case: nhiệt độ vỏ điện trở)

Thí dụ: Đường cong giảm công suất

Để làm giảm ảnh hưởng của điện trở vào nhiệt độ người ta có thể quấn lá nhôm quanh

R để tản nhiệt

- Nếu biết Pmax ta có thể tìm Vmax: điện áp chịu đựng cực đại

Vmax= Pmax.R (Với áp DC)

Bảng qui ước về màu sắc của R:

Ví dụ: Đỏ - Xám – Nâu: 28.101=> Giá trị của điện trở: 28Ω

Nâu – Đen – Đỏ - Bạc: 10.102 ± 10% => Giá trị điện trở: 1KΩ , sai số 10%

Đỏ - Cam – Tím – Đen – Nâu: 237.100 ± 1%=> Giá trị điện trở: 273Ω , sai số 1%

2 Công thức tính điện trở:

2.1 Theo vật liệu chế tạo

- Nếu là điện trở của cuộn dây: Trị số điện trở của cuộn dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu, tỷ lệ thuận với chiều dài và tỷ lệ nghịch với tiết diện dây

R l

S

ρ

= ρ: điện trở xuất Ωm2 /m

l : chiều dài dây dẫn [m]

S : tiết diện dây [m2]

Thí dụ: Tìm điện trở của 1 dây dẫn dài 6.5m, đường kính dây 0.6mm, có ρ =430n mΩ Dựa vào công thức ta tìm được R= 9.88 Ω

2.2 Theo lý thuyết mạch:

Định luật Ohm:

( )

U R I

Khi có dòng điện chạy qua 1 vật dẫn điện thì ở hai đầu dây sẽ phát sinh 1 điện áp U tỷ

lệ với dòng điện I

2.3 Theo năng lượng:

Khi có dòng điện qua R trong 1 thời gian t thì R bị nóng lên, ta nói R đã tiêu thụ 1 năng lượng: W = U.I.t

→W =R I t 2 J hoặc W.s

Ta thấy rằng t càng lớn thì điện năng tiêu thụ càng lớn

3 Phân loại điện trở

3.1 Theo vật liệu điện trở:

• Than graphite: bột, màng, chất cách điện…

• Hợp kim: dây điện trở…

• Oxide kim loại

• Cermit (Ceramic metal): kim loại gốm

• Màng kim loại

3.2 Theo cấu tạo:

Cấu tạo thông thường của điện trở như sau:

3.2.1 Điện trở than ép (nén) RTN:

Đây là loại điện trở được sử dụng nhiều nhất trong các mạch điện tử

- Nó được chế tạo bằng cách trộn bột than chì và keo cách điện theo 1 tỷ lệ nhất định để cho các trị số khác nhau Sau đó được nung nóng, ép lại thành từng thỏi khối hình trụ tròn, hai đầu có dây dẫn ra để hàn nối Ngoài cùng người ta sơn các vòng màu khác nhau để phân biệt trị số của điện trở

- Đặc điểm của loại điện trở này là dễ chế tạo -> rẽ tiền -> thông dụng

Tuy nhiên nó có dung sai khá lớn (khoảng ± 20%) Nhiệt độ làm việc dưới 1000C Công suất 1/4W -> 4W

3.2.2 Điện trở dây quấn RD:

- Loại này được làm bằng hợp kim NiCr (hệ số nhiệt nhỏ) quấn trên lõi cách điện bằng Amiăng, đất nung, sành sứ… Bên ngoài được phủ một lớp nhựa cứng và một lớp sơn cách điện

- Đặc điểm của điện trở dây quấn là loại điện trở cần trị số nhỏ hay cần dòng chịu đựng cao: trị số 0,1 Ω → 10 Ω sai số nhỏ (± 5%) có thể đạt tới ± 0.1% → chịu được công suất lớn (vài W -> vài chục W) nên được gọi là điện trở công suất Nhiệt độ tối đa sử dụng khoảng 1250C

3.2.3 Các loại điện trở khác

Điện trở than màng mỏng kim loại: Dùng chất Ni – Ca có trị số ổn định hơn điện

trở than, giá thành cao Công suất thường là 1/2W.(RKM)

Điện trở oxide kim loại: dùng chất oxide thiếc chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm

cao Công suất thường là 1/2W.(ROKM)

Điện trở màng vi điện tử.(RMV)

Điện trở dán bề mặt (Surface mount resistor).(RBM)

………

3.3 Phân loại theo công dụng

3.3.1 Biến trở: (Variable resistor)

Biến trở là điện trở có thể thay đổi được Biến trở có thể ở dạng kiểm soát dòng

hay dạng chiết áp

Biến trở dạng kiểm soát dòng công suất lớn dùng loại dây quấn Ít gặp trong các

mạch điện tử Chúng có ký hiệu như hình vẽ

Biến trở thường dùng hơn là biến trở than hay còn được gọi là chiết áp Chiết áp là

loại điện trở được sử dụng khi thường xuyên cần thay đổi trị số Có ký hiệu như hình

vẽ

Phần tử chính của biến trở là một con chạy trượt tiếp xúc với bề mặt của điện trở

Kế cấu con chạy có thể theo kiểu xoay (biến trở xoay) hoặc theo kiểu trượt (biến trở

trượt)

Cấu tạo của biến trở: Người ta tráng một lớp than mỏng lên hình vành cung bằng

bakelit, 2 đầu lớp than là hai cực A, B của biến trở Ở giữa có một con chạy bằng kim

loại tiếp xúc lớp than, con chạy xem như là cực thứ 3 của biến trở Trục xoay được

gắn liền với con chạy Khi trục xoay (chỉnh biến trở) -> con chạy di động trên lớp

than làm cho trị số của biến trở thay đổi

Vậy: Khi ta chỉnh biến trở bằng tay, trị số điện trở giữa AC và BC thay đổi, nhưng

trị số của AB không đổi do nó là trị số của điện trở.

- Ngoài ra cũng có loại biến trở kép (cùng một trục điều khiển con chạy)

- Thường biến trở được chế tạo từ 5 Ω →5MΩ, công suất tối đa 2W

- Lưu ý: ngoài các đặc tính tương tự như điện trở cố định, chiết áp còn có thông số

cơ bản nhất là luật điện trở Luật điện trở cho biết trị của điện trở thay đổi thế nào khi ta xoay con chạy của chiết áp

• Nếu quan hệ trong góc quay chiết áp và trị số thay đổi tuyến tính thì loại này gọi là chiết áp tuyến tính Ứng dụng để điều chỉnh âm lượng…

• Nếu quan hệ giữa góc quay chiết áp và trị số có luật thay đổi không tuyến tính (loại loga) dùng để điều chỉnh âm lượng để đạt sự thay đổi từ từ, không bị chói tai như dùng chiết áp loại tuyến tính

- Cách đo điện trở: Dùng ở chế độ đo nguội, đồng hồ ở vị trị đo Ohm Chập 2 que

đo, chỉnh về zero bằng nút Adjust Chập 2 que đo vào 2 chân ngoài ( 1 và 3) đo trị

số cố định Dùng 1 trong 2 chân đặt vào chân giữa (chân nối với trục xoay) từ từ xoay trục của biến trở theo chiều kim đồng hồ và ngược lại Nếu:

• Kim VOM lên xuống 1 cách đều đặn -> biến trở tốt

• Kim VOM không thay đổi -> biến trở hư

• Trong quá trình xoay có vài vị trí kim bị chựng lại hay nhảy vọt: biến trở mòn, dơ -> tiếp xúc xấu

β − 

 

=

T1, T2 (0K)

β: phụ thuộc vật liệu chế tạo

Có hai loại nhiệt trở:

Nhiệt trở dương PTC (positive Temperature Coefficient): còn được gọi là nhiệt trở

có hệ số nhiệt dương Tính chất của PTC là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại

Góc quay Tuyến tính

Loga

Điện trở

t0 PTC

Th

Có rất nhiều dạng như: hình đĩa, hình hạt đậu hay hình trụ có đầu hơi nhọn…

- Ứng dụng: nhiệt trở PTC thường được dùng để bảo vệ mạch khỏi bị quá dòng (ổn định dòng), ổn định điều kiện làm việc trong các mạch khuếch đại (đặc biệt là các mạch khuếch đại công suất) Nếu vì lý do nào đó dòng điện trong mạch tăng lên, PTC có nhiệt độ tăng -> R tăng -> I giảm xuống

- Đặc tuyến:

Nhiệt trở âm NTC (Negative temperature coefficient): NTC còn được gọi là nhiệt

độ có hệ số nhiệt âm Tính chất của NTC là: điện trở giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại Nhiệt trở NTC được chế tạo từ các hợp chất như: mangan – đồng…

- Đặc tuyến:

- Ứng dụng: nhiệt trở âm được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điện tử Nó thường dùng để điều chỉnh nhiệt độ, trung hoà các thành phần khác không của mạch điện làm việc ở các khoảng t0 khá rộng ( ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại công suất)

Ngoài ra nhiệt trở còn có chức năng đặc biệt như: đo năng lượng phóng xạ, năng lượng áng sáng mặt trời, năng lượng các tia đặc biệt …-> nó đóng vai trò một chỉ báo trong thiết bị

• Cách đo thử điện trở:

Đo Ohm của điện trở, sau đó làm nóng nhiệt trở:

Loại NTC: trị số của điện trở sẽ giảm

Loại PTC: trị số của điện trở sẽ tăng

3.3.3 Điện trở tùy áp VDR: (Volt Dependent resistor hay Varistor)

Vật liệu cấu tạo: SiC (Silicon – Carbon)

VDR là loại điện trở có trị số phụ thuộc và điện áp đạt vào nó:

• Khi điện áp đạt vào dưới trị số qui định thì VDR có trị số điện trở rất lớn (R→ ∞) coi như hở mạch

• Khi điện áp tăng lên quá cao thì VDR có trị số giảm xuống còn rất thấp (R→ 0) xem như ngắn mạch

3.3.4 Điện trở cầu chì: (Fusistor)

Điện trở cầu chì thường được mắc ở các đường mạch nguồn Khi dòng qua R lớn, dòng sẽ làm đứt điện trở này, mạch sẽ cắt được dòng Nhờ đó mạch bị cắt nguồn và được bảo vệ khi có sự cố (điện thế tăng hay cắm lộn điện) Fusistor thường có trị số nhỏ (khoảng vài Ω)

Tiếp điểm di chuyển được (con trượt)

- Chỉnh sai số (offset) trong mạch tế bào quang

Thiết bị đo - Cân chỉnh Volt kế số

- Chỉnh trigger, định thì và các mạch khác trong các máy phát tín hiệu vá các dao động ký

- Loại trimmer 1 vòng hay nhiều vòng? Loại nhiều vòng chính xác hơn

- So sánh trimmer loại cermit và dây quấn: phần tử điện trở của trimmer có thể được tạo từ một số vật liệu Có 2 loại vật liệu thông dụng nhất là cermit và đồng; tương ứng là trimmer cermit và trimmer dây quấn

Tùy theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn lựa loại trimmer nào Bảng sau cho ta thấy so sánh giữa 2 loại trimmer (chỗ nào có đánh x chỉ tốt hơn)

4 Ứng dụng chung của điện trở

- Trong sinh hoạt, điện trở được dùng để chế tạo các dụng cụ điện như: bàn ủi, bếp điện, bóng đèn, nồi cơm điện…

- Trong công nghiệp, điện trở dùng để chế tạo các thiết bị sấy, sưởi, giới hạn dòng khởi động của các động cơ

- Trong lĩnh vực điện tử, điện trở dùng để giới hạn dòng điện hay tạo sự giảm thế

CHƯƠNG 2 TỤ ĐIỆN

1 Tổng quan:

Cấu tạo của tụ điện:

Về cơ bản tụ điện gồm hai bản cực kim loại đối diện nhau và phân cách ở giữa chất cách điện mà còn được gọi là chất điện môi (dielectric)

Chất điện môi có thể là không khí, chất khí, giấy (tẩm), màng hữu cơ, mica, thủy tinh hoặc gốm, mỗi loại có hằng số điện môi khác nhau, khoảng nhiệt độ và độ dày khác nhau

Kí hiệu: C – Đơn vị Farah (F)

Điện tích giữa hai bản tụ được xác định:

q(t) = Cu(t)

Khái niệm chung

 Trị số điện dung C: khả năng chứa điện của tụ điện được gọi là điện dung (C)

 Đơn vị của C: Fara (F), F lớn nên trong thực tế thường dùng đơn vị nhỏ hơn µF,

nF, pF 1F = 106µF = 109nF= 1012pF

- Theo quan điểm vật liệu: Điện dung C (Capacitor hay Condenser) của tụ điện tùy thuộc vào cấu tạo và được tính bởi công thức:

S C d

D: khoảng cách giữa hai bản cực {m}

ε : là hằng số điện môi và ε =ε εr. 0(εr là hằng số điện môi tương đối; ε0 là hằng

số điện môi không khí, 12

= hay Q = C.U Với: Q: điện tích có đơn vị là C (colomb)

C: điện dung có đơn vị là F (Fara), µF , nF, pF

U: sụt áp ở hai bản cực có đơn vị là V (volt)

- Theo quan điểm năng lượng: tụ là kho chứa điện và lượng điện năng chứa trong tụ được xác định:

Năng lượng tĩnh điện J tính theo Ws (Wast giây) hoặc J (Joule) được cho bởi

Sau đây là các giá trị hằng số điện môi của một số chất cách điện thông dụng để làm

 Độ chính xác: Biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế của điện dung so với trị

danh định của nó, có kí hiệu như sau: G= ± 2%,I J, = ± 5%,K = ± 10%,M = ± 20%

Đối với các tụ không ghi giá trị sai số thì mặc định là ± 10%

 Điện áp làm việc WV (Working Volt): Là điện áp mà tụ có thể chịu được khi làm

việc lâu dài WV có các cấp như sau: 16V, 25V, 35V, 50V, 63V, 85V, 100V, 160V, 200V, 400V…

Nếu tụ không ghi giá trị WV thì mặc định là 50V

Lưu ý: khi sử dụng không nên để tụ vượt quá giới hạn này, nếu không thì chất điện môi của tụ có thể bị đánh thủng Thường chọn WV > 2Vc

 Mạch tương đương của tụ điện:

Ngoài tụ điện ra thì thực tế nó còn có điện trở và điện cảm như trong mạch tương đương sau:

Rs: điện trở nối tiếp

Rp: điện trở song song

 Điện trở tương đương nối tiếp (ESR)

ESR: là điện trở AC của tụ điện phản ánh cả điện trở nối tiếp Rs và điện trở song song Rp ở tần số cho trước để mất mát trên các phần tử này có thể được biểu diễn bằng mất mát của 1 điện trở duy nhất R trong mạch tương đương

 Mất mát điện môi tanγ :

Trong thực tế thì tụ điện có mất mát do sự phân cực hóa điện môi trong tụ điện và điện trở của các dây dẫn Quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và tgγ

100

Q

tgγ

=

 Hệ số công suất pF (Power Factor) hay thừa số công suất: định nghĩa mất mát

điện trong tụ khi làm việc với điện áp AC Trong tụ điện lý tưởng thì dòng điện sớm pha hơn điện áp 900 PF được định nghĩa là tỉ số giữa điện trở tương đương nối tiếp R và tổng trở Z của tụ điện và PF thường có đơn vị là%

 Hệ số tiêu tán DF (dissipation Factor) hay thừa số tiêu tán: DF là tỉ số của điện

trở tương đương nối tiếp R với dung kháng Xc và thường có đơn vị là% DF xấp xỉ bằng PF khi PF≤ 10%

 Hệ số phẩm chất Q (Quality Factor) hay thừa số phẩm chất Q 1

DF

= Thường áp dụng cho các tụ điện trong các mạch điều hợp

 Dòng điện rĩ DC hay dòng điện rò: là dòng điện chạy qua tụ điện khi có đặt điện

áp DC vào tụ

 Điện trở cách điện (Isulation resistance): là tỷ số của điện áp đặt vào tụ điện với

dòng rĩ và thường được biểu diễn bằng MΩ

R P

C

Ký hiệu của tụ điện trong sơ đồ mạch:

Tụ ghép song song: C td =C1+C2+ áp tương đương bằng áp tụ có điện áp nhỏ nhất

Tụ ghép nối tiếp

td

C =C +C + áp tương đương bằng tổng các điện áp thành phần

Chức năng của tụ điện:

Có hai chức năng chính:

 Nạp hay xả điện: chức năng này áp dụng cho các mạch làm bằng phẳng mạch định

thì…

 Ngăn dòng điện DC: chức năng này được áp dụng vào các mạch lọc để trích ra

hay khử đi các tần số đặc biệt

Phân loại tụ điện cố định:

a Theo điện môi của tụ điện:

* Tụ điện giấy dầu cách điện

* Tụ điện màng chất dẻo (plastic) hay chất dẻo kim loại, polystyrene,…

* Tụ điện mica

* Tụ điện gốm: 1 lớp hay nhiều lớp

* Tụ điện điện giải (còn gọi là tụ điện điện phân): nhôm, chứa khí…

b Theo ứng dụng của tụ điện:

* Chính xác: mica, thủy tinh, gốm, màng polystyrene,…

* Bán chính xác: màng chất dẻo, màng chất dẻo kim loại Mylar…

* Đa dụng: gốm, tụ điện điện giải cxide nhôm, oxide tantalum…

* Vi điện tử: gốm, oxide tantalum…

* Máy phát: gốm, mica, thủy tinh, chân không, chứa khí …

Các tụ điện tiêu biểu:

Các tụ điện thương mại thường được phân loại theo điện môi Các tụ điện thông dụng nhất là tụ điện môi không khí, mica, giấy, màng chất dẻo và gốm, và kể thêm tụ điện hoá học (gọi tắt là tụ hoá) Bảng sau cho thấy các đặc tính tiêu biểu của các tụ điện thông dụng:

(Volt) Không khí Các bản đan xen kẻ 10 – 40pF 400 (khe không khí

0.02 inch)

Màng chất dẻo Cuộn lại hoặc được

kim loại hóa

1 Tụ hóa: (có cực tính) được chế tạo với bản cực nhôm và cực dương có bề mặt

hình thành lớp Oxit nhôm và lớp bột khí có tính cách điện để làm chất điện môi giá trị: 1µF → 10.000µF

2 Tụ gốm: (không cực tính) giá trị 1pF→ 1µF

3 Tụ giấy (không cực tính): Hai bản cực là các băng kim loại dài, ở giữa có lớp cách

điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống Điện áp đánh thủng đến vài trăm Volt

4 Tụ mica (không cực tính) pF -> nF Điện áp làm việc rất cao

Tụ được sơn chấm màu để chỉ giá trị điện dung

5 Tụ màng mỏng: pF→µF (không có cực tính): Chất điện môi là polyester (PE), polyetylen (PS) Điện áp làm việc rất cao

Tụ hóa

Giá trị Cmax từ 10 đến 600pF (Cmax ứng với diện tích S giữa hai bản cực có trị số từ

3 đến 10) Thường thì dung sai 1% hay 1pF

Luật thay đổi điện dung có thể thay đổi theo: tuyến tính góc quay, tuyến tính theo tần số, tuyến tính theo bước sóng

b Loại điều chuẩn (tinh chỉnh, còn gọi là trimmer)

Thường là tụ thay đổi do nhà sản xuất thiết bị chỉnh trước cho mạch hoạt động đúng Thí dụ tụ điều chuẩn để đi kèm các cuộn dây trung tần thay cao tần HF

Cách đọc trị số tụ

Loại tham số quan trọng nhất của tụ điện là trị số điện dung (kèm theo dung sai) và điện áp làm việc của nó Chúng có thể được ghi trực tiếp, ghi bằng qui ước chữ số

a Đối với tụ điện có cực (tụ DC)

Các cực được ghi bằng dấu + hoặc dấu -

Đơn vị điện dung: µF ,µFD, MFD, UF

Điện áp làm việc: VDC (volt DC) được ghi trực tiếp bằng chữ số

VD: 10µF/16 VDC, 470µF/15VDC, 5µF/6VDC

b Các loại tụ màng mỏng:

Nếu không ghi đơn vị thì qui ước đơn vị là pF

VD: 47/630 có nghĩa là 47pF, điện áp làm việc là 630V

Nếu số đầu có dấu chấm thì đơn vị là µF

VD: 473J -> 47.000pF = 0.47µF

223 M-> 22.000pF = 0.22µF

c Các trường hợp khác:

Được qui ước bằng bảng màu (thường được áp dụng cho tụ mica, tụ giấy)

Dung sai có hai màu đen: 20%, trắng 10%

V t =V −e− τ với t: thời gian tụ nạp (s), τ = RC hằng số thời gian (s)

Hệ số nhân Điện áp làm việc

Dung sai Chỉ số 1 và 2

Đặc tuyến nạp:

Nhận thấy sau thời gian t= 5τ tụ nạp điện thế Vc = 0.99 VDC xem như tụ nạp đầy Khi điện thế tụ tăng dần thì dòng điện tụ nạp lại giảm từ giá trị cực đại V DC

I R

= về 0

Tụ xả

Khi tụ nạp đầy V c ≅V DC ta chuyển K sang vị trí 2: tụ xả điện qua R -> điện thế trên

tụ giảm dần từ VDC -> 0V theo hàm mũ thời gian theo t Điện thế 2 đầu tụ xả được tính theo công thức: V t c( )=V DC.e−tτ

Sau thời gian t= 5τ thì điện thế trên tụ chỉ còn 0.01VDC xem như tụ xả hết điện Trường hợp tụ xả, dòng xả cũng giảm dần theo hàm số mũ từ trị số cực đại bắt đầu là

3 Đặc tính của tụ điện đối với AC

Điện áp nạp được trên tụ là sự tích tụ của dòng điện nạp vào tụ theo thời gian t

Đối với dòng điện xoay chiều hình sin thì trị số tức thời của dòng điện:

Như vậy, điện áp VC trên tụ cũng lá 1 trị số thay đổi theo dòng điện xoay chiều hình sin.

Dựa vào kết luận trên, ta thấy ở mạch điện xoay chiều thuần điện dung, dòng điện vượt pha trước điện áp một góc 90o

4 Phương pháp kiểm tra tụ

Các trường hợp hư hỏng của tụ:

 Tụ bị nối tắt: hai má của tụ bị chạm vào nhau

 Tụ bị rỉ: chất điện môi bị biến chất nên một phần dòng điện DC đi qua

 Tụ bị giảm trị số: chất điện môi bị mất chất lượng (rắn), khô (lỏng)

 Tụ bị đứt: do dây nối ra chân tụ bị đứt

Kiểm tra tụ cố định có trị số > 0.1µF (tụ hoá)

VOM ở thang đo R x100, hay Rx1000, đưa que đen vào đầu +, đỏ vào đầu – của tụ Nếu:

 Kim lên nhanh rồi từ từ trả về ∞: tụ tốt

 Kim lên rồi đứng yên: tụ rỉ

 Kim lên rồi dừng lại ở vị trí 0: tụ bị chấp

 Kim không lên: tụ đứt

 Kim chỉ hơi nhích lên rồi chạy về vị trí ∞ Tụ khô

Tụ có trị số càng lớn: kim lên càng nhiều, về ∞ rất chậm

Lưu ý: trước đó phải xả điện tích trong tụ bằng cách chập hai chân tụ vào nhau

Kiểm tra tụ có điện dung nhỏ (<0.5µF)

Do có trị số nhỏ, nên không thể dùng VOM để kiểm tra vì thời gian tụ nạp và xả quá nhanh Nên dùng phương pháp đo nóng như sau:

Dùng nguồn DC 12V nối với mạch như hình vẽ Dùng VOM ở thang đo VDC, chọn tầm đo thích hợp Nếu:

 Kim lên từ từ về 0: tụ tốt

 Kim lên bằng điện áp nguồn: tụ nối tắt

 Kim lên < 10V: tụ rỉ

 Kim không lên: tụ đứt

Đối với tụ có trị số thay đổi:

Dùng VOM ở trị số Rx100 hay Rx1K Dùng 2 đầu que đo đưa vào hai cực của biến

tụ, xoay Nếu:

 Kim chỉ 00 suốt quá trình xoay: tụ tốt

 Kim nhảy 1 vài vị trí: tụ bị chạm

-

V DC

C

Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi Ferit

Tùy theo lõi cuộn cảm là không khí, sắt bụi hay sắt lá mà cuộn cảm được ký hiệu như sau:

L1 là cuộn dây lõi không khí, L2 là cuộn dây lõi ferit, L3 là cuộn dây có lõi chỉnh, L4 là cuộn dây lõi thép kỹ thuật

Các tham số cơ bản của cuộn cảm:

Khi sử dụng cuộn cảm người ta quan tâm đến các số chính sau:

Hệ số phẩm chất: L

S

X Q X

Khi có 2 cuộn dây quấn chung trên một

lõi hay 2 cuộn đặt gần nhau, thì dòng điện

biến thiên ở cuộn dây này sẽ phát sinh điện

 K = 1 khi cùng quấn trên cùng một lõi

 K = 0 khi 2 cuộn xa nhau (Không ảnh hưởng từ trường lẫn nhau)

Và L: Hệ số tự cảm phụ thuộc cấu tạo cuộn dây, được tính như sau:

+ l trung bình: lõi sắt bụi

+ l cao hơn: lõi Ferit

+ l rất cao: lõi Ferit + bao bọc bằng vật liệu từ

 S: tiết diện (m2)

I

 n: số vòng

 µr: hệ số từ thẩm của điện môi

Nếu là lõi không khí ⇒µr = 1

1.2.4 Điện trở thuần của cuộn dây

Điện trở thuần của cuộn dây là điện trở mà ta có thể đo được bằng đồng hồ vạn năng, thông thường cuộn dây có phẩm chất tốt thì điện trở thuần phải tương đối nhỏ so với cảm kháng, điện trở thuần còn gọi là điện trở tổn hao vì chính điện trở này sinh ra nhiệt khi cuộn dây hoạt động

1.2.6 Năng lượng nạp vào cuộn dây:

Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra năng lượng tích trữ dưới dạng từ trường:

1 2

2

W = L I

W: năng lượng (Joule)

L : Hệ số tự cảm (H)

I : Cường độ dòng điện (A)

Phân loại cuộn cảm

1 Phân loại theo cấu tạo:

- Cuộn cảm không lõi: là loại cuộn cảm được quấn trên lõi sứ hoặc không cần lõi

Thường dùng cho sóng ngắn hay sóng cực ngắn, hoặc quấn nhiều vòng, nhiều lớp dùng trong sóng trung và sóng dài

- Cuộn cảm có lõi bằng bột từ ép: nhằm làm tăng trị số điện cảm

- Cuộn cảm có lõi sắt từ: người ta dùng cuộn cảm có lõi sắt từ gồm nhiều lá thép sử

dụng ở tần số thấp

2 Phân loại theo tần số:

- Cuộn cảm âm tần: được dùng trong các mạch điện âm tần, có L từ 24 – 30H, các

vòng dây được quấn một cách đều đặn, trong các lớp có đặt giấy cách điện mỏng Lõi là lá sắt có hình dạng chữ E, I

- Cuộn cảm cao tần: được sử dụng ở tần số cao, có lõi bằng Ferit Chúng được

nghiền thành bột mịn ép thanh dạng thanh hay ống hoặc lõi

 Cuộn cảm không lõi được sử dụng trong các mạch đều hợp cao tần hoặc cuộn chặn tín hiệu cao tần

 Cuộn cảm cóp lõi Ferit được sử dụng ở mạch điều hợp, thu sóng, có L từ 2 -

300µH

Tùy theo công dụng mà cuộn cảm sẽ có tên gọi khác nhau

Ví dụ: Ở mạch cộng hưởng: cuộn cảm cộng hưởng

Ngăn dòng cao tần: cuộn chặn

Sau thời gian t=τ dòng tăng lên 63% của dòng cực đại V DC

R Sau thời gian t= 5τdòng tăng lên 99%V DC

R , xem như dòng đạt cực đại

Ngược lại với dòng điện, điện thế của cuộn dây lúc đầu là VDC, sau đó điện thế giảm dần theo hàm mũ:

Khi cuộn dây được nạp đầy điện, chuyển khóa K sang vị trí 2 thì cuộn dây xả điện Dòng

xả được tính như sau:

( ) . t

i t =I e−τ với V DC

I R

=

sau thời gian t= 5τ thì cuộn dây xả hết dòng trữ trong nó

3 Đặc tính của cuộn dây đối với dòng AC

Qua thực nghiệm, ta thấy điện thế trên cuộn dây ngược dấu với điện thế cảm ứng, nên:

và điện thế v L( )t =L Iω mcosωt=L Iω msin(ωt+ 90 0)=V msin(ωt+ 90 0)

Ta thấy : điện thế v L (t) sớm pha 90 0 so với dòng điện vào cuộn dây, cũng là trị số thay đổi theo dòng xoay chiều hình sin

Ta có: V m =ωLI m = 2πfLI m : Điện áp cực đại trên cuộn dây

4 Biến thế (transformer):

Biến thế là linh kiện dùng để tăng hoặc giảm điện thế xoay chiều, đầu ra cho 1 hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng Máy biến thế đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng

Cấu tạo:

cấu tạo bao gồm một cuộn sơ cấp ( đưa điện áp vào ) và một hay nhiều cuộn thứ cấp ( lấy điện áp ra sử dụng) cùng quấn trên một lõi từ có thể là lá thép hoặc lõi ferit, hoặc không khí

Biến thế gồm hai cuộn dây ghép hổ cảm với nhau:

 Cuộn L1 gọi là cuộn sơ cấp

 Cuộn L2 gọi là cuộn thứ cấp

hình xuyến

Công suất nguồn cung cấp: P1=V I1 1.

Công suất tiêu thụ trong cuộn thứ cấp: P2=V I2. 2

Biến áp được xem là lý tưởng khi công suất P1 thu nhận từ cuộn sơ cấp hoàn toàn chuyển sang cho cuộn thứ cấp P2, tức không có sự tổn hao năng lượng bên trong biến áp:

d Hiệu suất máy biến thế:

Do có sự tổn hao năng lượng trên các vòng dây và tiêu tán năng lượng ở lõi từ

Vì vậy công suất tiêu thụ ở cuộn thứ cấp luôn nhỏ hơn công suất nguồn cung cấp cho cuộn sơ cấp: P1 < P2

Hiệu suất của máy biến thế:

Khi biến thế có tải lớn nhất theo công suất danh định thì hiệu suất đạt được từ 80%

V R I

=

Tải bên cuộn sơ cấp: 2

2 2

V R I

CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT BÁN DẪN

Để có những hiểu biết cơ bản về chất bán dẫn, cần biết một số kiến thức về lý thuyết nguyên tử và cấu trúc của vật chất Trong chương này chúng ta sẽ học về những vật liệu bán dẫn cơ bản được sử dụng để chế tạo diode, transistor và các linh kiện bán dẫn khác

mà ta được học trong những chương tiếp theo Chúng ta sẽ có một số khái niệm quan trọng về lý thuyết lớp tiếp xúc P – N, nó cần thiết để hiểu các hoạt động của các linh kiện bán dẫn

Diode rất quan trọng trong những ứng dụng Một ứng dụng mà không thể thiếu diode là nguồn chỉnh lưu Đặc điểm cơ bản của diode là cho phép dòng điện đi qua chỉ một chiều để chuyển đổi AC  DC

Nguyên tử Silicon và Germanium (Si và Ge)

Hai loại chất bán dẫn đang được sử dụng một cách rộng rãi là Si và Ge, cả hai nguyên tử Si và Ge đều có 4 e- hóa trị, trong đó Si có 14 proton và Ge có 32 proton trong hạt nhân

Khi các nguyên tử Si kết hợp lại thành phân tử để hình thành nên chất rắn, chúng tự sắp xếp thành một cấu trúc cố định gọi là tinh thể Những nguyên tử trong mạng tinh thể liên kết với nhau bằng liên kết đồng (cộng) hóa trị, nó được tạo thành bởi sự kết hợp của các e- hóa trị của các nguyên tử

Trong hình bên dưới, ta thấy mỗi nguyên tử Si kết hợp với 4 nguyên tử Si kết cận

Để nguyên tử có thể có 8 e- ở lớp ngoài cùng thì một nguyên tử Si với 4 e- hóa trị dùng chung 1 e- với 4 nguyên tử kế cận

1 Sự dẫn trong tinh thể bán dẫn:

Những e- trong nguyên tử chỉ tồn tại trong những vùng có mức năng lượng xác định Mỗi lớp xung quanh nhân tương ứng với một mức năng lượng và được phân chia bởi những khe năng lượng, trong khe này sẽ không tồn tại e- Hình vẽ vùng năng lượng của nguyên tử Si (không kể năng lượng bên ngoài) Điều này chỉ xảy ra ở 00 K

Khe năng lượng

Không có e-

e

-Tóm lại, đối với chất bán dẫn thuần ở to phòng, số điện tử tự do trong vùng dẫn không có liên kết với hạt nhân và chuyển động tự do, bằng với số lỗ trống trong vùng hóa trị khi những e- đó nhảy vào vùng dẫn

Dòng e - và lỗ trống: đặt điện áp lên khối bán dẫn như hình vẽ

Năng lượng

Vùng 1 Vùng 2 Vùng hóa trị

V

e

-Lỗ trống

Dòng eDòng lỗ

-trống

Điện tử tự do sẽ chạy về phía cực dương của nguồn dưới tác động của điện trường

Sự chuyển động của e- tự do gọi là dòng electron Còn các lỗ trống sẽ di chuyển theo hướng ngược lại về phía cực âm của nguồn gọi là dòng lỗ trống

Chất bán dẫn, chất dẫn và chất cách điện: xét về mặt năng lượng

 Đối với chất bán dẫn thì khe năng lượng hẹp hơn so với chất cách điện

2 Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P:

Bán dẫn loại N:

Để tăng nồng độ e- trong chất bán dẫn trong chất bán dẫn thuần, người ta pha tạp chất nhóm V (hóa trị 5) vào chất bán dẫn thuần Các nguyên tử có 5 e- ở lớp ngoài cùng là: Arsenic (Ar), phosphorus (P), antimony (Sb),…

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

Năng lượng

Vùng dẫn Khe năng lượng Vùng hóa trị

Từ hình vẽ, 4 e- hóa trị của P kết hợp với 4 e- của 4 nguyên tử Si kế cận, còn lại một

e- (điện tử thứ 5) Điện tử này sẽ trở thành e- tự do vì nó không gắn với nguyên tử nào Số lượng e- tự do phụ thuộc vào nồng độ tạp chất pha vào chất bán dẫn thuần ban đầu Trong trường hợp này hạt dẫn chủ yếu là e- nên chất bán dẫn được pha tạp chất nhóm 5 gọi là chất bán dẫn loại N (negative)

Trong chất bán dẫn loại N thì e- gọi là hạt dẫn đa số Mặc dù phần lớn hạt dẫn trong chất bán dẫn loại N là e- nhưng vẫn có rất ít các lỗ trống, nên lỗ trống gọi là hạt dẫn thiểu

số

Bán dẫn loại P:

Để tăng lượng lỗ trống trong bán dẫn thuần, người ta pha vào chất bán dẫn thuần tạp chất nhóm III (hóa trị 3) Các nguyên tử này có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng như là aluminum, boron, gallium…

Từ hình vẽ, nguyên tử B kết hợp với 4 nguyên tử Si kế cận, 3 e- của nguyên tử B được dùng để tạo liên kết cộng hóa trị Vì thế nó thiếu 1 e-, nên sẽ dư ra một lỗ trống mang điện tích dương Số lượng lỗ trống tùy thuộc vào số lượng tạp chất nhóm 3 pha vào chất bán dẫn nguyên chất Trong trường hợp này hạt dẫn chính là các lỗ trống, vì thế chất bán dẫn thuần được pha tạp chất nhóm 3 gọi là chất bán dẫn loại P (Positive)

Trong chất bán dẫn loại P, lỗ trống gọi là hạt dẫn đa số, ngoài ra còn có e- tự do có nồng độ rất ít nên e- được gọi là hạt dẫn thiểu số

3.1 Vùng nghèo:

Nếu không có điện áp bên ngoài, các hạt dẫn e- bên N chuyển động vô hướng Các

e- gần mối nối khuếch tán qua bên vùng P và tái hợp với các lỗ trống tại lớp tiếp giáp Mỗi e- vượt qua mối nối và tái hợp với một lỗ trống bên vùng nghèo, nguyên tử hóa trị 5 trong vùng gần mỗi nối bên N mất một e- nên trở thành ion dương Tương tự khi e- tái hợp với lỗ trống bên P, nguyên tử hóa trị 3 gần mối nối bên P trở thành ion âm

Kết quả của quá trình tái hợp, một số ion dương và ion âm hình thành gần lớp tiếp xúc Những e- bên N phải vượt qua lực hút của ion dương và lực đẩy của các ion âm để đi qua vùng P Vì thế, khi lớp ion hình thành vùng hẹp xung quanh mối nối thì trong mối nối trở nên ít hạt dẫn e- hoặc lỗ trống và còn được gọi là vùng nghèo Khi đạt được điều kiện cân bằng, bề dày vùng nghèo sẽ không thay đổi và các e- sẽ không thể vượt qua vùng nghèo

Trong vùng nghèo tồn tại hai lớp ion trái dấu nên tạo nên một hàng rào điện thế gọi

là điện thế tiếp xúc (Vtx) Tại to phòng (25oC), điện thế tiếp xúc là 0.7V đối với Si và 0.3V đối với Ge Khi to mối nối tăng lên thì Vtx giảm xuống và ngược lại

3.2 Phân cực tiếp xúc P – N:

ở trạng thái cân bằng, không có dòng điện đi qua mối nối P – N đặc điểm của diode tiếp xúc P – N là khả năng cho dòng đi qua chỉ một chiều và ngăn không cho dòng đi qua hướng ngược lại Có hai chế độ phân cực cho diode là phân cực thuận và phân cực nghịch

 Phân cực thuận:

Thuật ngữ phân cực trong điện tử đề cập đến 1 điện áp cố định, nó thiết lập điều kiện hoạt động cho linh kiện bán dẫn Phân cực thuận là điều kiện cho phép dòng điện qua lớp tiếp xúc P – N Phân cực thuận có mạch như hình vẽ

V tx

P Vùng nghèo N

- +

Hoạt động của diode ở chế độ phân cực thuận như sau: cực âm của nguồn đẩy những e- bên N về bên P, cực dương của nguồn sẽ đẩy pỗ trống bên P về bên N Khi những hạt dẫn vượt qua hàng rào điện thế, nguồn điện áp bên ngoài cung cấp cho những

e- bên N đủ năng lượng đi qua miền nghèo và kết hợp với các lỗ trống bên P Dòng e- đi

từ NP, cực âm của nguồn cung cấp e- vào khối bán dẫn N Vì vậy dòng hạt dẫn qua khối bán dẫn N là dòng e- (hạt dẫn đa số bên N) đi qua mối nối

Một khi hạt dẫn e- vượt qua miền nghèo và tái hợp với các lỗ trống bên P, nó sẽ trở thành e- hóa trị Các e- hóa trị này di chuyển từ lỗ trống này đến lỗ trống khác hướng đến cực dương của nguồn Sự di chuyển của các e- hóa trị này làm cho các lỗ trống di chuyển theo hướng ngược lại Vì thế dòng lỗ trống qua khối bán dẫn P là dòng lỗ trống (hạt dẫn

đa số bên P) đi qua mối nối Bề dày miền nghèo trong trường hợp này bị thu hẹp

Ảnh hưởng của hàng rào điện thế trong phân cực thuận: hàng rào điện thế trong

miền nghèo đóng vai trò như là một nguồn pin có giá trị nhỏ và có cực như hình vẽ Vì vậy, điện thế bên ngoài phải lớn hơn hàng rào điện thế để diode dẫn Khi diode dẫn thuận, điện áp rơi trên hai đầu diode xấp xỉ điện áp tiếp xúc và thay đổi rất ít theo dòng điện thuận qua diode (IF )

Mô hình tương đương của diode:

Phân cực nghịch

Khi diode phân cực nghịch, miền nghèo đóng vai trò như là một bộ cách ly giữa những lớp ion mang điện tích trái dấu Tính chất này giống như là đặc tính của tụ điện Vì thế điện áp phân cực ngược càng tăng thì bề rộng miền nghèo càng tăng và điện dung càng giảm và ngược lại Mạch tương đương khi diode ở phân cực nghịch có thể xem như

là một tụ điện

Dòng điện rò ngược: khi phân cực nghịch dòng điện do các hạt dẫn đa số tạo ra

giảm nhanh về 0 Tuy nhiên, vẫn có một dòng điện rò rất bé được tạo nên bởi những hạt dẫn thiểu số Dòng điện rò này có giá trị khoảng ìA hay nA

Trong chất bán dẫn dưới tác dụng to luôn luôn tạo ra cặp điện tử – lỗ trống trong miền nghèo, dưới tác động của điện áp bên ngoài, một vài e- sẽ khuếch tán qua lớp tiếp xúc trước khi tái hợp với lỗ trống Quá trình này tạo ra dòng điện do hạt dẫn thiểu số qua khối bán dẫn Dòng điện rò phụ thuộc vào nhiệt độ mối nối và không bị ảnh hưởng bởi điện áp phân cực bên ngoài Nhiệt độ càng tăng thì dòng điện rò càng lớn

Đánh thủng ngược: nếu giá trị điện áp phân cực ngược tăng đủ lớn thì mối nối sẽ

bị đánh thủng thác lũ Hiện tượng này được giải thích như sau: giả sử một số e- bên P (hạt dẫn thiểu số) được cung cấp đủ năng lượng từ nguồn phân cực nghịch bên ngoài để vượt qua mối nối đi về cực dương của diode Trong quá trình di chuyển, nó va chạm với những nguyên tử và đủ năng lượng để đẩy với các e- hóa trị vào dãy dẫn Mỗi e- hóa trị lại va chạm với các nguyên tử sẽ đẩy hai hay nhiều e- hóa trị vào trong dãy dẫn, quá trình

cứ tiếp tục như thế nên số lượng các e- trong dãy dẫn tăng lên rất nhanh hay còn gọi là hiệu ứng thác lũ Trong trường hợp này dòng điện ngược sẽ tăng rất nhanh Hầu hết những diode không hoạt động trong chế độ đánh thủng ngược này vì có thể hư hỏng do quá công suất Tuy nhiên, diode zener hoạt động dựa trên đặc điểm đánh thủng ngược này mà ta sẽ học ở bài sau

I R , V R : điện áp nghịch và dòng điện nghịch

Phân cực nghịch