Báo cáo môn học thực hành mạch Điện tử số Đề tài diode các loại, Đặc trưng & sơ Đồ ứng dụng

PHẦN 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CÁC LOẠI DIODE1.1 Si-DIODE Silicon Diode 1.1.1 Đặc trưng Ngưỡng chuyển đổi Forward Voltage Drop: Khi điện áp được áp dụng với chiều thuận anode đối với v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐTVT -

BÁO CÁO MÔN HỌC

PHẦN 1: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CÁC LOẠI DIODE

1.1 Si-DIODE (Silicon Diode)

1.1.1 Đặc trưng

Ngưỡng chuyển đổi (Forward Voltage Drop): Khi điện áp được áp dụng với

chiều thuận (anode đối với vùng n kiềm và cathode đối với vùng p kiềm), điện

áp cần thiết để diode bắt đầu dẫn điện, gọi là ngưỡng chuyển đổi, thường là khoảng 0.6V đối với diode silic

Dòng chuyển tiếp (Forward Current): Là dòng điện chạy qua diode khi nó

được kích hoạt ở chế độ chuyển tiếp Điện trở thuận thường rất thấp

Dòng rò (Reverse Leakage Current): Khi áp dụng điện áp phản xạ ngược

(điện áp nghịch), một lượng nhỏ dòng rò vẫn chảy qua diode, mặc dù nó làm ngăn chặn dòng chính Điều này được gọi là dòng rò và thường rất nhỏ

Điện áp phá vỡ (Breakdown Voltage): Là điện áp tối đa mà diode có thể chịu

trước khi đứt Điện áp này phụ thuộc vào cấu trúc và vật liệu của diode và có thể được kiểm soát thông qua thiết kế

Thời gian đáp ứng (Response Time): Đây là thời gian mà diode cần để

chuyển từ trạng thái dẫn qua trạng thái không dẫn khi có sự thay đổi đột ngột trong điện áp áp dụng

Nhiệt độ hoạt động (Operating Temperature): Diode có thể hoạt động ở một

phạm vi nhiệt độ nhất định mà không bị hỏng Nhiệt độ hoạt động thường là một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng thực tế

Ứng dụng: Si-Diode được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, từ các ứng

dụng đơn giản như bộ nguồn đến các ứng dụng phức tạp như vi mạch tích hợp

Kích thước và hình dạng: Có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tùy

thuộc vào ứng dụng cụ thể, bao gồm diode thuận, diode ngược, diode Schottky,

và nhiều loại diode khác

1.1.2 Sơ đồ nguyên lý

Phân cực thuận: Cung cấp điện áp +12V Chiết áp P1 điều chỉnh điện áp đặt vào

hai đầu Diode Khi P1 đặt ở Min, điện áp đặt lên hai đầu Diode là nhỏ Vặn biến trở P1 từ Min- Max, điện áp tăng khi điện áp đó đạt 0,6V, diode dẫn Dòng điện qua Diode cỡ mA Tăng điện áp đặt vào Diode, dòng điện qua Diode tăng theo Đây là tính chất phân cực thuận của Diode

Phân cực ngược: Cung cấp điện áp vào - 12V Chiết áp P1 điều chỉnh điện áp đặt

vào hai đầu Diode Khi đó sẽ có một dòng điện nhỏ cỡ μA (dòng trôi) chảy qua diode- Đây là tính chất phân cực ngược của Diode Đối với Si - Diode dòng trôi rấtnhỏ

1.1.3 Các bước thực hiện, kết quả đo

a Si - Diode với phân cực thuận :

Các bước thực hiện:

1 Dùng dây nối A với A1 Nối nguồn +12V DC với chốt V cho mảng mạch A1-1

để mắc phân cực thuận cho diode D1 trong mảng A1-1 như hình A1-1a(1)

2 Mắc các đồng hồ đo : Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo

- Đồng hồ đo sụt thế trên diode : Nối các chốt đồng hồ đo (V) của mạch A1-1 với đồng hồ đo thế Khoảng đo đặt ở 20V DC

- Đồng hồ đo dòng qua diode: Nối các chốt đồng hồ đo (mA) của mạch A1-1 với đồng hồ đo đồng Khoảng đo 20mA DC

3 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị BE-A11 Vặn biến trở P1 cực đại Ghi giá trị dòng chảy qua diode Ip và sụt thế Up trên diode vào bảng A1.1

4 Giảm từng bước biến trở P1 Tại mỗi bước ghi giá trị dòng chảy qua và sụt thế trên diode vào bằng A1.1 Chú ý xác định vị trí ngưỡng mà tại đó dòng qua diode

có sự thay đổi đột ngột,

Bảng A1.1

IF

UF

b Si - Diode với phân cực ngược

1 Nối nguồn -12V DC với chốt V cho mảng mạch A1-1 để mắc phân cực ngược cho diodeD1 trong mảng A1-1 như hình A 1-la(2) Đồng hồ đo dòng đặt ở khoảng

đo 2mA DC Chú ý: mắc đúng phân cực đồng hồ đo

2 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị BE-A11 Vẫn biến trở P1 Ghi giá trị dòng chảyquadiode I_{R} và sụt thế U_{R} trên diode theo các giá trị thế khi vận PI Ghi kếtquả vào bảng A1.2 Chú ý, với Si-Diode hiện đại, dòng ngược cử nA, nên có thể không đọ được bằng cách đơngiản, mà cần đồng hồ đo có độ nhạy cao

Ngưỡng chuyển động (Forward Voltage Drop): Germanium diode có ngưỡng

chuyển động thấp hơn so với silicon diode Thường là khoảng từ 0.1V đến 0.3V

khi được phân cực thuận, giúp giảm thiểu mất điện áp và hiệu suất ổn định hơn trong một số ứng dụng.

Dòng chuyển tiếp (Forward Current): Germanium diode thường có dòng

chuyển tiếp lớn hơn ở cùng một điện áp thuận so với silicon diode, cho phép chúng thích ứng tốt hơn với các ứng dụng yêu cầu dòng điện lớn

Điện trở thuận (Forward Resistance): Điện trở thuận của germanium diode

thường thấp hơn so với silicon diode, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các mạch điện tử

Dòng rò (Reverse Leakage Current): Dòng rò của germanium diode có thể

cao hơn so với silicon diode, đặc biệt ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (25°C) Điềunày cần được xem xét trong các ứng dụng yêu cầu cách điện tốt ở chế độ ngược

Điện áp phá vỡ ngược (Reverse Breakdown Voltage): Điện áp ngược phá vỡ

của germanium diode thường thấp hơn so với silicon diode, thông thường chỉ trong vài volt

Thời gian đáp ứng (Response Time): Germanium diode có thời gian phục hồi

nhanh hơn so với silicon diode, đặc biệt là trong trường hợp của diode chuyển đổi nhanh như diode Schottky

Nhiệt độ hoạt động (Operating Temperature): Germanium diode có hiệu suất

ổn định ở nhiệt độ cao hơn so với silicon diode, nhưng cũng nhạy cảm hơn với nhiệt độ và có thể dễ dàng bị hỏng khi nhiệt độ tăng lên

Ứng dụng: Trong quá khứ, germanium diode đã được sử dụng rộng rãi trong

các mạch điện tử, nhưng hiện nay thường ít được sử dụng do những hạn chế về hiệu suất và sự thay thế bởi silicon diode

Kích thước và hình dạng: Germanium diode có nhiều kích thước và hình dạng

khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, giống như các loại diode khác

1.2.2 Sơ đồ nguyên lý

Cũng tương tự như Si - Diode ta khảo sát đặc trưng của Ge-diode cho cả hai trườnghợp phân cực thuận và phân cực ngược Đường đặc tuyến công tác của Ge - Diode

có dạng như sau:

1.2.3 Các bước thực hiện, kết quả đo

a Ge- Diode với phân cực thuận

1 Dùng dây nối A với A2 Nối nguồn +12V DC với chốt V cho mảng mạch A1-1

để mắc phân cực thuận cho diode D2 trong mảng A1-1 như hình A1-1b(1)

2 Mắc các đồng hồ đo : Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo

- Đồng hồ đo sụt thế trên diode : Nối các chốt đồng hồ đo (V) của mạch A1-1 với đồng hồ đo thế Khoảng đo đặt ở 20V DC.

- Đồng hồ đo dòng qua diode: Nối các chốt đồng hồ đo (mA) của mạch A1-1 với đồng hồ đo dòng Khoảng đo 20mA DC

3 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị BE-A11 Vẫn biến trở P1 cực đại Ghi giá trị dòng chảy qua diode IF và sụt thế Up trên diode vào bảng A1.3

4 Giảm từng bước biến trở P1 Tại mỗi bước ghi giá trị dòng chảy qua và sụt thế trên diode vào bảng A1.3 Chú ý xác định vị trí ngưỡng mà tại đó dòng qua diode

có sự thay đổi đột ngột

Bảng A1.3

IF

UF

b Ge- Diode với phân cực ngược:

1 Nối nguồn -12V DC với chốt V cho mảng mạch A1-1 để mắc phân cực ngược cho diode D2 trong mảng A1-1 như hình A1-1b(2)

Đồng hồ đo dòng đặt ở khoảng đo 2mA DC Chú ý : mắc đúng phân cực đồng hồ đo

2 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị BE-A11 Vặn biến trở P1 Ghi giá trị dòng chảyqua diode Ir và sụt thế Up trên diode theo các giá trị thế khi vận P1 Ghi kết quả vào bảng A1.4

Chú ý, với Ge-Diode có dòng ngược lớn hơn Si-diode nên có thể đo được bằng cách đơn giản Đặc biệt khi làm nóng diode

Điện áp ngưỡng (Zener Voltage): Điện áp ngưỡng là điện áp mà zener diode

bắt đầu dẫn ngược Điều này thường được chỉ định trong datasheet của diode Zener diode được sử dụng như một nguồn điện áp ổn định với giá trị điện áp này

Dòng ngược (Reverse Current): Là dòng điện mà zener diode cho phép chạy

qua nó khi được kết nối ngược Điều này được xác định bởi điện áp ngược và dòng tối đa mà diode có thể chịu được trước khi bị phá hủy

Điện trở ngược (Reverse Resistance): Điện trở ngược của zener diode là một

đặc tính quan trọng, đo lường sự thay đổi của dòng điện ngược theo điện áp ngược Điện trở ngược được định nghĩa là đạo hàm của đồ thị I-V của diode tại điểm hoạt động

Điện áp phá vỡ ngược (Reverse Breakdown Voltage): Điện áp phá vỡ ngược

là điện áp tối đa mà zener diode có thể chịu trước khi bắt đầu dẫn ngược mạnh mẽ

Điện trở thuận (Forward Resistance): Điện trở thuận của zener diode thường

rất nhỏ trong ứng dụng tính đến điện áp ổn định, nhưng không cần thiết để diode ổn áp hoạt động

Thời gian đáp ứng (Response Time): Thời gian mà zener diode cần để phản

ứng và bắt đầu dẫn khi điện áp áp dụng ngược thay đổi đột ngột Thời gian đáp ứng này thường rất nhỏ

Nhiệt độ hoạt động (Operating Temperature): Hiệu suất của zener diode

cũng phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ cao có thể làm giảm hiệu suất và độ ổn định của zener diode

Ứng dụng: Zener diode được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử như

nguồn cấp điện ổn định, bộ phân cực, bộ lọc, bảo vệ điện từ và nhiều ứng dụng khác Đặc tính ổn định của nó khi áp dụng ngược làm cho nó trở thành một thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử

1.3.2 Sơ đồ nguyên lý

Biến trở Pl để điều chỉnh điện áp đặt vào hai đầu Diode-zenner Khi phân cực thuận cho Diode-zenner, diode hoạt động ở bình thường Khi phân cực ngược với điện áp đủ lớn, diode làm việc ở chế độ đánh thủng Dòng điện tạo nên nhờ hiệu

ứng thác lũ và hiệu ứng Zenner Dòng qua diode lớn (nên thường dùng diode loại Si) Khi đó điện áp trên diode Zenner luôn giữ ổn định.

Vùng (3) của đặc tuyến (vùng bị đánh thủng) được sử dụng để ổn định điện áp

1.3.3 Các bước thực hiện, kết quả đo

a Zener Diode với phân cực thuận

1 Dùng dây nối A với A3 Nổi nguồn 0/15 * V với chốt V cho mảng mạch A 1-1d vec e mắc phâncực thuận cho diode D3 trong mảng A1-1 như hình A 1-lc(1)

2 Mắc các đồng hồ đo :Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo - Đồng hồ đo sụt thế trên diode : Nối các chốt đồng hồ đo (V) của mạch Al - 1 với đồng hồ đothế Khoảng đo đặt ở 20V DC - Đồng hồ đo dòng qua diode: Nối các chốt đồng hồ đo (mA) của mạch A1-1 với đồng hồ đodòng Khoảng đo 20mA DC

3 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị BE-A11 Chỉnh nguồn để có V = 12V DC.Vẫn biến trởP1 cực đại Ghi giá trị dòng chảy qua diode Ip và sụt thế Up trên diode vào bảng A1.5

4 Giảm từng bước biến trở PI Tại mỗi bước ghi giá trị dòng chảy qua và sụt thế trên diodevào bảng A1.5 Chú ý xác định vị trí ngưỡng mà tại đó dòng qua diode

có sự thay đổi độtngột

Bảng A1.5

I

b Zener Diode với phân cực ngược

1 Nối nguồn 0:-15V của BE-A11 với chốt V cho mẳng mạch A1-1 để mắc phân cực ngược cho diode D3 trong mảng A1-1 như hình A1-1c(2) Đồng hồ đo dòng vẫn đặt ở khoảng đo 20mA DC Chú ý : mắc đúng phân cực đồng hồ đo

2 Đặt thế thể nuôi DC là -12V DC, vận biến trở P1 để dòng qua D3 - 5mA Giảm thể nuôi xuống dưới -8V2, sau đó vận biến trở chỉnh nguồn thay đổi theo từng bước -9V, -10V, -11V, - 12V DC, -13V, -14V, -15V Ứng với mỗi giá trị V, ghi dòngchảy qua I, và sụt thế Ủa trên D3 vào bảng A1.6

3 Từ kết quả đo, tính hệ số ổn áp của Zener: Giá trị thay đổi thế ra trên Zenerẞ

4 Với kết quả đo được trên bảng A1.5 và 1.6, vẽ đồ thị biểu diễn đặc trưng Ampere của Zener Diode, 1 = f(V) trong đó dòng 1 biểu diễn trên trục y và sụt thế

VoltV trên trục x Nhânh thuận về ở cung phần tư +x+y, nhánh ngược về cung phần tư x,-y

-1.4 DIODE PHÁT QUANG (LED)

1.4.1 Đặc trưng

Điện áp chuyển động (Forward Voltage Drop): Thấp, thường từ 1.5V đến 4V.

Hiệu suất phát quang (Luminous Efficiency): Đo lường khả năng chuyển đổi

Tuổi thọ (Lifespan): Cao, có thể hoạt động hàng nghìn giờ.

Ứng dụng: Đèn LED, hiển thị, đèn chiếu sáng, sản phẩm điện tử và nhiều ứng

dụng khác

1.4.2 Sơ đồ nguyên lý

Cơ chế hoạt động của LED: Khi có điện áp thuận đặt vào, hàng rào thế giảm tạo điều kiện cho dòng điện chảy qua Điện tử từ miền n được tăng tốc sang miền p tái hợp với lỗ trống, phần năng lượng dư được giải phóng dưới dạng ánh sáng Cường

độ sáng của LED tỷ lệ với dòng điện chảy qua diode Dòng cỡ vài mA thì nhìn rõ ánh sáng bức xạ của LED

1.4.3 Các bước thực hiện, kết quả đo

1.Nồi chốt cấp nguồn V của mảng mạch Al-1 với nguồn điều chỉnh 0+15V của A11 Đặt thế nguồn cấp ở +12V DC

BE-2 Mắc các đồng hồ đo Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo

- Đồng hồ đo sụt thế trên LED: Nối các chốt đồng hồ đo (V) của mạch A1-1 với đồng hồ đo thế Khoảng đo đặt ở 20V DC.

- Đồng hồ đo dòng qua diode: Nối các chốt đồng hồ đo (mA) của mạch A1-1 với đồng hồ đo dòng Khoảng đo 20mA DC

3 Dùng dây nối A với A4 để mắc phân cực thuận cho LED màu đỏ D4 (hình 1d) Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị BE-A11

A1-4.Vận biến trở P1 để dòng chảy qua LED là 16mA Ghi giá trị dồng vào bảng A1.7

5 Giảm thế nuôi (vẫn biến trở nguồn BE-A11) cho đến khi LED tắt hẳn, sau đó tăng dần thế cho đến khi LED sáng Ghi giá trị thế và dòng đo được vào bảng A1.7

6 Thay LED đỏ bằng LED xanh (D5), vàng (D6), cam (D7), khi nối lần lượt chốt

A với A5 A6, A7 Lặp lại các bước 4-5

Ghi giá trị dòng điện chảy qua LED : 12, 13, 14, và sụt thế trên LED tương ứng V2, V3, V4, vào bảng A1.7 cho các LED màu tương ứng

LED đỏ Điểm bắt đầu sáng Sáng trung bình Sáng rõThế nuôi +V

Dòng qua LED – I 1

Sụt thế trên LED – V1

LED xanh Điểm bắt đầu sáng Sáng trung bình Sáng rõ

Chuyển đổi tín hiệu biến thiên thành tín hiệu chỉnh lưu nửa chu kỳ.

Cấu trúc đơn giản với tụ điện, điện trở và diode

Nhận tín hiệu AC đầu vào và tạo ra tín hiệu chỉnh lưu nửa chu kỳ

Thường được sử dụng trong các ứng dụng biến đổi điện áp hoặc bộ chỉnh lưu.Hiệu suất và ổn định phụ thuộc vào thiết kế và điều kiện làm việc

1.5.2 Sơ đồ nguyên lý

Khi u v ở nứa chu kỳ dương, UAK > 0, diode DI thông Điện trớ nội của diode Rj

« RI nên thế lối ra U R có giá trị gán báng Uy Nứa chu kỳ âm của uv thì U AK < 0nên diode DI cấm Điện trớ cùa diode R j» R 1 nên Ur ~ 0

Dạng tín hiệu như sau:

của thiết bị chính ATS-11N với chốt A(D1) và chốt B cúa sơ đồ A l-3a Bật điện nguồn cho thiết bị chính

3 Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu tại các điểm A và T Vẽ dạng sóng tương ứng

4 Ghi giá trị thế đinh cho mỗi dạng sóng, chu kỳ tín hiệu

5 Giải thích sự khác nhau cho dạng sóng tại A và T và sự chênh lệch thê đinh tương ứng

1.6 Sơ đồ chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ

1.6.1 Đặc trưng

Biến đổi AC thành DC bằng cách sử dụng cả hai nửa chu kỳ của tín hiệu vào

Sử dụng bốn diode để thực hiện quá trình chỉnh lưu

Tín hiệu đầu ra là sóng chỉnh lưu đầy đủ

Thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu năng suất cao hơn và mức độchỉnh lưu tốt hơn

Có thể có hiệu suất cao hơn so với sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ

1.6.2 Sơ đồ nguyên lý

Nối chốt T với chốt 1 Cấp tín hiệu xoay chiều Nừa chu kỳ dương của u v, DI mớ, D2 cấm Dòng điện qua DI qua RI và UR~UV Nửa chu kỳ âm cùa u v, diode Dl câm, D2 thông Dòng điện qua D2 qua RI và UR~UV

Vậy cả hai chu kỳ đều có dòng điện qua RI theo một chiều không đổi Ta thấy trên hình vẽ UR đỡ mấp mô hơn so với chinh lưu nứa chu kỳ

3 Ghi giá trị thế đỉnh cho mỗi dạng sóng, chu kỳ của tín hiệu

4 Giải thích sự khác nhau dạng sóng tại A, D2, T và sự chênh lệch thế đỉnh tương ứng

5 Phân tích sự khác nhau giữa chỉnh lưu một nửa và hai nửa chu kỳ

1.7 SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU CẦU

1.7.1 Đặc trưng

Biến đổi AC thành DC bằng cách sử dụng bốn diode theo dạng cầu

 Tín hiệu đầu ra là sóng chỉnh lưu đầy đủ.

 Có hiệu suất cao hơn và giảm tổn thất điện áp so với sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ hoặc hai nửa chu kỳ

 Thích hợp cho nhiều ứng dụng trong điện tử

1.7.2 Sơ đồ nguyên lý

Trong từng nứa chu kỳ của Uva,„ một cập diode có anot dương nhất và catot âm nhất mờ cho dòng điện 1 chiều qua R, cặp diode còn lại đóng và chịu điện áp ngược cực đại bằng biên độ u >m

Giả sử trong nửa chu kỳ dương cùa u v, một cặp diode D5 D4 mỡ, cặp D3, D6 đóng, cho dòng điện qua R l Nửa chu kỳ âm cùa Uv cập D3, D6 mớ, cặp D5, D4 đóng, dòng qua RI có chiều không đổi

1.7.3 Các bước thực hiện

1 Cấp nguồn xoay chiều (AC) cho mảng A 1-3 Nối chốt T với chốt 2 (sơ đổ hình

A l-3b) đê khảo sát mạch chỉnh lưu cầu trẽn D3-D6 Nối nguồn xoay chiểu ~0V

~9V của thiết bị chính ATS-1 IN với chốt C-D của sơ đồ A 1-3 Bật điện nguồn chothiết bị chính