Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 1 potx

1 Mục đích : Khảo sát nguyên lý hoạt động của các loại diode và các sơ đồ ứng dụng của các loại diode này. phần lý thuyết 1. đặc trng của diode 1.1. Đặc tính của lớp tiếp xúc n p Tất cả các loại diode đều có nguyên tắc hoạt động dựa vào đặc tính lớp tiếp giáp p - n của 2 loại bán dẫn : Loại p và loại n. Do sự khuyếch tán (gồm dòng khuyếch tán của các hạt đa số gọi là dòng khuyếch tán I KT và của các hạt thiểu số theo chiều ngợc lại gọi là dòng trôi I trôi ) của điện tử và lỗ trống nên tại lớp tiếp xúc p - n hình thành một lớp điện tích khối và tạo ra một hiệu điện thế tiếp xúc U tx . Lúc cân bằng U tx có giá trị không đổi, ở nhiệt độ phòng tx U 0,3V đối với Ge và tx U 0,6V đối với Si. Khi đặt một hiệu điện thế vào lớp tiếp xúc trạng thái cân bằng bị phá vỡ. Có 2 khả năng xẩy ra: - Điện trờng ngoài E ng cùng chiều với điện trờng tiếp xúc E tx : Khi đó điện trờng ngoài tập trung chủ yếu chỗ tiếp xúc và điện trờng tổng cộng tăng làm cho dòng khuếch tán giảm tới 0 (I kt = 0) và dòng trôi nhanh chóng đạt giá trị bão hoà gọi là dòng ngợc bão hoà. Đó là hiện tợng phân cực ngợc. - Điện trờng ngoài E ng ngợc chiều E tx : Khi đó điện trờng tổng hợp giảm và dòng khuyếch tán gia tăng. Đó là hiện tợng khuếch tán hạt dẫn đa số qua vùng tiếp xúc và nó tạo ra một dòng điện từ p sang n. Đó là hiện tợng phân cực thuận. Vậy khi có điện trờng ngoài, lớp tiếp xúc p - n có tính chất dẫn điện 1 chiều. Đó là hiệu ứng chỉnh lu. + Phân cực thuận (U AK > 0) dòng điện tạo bởi hạt dẫn đa số có giá trị lớn qua lớp tiếp xúc p - n mở. + Phân cực ngợc (U AK < 0) dòng điện qua lớp tiếp xúc là dòng các hạt thiểu số (dòng trôi) có giá trị nhỏ. Lớp tiếp xúc p - n khoá. (U AK là hiệu điện thế giữa miền bán dẫn loại p và miền bán dẫn loại n). Bài 1 Diode các loại - đặc trng và sơ đồ ứng dụng 2 Dựa vào nguyên tắc đó ngời ta chế tạo ra các loại diode bán dẫn. 1.2. Đặc trng Von-Ampe và các tham số cơ bản của diode bán dẫn Diode bán dẫn gồm 1 lớp tiếp xúc p - n và 2 điện cực nối ra ngoài. Cực nối với miền p gọi là Anốt, cực nối với miền n gọi là Katốt. Khi thay đổi hiệu điện thế đặt vào diode thì dòng qua nó cũng thay đổi theo. Đờng biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện qua diode vào hiệu điện thế ngoài gọi là đặc trng Von-Ampe của diode. (Xem hình 1-1a). Đờng đặc trng có 3 vùng: Vùng (1) là vùng phân cực thuận, vùng (2) là vùng phân cực ngợc, vùng (3) là vùng đánh thủng. Cơ chế tạo thành dòng điện ở vùng (1) và vùng (2) là cơ chế tạo thành dòng khuyếch tán các hạt đa số I kt và dòng trôi của các hạt thiểu số tr I đã trình bày ở phần trên. 0,2 0,3 0,6 U AK (V) I A (mA) (2) Ge Si -15 -10 - 5 20 40 80 100 60 Si Ge (1) (3) Hình 1 - 1a Cơ chế đánh thủng ở vùng (3) : Khi U AK < 0 và có giá trị đủ lớn dòng điện ngợc tăng đột ngột trong khi điện áp U AK không tăng. Tính chất chỉnh lu của diode bị phá huỷ và có thể làm hỏng lớp tiếp xúc p - n. Có 2 cơ chế đánh thủng: - Đánh thủng về nhiệt độ (T o ): ở nhiệt độ cao tại miền p - n các hạt tải điện không cơ bản đợc gia tốc bởi điện trờng mạnh, khi va chạm gây nên sự ion hoá và tạo ra hiện tợng thác lũ, các hạt tải điện tăng lên ồ ạt làm I tăng đột biến, điều đó lại làm T o tăng cứ nh vậy có thể làm hỏng lớp tiếp xúc pn . - Đánh thủng vì điện (do 2 hiệu ứng): đánh thủng do ion hoá do va chạm giữa các hạt thiểu số đợc gia tốc bởi điện trờng mạnh cỡ 10 5 V/cm với các nguyên tử bán dẫn thờng xẩy ra ở các mặt tiếp xúc rộng (hiệu ứng Zener) và 3 hiệu ứng xuyên hầm (Tuner) xẩy ra ở các lớp tiếp xúc hẹp. Đó là hiện tợng nhảy mức trực tiếp của điện tử hoá trị bên bán dẫn p xuyên qua hàng rào thế tiếp xúc sang miền bán dẫn n. Tính dẫn điện của diode cũng nh transistor thay đổi nhiều theo nhiệt độ. Một số tham số cơ bản của diode bán dẫn. - Các tham số giới hạn: + Điện áp ngợc cực đại: Thờng chọn U ng max = 0,8 U đt U đt là hiệu điện thế đánh thủng. + Dòng cho phép cực đại lúc mở : I m max + Công suất tiêu hao cực đại : P th max + Tần số giới hạn để còn tính chất chỉnh lu : f max - Các tham số định mức: + Điện trở 1 chiều : R đ A AK I U = + Điện trở vi phân (xoay chiều): r đ A AK dI dU = + Điện dung tiếp xúc n p : C = C kt + C rào C kt : Chỉ phụ thuộc vào điện áp thuận (cỡ vài PF). C rào : Chỉ phụ thuộc vào điện áp ngợc (cỡ 0,2 PF). 1.3. Diode chỉnh lu Dựa vào tính chất chỉnh lu (van) của lớp tiếp xúc np . Cơ chế tạo thành dòng điện và đặc trng Von-ampe của diode chỉnh lu giống nh đối với lớp tiếp xúc np đã khảo sát ở phần 1 và 2. 1.4. Diode ổn áp (Zener) Khác với diode chỉnh lu, diode Zener thờng xuyên làm việc ở chế độ phân cực ngợc. Dòng điện tạo nên nhờ hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng đờng hầm. Nó làm việc ở chế độ dòng lớn nên thờng là diode Silíc tiếp mặt. - Đặc trng Von-Ampe của diode Zener nh hình 1- 1b. Vùng (1) và (2) giống nh diode thờng, vùng (3) mới có ứng dụng quan trọng. - Các tham số cơ bản. + Điện áp ổn áp U Z : là điện áp phát sinh hiện tợng đánh thủng, nó thờng ổn định trong khi làm việc. + Trở kháng động : Z đ = Z Z dI dU Z đ càng nhỏ tính ổn định càng cao. 4 I P U Z ' U Z U Z " I Z0 I ZM I Z I I (1) (3) U I Z0 I ZM I Z I (2) z z dz dI dU Z = Hình 1.1b + Điện trở tĩnh : Z Z I U R = + Điện trở lối ra : r r r I U R = R r càng nhỏ càng tốt. + Hệ số ổn định : z z z z U dU I dI Z = Hệ số ổn định càng lớn càng tốt. + Hệ số nhiệt độ : constI dT dU U Z Z Z T = = . 1 Sự phụ thuộc của điện áp ổn định vào nhiệt độ có thể tính bằng công thức: [ ] )(1 0 oZZ TTUU + = U Z0 là điện áp ổn định của diode ở nhiệt độ T o + Công suất tiêu tán cực đại P max : là công suất lớn nhất mà diode còn hoạt động bình thờng. 1.5. Diode phát quang (LED) Là loại diode phát sáng khi có dòng điện thuận chạy qua. Cơ chế phát sáng có thể tóm tắt nh sau: Khi có điện áp thuận đặt vào diode, hàng rào thế giảm tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua (gồm có dòng điện tử và lỗ trống nhng dòng điện tử là chủ yếu). Điện tử từ miền n đợc tăng tốc chạy sang miền p tái hợp với lỗ trống, phần 5 năng lợng d đợc giải phóng dới dạng ánh sáng. Cờng độ sáng của LED tỉ lệ với dòng điện chạy qua diode. Dòng cỡ vài mA đã phát rất mạnh ánh sáng bức xạ của LED Với những vật liệu khác nhau ánh sáng phát ra của LED cũng có màu sắc khác nhau. Đặc trng Von-Ampe của LED ở vùng thuận và ngợc giống nh diode thờng. Điện áp thuận của LED từ 1V đến 4V. Còn điện áp ngợc cỡ 5V đến 50V. 1.6. Bộ hạn chế tín hiệu dùng diode - Bộ hạn chế trên: Hình 1- 2a là sơ đồ mạch điện và dạng tín hiệu vào và ra của bộ hạn chế. Từ sơ đồ mạch điện ta thấy khi U v < E diode thông và tín hiệu ra giống nh tín hiệu vào còn khi U v > E diode cấm và U r = E. + o - o U vào U ra D E R U ng U vào E E t t U đ U ra1 U ra U max U ra2 Hình 1.2a - Bộ hạn chế dới : Hình 1-3a là mạch điện và tín hiệu vào và ra của bộ hạn chế dới. Khi U v > E diode thông và U r giống nh U v . Khi U v < E diode cấm và U r = E. 6 U max E+ 0,6V t E U ra1 U ra2 t U ra + o - o U vào D E R U ng U đ U vào U ra Hình 1.3a 1.7. Bộ dịch mức điện áp 1 chiều - Hạ thấp mức điện áp: Hình 1.4a là mạch điện và tín hiệu lối vào và lối ra của bộ hạ mức điện áp. t U v U U r o o o o Uv - U C R U r D Q t -U 0,6 V o Hình 1.4a Diode đợc phân cực thuận nên điện áp 1 chiều 0,6V U đặt vào điểm Q. Do đó tín hiệu ra (gồm điện áp xoay chiều trên nền điện áp một chiều nh hình vẽ 1.4a). - Nâng mức điện áp 1 chiều : Hình 1.5a là mạch điện và tín hiệu lối vào và 7 lối ra của bộ dịch mức điện áp. Giải thích tơng tự cho kết quả là điện áp lối ra đợc nâng lên 1 lợng bằng VU 6,0 so với tín hiệu vào. U r t U o U V o o o o Uv + U C R Ur D P t - 0,6V +U Hình 1.5a 2. các mạch Chỉnh lu, vi phân và tích phân Bộ chỉnh lu là bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều : Nó dùng làm nguồn nuôi trong các thiết bị điện tử và công nghiệp. Giả sử có một tín hiệu điều hoà tUU m cos = qua một yếu tố phi tuyến, ở lối ra ta sẽ có tín hiệu bao gồm thành phần 1 chiều U o và các thành phần điều hoà với tần số bằng bội của . Nếu dùng một bộ lọc để tách chỉ lấy thành phần 1 chiều ta sẽ có bộ chỉnh lu. Vậy cấu trúc bộ chỉnh lu gồm: - Yếu tố phi tuyến: Có thể sử dụng một trong số các dụng cụ sau: Đèn điện tử hai hay nhiều cực, đèn bán dẫn hai hay nhiều cực, đèn chứa khí - Mạch lọc: Để tách lấy thành phần 1 chiều. - Để có điện áp xoay chiều theo yêu cầu ngời ta dùng 1 biến thế điện để đổi điện áp mạng điện thành điện áp phù hợp với yêu cầu. Trong bài này ta chỉ xét đến bộ chỉnh lu dùng diode bán dẫn. Nguyên tắc dựa vào hiệu ứng chỉnh lu (van) của lớp tiếp xúc n p (dẫn điện tốt theo 1 chiều và hầu nh cách điện theo chiều ngợc lại). Sau đây ta xét một vài sơ đồ chỉnh lu dùng diode bán dẫn). 2.1. Chỉnh lu nửa chu kỳ Đây là sơ đồ chỉnh lu đơn giản nhất đợc vẽ trên hình 1.6a BT: là biến thế. D : là diode bán dẫn, là phần tử phi tuyến. C : Tụ điện tham gia bộ lọc để tách lấy thành phần 1 chiều. 8 D CR U r ~ 2 U ~ 1 U BT ~~ I đ U 2 U R khi có tụ U R không có tụ U R U AK t t Hình 1.6a Hoạt động của bộ chỉnh lu: - Xét khi cha có tụ C: U 2 ở nửa chu kỳ dơng U AK > 0 diode D thông. Điện trở nội của diode RR d + < < nên thế lối ra U r có giá trị gần bằng U 2 . Nửa chu kỳ âm của U 2 thì U AK < 0 nên diode D cấm. Điện trở của diode RR d >> nên U r 0 (hình 1.6a). - Trờng hợp lối ra của sơ đồ mắc thêm tụ C : Khi D thông (nửa chu kỳ dơng của U 2 ) U r tăng, tụ C nạp điện qua diode D rất nhanh vì hằng số thời gian n = RC d + . khá nhỏ. Khi D cấm (nửa chu kỳ âm của U 2 ) tụ C phóng điện qua R vì RR d >> + nên hằng số thời gian phóng n = RC rất lớn. Tụ C phóng chậm nên thế U r bây giờ có dạng gần giống thế 1 chiều. Nếu chọn C càng lớn thì U r càng ít mấp mô hơn. 2.2. Chỉnh lu cả chu kỳ Để nâng cao hiệu suất của dòng điện xoay chiều và chất lợng của bộ chỉnh lu ngời ta sử dụng bộ chỉnh lu 2 nửa chu kỳ (cả chu kỳ): Sơ đồ mạch và giản đồ thời gian của U 21 và U 22 và U r đợc vẽ nh hình 1.7a. 9 ~ ~ ~ V A B t U 22 t U ra U ra khi có tụ U ra không có tụ t U 21 Hình 1.7a Hoạt động của sơ đồ đợc giải thích nh sau: - Xét khi cha có tụ C: Tơng tự nh trên ta có: Nửa chu kỳ dơng của U 21 so với điểm chung cũng là nửa chu kỳ âm của U 22 diode D 1 thông, D 2 cấm dòng điện qua D 1 qua R và U r U 21 . Nửa chu kỳ dơng của U 22 so với điểm chung cũng là nửa chu kỳ âm của U 21 diode D 1 cấm, D 2 thông dòng điện qua D 2 qua R và U r U 22 . Vậy cả 2 nửa chu kỳ đều có dòng điện qua R theo 1 chiều không đổi từ A đến B. Ta thấy trên hình vẽ U r đỡ mấp mô hơn so với chỉnh lu nửa chu kỳ. - Khi có tụ C: Lý luận tơng tự nh chỉnh lu nửa chu kỳ. Lúc nạp tụ C có hằng số thời gian nhỏ lúc phóng có hằng số thời gian lớn nên U r phẳng hơn. 10 Chỉnh lu cả chu kỳ ta tận dụng đợc hiệu suất dòng điện cả chu kỳ và U r ít mấp mô hơn nhng nó có nhợc điểm là cuộn thứ cấp của biến thế có số vòng gấp đôi. Để khắc phục nhợc điểm này ngời ta sử dụng mạch chỉnh lu cầu. 2.3. Chỉnh lu cầu Sơ đồ mạch điện chỉnh lu cầu và giản đồ thời gian của U 2 và U r biểu diễn trên hình 1.8a. ~ ~ t U 2 t U ra U ra khi có tụ U ra không có tụ Hình 1.8a Trong từng nửa chu kỳ của U 2 một cặp diode có Anốt dơng nhất và Katốt âm nhất mở cho dòng điện 1 chiều ra R, cặp diode còn lại đóng và chịu điện áp ngợc cực đại bằng biên độ U 2m . Giả sử nửa chu kỳ dơng của U 2 cặp diode D 1 D 3 mở, cặp diode D 2 D 4 đóng, nửa chu kỳ cho dòng điện qua R từ A đến B. Nửa chu kỳ âm của U 2 cặp diode D 1 D 3 đóng, cặp diode D 2 D 4 mở cho dòng điện qua R theo chiều không đổi. Ưu điểm của sơ đồ cầu là điện áp ngợc đặt vào một diode đóng chỉ bằng nửa so với 2 sơ đồ trên. Kết cấu thứ cấp biến áp đơn giản. 2.4. Bộ nhân thế Là mạch điện mà điện áp lối ra là bội số của điện áp lối vào. Sau đây ta [...]... A 1- 1 1 Tính giá trị trung bình của k = ? 4.2.4 Giải thích vai trò các yếu tố trong sơ đồ Bảng A 1- 1 1 Kiểu Nội dung DSW 1 DSW 2 Hằng số thời gian Dạng & 4 5 6 7 8 6 7 8 biên độ T=R.C Tx(đo) k 1 Tích phân 1 0 0 1 0 0 1 0 0 2 Tích phân 2 0 0 0 1 0 1 0 0 3 Tích phân 3 0 0 0 0 1 1 0 0 4 Tích phân 4 0 0 0 0 1 0 1 0 5 Tích phân 5 0 0 0 0 1 0 0 1 6 Tích phân 5 1 0 0 1 0 0 1 0 có cắt xung 7 Tích phân 5 0 1 0 1. .. 1. 2 Ge - Diode (Germanium Diode) Nhiệm vụ: Sinh viên xác định bằng thực nghiệm các đặc trng Volt - Ampere của Ge - Diode Dựa trên kết quả, nêu đặc điểm nối Ge - Diode trong sơ đồ điện tử Các bớc thực hiện: 1. 2 .1 Ge - Diode với phân cực thuận: 1. 2 .1. 1 Dùng dây nối A với A2 Nối nguồn +12 V với chốt V cho mảng sơ đồ A 1- 1 để mắc phân cực thuận cho diode D2 trong mảng sơ đồ A 1- 1 nh hình A 1- 1b1 1. 2 .1. 2 Mắc... mảng sơ đồ hình A 1- 1 DIODE CHARACTERISTICS: Các đặc trng của diode 13 1. 1 Si - diode (Silicon Diode) Nhiệm vụ: Sinh viên xác định bằng thực nghiệm các đặc trng Volt - Ampere của Si Diode Dựa trên kết quả, nêu đặc điểm mắc Si - Diode trong sơ đồ điện tử Các bớc thực hiện: 1. 1 .1 Si - Diode với phân cực thuận: 1. 1 .1. 1 Dùng dây nối A với A1 Nối nguồn +12 V với chốt V cho mảng sơ đồ A 1- 1 để mắc phân cực... đo) 1. 1 .1. 3 Bật điện nguồn nuôi cho thiết bị chính Vặn biến trở P1 cực đại Ghi giá trị dòng chảy qua diode IF và sụt thế UF trên diode vào bảng A 1- 1 1. 1 .1. 4 Giảm từng bớc biến trở P1 Tại mỗi bớc, ghi giá trị dòng chảy qua và sụt thế trên diode vào bảng A 1- 1 Chú ý xác định giá trị ngỡng mà tại đó dòng qua diode đo có sự thay đổi đột ngột 14 Bảng A 1- 1 IF UF 1. 1.2 Si - Diode với phân cực ngợc: 1. 2.2 .1. .. ngợc: 1. 3.2 .1 Nối nguồn 0: -1 5V với chốt V cho mảng sơ đồ A 1- 1 để mắc phân cực ngợc cho diode D3 trong mảng sơ đồ A 1- 1 nh hình A1 - 1c2 18 Đồng hồ đo dòng hiện số DIGITAL mA METER của thiết bị chính Khoảng đo đặt ở 20mA 1. 3.2.2 Đặt thế nguồn nuôi DC là 12 V Vặn biến trở P1 để dòng qua D3 ~ 5mA Giảm thế nuôi xuống dới 8V2 Sau đó vặn biến trở chỉnh nguồn thay đổi theo từng bớc 9V, 10 V, 11 V, 12 V, 13 V, 14 V,... nguyên lý đợc vẽ trên hình 1. 10a Tầng thứ n Tầng thứ nhất o ~ U1 ~ U2 o + + D1 Dt + + C2 C1 o UR o Hình 1. 10a 2.5 Mạch vi phân và tích phân - Mạch vi phân : Trên hình 1. 11a nếu thoả mãn điều kiện: RC > 1 thì mạch này trở thành mạch truyền - Mạch tích phân : Hình 1. 12a là mạch tích phân... biến trở P1 cực đại Ghi giá trị dòng chảy qua diode IF và sụt thế UF trên diode vào bảng A 1- 3 1. 2 .1. 4 Giảm từng bớc biến trở P1 Tại mỗi bớc, ghi giá trị dòng chảy qua và sụt thế trên diode vào bảng A 1- 3 Chú ý xác định giá trị ngỡng mà tại đó 16 dòng qua diode đo có sự thay đổi đột ngột Bảng A 1- 3 IF UF 1. 2.2 Ge - Diode với phân cực ngợc: 1. 2.2 .1 Nối nguồn - 12 V với chốt V cho mảng sơ đồ A 1- 1 để mắc... bảng A 1- 1 0 Chú ý: Các công tắc không có trong bảng để ở OFF Ký hiệu 1 là có nối, 0 là không nối 4 .1. 4 Theo kết quả thu đợc tìm mối liên hệ giữa hằng số thời gian tính theo tích số R.C cho mỗi mạch với giá trị t đo đợc 31 Bảng A 1- 1 0 Kiểu Nội dung DSW 1 DSW 2 Hằng số thời gian Dạng & 1 2 3 1 2 3 4 5 biên độ T=RC Tx(đo) k 1 Vi phân 1 1 0 0 1 0 0 0 0 2 Vi phân 2 0 1 0 1 0 0 0 0 3 Vi phân 3 0 0 1 1 0 0... các đặc trng V - A giữa Ge - Diode và Si - Diode 1. 3 Diode ổn áp (Zener Diode) Nhiệm vụ: Sinh viên xác định bằng thực nghiệm các đặc trng Volt - Ampere của Zener - Diode Dựa trên kết quả, nêu đặc điểm mắc Zener - Diode trong sơ đồ điện tử Các bớc thực hiện: 1. 3 .1 Zener - Diode với phân cực thuận: 1. 3 .1. 1 Dùng dây nối A với A3 Nối nguồn 0 +15 V với chốt V cho mảng 17 sơ đồ A 1- 1 để mắc phân cực thuận cho... Bảng A 1- 2 IR UR 1. 1.3 Với kết quả đo đợc trên bảng A 1- 1 và 1. 2, vẽ đồ thị biểu diễn đặc trng volt- Ampere của Si - Diode I = f(V), trong đó dòng I biểu diễn theo trục y và thế V biểu diễn theo trục x Nhánh thuận vẽ ở góc +x, +y, nhánh ngợc vẽ ở góc x, y (Vẽ đồ thị vào trong bài báo cáo) 1. 1.4 Nhận xét kết quả về đặc điểm mắc thuận - ngợc của Si - Diode 15 và đặc trng Volt- Ampere của Si - Diode 1. 2 . Dùng dây nối A với A1. Nối nguồn +12 V với chốt V cho mảng sơ đồ A 1- 1 để mắc phân cực thuận cho diode D1 trong mảng sơ đồ A 1- 1 nh hình A 1- 1a1. 1. 1 .1. 2 Mắc các đồng hồ đo : - Đồng hồ đo sụt thế. cực thuận: 1. 3 .1. 1 Dùng dây nối A với A3. Nối nguồn 0 +15 V với chốt V cho mảng 18 sơ đồ A 1- 1 để mắc phân cực thuận cho diode D3 trong mảng sơ đồ A 1- 1 nh hình A 1- 1 c1. 1. 3 .1. 2 Mắc các đồng. bảng A 1- 6 . Bảng A 1- 6 V V2 9V 10 V 11 V 12 V 13 V 14 V 15 V I R U R 1. 3.2.3 Với kết quả đo đợc trên bảng A 1- 5 và 1. 6, vẽ đồ thị biểu diễn đặc trng volt- Ampere của Zener - Diode