TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 1 KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Bài 2 LINH KIỆN BÁN DẪN 1 Giới thiệu Các[.]
Thí nghiệm Trang bị điện máy cơng nghiệp (ME2006) KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ Bài Bài 2: LINH KIỆN BÁN DẪN Giới thiệu - Các linh kiện bán dẫn hay phần tử bán dẫn linh kiện điện tử khai thác tính chất điện tử vật liệu bán dẫn silic, germane arsenua galli chất bán dẫn hữu - Các linh kiện bán dẫn sản xuất hai dạng linh kiện rời mạch tích hợp (IC) Trong IC có từ vài (thấp hai) đến hàng tỷ linh kiện, gia công kết nối với bán dẫn wafer Trong phạm vi thí nghiệm, nội dung khảo sát hoạt động diode, MOSFET, thực số mạch đơn giản ứng dụng linh kiện bán dẫn học Mục tiêu: • Hiểu kiểm nghiệm đặc tính hoạt động diode bán dẫn Làm quen với linh kiện bán dẫn • Quan sát đặc tính chỉnh lưu dịng điện diode bán dẫn, vận dụng kiến thức lý thuyết dịng điện bán dẫn, giải thích kết thực nghiệm • Nắm vững có khả thiết kế mạch driver điều khiển động DC MOSFET, vận dụng kiến thức lý thuyết MOSFET, giải thích ngun lý hoạt động mạch • Rèn luyện kỹ mắc mạch điện, sử dụng dụng cụ đo điện Volt kế, Ampe kế, dao động kí điện tử Thiết bị thí nghiệm 2.1 Thành phần: tất kit, kit bao gồm sau - Bảng breadboard (Hình 1) Hình - Các loại điện trở, biến trở với mức công suất khác - Diode bán dẫn Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy cơng nghiệp (ME2006) Bài - Tụ điện 10μF - Bộ nguồn 12VDC - Đồng hồ vạn VOM - Dao động ký hai kênh - Dây nối - MOSFET J306 - MOSFET K2638 - Transistor C1815 2.2 Sơ lược đặc tính thiết bị: a) Breadboard -Breadboard (Hình 2) dạng đế cắm nhiều lỗ, cho phép cắm linh kiện điện tử, IC dây nối để tạo thành mạch điện tử mà khơng cần hàn nối Vì nên sử dụng lại giúp cho việc thiết kế mạch điện tử thí nghiệm dễ dàng Về cấu tạo breadboard gồm có hai phần chính: Terminal strip: vùng gắn linh kiện Vùng có cột bên trái (A, B, C, D, E) cột bên phải (F, G, H, I, J) Trong đó, cột E cột F cách khoảng 0.3 inch (khoảng cách hai hàng chân IC) nên hai cột ưu tiên để gắn IC Với vùng này, hàng nối với hình vẽ Bus strip: vùng cung cấp nguồn cho linh kiện điện tử Một bus strip có hai cột, cột nối với hình vẽ Hình b) Diode - Khi tạo thành mối nối pn khối bán dẫn loại n khối bán dẫn p ta có diode Diode linh kiện bán dẫn cho phép dịng điện qua theo hướng định trước - Trong hình 3, trình bày cấu tạo mối nối pn, vùng p có nhiều lổ trống (hạt tải đa) có vài điện tử tử (hạt tải thiểu) sinh tác dụng nhiệt Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy cơng nghiệp (ME2006) Bài - Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự (hạt tải đa) số lỗ trống (hat tải thiểu) bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất nguyên tử có hóa trị boron Các lỗ trống hình thành có nối cộng hóa trị nguyên tử boron nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton tổng số điện tử vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa điện - Tương tự , bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất nguyên tử có hóa trị antimony Các điện tử hình thành có nối cộng hóa trị nguyên tử tạp chất với bốn nguyên tử silicon Tuy nhiên tổng số proton tổng số điện tử (bao gồm điện tử tự do) vật liệu; nên vật liệu có tính trung hịa điện Hình - Trong hình 4, trình bày hình dạng diode dùng thực tế Mục tiêu diode dùng thực mạch chỉnh lưu Vùng n mối nối pn gọi cathode, ký hiệu K Vùng n gọi anod, ký hiệu A Hình - Đặc tuyến Volt Ampere (Hình 5) đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp hai đầu diode với dòng điện qua diode V F : điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận V BIAS : điện áp phân cực cấp vào mạch diode I F : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy công nghiệp (ME2006) Bài V R : điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực nghịch I R : dòng điện qua diode lúc phân cực nghịch Hình c) MOSFET: - MOSFET viết tắt cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại oxit bán dẫn Hình mơ tả cấu tạo MOSFET kênh n hình ký hiệu loại MOSFET kênh n kênh p • N-MOSFET: hoạt động nguồn điện Gate zero, electron bên tiến hành hoạt động bị ảnh hưởng nguồn điện Input • P-MOSFET: electron bị cut-off gia tăng nguồn điện vào ngỏ Gate Hình - MOSFET có chân gọi Gate (G), Drain (D) Source (S) tương ứng với B, E C BJT Về nguyên lý bản, MOSFET kênh N, điện áp chân G lớn chân S khoảng từ 3V MOSFET bão hịa hay dẫn Khi điện trở chân D S nhỏ Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy công nghiệp (ME2006) Bài (gọi điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với khóa đóng Ngược lại, với MOSFET kênh P, điện áp chân G nhỏ điện áp chân S khoảng 3V MOSFET dẫn, điện trở dẫn nhỏ Vì tính dẫn MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dịng IB), MOSFET gọi linh kiện điều khiển điện áp, lý tưởng cho mạch số nơi mà điện áp dùng làm mức logic (ví dụ 0V mức 0, 5V mức 1) Hình - Hoạt động MOSFET chia thành ba chế độ khác tùy thuộc vào điện áp đầu cuối Với N-MOSFET ba chế độ là: • Chế độ cut-off hay sub-threshold (Chế độ ngưỡng tới hạn) • Triode hay vùng tuyến tính • Bão hịa Nội dung thí nghiệm 3.1 Thời lượng: tiết cho nhóm sinh viên 3.2 Thực hành 3.2.1 Khảo sát đặc tuyến V-A Diode - Trong phạm vi thí nghiệm, diode hình khảo sát mạch Hình Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy cơng nghiệp (ME2006) Bài - Thực mạch điện với diode D , điện trở R hình Hình a Đo điện áp R Hãy xác định diode phân cực thuận hay phân cực nghịch b Dùng định luật Ohm để tính dịng điện I qua R c Tính điện áp diode trường hợp -Thực lại mạch điện với diode D hình 10 Hình 10 d Đo điện áp R Hãy xác định diode phân cực thuận hay phân cực nghịch e Dùng định luật Ohm để tính dịng điện I qua R f Tính lại điện áp diode trường hợp 3.2.2 Mạch chỉnh lưu bán kỳ - Cho mạch điện hình 11 (a,b) bao gồm nguồn áp xoay chiều hình sin, diode điện trở tải R L tạo thành mạch chỉnh lưu bán kỳ Hình 11.a - Áp nguồn V in cấp đến ngõ vào mạch chỉnh lưu có dạng sin, V in > 0V (tương ứng bán kỳ dương) diode phân cực thuận cho dòng qua điện trở tải Dịng điện hình thành áp tải R L có dạng với áp V in Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy công nghiệp (ME2006) Bài - Khi V in < 0V (tương ứng bán kỳ âm) diode phân cực nghịch khơng cho dịng qua nên áp tải 0V Hình 11.b - Thực mạch hình 11 (a,b) Sử dụng dao động ký điện tử để hiển thị tín hiệu a Dùng đồng hồ VOM đo ghi điện áp ngõ vào b Sử dụng dao động ký để đo lại ngõ vào ngõ mạch Điều chỉnh dao động ký cách nhấn nút Measure, sau lựa chọn kênh, giá trị cần đo Ghi lại giá trị điện áp hiệu dụng trung bình ngõ vào ngõ mạch c Quan sát dạng sóng ngõ V o Biên độ xung âm hay xung dương ? d Từ quan sát dao động ký, cho biết mạch chỉnh lưu bán kỳ dương hay âm ? 3.2.3 Mạch chỉnh lưu cầu diode -Nguồn điện xoay chiều truyền phát đơn giản kinh tế nguồn điện chiều nên nguồn xoay chiều phát phân phối mạng điện thực Nhưng mạch điện tử yêu cầu có nguồn chiều Mạch chỉnh lưu sử dụng để biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn chiều Mạch chỉnh lưu bán kỳ sử dụng diode sử dụng mạch cần dòng điện thấp Phương pháp hiệu cao sử dụng nhóm diode vào mạch chỉnh lưu tồn sóng Hình 12.a -Tại bán kỳ dương áp thứ cấp biến áp hình 12.a, điện nút a b V a > V c > V n > V b , suy diode D D phân cực thuận hay diode D D dẫn, diode D D ngưng dẫn: dòng điện từ nút a thứ cấp qua diode D đến nút c, qua tải đến n, qua diode D đến nút b, quay thứ cấp Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy cơng nghiệp (ME2006) Bài Hình 12.b -Tại bán kỳ âm thứ cấp hình 12.b, điện nút a b V a < V c < V n < V b , suy diode D D phân cực nghịch diode D , D dẫn: dòng điện từ nút b thứ cấp qua diode D đến c, qua tải đến n, qua diode D đến nút a, quay thứ cấp -Thực mạch điện hình 13, biết diode sử dụng loại hình Cấp nguồn đầu vào AC cho mạch điện hoạt động Dùng dao động ký đo kênh (đầu vào, đầu ra) mạch điện Hình 13 a Quan sát dạng sóng dao động ký, điều chỉnh chế độ Measure để đo thông số sau: điện áp đỉnh-đỉnh (V pk-pk ), tần số (f in -f out ) ngõ vào V in -ngõ V o b Tính điện áp ngõ trung bình (V avg = V pp x 0.636) -Lắp thêm vào mạch (hình 13) phần tử sau: lắp điện trở R vào mạch, kiểm tra cực dương cực âm hai đầu điện trở R, sau lắp tụ C theo phân cực tụ Kết mạch điện hình 14 Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy cơng nghiệp (ME2006) Bài Hình 14 c Nêu công dụng tụ C mạch d Quan sát dạng sóng dao động ký, điều chỉnh chế độ Measure để đo thông số sau: điện áp đỉnh-đỉnh (V pk-pk ), tần số (f in -f out ) ngõ vào V in -ngõ V o e Tính điện áp ngõ trung bình (V avg = V pp x 0.636) 3.2.4 Mạch driver cầu H - Mạch cầu H gọi mạch cầu cấu tạo MOSFET hình 15 Tác dụng MOSFET mạch cầu H đóng mở dẫn dịng điện từ nguồn cấp cho tải với cơng suất nhỏ đến lớn Tìn hiệu điều khiển tín hiệu nhỏ (điện áp hay dịng điện) cho dẫn dòng điện áp lớn để cung cấp cho tải - Mạch cầu H đảo chiều dòng điện qua tải nên hay dùng mạch điều khiển động DC mạch băm xung áp a)Mosfet b) Kênh N c) Kênh P Hình 15 - MOSFET thường dùng thay BJT mạch cầu H dịng mà linh kiện bán dẫn dẫn cao, thích hợp cho mạch cơng suất lớn Do cách thức hoạt động, hình dung MOSFET kênh N tương đương BJT loại npn (Hình 15.a) MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp (Hình 15.b) Thơng thường nhà sản xuất Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT Thí nghiệm Trang bị điện máy cơng nghiệp (ME2006) Bài MOSFET thường tạo cặp MOSFET gồm linh kiện kênh N linh kiện kênh P, MOSFET có thơng số tương đồng thường dùng Một ví dụ dùng MOSFET tương đồng mạch số CMOS (Complemetary MOS) Cũng giống BJT, dùng MOSFET cho mạch cầu H, loại MOSFET thích hợp với vị trí định, MOSFET kênh N dùng cho khóa phía MOSFET kênh P dùng cho khóa phía Hình 16 - Như hình 16a, MOSFET kênh N dùng điều khiển motor DC Ban đầu MOSFET khơng kích, khơng có dịng điện mạch, điện áp chân S Khi MOSFET kích dẫn, điện trở dẫn DS nhỏ so với trở kháng motor nên điện áp chân S gần điện áp nguồn 12V Do u cầu MOSFET, để kích dẫn MOSFET điện áp kích chân G phải lớn chân S 3V, nghĩa 15V dùng vi điều khiển để kích MOSFET, khó tạo điện áp 15V Như MOSFET kênh N khơng phù hợp để làm khóa phía mạch cầu H (ít theo cách giải thích trên) MOSFET loại P thường dùng trường hợp Tuy nhiên, nhược điểm MOSFET kênh P điện trở dẫn DS lớn MOSFET loại N Vì thế, dù thiết kế tốt, MOSFET kênh P mạch cầu H dùng loại MOSFET thường bị nóng dễ hỏng MOSFET loại N, cơng suất mạch bị giảm phần Hình 16b 16c mạch cầu H sử dụng khóa L1, R1 khóa L2, R2 Giả sử khóa (L1, R2) đóng, động quay theo chiều kim đồng hồ Khi (L2, R1) đóng động quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 10 Thí nghiệm Trang bị điện máy công nghiệp (ME2006) Bài a Thực mạch hình 17: MOSFET kênh N K2638 kênh P J306 làm khóa cho mạch cầu H b Sử dụng đèn LED đầu A, B để thị chiều quay động c Sử dụng nguồn chiều DC dùng làm nguồn kích cho mạch cầu H d Phần kích cho MOSFET kênh N sau: dùng nguồn kích trực tiếp vào đường L2 hay R2 Các khóa (J306, kênh P) phải dùng thêm BJT C1815 để làm mạch kích e Khi chưa kích BJT C1815, chân G MOSFET J306 nối lên VS điện trở 1K, điện áp chân G gần VS điện áp chân S J306 nên MOSFET J306 không dẫn Quan sát trạng thái đèn LED f Khi kích đường L1 R1, BJT C1815 dẫn làm điện áp chân G J306 sụt xuống gần 0V (vì khóa C1815 đóng mạch) Khi đó, điện áp chân G nhỏ nhiều so với điện áp chân S, MOSFET J306 dẫn Do đó, kích đồng thời đường L1 R2, đèn LED sáng ? Tương ứng với chiều quay động ? g Để đảo chiều động cơ, kích đồng thời R1 L2, đèn LED sáng ? Hình 17 Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 11 Thí nghiệm Trang bị điện máy công nghiệp (ME2006) Bài Kết thí nghiệm: 4.1 Khảo sát đặc tuyến V-A diode a Điện áp R = Trong trường hợp này, diode phân cực … b Dòng điện qua R = c Điện áp diode = d Điện áp R ≈ Trong trường hợp này, diode phân cực … e Dòng điện qua R ≈ f Điện áp diode = 4.2 Mạch chỉnh lưu bán kỳ a Đo VOM, điện áp ngõ vào V in = b Đối với ngõ vào, giá trị điện áp hiệu dụng V rmsVin = Đối với ngõ vào, giá trị điện áp trung bình V avgVin = Đối với ngõ ra, giá trị điện áp hiệu dụng V rmsVout = Đối với ngõ ra, giá trị điện áp trung bình V avgVout = c Biên độ xung âm hay xung dương d Đây mạch chỉnh lưu bán kỳ 4.3 Mạch chỉnh lưu cầu diode a Trong trường hợp chưa có tụ C điện trở tải R: - Ngõ vào V in , điện áp đỉnh V pp = …………, tần số f in = …………… - Ngõ V o , điện áp đỉnh V pp = ……………, tần số f out = …………… b Điện áp ngõ trung bình V avg = ………………………………………… c Cơng dụng tụ C: d Trong trường hợp có tụ C điện trở tải R: - Ngõ vào V in , điện áp đỉnh V pp = ………… ,tần số f in = ………… - Ngõ V o , điện áp đỉnh V pp = … ……………, tần số f out = …………… e Điện áp ngõ trung bình V avg = ………….………………………………… 4.4 Mạch driver cầu H a Thực mạch driver cầu H Dùng LED hiển thị chiều dòng điện chạy qua cầu H tương ứng với chiều quay động (CW, CCW) Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 12 Thí nghiệm Trang bị điện máy công nghiệp (ME2006) Bài b Sử dụng nguồn pin kích đường L1 R2 đồng thời, MOSFET Q1 J306 MOSFET Q4 K2638 dẫn Đèn LED sáng, tương ứng với chiều quay c Để đảo chiều quay động cơ, sử dụng nguồn pin kích đường R1 L2 đồng thời, MOSFET Q2 K2638 MOSFET Q3 J306 dẫn Đèn LED sáng, tương ứng với chiều quay Tên sinh viên: Tổ: Kit số: Ngày thí nghiệm: Tài liệu tham khảo [1] Lessons in electric circuits, vol 3: semiconductors, Tony R Kuphaldt, Fifth Edition, 2004 [2] Power MOSFET, Shantanu Nakhate, 2012 [3] “Determining MOSFET Driver Needs for Motor Drive Applications”, Application Note 898, Microchip Co Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 13