Môn học vật liệu linh kiện là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật và công nghệ. Nó tập trung vào việc nghiên cứu và hiểu về các vật liệu được sử dụng trong sản xuất linh kiện, từ công nghệ cơ bản đến ứng dụng thực tế. Môn học này bao gồm sự tìm hiểu về các loại vật liệu linh kiện chính, bao gồm kim loại, gốm, nhựa và composite. Sinh viên sẽ được giới thiệu với các thuộc tính cơ bản của từng loại vật liệu, bao gồm độ cứng, độ bền, khả năng chịu nhiệt, độ dẻo, dẫn điện và dẫn nhiệt.
Chương Linh kiện thụ động 1.1 Điện trở Error! Bookmark not defined 1.1.1 Khái quát Error! Bookmark not defined 1.1.2 Phân loại điện trở Error! Bookmark not defined 1.1.2.1 Phân loại theo cấu tạo Error! Bookmark not defined 1.1.2.1 Phân loại theo công suất Error! Bookmark not defined 1.1.3 Cách đọc trị số điện trở Error! Bookmark not defined 1.1.3.1 Biểu thị số chữ Error! Bookmark not defined 1.1.3.2 Biểu thị trị số điện trở vòng màu .Error! Bookmark not defined 1.1.4 Một số loại điện trở đặc biệt Error! Bookmark not defined 1.1.4.1 Điện trở băng Error! Bookmark not defined 1.1.4.2 Quang trở Error! Bookmark not defined 1.1.4.3 Điện trở nhiệt- Thermistor Error! Bookmark not defined Tụ điện Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khái quát Error! Bookmark not defined 1.2.2 Phân loại tụ điện Error! Bookmark not defined 1.2.2.1 Tụ giấy: Error! Bookmark not defined 1.2.2.2 Tụ mica Error! Bookmark not defined 1.2.2.3 Tụ gốm Error! Bookmark not defined 1.2.2.4 Tụ hoá Error! Bookmark not defined 1.2.2.6 Tụ polystyren Error! Bookmark not defined 1.2.2.7 Tụ có giá trị thay đổi Error! Bookmark not defined 1.2.3 Cách đọc trị số tụ điện Error! Bookmark not defined 1.2.3.1 Ghi số chữ Error! Bookmark not defined 1.2.3.2 Ghi quy luật màu Error! Bookmark not defined 1.3 Cuộn cảm Error! Bookmark not defined 1.3.1 Khái quát Error! Bookmark not defined 1.3.2 Phân loại cuộn cảm Error! Bookmark not defined 1.3.2.1 Cuộn dây lõi khơng khí hay cuộn dây khơng có lõi Error! Bookmark not defined 1.3.2.2 Cuộn dây lõi sắt bụi Error! Bookmark not defined 1.3.2.3 Cuộn cảm có lõi Ferit Error! Bookmark not defined 1.3.2.4 Cuộn dây lõi sắt từ Error! Bookmark not defined 1.3.3 Cách đọc trị số cuộn cảm Error! Bookmark not defined Câu hỏi tập Error! Bookmark not defined Chương Điôt bán dẫn 24 2.1 Chất bán dẫn 24 2.1.1 Chất dẫn điện, chất cách điện, chất bán dẫn 24 2.1.2 Các vùng lượng .24 2.1.3 Chất bán dẫn 26 2.1.4 Chất bán dẫn loại P loại N 28 2.1.4.1 Chất bán dẫn loại N .28 2.1.4.2 Chất bán dẫn loại P 29 2.2 Nguyên lý hoạt động mặt ghép P – N 30 2.2.1 Phương pháp tạo mặt ghép P-N 30 2.2.2 Mặt ghép P-N chưa phân cực .30 2.2.3 Mặt ghép P-N phân cực thuận 32 2.2.4 Tiếp xúc P-N phân cực ngược .33 2.2.5 Đặc tuyến Vôn-Ampe tiếp xúc P-N 33 2.3 Điôt bán dẫn 35 2.3.1 Cấu tạo, ký hiệu 35 2.3.2 Nguyên lý hoạt động Điôt 35 2.3.3 Các tham số Điôt 36 2.3.4 Phân loại Điôt 37 2.3.4.1 Điôt Zener 37 2.3.4.2 Điôt biến dung .39 2.3.4.3 Điơt ổn dịng 39 2.3.4.4 Điôt Schottky 40 2.3.4.5 Điôt PIN 40 2.3.4.6 Điôt tunel 40 2.3.4.7 Điôt lazer .41 2.4 Một số ứng dụng Điôt 41 2.4.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 41 2.4.2 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 42 2.4.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng Điôt 42 2.4.2.2 Chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng Điôt (chỉnh lưu cầu) 44 2.4.3 Mạch hạn chế biên độ 44 2.4.3.1 Mạch hạn chế phía 45 2.4.3.2 Mạch hạn chế hai phía 46 2.4.4 Mạch bội áp 46 Câu hỏi tập 47 Chương Transistor lưỡng cực – BJT Error! Bookmark not defined (Bipolar Junction Transistor) Error! Bookmark not defined 3.1 Cấu tạo, ký hiệu nguyên lý hoạt động BJT Error! Bookmark not defined 3.1.1 Cấu tạo, ký hiệu Error! Bookmark not defined 3.1.2 Nguyên lý hoạt động Transistor Error! Bookmark not defined 3.1.2.1 Chế độ khuếch đại Error! Bookmark not defined 3.1.2.2 Chế độ cắt dòng Error! Bookmark not defined 3.1.2.3 Chế độ bão hoà Error! Bookmark not defined 3.1.3 Một số tham số Transistor Error! Bookmark not defined 3.2 Các cách mắc BJT Error! Bookmark not defined 3.2.1 Mạch Emiter chung ( EC) Error! Bookmark not defined 3.2.1.1 Đặc tuyến vào Error! Bookmark not defined 3.2.1.2.Đặc tuyến Error! Bookmark not defined 3.2.1.3.Đặc tuyến truyền đạt Error! Bookmark not defined 3.2.2 Mạch Collector chung ( CC) Error! Bookmark not defined 3.2.2.1 Đặc tuyến vào Error! Bookmark not defined 3.2.2.2.Đặc tuyến Error! Bookmark not defined 3.2.2.3.Đặc tuyến truyền đạt Error! Bookmark not defined 3.2.3 Mạch Base chung (BC) Error! Bookmark not defined 3.2.3.1 Họ đặc tuyến vào Error! Bookmark not defined 3.2.3.2 Đặc tuyến Error! Bookmark not defined 3.2.3.3 Đặc tuyến truyền đạt Error! Bookmark not defined 3.3 Phân cực cho BJT Error! Bookmark not defined 3.3.1 Đường tải tĩnh điểm làm việc tĩnh Error! Bookmark not defined 3.3.2 Mạch phân cực cố định Error! Bookmark not defined 3.3.3 Mạch phân cực ổn định cực Emitter Error! Bookmark not defined 3.3.4 Mạch phân áp Error! Bookmark not defined 3.3.5 Mạch phân cực hồi tiếp âm điện áp Error! Bookmark not defined Câu hỏi tập Error! Bookmark not defined Chương Transistor hiệu ứng trường 74 (field effect transistor - FET) Error! Bookmark not defined 4.1 Transistor trường đơn nối (JFET) 74 4.1.1 Cấu tạo ký hiệu 74 4.1.2 Nguyên lý hoạt động 75 4.1.3 Các đặc tuyến tham số đặc trưng Error! Bookmark not defined 4.1.3.1 Đặc tuyến lối 75 4.1.3.2 Điện áp thắt 77 4.1.3.3 Điện áp ngắt 77 4.1.3.4 Đặc tuyến truyền đạt 77 4.1.3.5 Hỗ dẫn JFET (gm) 78 4.1.3.6 Trở kháng dung kháng lối vào 79 4.1.3.7 Điện trở cực nguồn cực máng 80 4.2 Transistor trường có cực cửa cách ly (MOSFET) 80 4.2.1 MOSFET kênh liên tục (D-MOSFET) .81 4.2.1.1 Cấu tạo ký hiệu 81 4.2.1.2 Nguyên lý hoạt động .81 4.2.2 MOSFET kênh cảm ứng (E–MOSFET) 82 4.2.2.1 Cấu tạo ký hiệu 82 4.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 83 4.2.2.3 Các tham số đặc trưng MOSFET 83 4.3 Các cách mắc FET 85 4.4 Phân cực cho FET 85 4.4.1 Sơ đồ phân cực cố định 86 4.4.2 Sơ đồ tự phân cực .86 4.4.3 Sơ đồ mạch phân cực phân áp 89 4.4.4 Sơ đồ mạch phân cực hồi tiếp âm điện áp .90 Câu hỏi tập 93 Chương Linh kiện bán dẫn khác 96 5.1 Transistor chuyển tiếp (UJT: Unijunction Transistor) 96 5.1.1 Cấu tạo ký hiệu 96 5.1.2 Nguyên lý hoạt động tham số UJT 96 5.1.2.1 Nguyên lý hoạt động UJT 96 5.1.2.2 Các tham số UJT 98 5.1.3 Ứng dụng UJT 99 Thyristor (SCR: Silicon Controlled Rectifier) 99 5.2.1 Cấu tạo ký hiệu 99 5.2.2 Nguyên lý hoạt động tham số Thyristor 100 5.2.2.1 Nguyên lý hoạt động Thyristor 100 5.2.2.1 Tham số Thyristor 102 5.2.3 Ứng dụng Thyristor 102 Triac, Diac 103 5.3.1 Triac (Triode for Alternating Curent) 103 5.3.2 Diac 104 5.4 Các linh kiện quang điện tử 105 5.4.1 Khái niệm chung 105 5.4.2 Điện trở quang .105 5.4.3 Điôt quang 107 5.4.4 Điôt phát quang (LED) .109 5.4.4 Transistor quang 111 Câu hỏi tập 114 Tài liệu tham khảo……………………….……… ………………107 Chương Linh kiện thụ động Trong chương tìm hiểu khái niệm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, hình dạng, phân loại cách đọc trị số linh kiện thụ động: điện trở, tụ điện, cuộn cảm 1.1 Điện trở 1.1.1 Khái quát Điện trở linh kiện dùng để ngăn cản dòng điện mạch - Ký hiệu: R R - Đơn vị: (Ôm) 1M = 103k = 106 * Các tham số kỹ thuật đặc trưng điện trở Để đánh giá lựa chọn điện trở, ta phải dựa vào tham số Các tham số gồm có: - Trị số điện trở dung sai + Trị số điện trở tham số bản, yêu cầu trị số điện trở phải ổn định, thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, v.v Trị số điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, vào kích thước điện trở nhiệt độ môi trường Trị số điện trở đo đơn vị Ơm bội số Giá trị điện trở thường đo dòng điện chiều tần số thấp + Dung sai hay sai số điện trở: Dung sai biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế điện trở so với trị số danh định tính theo % Dung sai tính theo cơng thức: R t t - R d.d % R d.d (1.1) Trong đó: Rt.t: Trị số thực tế điện trở Rd.d: Trị số danh định điện trở Dựa vào dung sai ta chia điện trở cấp xác: Cấp 005 : có sai số 0,5% Cấp 01 : có sai số 1% Cấp I : có sai số 5% Cấp II : có sai số 10% Cấp III : có sai số 20% Trong mạch điện yêu cầu độ xác cao thường dùng điện trở cấp 005 01 Còn điện tử thông dụng người ta dùng loại điện trở từ cấp I đến cấp III Các điện trở có độ xác cao có giá thành cao - Cơng suất tiêu tán cho phép: (Pttmax) Khi có dịng điện chạy qua, điện trở tiêu tán lượng điện dạng nhiệt công suất là: U Ptt = R.I = [W] R (1.2) Công suất tiêu tán cho phép điện trở Pttmax công suất cao mà điện trở chịu đựng Ptt max = R.I max U max = [W] R (1.3) Với yêu cầu điều kiện đảm bảo cho điện trở làm việc bình thường Ptt< Pttmax Cơng suất tiêu tán cho phép hạn chế giá trị điện áp cực đại giá trị dòng điện cực đại Do tuỳ theo điện áp dịng điện qua điện trở lớn hay nhỏ mà sử dụng điện trở có công suất tiêu tán cho phép lớn hay nhỏ - Hệ số nhiệt điện trở ( TCR) Hệ số nhiệt điện trở biểu thị thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ môi trường tính theo cơng thức: TCR = ΔR [ ppm/ o c] R ΔT (1.4) Trong đó: R: trị số điện trở R: đại lượng thay đổi trị số điện trở nhiệt độ thay đổi lượng T TCR: trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu điện trở 1oC (viết tắt ppm/oC) 1.1.2 Phân loại điện trở 1.1.2.1 Phân loại theo cấu tạo a Điện trở dây quấn Điện trở dây quấn làm dây côngtantan (điện trở thấp) hay nicrôm (điện trở cao) quấn Hình 1.1 Điện trở dây quấn ống sứ Điện trở bao phủ lớp men màu nâu hay xanh Điện trở dây quấn có ưu điểm độ ổn định độ xác cao, mức tạp âm bé, công suất tiêu thụ lớn có nhược điểm bị giới hạn tần số điện cảm điện dung tạp tán lớn b Điện trở màng Điện trở màng chế tạo cách phủ lớp than (hoặc kim loại, ôxit kim loại ) lên Lớp cách điện Vỏ bảo vệ lõi làm gốm sứ có xẻ rãnh xoắn Loại có kích thước bé, cơng suất thấp Mũ kim loại Màng than c Điện trở than Điện trở than cấu tạo từ vật liệu than chì trộn với vật liệu cách điện theo tỉ lệ thích hợp để có giá trị cần thiết, sau ép lại thành thỏi, hai đầu ép vào hai dây kim loại để làm chân linh kiện Tất bảo vệ lớp vỏ phủ gốm hay lớp sơn Giá trị điện trở than thường ghi ký hiệu vịng màu thân điện trở Hình 1.2 Cấu tạo điện trở màng Vạch màu Lớp than Chân linh kiện Hình Cấu tạo điện trở than d Chiết áp (biến trở): điện trở thay đổi giá trị - Chiết áp dây quấn: cấu tạo tương tự điện trở dây quấn biến đổi Con chạy kim loại nối với trục trượt trục quay trượt vòng dây Chiết áp dây quấn có giá trị thay Hình 1.4 Chiết áp đổi khoảng (1- 200)K, công suất khoảng (3-5)W Chiết áp dây quấn thường dùng mạch công suất lớn - Chiết áp than hỗn hợp : Lớp vật liệu hỗn hợp phủ lên đế hình móng ngựa, hai đầu có phủ lớp bạc nối với chân Chiết áp than hỗn hợp có phạm vi biến đổi giá trị khoảng (10-10M), công suất khoảng (0,1-2W) 1.1.2.1 Phân loại theo công suất - Điện trở thường: điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5 W - Điện trở cơng suất: điện trở có cơng suất lớn 1W 1.1.3 Cách đọc trị số điện trở Cách đọc trị số điện trở tuỳ thuộc vào cách biểu diễn điện trở 1.1.3.1 Biểu thị số chữ Thường ghi chữ R, K, M Chữ R, ứng với đơn vị , chữ K ứng với đơn vị k, chữ M ứng với đơn vị M Vị trí chữ thể chữ số thập phân, giá trị số thể giá trị điện trở Ví dụ: 3M3 R= 3,3 M 3K9 R= 3,9 k Hình 1.5 Điện trở biểu thị số chữ R47 R= 0,47 - Nếu điện trở có chữ số số thứ biểu thị số luỹ thừa 10 (Đặc biệt chữ số thứ số giá trị thực điện trở) Ví dụ: 472R = 47.102 330R = 330 - Nếu điện trở có chữ số số thứ biểu thị số luỹ thừa 10 Ví dụ: 4722 = 472.102 1000 = 100.100 Quy ước sai số: Bảng 1.1 Quy định sai số Ký hiệu Sai số B 0,1% C Ký hiệu Sai số H 0,25% 2,5% J D 0,5% 5% K 1% 10% F M G 2% 20% Ví dụ: 8K2J = 8,2K 5% 1.1.3.2 Biểu thị trị số điện trở vòng màu Bảng 1.2 Quy định vòng màu điện trở Màu Giá trị Số lũy thừa Sai số Đen 0 Nâu 1 1% (F) Đỏ 2 2% (G) Cam 3 Vàng 4 Xanh lục 5 0,5% (D) Xanh lam 6 0,25% (C) Tím 7 0,1% (B) Xám 8 0,05% Trắng 9 Vàng nhũ -1 5% (J) Bạc nhũ -2 10% (K) Thường dùng vòng, vòng vòng để biểu diễn Các quy định màu điện trở vòng màu sau: Trường hợp điện trở vịng màu có sai số 20% Vịng 1, vòng giá trị Vòng vòng biểu thị số luỹ thừa 10 Trường hợp điện trở vòng màu: Vòng 1, vòng giá trị Vòng vòng biểu thị số luỹ thừa 10 Vòng vòng sai số Trường hợp điện trở vòng màu gồm vòng giá trị, vòng biểu thị số luỹ thừa 10, vòng biểu thị sai số Vòng số Màu đỏ Vòng số Màu tím Vịng số Màu cam Vịng số Nhũ vàng 103 5% = 27k 5% a Điện trở vòng màu Vòng số Màu vàng Vịng số Màu tím Vịng số Màu đen Vòng số Màu đỏ Vòng số Màu nâu 102 1% = 47k 1% b Điện trở vòng màu Hình 1.6 Điện trở biểu thị vịng màu 10 - Sau điều kiện kích thích mở kết thúc, muốn trì cho Thyristor ln mở phải đảm bảo cho dòng thuận IE lớn giá trị định gọi dòng ghim I4 (là giá trị cực tiểu dòng thuận IE) Nếu trình Thyristor mở, IG trì giá trị dòng ghim tương ứng giảm dòng IG tăng (hình 5.7) Trong sổ tay thuyết minh nhà sản xuất ký hiệu IHC để dòng ghim cực G hở mạch IHX để dòng ghim đặc biệt cực G K nối điện trở phân cực đặc biệt 5.2.2.1 Tham số Thyristor - Hai cặp tham số quan trọng cần ý chọn Thyristor dòng điện điện áp cực đại mà Thyristor làm việc không bị đánh thủng ngược đánh thủng thuận Điện áp dẫn thuận cực đại đảm bảo cho Thyristor chưa mở theo chiều thuận điện áp thuận, điện áp thường ký hiệu UFOM UFXM trường hợp G nối với điện trở phân cực Với ý nghĩa tương tự, người ta định nghĩa điện áp chắn ngược cực đại VROM VRXM, dòng điện thuận cực đại IROM IRXM - Công suất tổn hao cực đại FAM công suất lớn cho phép Thyristor hoạt động bình thường - Điện áp cực khống chế UG mức điện áp ngưỡng cần để mở Thyristor UAK = 6V Những tham số thường cho sổ tay linh kiện nhiệt độ 250C Với Thyristo làm việc chế độ xung tần số cao phải quan tâm đến thời gian đóng mở Thyristor tm thời gian chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở tđ thời gian chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng Thyristor 5.2.3 Ứng dụng Thyristor Ví dụ ứng dụng Thyristor mạch báo động Sơ đồ nguyên lý mạch cho hình 5.8 K1 R2 +Ucc R1 +Ucc LED PD RL K2 Hình 5.8 Mạch báo động sử dụng Thyiristor 102 - Bình thường ánh sáng phát từ LED PD (Điôt thu quang) nhận, làm cho PD dẫn bão hoà nên sụt áp qua R2 nhiều dẫn đến VG SCR thấp nên SCR tắt - Khi có người ngang qua khu vực LED PD PD tắt (do bị che ánh sáng) nên khơng cịn sụt áp qua R2, lúc áp +Ucc qua R2 đến G lớn đủ ngưỡng kích cho SCR làm cho SCR dẫn nên rơle hoạt động làm đóng cơng tắc K2 kích hoạt cịi báo sáng đèn Do tính tự giữ SCR, nên SCR dẫn tiếp tục có người lướt ngang qua LED PD tích tắc PD dẫn trở lại làm cho VG sụt thấp làm áp kích cho SCR Muốn làm tắt SCR ta phải hở cơng tắc K1 Thyristor cịn sử dụng mạch khống chế mạch khống chế xung, mạch khống chế pha Triac, Diac 5.3.1 Triac (Triode for Alternating Curent) Cấu tạo, sơ đồ tương đương đặc tuyến Vơn-Ampe Triac trình bày hình 5.9 Từ thấy Triac tương đương với hai Thyristor mắc song song ngược chiều chung cực G Các cực gọi A1, A2 G Khi điện cực G dương so với cực A2 điện cực A1 dương so với cực A2 Thyristor mở (hai Transistor tương đương Q1 Q2 mở) Trong trường hợp này, A1 đóng vai trị anơt, cịn A2 đóng vai trị katơt Khi điện cực G dương so với A1 điện cực A2 dương so với cực A1 Thyristor mở (hai Transistor tương đương Q3 Q4 mở) Trong trường hợp này, A2 đóng vai trị anơt, cịn A1 đóng vai trị katơt Từ thấy Triac có khả dẫn điện theo hai chiều A2 A2 P1 N1 N2 P2 N3 P3 I A Q1 G N4 I1 Q3 U I2 G G Q2 Q4 A1 A1 A Hình 5.9 Cấu tạo, ký hiệu, sơ đồ tương đương đặc tuyến Triac 103 Một ứng dụng Triac mạch khống chế dùng Triac trình bày hình 5.10 A1 I1 U I2 D1 A2 Un 2 G RG D2 1 Rt t Hình 5.10 Sơ đồ khống chế dựng Triac Nguyên lý làm việc mạch khống chế: - Ở nửa chu kỳ dương: D1 thơng nên có tín hiệu điều khiển vào G: UA1A2 > 0, UGA2 > Do Thyristor dẫn theo I1, Ut > - Ở nửa chu kỳ âm: D2 thông nên UA1A2 > ; UGA1 > Do Thyristor dẫn theo I2 ngược lại, Ut < Điều chỉnh biến trở RG thay đổi 1, 2 Vậy Triac dụng cụ dẫn điện hai chiều có điều khiển Triac ứng dụng rộng rãi kỹ thuật điện tử, ví dụ: - Kiểm tra điều khiển vận tốc mô tơ điện - Kiểm tra điều khiển nhiệt độ - Kiểm tra điều khiển cường độ chiếu sáng - Làm mạch quét hình tivi… 5.3.2 Diac Về mặt cấu tạo, diac hồn tồn giống triac khơng có cực khống chế G Hai cực MT1, MT2 hoàn toàn đối xứng nhau, lắp vào mạch ta không cần phân biệt thứ tự Thực tế sử dụng diac ta quan tâm tới hai thơng số: dịng tải điện áp giới hạn Điện áp giới hạn diac khoảng 20V 40V Diac kích mở cách nâng cao điện áp vào hai cực Ký hiệu diac hình 5.11 MT1 MT2 Hình 5.11 Ký hiệu diac sơ đồ 104 CÁC THAM SỐ CỦA MỘT SỐ LOẠI Diac (T=25OC) Tên Dòng cực đại (A) Breakover Voltage (Điện áp kích mở) Breakover Voltage Dynamic Breakback (V) Symmetry (V) Voltage (V) Min Typ Max MAX MIN MAX MAX D30 28 32 36 100 2.0 D40 35 40 45 100 2.0 ST2 28 32 36 3.8 - 200 - HT32 27 50 2.0 - 37 Dịng kích cực đại (A) 5.4 Các linh kiện quang điện tử 5.4.1 Khái niệm chung Linh kiện quang điện tử loại linh kiện biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện biến đổi ngược lại từ lượng điện thành lượng ánh sáng Có thể chia linh kiện quang điện thành ba nhóm sau: Linh kiện điện tử phát quang có nhiệm vụ biến đổi lượng điện thành lượng ánh sáng (ví dụ Điơt bán dẫn Phát quang LED, lazer bán dẫn ) Linh kiện quang điện có nhiệm vụ biến đổi lượng ánh sáng thành lượng thành lượng điện (các đèn quang điện chân khơng đèn quang điện có khí, ngun tắc làm việc loại đèn sử dụng hiệu ứng quang điện Pin mặt trời, điện trở quang, Điôt quang, transistor quang lại sử dụng hiệu ứng quang điện - hiệu ứng quang điện bán dẫn) Nhóm thứ ba kết hợp hai hiệu ứng phát quang với quang dẫn quang áp 5.4.2 Điện trở quang Điện trở quang điện trở mà hoạt động dựa hiệu ứng quang dẫn Trên hình 5.12 trình bày cấu trúc điện trở quang 105 Hình 5.12 Cấu trúc điện trở quang Điện trở quang làm từ chất bán dẫn Nhạy quang Khi có xạ rọi vào, chất bán dẫn hấp thụ lượng tạo thành điện tử lỗ trống làm tăng tính dẫn điện làm giảm điện trở suất bán dẫn Hình 5.13: Đặc tuyến Vôn- Ampe đặc trưng chiếu sáng điện trở quang Trong đó: : Quang thơng ánh sáng, đơn vị đo lm(luymen) ICS: dòng chiếu sáng IT: dòng tối Do làm việc điện thấp, dòng nhỏ, tạp thấp, thời gian sử dụng lâu dài, sơ đồ ứng dụng đơn giản nên điện trở quang dùng rộng rãi lĩnh vực điện tử, kỹ thuật máy tính thiết hệ thống điều khiển tự động 106 Một số mạch điện sử dụng điện trở quang Mạch báo động: Hình 5.14 Mạch báo động Khi điện trở quang chiếu sáng có điện trở nhỏ, qua cực điều khiển SCR nhỏ, dịng IG nhỏ khơng đủ để kích cho SCR dẫn Khi không chiếu sáng, điện trở tăng, điện đặt vào cực G tăng, dòng IG tăng (đủ lớn) kích làm cho SCR dẫn, dịng qua tải làm cho chuông reo, mạch báo động hoạt động Mạch sử dụng với tải bóng đèn, sáng vào ban đêm tự tắt vào ban ngày 5.4.3 Điôt quang Điôt quang dụng cụ bán dẫn biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Khi ta chiếu ánh sáng vào tiếp giáp P-N (Điơt) dịng điện ngược Điơt tăng P N lên Do vỏ quang có cửa sổ ánh sáng chiếu vào Hình 5.15 Sơ đồ cấu trúc ký hiệu Cấu tạo: Vật liệu dùng để chế tạo Điôt quang thường gecmani silic Với Điôt sử dụng gecmani người ta chế tạo theo phương pháp hợp kim, cịn với Điơt sử dụng silic người ta thường chế tạo theo phương pháp khuếch tán Toàn cấu trúc chuyển tiếp p-n đặt vỏ nhựa cứng có cửa sổ cảm quang để ánh sáng xuyên qua 107 Dưới tác dụng lượng ánh sáng, miền chuyển tiếp P-N chất bán dẫn Nhạy quang xảy ion hoá nguyên tử chất tạp chất dẫn đến việc sinh cặp điện tử lỗ trống Các điện tử lỗ trống tập trung hai đầu bán dẫn, mạch ta nối hai đầu bán dẫn có dịng điện chạy qua Trong Điơt quang có chuyển hố lượng ánh sáng thành lượng điện Cường độ ánh sáng rọi vào lớn dịng ngược Điơt mạnh Điơt quang làm việc phân cực ngược I(A) U Rtải F=0 100 F0 200 F0 Hình 5.16 Sơ đồ nguyên lý diode quang đặc tuyến V-A Trên đồ thị ta thấy: Nếu khơng có ánh sáng chiếu đến, mạch có dịng điện ngược tiếp giáp P-N chạy qua Điơt Rtải Dịng gọi dòng tối I1 nhỏ (khoảng 10-3 A vài A) Khi Điơt chiếu sáng dù cịn yếu, dòng qua tải tăng lên Nếu độ rọi ánh sáng mạnh dịng qua tải lớn Khi dùng Điôt quang cần chọn đặc tuyến phổ cho phù hợp với tín hiệu thu Phạm vi độ nhạy cảm Điôt quang Silic nằm khoảng 0,6 đến m, loại Gecmani 0,8 đến 1,7 m (- bước sóng micrơmet) Nếu tín hiệu thu yếu, cần chọn Điơt quang có độ nhạy dịng tốt Độ nhạy dòng xác định tỷ số lượng thay đổi dòng điện nhận với lượng thay đổi cơng suất xạ ánh sáng lên SF dI S I It I F S dPF PF PP IS – tổng dòng nhận có tác dụng ánh sáng với nguồn điện áp cung cấp xác định Điơt quang có tần số làm việc giới hạn thường khoảng 10 MHz, loại đặc biệt lên tới GHz 108 5.4.4 Điôt phát quang (LED) Điôt phát quang làm việc dựa hiệu ứng phát sáng có tượng tái hợp điện tử lỗ trống gần vùng tiếp xúc P-N Điôt phát quang thường gọi LED (Light-Emitting- Điôt) Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sáng xạ vùng bước sóng khác Trong lĩnh vực khác ta có loại LED khác Cấu tạo Điôt phát quang gồm có lớp tiếp xúc P-N hai chân cực, anốt ký hiệu A katốt ký hiệu K Anốt nối tới bán dẫn loại P, katốt nối với bán dẫn loại N Tiếp xúc P-N P N A K K A Hình 5.17 Sơ đồ cấu trúc ký hiệu Hiện tượng phát quang giải thích sau: Khi phân cực thuận, electron từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P Electron nhận lượng điện trường chuyển trạng thái từ mức lượng thấp lên mức lượng cao Electron trạng thái kích thích chuyển xuống mức lượng tự phát chuyển xuống mức lượng thấp phát xạ ánh sáng có lượng hf ( h: số Plăng, f: tần số ánh sáng) Khi xảy tái hợp electron với lỗ trống, electron di chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị Năng lượng photon tương ứng với chuyển dời xác định độ rộng vùng cấm chất bán dẫn, tuỳ thuộc vào vật liệu làm Điơt phát quang Một số thông số đặc trưng LED: Độ dài bước sóng ánh sáng phát ra: Thơng thường LED khơng phát bước sóng mà phát khoảng bước sóng tương đối hẹp Vì vậy, loại LED thường phát màu sắc định Chỉ LED đặc biệt phát ánh sáng nằm vùng khơng nhìn thấy Người ta chế tạo LED nhiều màu phụ thuộc vào điện áp lối vào hay điện áp mạch điều khiển Độ dài bước sóng phát phụ thuộc vào chất chất bán dẫn chế tạo 109 Cơng suất LED: Đối với LED phát ánh sáng mà mắt thường nhìn thấy cơng suất thường từ 100 đến 120mW, LED phát ánh sáng hồng ngoại cơng suất đạt từ 100 đến 500mW Dịng điện điện áp sụt linh kiện: LED phát ánh sáng nhìn thấy có dịng chạy qua khoảng vài mA Một số tham số Điôt phát quang dùng phổ biến kĩ thuật điện tử Màu Bước sóng Vật liệu Ud (10mA) (nm) Công suất (mW) Hồng ngoại 900 GaAs 1,3-1,5V 100-500 Đỏ 655-665 GaP,GaAsP 1,6-1,8V 100 Vàng 583 GaP,GaAsP 2,0-2,2V 120 Xanh 565 GaP 2,2-2,4V 120 Trong kỹ thuật điện tử để tiện cho công việc hiển thị người ta tạo LED để hiển thị số ký tự LED tạo thành cách nối Điôt phát quang theo sơ đồ chung cực anốt (gọi anốt chung) chung cực katốt (gọi katốt chung) Hình 5.18 :LED anốt chung Hình 5.19.: LED katốt chung 110 Hình 5.20 Một số loại LED hiển thị Đặc trưng Vôn-Ampe Điôt phát quang: ID(mA) LED đỏ LED xanh, vàng 1.6 UD(V) Hình 5.21: Đặc trưng Vơn-Ampe LED Cách mắc: Để LED hoạt động phải mắc LED theo chiều phân cực thuận phải mắc nối tiếp điện trở R để hạn chế dòng qua LED khỏi lớn giới hạn cho phép Giá trị điện trở xác định tuỳ theo điện áp nguồn điện cung cấp cho mạch loại LED dùng Giá trị R xác định theo công thức: R= U CC U D ID LED sử dụng rộng rãi lĩnh vực quảng cáo, đèn thị, đèn báo xe hơi, máy bay, trò chơi trẻ em, âm nhạc, máy ảnh thể tích nhỏ, cơng suất tiêu tán thấp thích hợp với loại mạch logic 5.4.4 Transistor quang Là transistor có khả điều khiển tín hiệu quang tức có khả biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện khuếch đại Cấu tạo: Transistor quang chế tạo từ Gecmani Silic, có tiếp giáp P-N có chân cực.Thơng thường transistor quang khơng có cực Base thay vào 111 cửa sổ cảm quang Khi khống chế dịng Ic khống chế chùm sáng chiếu qua cửa cảm quang Nếu transistor quang có cực Base khống chế dịng Ic kết hợp chùm sáng khống chế tín hiệu điện N P P N N P Nguyên lý làm việc: C C E E Hình 5.22 Sơ đồ cấu trúc ký hiệu - Chế độ B hở mạch: Để Transistor làm việc ta cung cấp nguồn điện bên (U ngoài) cho tiếp giáp JE phân cực thuận cịn tiếp giáp JC phân cực ngược Khi khơng có tín hiệu quang, dịng điện cực Base dịng điện ánh sáng khơng ( IB = IF = 0), mạch có dịng IC Khi ánh sáng chiếu vào phần Base (IB = IF 0), cực Base xuất đôi điện tử - lỗ trống Dưới tác dụng điện trường ngoài, lỗ trống di chuyển qua tiếp giáp JC tạo nên thành phần dòng điện IPF mạch cực góp Cịn điện tử di chuyển phía tiếp giáp JE làm tăng mật độ hạt dẫn tiếp giáp JE làm cho điện trường Etx giảm xuống, giúp cho dòng lỗ trống di chuyển từ phần Emitter sang phần Base dễ dàng hơn, kết dòng điện cực IC tăng lên 112 I(mA) - Chế độ B khép kín: F R 10 15 U(V) Hình 5.23 Sơ đồ nguyên lý đặc tuyến V-A Dòng Ic phụ thuộc vào tín hiệu điện tín hiệu quang, điện áp Ura cộng tín hiệu điện tín hiệu quang Họ đặc tuyến V-A transistor quang có dạng giống đặc tuyến transistor hai lớp chuyển tiếp mắc theo kiểu EC Điều khác tham số cố định khơng phải dịng IB mà lượng chiếu sáng Từ họ đặc tuyến transistor quang ta nhận thấy dòng IC chủ yếu phụ thuộc vào lượng chiếu sáng Đây khống chế lượng chiếu sáng tới IC 113 Câu hỏi tập a) Nêu đặc điểm cấu tạo UJT ký hiệu quy ước b) UJT đóng vai trị khóa điện tử thể đặc tuyến VônAmpe? c) Các tham số quan trọng UJT? Hãy nêu cách kiểm tra UJT dùng đồng hồ vạn năng? a) Nêu cấu tạo ký hiệu SCR? b) Nêu cách kích mở SCR? Khi SCR nối mạch muốn chuyển sang trạng thái ngắt mạch phải làm nào? Hãy nêu cấu tạo, ký hiệu tính chất Triac Diac? So sánh nguyên lý hoạt động chúng đặc tuyến Vơn-Ampe Trình bày ngun lý hoạt động mạch điện hình 5.24, hình 5.25 Hình 5.24: Mạch tự động bật đèn điện Hình 5.25: Mạch điện nạp acquy tự động 114 115 Tài liệu tham khảo [1] Thomas L Floyd Electronic Devices – Prentice Hall,1998 [2] Jmillman Micro electronics, Digital and Analog, Circuits and System - MC Graw Hill Book Company,1997 [3] Robert Boylestad, Louis Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory – Prentice Hall, 2006 [4] Đỗ Xuân Thụ Dụng cụ bán dẫn – Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp, 1995 [5] Trần Thị Cầm Cấu kiện điện tử quang điện tử - Học viện Bưu viễn thơng, 2002 [6] Nguyễn Viết Nguyên (chủ biên) Giáo trình Linh kiện điện tử – Nhà xuất Giáo dục, 2007 Giáo trình Linh kiện điện tử – Nhà xuất Giáo dục, 2007 116