DIODE 1 / 7 Chương 2. DIODE 1. Cấu tạo, kí hiệu và phân loại: Diode c k hiu v hnh dng như (Hnh 2.1). Hai đu gi l Anode v Katod. Chiu phân cc thun k hiu l F v chiu phân cc ngưc k hiu l R. (a) K hiu diode chnh lưu (b) Hnh dng Diode Hnh 2.1 - K hiu v hnh dng Diode Diode cấu tạo gồm 2 lớp bán dẫn P và N nối với nhau. Do có s chênh lch mt độ 1 đin tử giữa 2 lớp, tại vùng tiếp giáp P-N (depletion region) có s dịch chuyển đin tử (electron) từ vùng N (mt độ đin tử lớn) sang vùng P (mt độ lỗ trống lớn). S dịch chuyển ny lm cho vùng N tch đin dương (do mất electron) v vùng P tch đin âm, v do đ hnh thnh nên một hiu đin thế tiếp giáp. S dịch chuyển đin tử do chênh lch mt độ càng lớn th đin thế tiếp giáp càng lớn v đến một lúc no đ tạo ra s cân bằng động: số lưng đin tử dịch chuyển từ N sang P (do chênh lch mt độ) bằng với số lưng đin tử dịch chuyển từ P sang N (do đin thế tiếp giáp). Hnh 2.2 - Mối nối P-N phân cc ngưc Khi đặt đin áp âm vào cc P v dương vo cc N ( 2 ) : (Hnh 2.2) Đin thế đặt vào cùng chiu với đin thế tiếp giáp, vùng tiếp gip đưc mở rộng ra. Khi p ngoi chưa đủ lớn, sẽ không c dòng đin qua diode. Khi p ngoi đủ lớn 3 , c dòng đin qua diode nhưng đồng thời cũng đnh thủng diode. 1 Đin tử sẽ dịch chuyển từ nơi c mt độ cao sang nơi c mt độ thấp hơn. 2 Gi là phân cc ngưc. 3 Với diode chỉnh lưu đin p ny thường phải rất lớn vi trăm volt đến vài nghìn volt DIODE 2 / 7 Hnh 2.3 - Mối nối P-N phân cc thun Khi đặt đin p dương vo cc P v đin áp âm vào cc N: (Hnh 2.3) Vùng chuyển tiếp thu hẹp lại. Nếu áp ngoài lớn hơn đin áp chuyển tiếp, sẽ c dòng đin qua diode. Lúc ny diode đưc gi l phân cc thun. Da vào ứng dụng của Diode, người ta chia Diode thành các loại sau: Line frequency Diode: Loại Diode ny thường đưc dùng trong các ứng dụng chỉnh lưu. Chúng có thông số v đin áp (~5kV) v dòng đin (~5kA) hoạt động cao nhất trong các loại diode, đặc tính chịu quá dòng, quá áp rất tốt (giá trị gai khoảng gấp 6 ln giá trị trung bình). Bù lại chúng có cc đặc tính phục hồi ngưc lớn (Q rr và t rr ). Fast recovery diodes: Loại Diode ny c đặc tính phục hồi ngưc bé (~1 us). Chúng có thể đạt công suất cao v thường đưc dùng trong các ứng dụng đng ngắt nhanh như mạch DC-DC, chỉnh lưu. Schottky rectifiers: Là loại diode chỉnh lưu nhanh nhất, không bị hin tưng phục hồi ngưc, đin áp phân cc thun thấp (0.2V). Tuy nhiên chúng chỉ có thể đạt đin áp chịu đng hng trăm volts. Chúng thường đưc sử dụng trong các ứng dụng đo lường. 2. Đặc tính hoạt động: 2.1. Đặc tính lý tưởng - Diode là một kha điện t: Hình 2.4 - Mô hình diode lý tưởng Đặc tnh lý tưởng Diode là một kha đin tử. Khóa hở khi phân cc ngưc, kha đng khi phân cc thun. Khi đng (nối mạch), c rơi p qua diode. Với diode Si, rơi p khoảng 0.7V ; với diode Ge, rơi p khoảng 0.2V. Ví dụ: Tnh dòng đin và công suất chạy qua diode trong mạch đin sau: DIODE 3 / 7 D1 DIODE R1 2k2 2.2. Đặc tính thực tế: - Khi phân cc thun: Đin áp phân cc thun càng lớn th rơi p cng lớn (do ảnh hưởng của đin trở dẫn R ON .). Quan h dòng và áp lúc này gn như tuyến tính: V AK = V J + R ON .I F - Khi phân cc ngưc: Luôn có dòng rò (leakage current) rất nhỏ đi qua diode. Dòng rò ny không phụ thuộc vo p ngưc nhưng rất nhạy cảm với nhit độ mối nối P-N Khi áp phân cc ngưc đủ lớn V BR thì diode bị đnh thủng, lúc ny dòng ngưc tăng nhanh gây hỏng Diode Hình 2.5 - Đặc tính thc tế của Diode 2.3. Đặc tính đng ngắt: (Switching Characteristics of Power Diodes) Diode cn một khoảng thời gian để chuyển từ trạng thái ngừng dẫn (OFF) sang trái thái dẫn (ON) và ngưc lại. Cn chú ý đến ảnh hưởng của khoảng thời gian chuyển tiếp này vì: - Hin tưng quá dòng, quá áp lúc mới đng ngắt diode có thể gây hỏng hoặc kích dẫn không mong muốn các linh kin khác. - Dòng v p qua diode thay đổi lúc đng ngắt lm tăng công suất tiêu tán trên diode. Tn số đng ngắt diode càng cao càng gây tiêu tốn công suất nhiu. Đặc tnh đng (ON) theo thời gian t của Diode đưc cho trong hnh bên dưới. DIODE 4 / 7 Hnh 2.6 – Đặc tnh đng (ON) của Diode Đin áp phục hồi thun V FR (forward recovery voltage) thường lớn hơn đin áp phân cc thun V F nhiu ln (có thể gây kích dẫn hoặc hư hỏng các thiết bị khác). Giá trị V FR khoảng 10-30V, và thời gian phục hồi thun t FR khoảng 10us. Đặc tính ngắt (OFF) theo thời gian t của Diode đưc cho trong hnh bên dưới. Hình 2.7 – Đặc tính mở (OFF) của Diode [1] Khi ngừng dẫn, đin tích 1 trên Diode đưc xả đin, làm Diode dẫn đin ngưc trong một khoảng thời gian ngắn ngay sau khi mở (OFF). Vy để đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi cc xung đin p v dòng đin gây ra do đặc tnh đng v mở của Diode như trên, trong ứng dụng đng ngắt diode, người ta phải “chờ” cho cc xung ny mất đi rồi mới thay đổi trạng thi đng ngắt của Diode. Chnh điu này làm giới hạn tn số đng ngắt tối đa của Diode Một số lưu ý: Khi cho Diode ngừng dẫn, dòng diode không ngừng giảm tại 0 mà bị dẫn ngưc với dòng I RR (peak reverse recovery current). Trong một số mạch dòng này có thể chạy qua tải hoặc kích dẫn các thiết bị đng ngắt khác. 1 Đin tích tại mối nối P-N của Diode. Đin tch ny cũng gây ra s rơi p qua Diode khi phân cc thun DIODE 5 / 7 Tại cuối thời gian đng, nếu thời gian dẫn ngưc quá nhanh (giá trị S nhỏ) thì V RR lớn có thể gây hỏng linh kin. Thời gian dẫn ngưc t rr ảnh hưởng đến công suất tiêu tn trên diode. Đặc bit khi tn số đng ngắt càng lớn thì công suất tiêu tán càng lớn. 2.4. Phân tích mạch Diode: Vic phân tích mạch diode da vo đặc tính của diode: Kha đin tử với đin áp mở khóa V k Trong các ví dụ sau, cho V f = 0.7V, tính I F ? a) VCC=5V D1 DIODE R1 10k c) VCC=4V D1 DIODE R1 5.1k D2 DIODE e) R2 10k R1 10k D1 DIODE VCC=5V g) D2 DIODE R1 10k R4 15k V1=10V D1 DIODE V2= -15V i) R1 15k R4 10k D1 DIODE V2= -10VV1=15V D2 DIODE b) D1 DIODE VCC=5V R2 22K R1 12k d) D2 DIODE D1 DIODE VCC=5V R1 10k f) D2 DIODE R4 5k V1=15V V2= -10V R1 10k D1 DIODE h) D1 DIODE D3 DIODE V1= 10V V2= -20V V3= -10V R2 10k R3 10k R1 10k D2 DIODE j) R2 10k D2 DIODE V1= 10V V2= 5V V4= -5V D3 DIODE R1 10k D1 DIODE V3= 0V R3 12k DIODE 6 / 7 Bi giải gi ý: Xét mạch i. Giả sử Diode D1 v D2 cùng dẫn. Rơi p qua D1, D2 l 0.7V. Ta c: Dòng đin qua R1 l mA kR V I R 953.0 15 7.015 1 7.01 1 Dòng đin qua R2 là mA kR V I R 07.1 10 )10(7.0 4 27.0 2 Dòng đin qua D2 là mAIII RRD 117.007.1953.0 212 . Như vy giả thiết không hp lý Giải thiết D1 dẫn và D2 không dẫn. Dòng qua D1 là mA kRR VV I D 972.0 25 )10(7.015 41 27.01 1 Rơi p qua R1 l VkRIVV RD 42.0972.0.15151 112 . Đin áp qua D2 là 0.42V<0.7 nên D2 không dẫn, điu này phù hp với giả thiết. Vy kết lun I D1 =0.972mA; I D2 = 0mA 2.5. Các thông số quan trọng của Diode: Đin áp phân cc thun - Forward Voltage Drop , Vf Khi đưc phân cc thun vưt quá 0.7V với diode Silison và 0.3 với diode Germanium. Diode bắt đu cho dòng đin đi qua n. Trong tnh trạng phân cc thun: Rơi p V f gn như không đổi. Dòng đin qua diode phụ thuộc vào quan h áp - tải bên ngoài. Dòng rò: Leakage current - Dòng đin nhỏ chạy qua diode khi phân cc nghịch. DC Blocking Voltage (VRDC): L đin áp một chiu phân cc ngưc Diode không làm hỏng diode RMS Reverse Voltage (VRMS): Là giá trị hiu dụng của đin áp xoay chiu đặt vào diode mà không dây hư hỏng diode do đnh thủng phân cc ngưc. Peak Repetitive Reverse Voltage (VRRM): L đin p ngưc đặt vào diode chịu đng trong ngắn hạn có lặp lại theo chu kỳ (thường là nửa chu k dòng đin, ví dụ 10ms). Bài tập tính toán và mô phỏng: 01. Phân tính các mạch trong phn 2.4 (bài giảng chương 2) v tnh ton dòng đin, công suất qua mỗi Diode. Giả sử rơi p qua Diode khi phân cc thun là 0.7V 02. Sử dụng công cụ (proteus, matlab,…) mô phỏng mạch như hnh bên dưới (dòng đin hình sin tn số 50Hz, áp hiu dụng 23V) trong hai trường hp có tải R và không có tải R. R1 2 D1 DIODE C1 10uF V1 VSINE V1(+) D1(K) (a) Đưa ra cc đồ thị (tất cả 6 đồ thị) Đin áp nguồn Đin áp V AK qua diode Đin áp qua tải (b) Từ cc đồ thị cho biết giá trị V RRM của Diode là bao nhiêu ? (trong hai trường hp) DIODE 7 / 7 Bài tập đọc tài liệu: [1] Fast Recovery Epitaxial Diodes for use in High Frequency Rectification - Philips Semiconductors (10 trang) [2] Rectifier Diode Specifications and Ratings - ON semiconductor (13 trang) [3] Basic Diode Functions in Power Electronics - ON semiconductor (17 trang) [4] Datasheet Ratings for Diodes – Semikron (8 trang) [5] Lecture notes on Snubber Circuits - William P.Robbins (Mạch RC snubber là gì và tại sao cn mạch này? Qui trình thiết kế mạch RC Snubber cho Diode? Ví dụ cụ thể ?) [6] Designing an RC Snubber - CORNELL DUBILIER (3 trang) Lưu ý: tải tài liu tại web khoa: http://ic.ute.edu.vn . Lecture notes on Snubber Circuits - William P.Robbins (Mạch RC snubber là gì và tại sao cn mạch này? Qui trình thiết kế mạch RC Snubber cho Diode? Ví dụ cụ thể ?) [6] Designing an RC Snubber - CORNELL. công suất tiêu tán càng lớn. 2.4. Phân tích mạch Diode: Vic phân tích mạch diode da vo đặc tính của diode: Kha đin tử với đin áp mở khóa V k Trong các ví dụ sau, cho V f = 0.7V, tính. thun. Khi đng (nối mạch) , c rơi p qua diode. Với diode Si, rơi p khoảng 0.7V ; với diode Ge, rơi p khoảng 0.2V. Ví dụ: Tnh dòng đin và công suất chạy qua diode trong mạch đin sau: DIODE