THÔNG TIN TÀI LIỆU
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao việc dạy học trường nghề, tác giả tập hợp tài liệu kiến thức liên quan đến môn học Kỹ Thuật Điện – Điện tử vào thành giáo trình để thuận tiện cho giảng viên, sinh viên học tập nghiên cứu sát với kiến thức chương trình đào tạo nghành Cơ Điện Tử Tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện tốt để tác giả hoàn thành giáo trình Bình Định, ngày 30 tháng 11 năm 2017 Chủ biên NGUYỄN THÀNH TRUNG MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI GIỚI THIỆU GIÁO TRÌNH MƠN HỌC CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 1.1 MẠCH ĐIỆN, KẾT CẤU VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG 1.1.1 Định nghĩa mạch điện 1.1.2 Các yếu tố hình học mạch điện 1.1.3 Các thông số trạng thái trình lượng nhánh 1.2 MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ 1.2.1 Mơ hình mạch điện 1.2.2 Các thông số đặc trưng .8 1.3 CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ MẠCH ĐIỆN 10 1.3.1 Định luật ôm 10 1.3.2 Định luật kiêcchop 10 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN 11 1.4.1 Phương pháp dòng điện nhánh 11 1.4.2 Phương pháp dòng điện vòng 12 1.4.3 Phương pháp điện áp hai nút 15 BÀI TẬP CHƯƠNG 17 CHƯƠNG 2: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN .19 2.1 ĐỊNH NGHĨA 19 2.2 NGUYÊN LÝ TẠO RA DỊNG XOAY CHIỀU HÌNH SIN 19 2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DỊNG HÌNH SIN 20 2.4 TÍNH CHẤT CỦA DỊNG HÌNH SIN 22 2.4.1 Mạch điện xoay chiều điện trở 22 2.4.2 Mạch điện xoay chiều điện cảm .22 2.4.3 Mạch điện xoay chiều điện dung 23 2.4.4 Mạch điện xoay chiều R, L, C nối tiếp 24 2.5 CƠNG SUẤT CỦA DỊNG HÌNH SIN VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO HỆ SỐ CƠNG SUẤT 26 2.5.1 Công suất hệ số công suất 26 2.5.2 Biện pháp nâng cao hệ số công suất 27 2.6 PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 29 2.6.1 Phương pháp véctơ 29 2.6.2 Phương pháp tổng trở 31 BÀI TẬP CHƯƠNG 33 CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 34 3.1 HỆ THỐNG MẠCH ĐIỆN BA PHA .34 3.1.1 Định nghĩa 34 3.1.2 Cách tạo dòng ba pha .34 3.1.3 Biểu thức - đồ thị dòng ba pha 35 3.2 NỐI DÂY MẠCH BA PHA .35 3.2.1 Cách nối mạch pha hình 35 3.2.2 Cách nối mạch pha hình tam giác 36 3.3 CÔNG SUẤT MẠCH BA PHA .37 3.3.1 Mạch ba pha đối xứng 37 3.3.2 Mạch ba pha không đối xứng .37 3.4 GIẢI CÁC MẠCH BA PHA ĐỐI XỨNG 37 3.4.1 Phân tích mạch ba pha đối xứng 37 3.4.2 Phương pháp giải mạch ba pha đối xứng 37 BÀI TẬP CHƯƠNG 40 CHƯƠNG 4: MÁY ĐIỆN 42 4.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 42 4.1.1 Định nghĩa 42 4.1.2 Phân loại .42 4.2 MÁY BIẾN ÁP 43 4.2.1 Cấu tạo 43 4.2.2 Nguyên lý làm việc 44 4.2.3 Các chế độ làm việc 46 4.2.4 Tính tốn thơng số máy biến áp 48 4.3 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 49 4.3.1 Cấu tạo 49 4.3.2 Nguyên lý làm việc 51 4.3.3 Phương pháp mở máy điều chỉnh tốc độ động không đồng 53 4.3.4 Tính tốn thơng số động khơng đồng ba pha 56 4.4 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 58 4.4.1 Cấu tạo 58 4.4.2 Nguyên lý làm việc 59 4.4.3 Phương pháp mở máy điều chỉnh tốc độ động điện chiều 60 4.4.4 Tính tốn thông máy điện chiều 62 BÀI TẬP CHƯƠNG 63 CHƯƠNG 5: ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 65 5.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN 65 5.1.1 Khái niệm chung 65 5.1.2 Chất bán dẫn .66 5.1.3 Bán dẫn tạp chất 66 5.2 DIODE BÁN DẪN VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 67 5.2.1 Đặc điểm tiếp giáp P - N 67 5.2.2 Nguyên lý làm việc Diode bán dẫn 67 5.2.3 Các mạch ứng dụng điển hình Diode bán dẫn .68 5.3 TRANZITOR VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 71 5.3.1 Cấu tạo Tranzitor 71 5.3.2 Nguyên lý làm việc 72 5.3.3 Các dạng mạch Tranzitor 74 5.3.4 Tính tốn thơng số mạch khuếch đại tranzitor 76 5.4 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P – N 77 5.4.1 Thyristor .77 5.4.2 Triac 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Kỹ thuật điện - điện tử Mã môn học: MH10 Thời gian thực môn học: 90 (Lý thuyết: 45; Thực hành: 43; Kiểm tra: 02) Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Là mơn học kỹ thuật sở Mơn học bố trí dạy song song mơn an tồn lao động, tiếng anh chun ngành sau mơn lắp ráp mạch điên tử - Tính chất: Là mô đun sở cung cấp cho người học kiến thức, kỹ nhằm giải tập mạch điện đồng thời trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động linh kiện điện tử - Ý nghĩa: Cung cấp cho người học kiến thức kỹ thuật điện kỹ thuật điện tử làm tảng cho mô đun học đo lường điện – điện tử, lắp ráp mạch điện, lắp ráp mạch điện tử - Vai trị: Là mơn học cung cấp kiến thức sở chuyên nghành trang bị cho người học nghề Cơ điện tử Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Trình bày mạch điện mơ hình mạch điện với thơng số đặc trưng phần tử mạch; + Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc máy điện; + Trình bày phương pháp để giải toán kỹ thuật điện - Vềkỹ năng: + Giải tập mạch điện pha, ba pha; + Phân tích nguyên lý, nhiệm vụ linh kiện mạch điện tử bản; - Vềnăng lực tự chủ trách nhiệm: + Làm việc độc lập làm việc nhóm, giải cơng việc, vấn đề phức tạp điều kiện làm việc thay đổi; + Đánh giá chất lượng cơng việc sau hồn thành kết qủa thực Nội dung mô học: Thời gian (giờ) Số Tên chương, mục TT TS LT TH KT Chương1: Mạch điện phương pháp phân tích 12 06 06 mạch Chương 2: Dòng điện xoay chiều hình sin 18 09 08 01 Chương 3: Mạch điện xoay chiều ba pha 21 09 11 01 Chương 4: Máy điện 21 12 09 Chương 5: Điện tử 18 09 09 Cộng 90 45 43 02 CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH Mã chương: MH10-01 Thời gian: 12 giờ (LT: 02; TH: 05; Tự học: 05) Giới thiệu: Chương bàn đến số định lý định luật mạch điện chiều Việc áp dụng định luật, định lý giúp ta giải nhanh số toán đơn giản biến đổi mạch điện phức tạp thành mạch đơn giản hơn, tạo thuận lợi cho phân tích mạch điện chiều Giải tốt toán chiều tạo sở tốt cho việc phân tích mạch điện xoay chiều trình bày chương sau Mục tiêu: - Trình bày định luật mạch điện chiều, phép biến đổi tương đương nguyên lý xếp chồng; - Giải toán mạch điện chiều theo phương pháp dòng điện nhánh, dòng điện mạch vòng điện nút; Nội dung: 1.1 MẠCH ĐIỆN, KẾT CẤU VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG 1.1.1 Định nghĩa mạch điện Hình 1.1 cho ví dụ mạch điện Trong mạch điện thấy gồm có nguồn điện E, cơng tắc K, bóng đèn trịn Đ1, Đ2 dây dẫn liên kết nguồn điện đến bóng đèn qua cơng tắc K Để vận hành mạch điện chúng đóng cơng tắc K Dịng điện I xuất phát từ nguồn E theo dây dẫn cung cấp dịng điện I1, I2 cho bóng đèn Đ1, Đ2 Hình 1.1 Mạch điện bóng đèn trịn Như ta thấy mạch điện kết cấu gồm phần tử sau: a Nguồn điện Là thiết bị điện dùng để biến đổi dạng lượng khác sang điện cung cấp lượng cho mạch điện Các nguồn điện hay gặp thực tế: - Máy phát điện: biến đổi thành điện - Pin, ắc quy: Biến đổi lượng hoá học thành điện - Pin mặt trời: Biến đổi quang thành điện b Phụ tải điện Là thiết bị điện biến điện thành dạng lượng khác năng, quang năng, nhiệt Trên sơ đồ mạch điện hình 1.1 bóng đèn tròng phụ tải điện, chuyển đổi lượng điện thành ánh sáng Trong mạch điện chiều phụ tải điện biểu thị điện trở R c Dây dẫn Là vật dẫn kim loại dùng để nối từ nguồn đến phụ tải thường kết cấu dạng đường dây dài có lõi, nhiều lõi, có vỏ bọc khơng có vỏ bọc dùng để chuyển tải dòng điện từ nguồn điện đến phụ tải Vậy: mạch điện hệ thống gồm thiết bị điện, điện tử ghép lại dây dẫn Trong xảy trình truyền đạt, biến đổi lượng hay tín hiệu điện từ đo đại lượng dòng điện, điện áp 1.1.2 Các yếu tố hình học mạch điện - Nhánh: đoạn mạch có chứa phần tử nhiều phần tử ghép nối tiếp nhau, có dịng điện chạy thơng từ đầu đến đầu Số nhánh mạch điện ký hiệu m Hình 1.2 mơ tả nhánh mạch điện hình 1.1 Trên nhánh có chứa bóng đèn Đ1 có dịng điện I1 qua Nhánh nối hai điểm nút A B Hình 1.2 Một nhánh mạch điện - Nút: giao điểm gặp nhánh trở lên Số nút mạch điện ký hiệu n Hình 1.3 mơ tả điểm nút A mạch điện hình 1.1 Tại nút A có dịng điện I xuất phát từ nguồn E vào, hai dòng điện I1, I2 từ nút A qua hai nhánh chứa hai bóng đèn Đ1 Đ2 Hình 1.3 Một nút mạch điện - Vòng (mạch vòng): lối xuất phát từ nút khép kín qua nhánh trở nút Một vòng mạch điện kết hợp nút nhánh mạch điện Hình 1.4 mơ tả vịng mạch điện hình 1.1 Mạch vòng kết hợp từ nhánh thứ chứa bóng đèn Đ1 với nhánh thứ hai chứa bóng đèn Đ2 hai nút mạch điện A, B Hình 1.4 Một vịng mạch điện - Vịng độc lập: Trong số mạch vòng mạch điện ta chọn số lượng vòng gọi vòng độc lập Tính chất vịng độc lập vịng khơng phải tổ hợp từ vòng lại Người ta thường ký hiệu số vòng độc lập v Nếu mạch điện xác định số nút n, số nhánh m số vịng độc lập tính theo biểu thức: v=m-n+1 Một mạch điện thực tế mơ hình hố thành mạch điện ngun lý với phần tử tổ hợp cho sát với nguyên lý làm việc thiết bị thật Do phân tích mạch điện thực tế ta tiến hành mạch điện mơ hình hố Bước để phân tích mạch điện cần phải xác định số nút, số nhánh số vịng mạch điện Ví dụ 1: Cho mạch điện hình Hãy cho biết mạch điện có nhánh, nút, vòng vòng độc lập? Giải Mạch điện gồm: - Có nhánh: Nhánh 1: gồm phần tử R1 mắc nối tiếp với nguồn E1, nhánh 2: gồm phần tử R2 mắc nối tiếp nguồn E2, nhánh 3: gồm phần tử R3 Vậy m = - Có nút: A B Vậy n = - Có vịng: Vịng 1: nhánh 1, nhánh nút A, nút B Vòng 2: nhánh 2, nhánh 3, nút A, nút B Vòng 3: nhánh 1, nhánh2, nút A, nút B - Số vòng độc lập: v = m - n + = - + = 1.1.3 Các thông số trạng thái q trình lượng nhánh a Dịng điện - Dịng điện: dịng điện tích chuyển dời có hướng tác dụng điện trường - Qui ước: chiều dòng điện hướng từ cực dương cực âm nguồn từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp - Cường độ dịng điện: đại lượng đặc trưng cho độ lớn dịng điện Cường độ dịng điện tính lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng vật dẫn đơn vị thời gian Đơn vị dòng điện ampe (A) - Bản chất dòng điện mơi trường : + Trong kim loại: lớp ngồi ngun tử kim loại có electron, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ bật thành electron tự Dưới tác dụng điện trường electron tự chuyển động có hướng tạo thành dịng điện + Trong dung dịch: chất hoà tan nước phân ly thành ion dương tự ion âm tự Dưới tác dụng điện trường ion tự chuyển động có hướng tạo nên dịng điện + Trong chất khí: có tác nhân bên (bức xạ lửa, nhiệt…) tác động, phần tử chất khí bị ion hố tạo thành ion tự Dưới tác dụng điện trường chúng chuyển động tạo thành dòng điện b Điện áp - Điện áp đại lượng đặc trưng cho khả tích lũy lượng dịng điện Trong mạch điện, điểm có điện xác định φ Hiệu điện hai điểm gọi điện áp ký hiệu U Ta có: UAB = φA - φB Trong đó: φA: điện điểm A φB: điện điểm B UAB: điện áp hay hiệu điện A B - Qui ước: Chiều điện áp chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp Đơn vị điện áp vơn (V) Hình 1.5 Điện áp dịng điện điện trở c Cơng suất Công suất P đại lượng đặc trưng cho khả thu phát lượng điện trường dịng điện Cơng suất định nghĩa tích số dòng điện điện áp: P = U.I - Nếu dịng điện điện áp chiều dịng điện sinh cơng dương P > (phần tử phát lượng) - Nếu dòng điện điện áp ngược chiều dịng điện sinh cơng âm P < (phần tử thu lượng) - Đơn vị cơng suất watt (W, kW, MW) 1.2 MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THƠNG SỐ 1.2.1 Mơ hình mạch điện - Các mạch điện thực tế thường có kích thước lớn, phức tạp nên khơng thể trực tiếp phân tích, tính tốn đại lượng điện trực tiếp mạch điện - Dùng ký hiệu điện để biểu thị thành phần tử mạch điện nguồn điện, điện trở, dây dẫn… kết nối chúng lại với tạo thành mạch điện Cách làm gọi mơ hình hóa mạch điện - Việc phân tích mạch điện thực tế tiến hành mạch điện mơ hình - Ở mạch điện mơ hình ta dễ dàng thực phương phân tích mạch, phép biến đổi tương đương, sơ đồ thay thế… để giải mạch điện 1.2.2 Các thông số đặc trưng a Điện trở R Điện trở đặc trưng cho tượng tiêu tán lượng, ký hiệu R, có đơn vị Ω (Ohm) Hình 1.6 Ký hiệu điện trở mạch điện b Điện dẫn Ký hiệu G, đơn vị S (Siemens) có biểu thức: c Nguồn độc lập Ý nghĩa nguồn “độc lập” giá trị nguồn không phụ thuộc vào phần tử mạch - Nguồn áp chiều Nguồn áp chiều có ký hiệu E đơn vị: Volt (V) Ký hiệu nguồn áp chiều hình 1.7 72 - Trạng thái phân cực ngược pha tạp chất với tỉ lệ cao nên điện áp nghịch VRmax có trị số thấp diode nắn điện gọi điện áp zener Vz , ví dụ 5V, 6V, 8V, 9V, 12V, 15V Khi phân cực ngược đến trị số Vz dịng điện tăng mà điện áp khơng tăng Hình 5.13 Đặc tuyến diode Zener Người ta thường ứng dụng diode Zener mạch điện ổn áp hình 5.14 Hình 5.14 Mạch điện ổn áp dùng Zener Nếu VDC VZ VDC thay đổi điện áp DZ không thay đổi - Sơ đồ minh họa ứng dụng DZ, nguồn VDC nguồn có điện áp thay đổi, DZ diode ổn áp, Ri trở hạn dịng - Khi nguồn VDC > VZ áp DZ luôn cố định cho dù nguồn VDC thay đổi - Khi nguồn VDC thay đổi dịng ngược qua DZ thay đổi, dịng ngược qua DZ có giá trị giới hạn khoảng 30mA - Thông thường sử dụng VDC > 1.5 ÷ lần điện áp DZ lắp điện trở hạn dòng R1 cho dòng ngược lớn qua DZ < 30mA - Diode phát quang LED (Light Emiting Diode) Hình 5.15 Ký hiệu hình dạng LED Diode phát quang gọi tắt LED (Light Emitting Diode) làm từ chất Ga As, Ga P GaGas P Loại LED phát sáng dùng làm tín hiệu báo nguồn, báo trạng thái hoạt động mạch, loại LED hồng ngoại dùng để truyền tín hiệu ghép quang… - Diode GaAs cho ánh sáng hồng ngoại mà mắt khơng nhìn thấy - Diode GaAsP cho ánh sáng khả kiến, thay đổi hàm lượng photpho cho ánh sáng khác đỏ, cam, vàng 73 - Diode Ga P pha thêm tạp chất xạ cho ánh sáng Tuỳ 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 nhau: LED đỏ Vγ = 1,6V ÷ 2V LED đỏ có Vγ = 1,6V ÷ 2V LED cam có Vγ = 2,2V ÷ 3V LED xanh có Vγ = 2,7V ÷ 3V LED vàng có Vγ = 2,4V ÷ 3,2V LED xanh da trời có Vγ = 3V ÷ 5V LED hồng ngoại có Vγ = 1,8V ÷ 5V Ngồi cịn có số loại LED tổ hợp từ loại LED đơn: - Diode thu quang (photo diode) Diode thu quang có cấu tạo giống diode thường vỏ bọc cách điện có phần kính hay thuỷ tinh suốt để nhận ánh sáng bên chiếu vào mối nối P – N Hình 5.16 Ký hiệu hình dạng, đặc tính đặc tuyến diode thu quang Mối nối P-N phân cực nghịch ánh sáng chiếu vào mạch tiếp giáp phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối dòng điện biến đổi cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào Tỷ số điện trở photo diode trường hợp chiếu sáng bị che tối - Khi bị che tối: Rnghịch = vô cực ohm; Rthuận: lớn - Khi chiếu sáng: Rnghịch = 10k- 100k; Rthuận: vài trăm ohm Diode quang sử dụng rộng rải hệ thống tự động điều khiển theo ánh sáng, báo động cháy e Xác định cực tính chất lượng diode - Đặt đồng hồ VOM thang x1Ω, đặt hai que đo vào hai đầu Diode - Đo chiều thuận que đen vào Anod, que đỏ vào Catod => kim lên, đảo chiều đo kim không lên => Diode tốt - Nếu đo hai chiều kim lên = 0Ω => Diode bị chập - Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => Diode bị đứt - Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim lên chút Diode bị rỉ 5.3 TRANZITOR VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 5.3.1 Cấu tạo Tranzitor - Cấu tạo Transistor linh kiện bán dẫn gồm có lớp bán dẫn tiếp giáp tạo thành hai mối nối P – N Tuỳ theo cách xếp thứ tự vùng bán dẫn người ta chế tạo hai loại transistor PNP NPN 74 Hình 5.17 Cấu tạo transitor - Cực phát E (Emitter) - Cực thu C (Collector) - Cực B (Base) Ba vùng bán dẫn nối chân gọi cực E, C, B Cực gốc B, cực phát E cực thu C Tuy chất bán dẫn kích thước nồng độ tạp chất khác nên khơng thể hốn đổi chân cho Tuỳ theo cách bố trí xen kẽ chất bán dẫn P N mà ta có loại transitor khác nhau: , loại PNP NPN nên transitor gọi transistor lưỡng nối viết tắc BJT (Bipolar Junction Transistor) - Ký hiệu Hình 5.18 Ký hiệu transitor Để phân biệt hai loại transitor NPN PNP người ta dùng ký hiệu mũi tên cực E để chị chiều dịng điện IE - Hình dáng Hình 5.19 Hình dạng thực tế transitor 5.3.2 Nguyên lý làm việc a Xét tranzitor loại NPN - Thí nghiệm 1: Hình 5.20 Sơ đồ thí nghiệm cho transitor NPN Cực E nối vào cực âm, cực C nối vào cực dương nguồn DC, cực B để hở (hình 5.20) Trường hợp điện tử vùng bán dẫn N cực E C, đo tác dụng lực tĩnh điện bị chuyển theo hướng từ cực E cực C Do cực B để hở nên điện tử từ vùng bán dẫn N cực E sang vùng bán dẫn P cực B nên khơng có tượng tái hợp điện tử lỗ trống khơng có dịng điện qua transistor - Thí nghiệm : 75 Làm giống thí nghiệm nối cực B vào điện áp dương cho: VB > VE VB < VC Trường hợp hai vùng bán dẫn P N cực B cực E giống diode (gọi diode BE) phân cực thuận nên dẫn điện, điện tử từ vùng bán dẫn N cực E sang vùng bán dẫn P cực B để tái hợp với lỗ trống Khi vùng bán dẫn P cực B nhận thêm điện tử nên có điện tích âm Hình 5.21 Sơ đồ thí nghiệm cho transitor NPN Cực B nối vào điện áp dương nguồn nên hút số điện tử vùng bán dẫn P xuống tạo thành dòng điện IB Cực C nối vào điện áp dương cao nên hút hầu hết điện tử vùng bán dẫn P sang vùng bán dẫn N cực C tạo thành dòng điện IC Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên bán dẫn N bị điện tử bị hút điện tử từ nguồn âm lên hết chỗ tạo thành dòng điện IE Chiều mũi tên transistor chiều dòng điện tử di chuyển, dòng điện qui ước chạy ngược dòng điện tử nên dòng điện IB IC từ ngồi vào transistor, dịng IE từ transistor Số lượng điện tử bị hút từ cực E chạy sang cực B cực C nên dòng điện IB IC chạy sang cực E Tacó: IE = IB + IC - Trạng thái phân cực thuận cho hai mối nối: Hình 5.22 Trnsistor NPN xem hai diode ghép ngược Về cấu tạo trnsistor NPN xem hai diode ghép ngược (hình 5.22) Transistor dẫn điện cung cấp điện áp Lúc đó, diode BE phân cực thuận diode BC phân cực ngược b Xét tranzitor loại PNP - Thí nghiệm 3: Hình 5.23 Sơ đồ thí nghiệm cho transitor PNP Đối với transistor PNP điện áp nối vào chân ngược lại với transistor NPN (hình 5.23) Hạt tải di chuyển transistor PNP điện tử xuất phát từ cực E transistor PNP hạt tải di chuyển lỗ trống xuất phát từ cực E Transistor PNP có cực E nối vào cực dương, cực C nối vào cực âm nguồn DC, cực B để hở Trường hợp lỗ trống vùng bán dẫn P cực E cực C, tác dụng lực tĩnh điện, bị di chuyển theo hướng từ cực E cực C Do cực B để hở nên lỗ trống từ vùng bán dẫn P cực E sang vùng bán dẫn N cực B nên khơng có tượng tái hợp lỗ trống điện tử khơng có dịng điện qua transistor 76 - Thí nghiệm : Nối cực B vào điện áp âm cho VBVC (hình 5.24) Hình 5.24 Sơ đồ thí nghiệm cho transitor PNP Trong trường hợp hai vùng bán dẫn P N cực E cực B giống diode (gọi diode BE) Được phân cực thuận nên dẫn điện, lỗ trống từ vùng bán dẫn P cực E sang vùng bán dẫn N cực B để tái hợp với điện tử Khi vùng bán dẫn N cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương Cực B nối vào điện áp âm nguồn nên hút số lỗ trống vào vùng bán dẫn N xuống tạo thành dòng điện IB Cực C nối vào điện áp âm cao nên hút hầu hết lỗ trống vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P cực C tạo thành dòng điện IC Cực E nối vào nguồn điện áp dương nên vùng bán dẫn P bị lỗ trống hút lỗ trống từ nguồn dương lên chổ tạo thành dòng điện IE Hai mũi tên transitor chiều lỗ trống di chuyển, dòng lỗ trống chạy ngược chiều dịng điện tử nên dịng lỗ trống có chiều chiều với dòng qui ước, dòng điện IB Ic từ transitor ra, dòng điện IE từ vào transistor Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E chạy qua cực B cực C nên dòng điện IB IC từ cực E chạy qua Tacó : IE = IB + IC - Trạng thái phân cực thuận cho hai mối nối: Hình 5.25 transistor PNP xem hai diode ghép ngược Về cấu tạo transistor PNP xem hai diode ghép ngược (hình 5.25) Diode BE phân cực thuận diode BC phân cực ngược c Công dụng Trong thực tế thiết bị khơng có Transistor chưa phải thiết bị điện tử, transistor xem linh kiện quan trọng thiết bị điện tử, loại IC thực chất mạch tích hợp nhiều transistor linh kiện nhất, mạch điện, transisor dùng để khuếch đại tín hiệu Analog, chuyển trạng thái Digital, sử dụng làm công tắc điện tử, làm dao động,… 5.3.3 Các dạng mạch Tranzitor a Mạch mắc kiểu E chung * Sơ đồ mạch Mạch mắc theo kiểu E chung có cực E đấu trực tiếp xuống mass đấu qua tụ xuống mass để thành phần xoay chiều, tín hiệu đưa vào cực B lấy cực C, mạch có sơ mạch hình 5.26 77 Hình 5.26 Mạch E chung * Đặc tính - Mạch mắc theo kiểu E chung thường phân cực cho điện áp VCE khoảng 60% ÷ 70% Vcc - Biên độ tín hiệu thu lớn biên độ tín hiệu vào nhiều lần, mạch khuếch đại điện áp - Dịng điện tín hiệu lớn dịng tín hiệu vào - Tín hiệu đầu ngược pha với tín hiệu đầu vào : điện áp tín hiệu vào tăng => dịng IBE tăng => dòng ICE tăng => sụt áp RC tăng => kết điện áp chân C giảm,và ngược lại điện áp đầu vào giảm điện áp chân C lại tăng => điện áp đầu ngược pha với tín hiệu đầu vào - Mạch mắc theo kiểu E chung ứng dụng nhiều thiết bị điện tử b Mạch mắc kiểu C chung * Sơ đồ mạch Hình 5.27 Mạch C chung Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass dương nguồn (Lưu ý: phương diện xoay chiều dương nguồn tương đương với mass), tín hiệu đưa vào cực B lấy cực E, mạch có sơ đồ hình 5.27 * Đặc tính - Tín hiệu đưa vào cực B lấy cực E - Biên độ tín hiệu biên độ tín hiệu vào: Vì mối BE ln ln có giá trị khoảng 0,6V điện áp chân B tăng áp chân C tăng nhiêu => biên độ tín hiệu biên độ tín hiệu vào - Tín hiệu pha với tín hiệu vào: Vì điện áp vào tăng => điện áp tăng, điện áp vào giảm điện áp giảm - Cường độ tín hiệu mạnh cường độ tín hiệu vào nhiều lần: Vì tín hiệu vào có biên độ tăng => dịng IBE tăng => dòng ICE tăng gấp β lần dịng IBE ICE = β.IBE Giả sử Transistor có hệ số khuyếch đại β = 50 lần dịng IBE tăng 1mA => dịng ICE tăng 50mA, dịng ICE dịng tín hiệu đầu ra, tín hiệu đầu có cường độ dịng điện mạnh nhiều lần so với tín hiệu vào - Mạch ứng dụng nhiều mạch khuếch đại đệm (Damper), trước chia tín hiệu làm nhiều nhánh, người ta thường dùng mạch Damper để khuếch đại cho tín hiệu khoẻ - Ngồi mạch ứng dụng nhiều mạch ổn áp nguồn 78 c Mạch mắc kiểu B chung * Sơ đồ mạch - Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E lấy chân C, chân B thoát mass thơng qua tụ (hình 5.28) - Mạch mắc kiểu B chung sử dụng thực tế * Đặc tính - Mạch mắc kiểu B chung khuyếch đại điện áp không khuyếch đại dịng điện - Tín hiệu điện áp ngỏ ngỏ vào đồng pha Hình 5.28 Mạch B chung 5.3.4 Tính tốn thơng số mạch khuếch đại tranzitor a Lý thuyết chung Cần lưu ý tính chất sau tính tốn mạch khuếch đại transitor: - Vai trò đường thẳng lấy điện: + Phân giải mạch Transistor + Xác định điểm tĩnh điều hành Q + Cho biết trạng thái hoạt động transistor ( tác động, bão hoà, ngưng) + Mạch khuếch đại có tuyến tính hay khơng + Thiết kế mạch khuếch theo ý định ( chọn trước điểm tĩnh Q , tính trị số linh kiện) + Độ lợi dịng điện thay đổi theo vị trí điểm tĩnh điều hành Q + Điểm tĩnh điều hành Q thay đổi vị trí theo điện phân cực transistor cịn thay đổi theo tín hiệu xoay chiều ( AC) tác động vào mạch - Phân cực BJT + Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính) Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực nghịch + Vùng bảo hòa: Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực thuận + Vùng ngưng: Mối ghép B-E phân cực nghịch b Các bước thực Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước: Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB IE ) Bước 2: Suy dòng điện ngõ từ liên hệ IC=βIB hay IC=αIE 79 Bước 3: Dùng mạch điện ngõ để tìm thơng số cịn lại (điện chân, chân BJT ) c Phân tích mạch khuếch đại dùng transitor Áp dụng bước trình bày để phân tích mạch khuếch đại dùng transitor sau: Tính giá trị VCE, IC cho mạch transistor bên Giải: 𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐵𝐸 𝑅𝐵+(β+1)𝑅𝐸 = (20−0,7) 430+(100+1).1 = 36, 35μ𝐴 𝐼𝐶 = β𝐼𝐵 = 100(36, 35) = 3, 635𝑚𝐴 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑅𝐶 − 𝐼𝐸𝑅𝐸 = 20 − 3, 635 − 3, 635 = 9, 1𝑉 5.4 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P – N 5.4.1 Thyristor a Cấu tạo, ký hiệu Thyristor gọi SCR (Silicon-controlled rectifier) cấu tạo lớp bán dẫn PNPN (có nối PN) Như tên gọi ta thấy SCR diode chỉnh lưu kiểm soát cổng silicium Các tiếp xúc kim loại tạo cực Anod A, Catot K cổng G Hình 5.29 Cấu tạo SCR Hình 5.30 Ký hiệu SCR b Nguyên lý hoạt động 80 Nếu ta mắc nguồn điện chiều VAA vào SCR hình sau dịng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G làm nối PN cực cổng G catot K dẫn phát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn nhiều Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cực âm nối với anod) dịng điện qua SCR cho dù có dịng điện kích IG Như ta hiểu SCR diode có thêm cực cổng G để SCR dẫn điện phải có dịng điện kích IG vào cực cổng Ta thấy SCR coi tương đương với hai transistor PNP NPN liên kết qua ngõ thu Khi có dịng điện nhỏ IG kích vào cực Transistor NPN T1 tức cổng G SCR Dòng điện IG tạo dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại dịng IB2 transistor PNP T2 nên tạo dòng thu IC2 lại lớn trước… Hiện tượng tiếp tục nên hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hịa Dịng bảo hịa qua hai transistor dịng anod SCR Dịng điện tùy thuộc vào VAA điện trở tải RA Cơ chế hoạt động SCR cho thấy dòng IG không cần lớn cần tồn thời gian ngắn Khi SCR dẫn điện, ta ngắt bỏ IG SCR tiếp tục dẫn điện, nghĩa ta ngắt SCR cực cổng, nhược điểm SCR so với transistor Người ta ngắt SCR cách cắt nguồn VAA giảm VAA cho dòng điện qua SCR nhỏ trị số (tùy thuộc vào SCR) gọi dịng điện trì IH (hodding current) Hình 5.31 Nguyên lý hoạt động SCR c Đặc tuyến Volt-Ampere SCR Hình 5.32 Đặc tuyến Volt-Ampere SCR Đặc tuyến trình bày biến thiên dòng điện anod IA theo điện anod-catod VAK với dịng cổng IG coi thơng số - Khi SCR phân cực nghịch (điện anod âm điện catod), có dịng điện rỉ nhỏ chạy qua SCR - Khi SCR phân cực thuận (điện anod dương điện catod), ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), VAK cịn nhỏ, có dịng điện nhỏ chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem SCR không dẫn điện), VAK đạt đến trị số (tùy thuộc vào SCR) gọi điện quay VBO điện VAK tự động sụt xuống khoảng 0,7V diode thường Dịng điện tương ứng dịng điện trì IH Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện có đặc tuyến gần giống diode thường Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dịng kích 81 IG, ta thấy điện quay nhỏ dịng kích IG lớn, điện quay VBO nhỏ d Các thông số SCR Sau thông số kỹ thuật SCR - Dịng thuận tối đa: Dịng thuận tối đa tùy thuộc vào SCR, từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere - Điện ngược tối đa: Đây trị số VBR hình SCR chế tạo với điện nghịch từ vài chục volt đến hàng ngàn volt - Dòng chốt (latching current): Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR trạng thái dẫn điện sau SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn Dòng chốt thường lớn dịng trì chút SCR cơng suất nhỏ lớn dịng trì nhiều SCR có cơng suất lớn - Dịng cổng tối thiểu (Minimun gate current): Tùy theo SCR, dòng cổng tối thiểu từ 1mA đến vài chục mA Nói chung, SCR có cơng suất lớn cần dịng kích lớn Tuy nhiên, nên ý dịng cổng khơng lớn, làm hỏng nối cổng-catod SCR - Thời gian mở (turn – on time): Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường 0,9 lần dòng định mức) Thời gian mở khoảng vài μS Như vậy, thời gian diện xung kích phải lâu thời gian mở - Thời gian tắt (turn – off time): Thời gian tắt SCR thời gian từ lúc điện VAK xuống đến lúc 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 thế: Ta làm SCR dẫn điện cách tăng nhanh chóng điện anod vượt tốc độ giới hạn cho nhà sản xuất - Tốc độ tăng dòng thuận tối đa: Đây trị số tối đa tốc độ tăng dịng anod Trên trị số SCR bị hư e Ứng dụng * Mạch điều khiển tốc độ động Trong mạch điều khiển hình động M động vạn - loại động dùng điện AC hay DC Hình 5.33 Mạch điều khiển tốc độ động Dòng điện qua động dòng điện bán kỳ dương thay đổi trị số cách thay đổi góc kích dồng IG Khi SCR chưa dẫn chưa có dịng điện qua động cơ, Diode D nắn điện bán kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 biến trở VR điện áp cấp cho cực G lấy tụ C qua cầu phân áp R2 – R3 Giả sử điện áp đủ để kích cho cực G VG = 1V dòng điện kích IGmin = 1mA điện áp tụ C phải khoảng 10V Tụ C nạp điện qua R1 qua VR với số thời gian là: τ = C (R1 + R2) 82 Khi thay đổi trị số VR làm thay đổi thời gian nạp tụ tức thay đổi thời điểm có dịng xung kích IG làm thay đổi thời điểm dẫn điện SCR tức thay đổi dòng điện qua động làm cho tốc độ động bị thay đổi Khi dịng AC có bán kỳ âm Diode D SCR bị phân cực nghịch nên Diode ngưng dẫn SCR chuyển sang trạng thái ngưng * Mạch báo động Hình 5.34 Mạch báo động Xét mạch thí nghiệm trên: - Nếu SCR dùng với nguồn chiều ứng dụng mạch báo động nhiệt, áp suất, theo ánh sáng hay báo trộm kẻ trộm mở cửa hay cửa tủ - Nếu nút P nút ấn tay để ấn khẩn cấp, công tắc K công tắc tự động loại Thermostat để bảo vệ nhiệt hay Pressostat để báo áp suất S cơng tắc tí hon đặt cửa nhà, cửa tủ,… - Khi tiếp điểm đóng lại SCR kích dẫn điện trì trạng thái dẫn để cấp điện đèn báo hiệu còi hú để báo động * Mạch đèn khẩn cấp điện Hình 5.35 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, ắc qui nạp qua D1, R1 Khi điện, nguồn điện ắc qui làm thông SCR thắp sáng đèn * Mạch nạp accu tự động Hình 5.36 Mạch nạp accu tự động - Khi ắc qui nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi ắc qui nạp đầy, điện cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ ắc qui - VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp) 5.4.2 Triac a Cấu tạo, ký hiệu 83 Về cấu tạo Triac (Triod AC Semiconductor Switch) gồm lớp bán dẫn P –N ghép nối tiếp hình 5.37 nối ba chân, hai chân đầu cuối T1 – T2 chân cực cửa G Triac xem hai SCR ghép song song ngược chiều cho có chung cực cửa G Triac có ký hiệu hình 5.38 coi hai SCR ghép song song ngược chiều Hình 5.37 Cấu tạo Triac Hình 5.38 Ký hiệu Triac b Nguyên lý hoạt động Theo cấu tạo Triac xem hai SCR ghép song song ngược chiều nên khảo sát đặc tính Triac người ta khảo sát thí nghiệm hai SCR + Khi cực T2 có điện dương cực G kích xung dương Triac dẫn điện theo chiều từ T2 qua T1 (hình 5.39a) a) b) Hình 5.39 Nguyên lý hoạt động Triac + Khi T2 có điện âm cực G kích xung âm Triac dẫn điện theo chiều từ T1 qua T2 (hình 5.39b) + Khi Triac dùng mạch điện xoay chiều cơng nghiệp nguồn có bán kỳ dương, cực G cần kích xung dương, nguồn có bán kỳ âm, cực G cần kích xung âm Triac cho dòng điện qua hai chiều dẫn điện điện hai cực T1 – T2 nhỏ nên coi công tắc bán dẫn dùng mạch điện xoay chiều (hình 5.40) Hình 5.40 Triac hoạt động nguồn xoay chiều 84 c Đặc tính: 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 đầu T2 âm T1 ta kích dịng cổng âm Triac có đặc tính Volt Ampere gồm hai phần đối xứng qua điểm 0, hai phần giống đặc tuyến hai SCR mắc ngược chiều Hình 5.41 Đường đặc tính Triac d Các cách kích Triac: Theo nguyên lý vận chuyển Triac Triac cần kích xung dương T2 có điện dương cần kích xung âm cực T2 có điện âm Thực Triac kích bốn cách hình 5.52 cách thứ thứ hai gọi cách kích thuận theo ngun lý cần dịng điện kích trị số nhỏ so với cách thứ ba thứ tư Hình 5.42 Các cách kích Triac e Ứng dụng Hình 5.43a sơ đồ nguyên tắc mạch điều khiển Triac thay đổi dòng điện cung cấp cho tải Mạch dịch có tác dụng thay đổi thời điểm cho xung kích cho cực G Triac sớm hay trễ, mạch phát xung thường mạch dao động tích tạo xung nảy Diac để khống chế điện kích cho cực G a) b) Hình 5.43 Mạch điện ứng dụng Triac Hình 5.43b mạch điều khiển Triac đơn gian dùng cho loại tải có cơng suất nhỏ Ở bán kỳ nguồn điện xoay chiều cực G Triac điều kích 85 điện thích hợp theo cách kích thuận nên Triac dẫn điện liên tục hai bán kỳ công tắc S vị trí ON Khi cơng tắc S vị trí Auto tuỳ thuộc vào trạng thái tiếp điểm K, tiếp điểm K tiếp điểm điều nhiệt tự động (Thermosmat) hay điều áp tự động (Pressostat) hay loại công tắc giới hạn (thường gọi Micro Switch) 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Đình Bảo (2012), Điện tử bản, NXB khoa học kỹ thuật; [2] Khoa Điện (2014), Kỹ thuật điện – Điện tử, lưu hành nội bộ; [3] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2016), Nguyên lý hoạt động máy điện; NXB Xây dựng [4] Trần Văn Chính (2016), Máy điện lý thuyết tập; NXB Xây dựng;
Ngày đăng: 28/06/2023, 21:11
Xem thêm: