Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chuông đèn báo trong các trò chơi

Điện áp càng lớn thì cường độ điện trường càng lớn, do đó các electron có khả năng bứt ra khỏi nguyên tử trở thành các electron tự do, gây nên dòng rò.Nếu điện áp quá lớn, cường độ dòng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

Chương I 5

Cơ sở lý thuyết 5

1.1.Linh kiện điện tử thụ động 5

1.1.1 Điện trở, biến trở 5

1.1.2 Tụ điện 8

1.1.3 Cuộn cảm 12

1.1.4 Máy biến áp 14

1.2 Linh kiện điện tử tích cực 17

1.2.1 Chất bán dẫn 17

1.2.2 Diode 19

1.2.3 Transistor 23

1.3 Một số thiết bị điện, điện tử khác 26

1.3.1 Relay 26

* Nguyên tắc hoạt động: 26

1.3.2 Chuông 28

Chương II 31

Thiết kế, chế tạo mạch chuông đèn báo trong các trò chơi 31

2.1 Những yêu cầu chung của mạch thiết kế 31

2.2 Nguyên tắc thiết kế 31

* 37

2.3 Sơ đồ khối 37

2.4 Thiết kế mạch chuông 38

2.4.1.Mạch thiết kế 38

2.4.3 Nguyên lý hoạt động của mạch 39

2.5 Chế tạo 40

2.5.1 Mô phỏng 40

2.5.2 Các bước chế tạo 43

2.6 Ưu, nhược điểm của mạch 43

2.7 Hình ảnh sản phẩm 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

MỞ ĐẦU

1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI

Bộ báo chuông đèn đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi rất nhiềutrong các trò chơi và gameshow trên truyền hình Ví dụ như chương trình “Đuổihình bắt chữ ” sử dụng mạch bộ 2 chuông đèn cho hai người chơi; chương trình

‘‘Đường lên đỉnh Olympia’’ dùng bộ 4 chuông đèn cho bốn thí sinh… Đã cónhiều mô hình bộ báo chuông đèn được nghiên cứu và sử dụng nhiều nguyên lýkhác nhau như sử dụng mạch điện tử, mô hình rơle, nam châm đơn giản… Ví

dụ, mạch dùng nam châm đơn giản cho 2 đội chơi, mạch thiết kế rẻ tiền, dụng

cụ lắp ráp dễ kiếm, dễ mua nhưng độ chính xác về thời gian chưa cao, nếu có bađội thi trở lên thì việc lắp ráp sẽ phức tạp ( do mạch dùng rơle 2 tiếp điểm, cònrơle 4 tiếp điểm 2NO, 2NC khó kiếm) Cải thiện hơn là bộ báo chuông đèn sửdụng mạch điện tử , bộ chuông lắp ráp đơn giản hơn (khi đã có mạch điện tử),

độ chính xác về thời gian và tính ổn định cao, nhưng số chuông đèn lắp đượcnhiều hay ít là do bản mạch điện tử Đã có nhiều nơi nghiên cứu về lĩnh vực đềtài trên Ở trường phổ thông dân tộc nội trú Bắc Trà My –tỉnh Quảng Ninh đãnghiên cứu lắp mạch chuông dùng cho đố vui, đã sử dụng cho 4 đội chơi, và cóthể mở rộng thêm đội chơi bằng cách lắp thêm rơ le Tác giả Nguyễn Vũ Quang,trường THPT Trường Chinh ( Quảng Ninh) đã nghiên cứu bộ chuông cho 4 độichơi Dựa trên lý thuyết chuyển mạch cơ – điện thông qua rơle điện từ và kếthợp điốt, anh đã mở rộng nghiên cứu lên bộ chuông đèn cho 8 đội, 10 đội Các

bộ thiết kế có thể có thêm reset (sau những khoảng thời gian máy tự động reset,

có nút nhấn bảng hiển thị giúp người tổ chức điều khiển cuộc thi dễ dàng, tùytheo ý muốn) Ở trường ĐHHV, chưa nhóm nghiên cứu nào thuộc bộ môn Cơđiện cũng như bộ môn Vật lý nghiên cứu và chế tạo thiết bị chuông đèn báo sửdụng trong trò chơi, do vậy rất nhiều cuộc thi như: Giải toán cao cấp, Vật lý vui,

… yêu cầu có sự lựa chọn đối với đội đưa ra đáp án nhanh nhất, nhưng thực tế

do không có thiết bị hỗ trợ nên cuộc thi không mang tính chuyên nghiệp

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, nhiều cuộc thi được tổ chức trong trường ĐHHV như nghiệp vụ

sư phạm, vật lý vui, giải toán sơ cấp nhanh…cơ sở vật chất còn chưa đáp ứng yêucầu của cuộc thi và các đội chơi Trong nhiều phần thi đòi hỏi sự nhanh nhạy thìviệc giơ tay hay gõ trống chưa đủ thể hiện hiện rõ sự nhanh hơn giữa các đội, cóthể dẫn đến sự thiệt thòi Ví dụ, trong cuộc thi, 2 đội cùng có câu trả lời đúng cùnggiơ cờ (hay giơ tay), vậy đội nào sẽ là đội trả lời? Vì vậy, việc đưa bộ báo chuôngđèn váo trong cuộc thi hay trò chơi cho phép sự chính xác về độ nhanh hơn giữacác đội thi đến phần trăm giây rất nhỏ Nó sẽ đáp ứng tính khách quan và côngminh hơn trong các cuộc thi Vì lí do trên nên nhóm chúng em quyết định nghiên

cứu đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chuông đèn báo trong các trò chơi”.

4 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

4.1 Đối tượng nghiên cứu

− Mạch chuông đèn báo trong các trò chơi.

4.2 Phạm vi nghiên cứu

− Mạch điện có sử dụng các linh kiện điện, điện tử

Chương I

Cơ sở lý thuyết 1.1.Linh kiện điện tử thụ động

1.1.1 Điện trở, biến trở

a Điện trở

Điện trở là linh kiện cản trở dòng điện, giá trị điện trở càng lớn dòng điện

trong mạch càng nhỏ Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của

điện trở Yêu cầu cơ bản đối với giá trị

điện trở đó là ít thay đổi theo nhiệt độ, độ

ẩm và thời gian,…Điện trở dẫn điện càng

tốt thì giá trị của nó càng nhỏ và ngược

lại Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω), kΩ, MΩ, hoặc GΩ

Hình dáng và kí hiệu (hình 1.1 và

hình 1.2)

Giá trị điện trở phụ thuộc vào vật

liệu cản điện, kích thước của điện trở và

nhiệt độ của môi trường

Trong đó: ρ: điện trở suất [Ωm]

l: chiều dài dây dẫn [m]

S: tiết diện dây dẫn [m2]

*Công suất tối đa cho phép

Hình 1.2: Kí hiệu của điện trở trong các sơ đồ

mạch điện

Hình 1.1: Hình dạng của điện trở trong thiết

bị điện tử

Khi có dòng điện cường độ I chạy qua điện trở R, năng lượng nhiệt tỏa ratrên R với công suất: P UI I R = = 2 (1 0)

Nếu dòng điện có cường độ càng lớn thì nhiệt lượng tiêu thụ trên R cànglớn làm cho điện trở càng nóng, do đó cần thiết kế điện trở có kích thước lớn để cóthể tản nhiệt tốt

Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có thể chịuđược nếu quá ngưỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy Công suất tối đacho phép đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt

2

2 max

*Cách đọc điện trở

Giá trị của điện trở được vẽ trên thân điện trở Đối với điện trở 4 vạch màuthì 3 vạch đầu tiên biểu thị giá trị của điện trở, vạch thứ 4 là sai số của điện trở.Màu biểu thị giá trị của điện trở và sai số của điện trở thể hiện trong bảng sau:

Biến trở (Variable Resistor) có cấu tạo gồm một điện trở màng than hoặc

dây quấn có dạng hình cung, có trục xoay ở giữa nối với con trượt Con trượt tiếpxúc động với với vành điện trở tạo nên cực thứ 3, nên khi con trượt dịch chuyểnđiện trở giữa cực thứ 3 và 1 trong 2 cực còn lại có thể thay đổi

Có thể có loại biến trở tuyến tính (giá trị điện trở thay đổi tuyến tính theogóc xoay) hoặc biến trở phi tuyến (giá trị điện trở thay đổi theo hàm logarit theo

góc xoay) Biến trở được sử dụng điều khiển điện áp (potentiometer: chiết áp) hoặc điều khiển cường độ dòng điện (Rheostat)

Hình 1.3: Hình dạng và ký hiệu của biến trở

− Được sử dụng để chế tạo các dụng cụ sinh hoạt (bàn là, bếp điện hay bóngđèn,…) hoặc các thiết bị trong công nghiệp (thiết bị sấy, sưởi,…) do điện trở cóđặc điểm tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt

− Xác định hằng số thời gian: Trong một số mạch tạo xung, điện trở được sửdụng để xác định hằng số thời gian

− Phối hợp trở kháng: Để tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất cần thực hiệnphối hợp trở kháng giữa nguồn tín hiệu và đầu vào của bộ khuếch đại, giữa đầu racủa bộ khuếch đại và tải, hay giữa đầu ra của tầng khuếch đại trước và đầu vào củatầng khuếch đại sau

Chất cách điện được lấy

làm tên gọi cho tụ điện (tụ

giấy, tụ dầu, tụ gốm hay tụ

không khí) Nếu điện trở tiêu

thụ điện năng và chuyển thành

nhiệt năng thì tụ điện tích năng

lượng dưới dạng năng lượng

điện trường, sau đó năng lượng

được giải phóng Điều này

được thể hiện ở đặc tính tích và phóng điện của tụ điện

*Điện dung của tụ điện

Giá trị điện dung đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của tụ điện

0S C

S: Diện tích hiệu dụng của 2 bản cực d: Khoảng cách giữa 2 bản cực

Điện dung có đơn vị là F, tuy nhiên trong thực tế 1F là giá trị rất lớn nênthường sử dụng các đơn vị khác: 1μF=10-6 F; 1nF=10-9 F; 1pF=10-12 F

f = 0, XC = ∞: hở mạch đối với thành phần một chiều

f→ ∞, XC → 0: ngắn mạch đối với thành phần xoay chiều

* Điện áp đánh thủng:

Khi đặt vào 2 bản cực của tụ điện áp một chiều, sinh ra một điện trường giữa

2 bản cực Điện áp càng lớn thì cường độ điện trường càng lớn, do đó các electron

có khả năng bứt ra khỏi nguyên tử trở thành các electron tự do, gây nên dòng rò.Nếu điện áp quá lớn, cường độ dòng rò tăng, làm mất tính chất cách điện của chấtđiện môi, người ta gọi đó là hiện tượng tụ bị đánh thủng Điện áp một chiều đặtvào tụ khi đó gọi là điện áp đánh thủng

Khi sử dụng tụ cần chọn tụ có điện áp đánh thủng lớn hơn điện áp đặt vào tụvài lần Điện áp đánh thủng phụ thuộc vào tính chất và bề dày của lớp điện môi.Các tụ có điện áp đánh thủng lớn thường là các tụ có kích thước lớn và chất điệnmôi tốt (Mica hoặc Gốm)

• Theo cấu tạo và dạng thức

− Tụ điện gốm (tụ đất) : Gọi tên như thế là do chúng được làm bằngceramic, bên ngoải bọc keo hay nhuộm màu Gốm điện môi được dùng là COG,X7R, Z5U v.v

− Tụ gốm đa lớp Là loại tụ gốm có nhiều lớp bản cực cách điện bằng gốm Tụnày đáp ứng cao tần và điện áp cao hơn loại tụ gốm "thường" khoảng 4 => 5 lần

− Tụ giấy : Là tụ điện có bản cực là các lá nhôm hoặc thiếc cách nhau bằnglớp giấy tẩm dầu cách điện làm dung môi

− Tụ mica màng mỏng : cấu tạo với các lớp điện môi là mica nhân tạo haynhựa có cầu tạo màng mỏng (thin film) như Mylar, Polycarbonate, Polyester,Polystyrene (ổn định nhiệt 150 ppm / C)

− Tụ bạc - mica : là loại tụ điện mica có bàn cực bằng bạc, khá nặng Điện dung

từ vài pF đến vài nF, độ ồn nhiệt rất bé Tụ này dùng cho cao tần là hết biết

− Tụ hóa học : Là tụ giấy có dung môi hóa học đặc hiệu => tạo điện dung cao

và rất cao cho tụ điện Nếu bên ngoài có vỏ nhôm bọc nhựa thì còn gọi là tụ nhôm

− Tụ siêu hóa (Super Chimical Capacitance) : dùng dung môi đất hiếm, tụ nàynặng hơn tụ nhôm hóa học và có trị số cực lớn, có thể đến hàng Farad Tụ có thểdùng như một nguồn pin cấp cho vi xử lý hay các mạch đồng hồ (clock) cần cấpđiện liên tục

− Tụ hóa sinh là Siêu tụ điện thay thế cho pin trong việc lưu trữ điện năngtrong các thiết bị điện tử di động

− Tụ tantalium : Tụ này có bản cực nhôm và dùng gel tantal làm dung môi, cótrị số rất lớn với thể tích nhỏ

− Tụ vi chỉnh và tụ xoay : Có loại gốm, loại mica và loại kim loại

* Ứng dụng của tụ điện

Tụ điện có các ứng dụng chính như sau:

− Cho điện áp xoay chiều đi qua và ngăn điện áp một chiều lại, do đótụ được

sử dụng để truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch đại có độ chênh lệch về điện ápmột chiều

− Lọc điện áp xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu (loại bỏ pha âm) thànhđiện áp một chiều bằng phẳng,đó là nguyên lý của tụ lọc nguồn

− Với điện AC(xoay chiều) thì tụ điện còn với điện DC(một chiều) thì tụ trởthàng tụ lọc

− Tụ cộng hưởng: Dùng trong các mạch cộng hưởng LC để chọn tần

Ngoài ra tụ còn có tính chất tích và phóng điện nên được sử dụng trong các

mạch chỉnh lưu để là phẳng điện áp một chiều

1.1.3 Cuộn cảm

Là cuộn dây là môt dây dẫn được bọc lớp sơn cách điện quấn nhiều vòng liêntiếp trên lõi sắt Lõi của cuộn dây có thể là: Lõi không khí, lõi sắt bụi hay lõi sắt lá

* Đặc tính cuộn dây

− Tạo ra từ trường bằng dòng điện:

Hình 1.6: Ký hiệu và hình dạng của cuộn cảm

Khi cho dòng điện một chiều qua cuộn dây, dòng điện sẽ tạo nên từ trườngđều trong lõi cuộn dây (được xác định theo quy tắc vặn nút chai).

l: Chiều dài của lõi [m]

μ : Độ từ thẩm tương đối của vật liệu từ so với chân không

Nếu cường độ dòng điện I không đổi thì H và B là từ trường đều Nếu cường

độ dòng điện i thay đổi thì H và B là từ trường biến thiên

− Tạo ra dòng điện bằng từ trường

*Hiện tượng cảm ứng điện từ

Định luật Faraday: Nếu từ thông qua một cuộn dây biến thiên sẽ sinh ra

trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng có độ lớn tỷ lệ với tốc độ biến thiêncủa từ thông

Định luật Lentz: Sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng có chiều

chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó

*Các tham số của cuộn cảm

− Hệ số tự cảm L: Đặc trưng cho khả năng

cảm ứng của cuộn dây

2 0

Biến áp gồm hai hay nhiều cuộn dây tráng sơn cách điện được quấn chungtrên một lõi Lõi của

máy biến áp có thể là

sắt lá, sắt ferit hay lõi

không khí

Cuộn dây được

nối với nguồn cấp được

gọi là cuộn sơ cấp, cuộn dây được nối

với tải được gọi là cuộn sơ cấp

Trong thực tế để tiết kiệm người

ta có thể chỉ cần sử dụng một cuôn dây

được gọi là biến áp tự ngẫu, tuy nhiên

giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp không

được cách ly về điện.(hình 1.10)

*Nguyên lý:

Khi cho nguồn điện xoay chiều qua cuộn sơ cấp, dòng điện biến thiên sinh

ra từ trường biến đổi và được cảm ứng sang cuộn thứ cấp sinh ra sức điện độngcảm ứng e2, mặt khác trên cuộn sơ cấp cũng xuất hiện sức điện động cảm ứng e1

Hình1.9: Các ký hiệu cuộn cảm trong mạch điện

Hình 1.10: Cuộn sơ cấp và thứ cấp không cách

ly về điện

Hình 1.8: Cấu tạo máy biến áp

Trong đó: n1, n2 lần lượt là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.

Một biến áp lý tưởng coi như không có sự tiêu hao năng lượng trên hai cuộndây sơ cấp, thứ cấp và mạch từ nên khi đó :

P P=

Tuy nhiên một máy biến áp thực tế luôn có công ở cuộn thứ cấp nhỏ hơncông suất của cuộn sơ cấp do cuộn sơ cấp và thứ cấp có điện trở thuần tiêu haonăng lượng dưới dạng nhiệt ngoài ra dòng điện Foucault xuất hiện trong lõi từcũng tiêu hao một phần năng lượng

Hiệu suất của máy biến áp:

Biến áp nguồn: Cấp điện áp xoay chiều cho các mạch điện và điện tử, có thể

có kích thước từ nhỏ tới lớn, được sử dụng trong các trạm biến áp, đồng thời có tácdụng cách ly các linh kiện với nguồn cao áp

Biến áp cao tần: Được sử dụng trong các bộ thu phát sóng Radio, lõi có thể

là lõi sắt bụi hoặc lõi không khí, tuy nhiên nhược điểm của lõi không khí là phầnlớn các đường cảm ứng từ đều đi ra ngoài, điều này ảnh hưởng đến đặc tính củamáy biến áp

Biến áp âm tần: Dải tần làm việc (20Hz-20kHz), thực hiện phối hợp trở

kháng (tối thiểu hóa thành phần điện cảm trong mạch), tuy nhiên kích thước vàtrọng lượng lớn nên ngày càng ít được sử dụng

1.2 Linh kiện điện tử tích cực

1.2.1 Chất bán dẫn

*Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể

Trong mạng tinh thể của chất rắn, tùy theo các mức năng lượng mà các điện

tử có thể chiếm chỗ hay không chiếm chỗ, người ta phân biệt ba vùng năng lượngkhác nhau:

Vùng hóa trị (vùng đầy): Tất cả các mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm

chỗ, không có mức năng lượng tự do

Vùng dẫn (vùng trống): Các mức năng lượng đều còn trống hoặc có thể bị

chiếm chỗ một phần

Vùng cấm: Trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để điện tử có thể

chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0

Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 vùng trên, các chất rắn được chia làm 3 loại(xét tại 0oK)

Năng lượng vùng cấm:

E : Năng lượng đỉnh vùng hóa trị

Để tạo dòng điện trong chất rắn cần phải thực hiện 2 quá trình: quá trình

tạo hạt dẫn tự do nhờ năng lượng kích thích và quá trình chuyển động có hướngcủa các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường

* Chất bán dẫn thuần (intrinsic)

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Ge và Si có năng lượng vùng cấm:Eg(Ge)=0,72eV và Eg(Si)=1,12eV, thuộc nhóm IV trong hệ thống tuần hoàn.Trong mạng tinh thể, các

nguyên tử Ge (Si) liên kết với

nhau theo kiểu cộng hóa trị

(các nguyên tử đưa ra các

electron hóa trị liên kết với các

nguyên tử xung quanh) Chất

bán dẫn thuần thực chất không

phải là một chất cách điện tốt và cũng không phải là một chất dẫn điện tốt Tại nhiệt độ phòng, độ dẫn điện của Si bằng khoảng 10 − 10 độ dẫn điện của một vật dẫnkim loại và bằng khoảng 10 14 lần so với một chất cách điện tốt Tuy nhiên có thểtăng độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần bằng cách đốt nóng hoặc chiếu sáng tinhthể bán dẫn để tăng số lượng hạt dẫn Khi được một nguồn năng lượng bên ngoàikích thích, xảy ra hiện tượng ion hóa các nguyên tử nút mạng và sinh ra từng cặp

hạt dẫn tự do: điện tử và lỗ trống Điều này tương đương với sự dịch chuyển của

một điện tử từ 1 mức năng lượng trong vùng hóa trị lên 1 mức năng lượng trongvùng dẫn và đồng thời để lại 1 mức năng lượng tự do trong vùng hóa trị được gọi

là lỗ trống Các hạt dẫn tự do này dưới tác dụng của điện trường ngoài hoặc do sự

Hình 1.11: Cơ chế phát sinh cặp hạt dẫn tự do trong chất

bán dẫn thuần

chênh lệch về nồng độ có khả năng dịch chuyển có hướng trong mạng tinh thể tạonên dòng điện trong chất bán dẫn Một đặc điểm quan trọng trong chất bán dẫn đó

là điện tử không phải là hạt mang điện duy nhất mà lỗ trống cũng được coi là hạtmang điện nên dòng điện trong chất bán dẫn luôn gồm hai thành phần do sựchuyển dời có hướng của điện tử và lỗ trống

Trong chất bán dẫn thuần, mật độ của điện tử và lỗ trống là bằng nhau:

Diode là một thành phần không thể thiếu trong bo mạch điện tử nói chung,

điốt thuộc linh kiện bán dẫn, là 1 chất bán dẫn Diode phân thành 2 loại: Diode

thường và diode zen Diode thường có chức năng nắn dòng điện Diode zen có chức

năng làm ổn áp hay làm giảm dòng điện theo chỉ số trên lưng diode Hiện nay với sựphát triển vượt bậc của công nghệ thông tin Vì vậy có rất nhiều dạng diode khácnhau như: diode thu quang, diode phát quang hay còn gọi là led, diode biến dung,diode xung, diode tách sóng

Do tính chất dẫn điện một chiều nên điốt thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động trong mạch chỉnh lưu diode có thể được tích hợp thành diode cầu

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nênquá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vìvậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nênđược gọi là vùng nghèo Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúcđược cân bằng bởi điện áp bên ngoài Đây là cốt lõi hoạt động của diode

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của cácđiện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giápdẫn điện tốt Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếchtán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèohạt dẫn điện tự do Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện

áp theo một hướng nhất định

* Hoạt động:

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghépvới khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướngchuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử(điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗtrống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dưthừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khichúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên

tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (haycác bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi

là điện áp tiếp xúc (UTX) Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đếnkhối p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúcghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt vàtồn tại điện áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng Điện áptiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với diode làm bằng bán dẫn Si vàkhoảng 0.3V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nênquá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vìvậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên

được gọi là vùng nghèo Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúcđược cân bằng bởi điện áp bên ngoài Đây là cốt lõi hoạt động của diode.

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của cácđiện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giápdẫn điện tốt Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếchtán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèohạt dẫn điện tự do Nói cách khác diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện

áp theo một hướng nhất định

*Ứng dụng:

Vì diode có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt đến ca-tốt khi phâncực thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điệnmột chiều

Ngoài ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD0 (nối tắt),phân cực nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công tắc điện tử, đóngngắt bằng điều khiển mức điện áp Diode chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyển dòngđiện xoay chiều thành dòng điện một chiều, điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩthuật điện tử Vì vậy diode được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử

* Diode bán dẫn

Diode bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòngđiện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tínhchất của các chất bán dẫn Có nhiều loại điốt bán dẫn, như diode chỉnh lưu thôngthường, diode Zener, LED Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là mộtkhối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N

Diode là thiết bị điện tử bán dẫn đầu tiên Khả năng chỉnh lưu của tinh thểđược nhà vật lý người

Đức Ferdinand Braun phát hiện

năm 1874 Diode bán dẫn đầu

tiên được phát triển vào khoảng

Hình 1.12: Cấu tạo và ký hiệu của Diode

năm 1906 được làm từ các tinh thể khoáng vật như galena Ngày nay hầu hết cácdiode được làm từ silic, nhưng các chất bán dẫn khác như selen hoặc germani thỉnhthoảng cũng được sử dụng Diode bán dẫn, loại sử dụng phổ biến nhất hiện nay, làcác mẫu vật liệu bán dẫn kết tinh với cấu trúc p-n được nối với hai thiết bị đầucuối điện

* Diode Zener , còn gọi là " diode đánh thủng" hay " diode ổn áp"

Diode Zener là một diode đặc biệt được pha

tạp chất với nồng độ rất cao và có thể hoạt động

trong miền đánh thủng của đặc tuyến Volt-Ampere

Trong miền phân cực thuận, diode Zener hoạt động

như một diode chỉnh lưu thường Trong miền phân

cực ngược, khi điện áp phân cực ngược đạt được giá

trị điện áp Uz=-UBR, dòng qua diode (Iz) tăng

mạnh, nhưng điện áp Uz=const, nên diode Zener

được sử dụng để ổn định điện áp một chiều

Là loại diode được chế tạo tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng Khi

sử dụng diode này mắc ngược chiều lại, nếu điện áp

tại mạch lớn hơn điện áp định mức của Diode thì

Diode sẽ cho dòng điện đi qua (và ngắn mạch xuống

đất bảo vệ mạch điện cần ổn áp) và đến khi điện áp

mạch mắc bằng điện áp định mức của Diode

Đây là cốt lõi của mạch ổn áp

Diode được sử dụng trong mạch này là diode 1N4007

Hinh 1.13: Hình ảnh và kí

hiệu diode zenner

Hình 1.14: Hình ảnh Diode

1N4007

* Diode phát quang hay còn gọi là LED (Light Emitting Diode)

Là linh kiên biến đổi điện năng thành quang năng, được pha tạp với nồng độcao tinh thể bán dẫn tạp chất loại p hoặc

loại n tới mức suy biến, độ rộng vùng cấm

hẹp lại Khi một điện áp thuận được đặt vào

chuyển tiếp p-n, các hạt dẫn đa số chuyển

động khuếch tán qua tiếp giáp p-n và trở

thành hạt thiểu số trội, sau đó chúng khuếch

tán sâu vào đơn tinh thể bán dẫn trung hòa

về điện và tái hợp với hạt dẫn đa số và khi

đó phát ra ánh sáng Hiện tượng đó là khi các electron chuyển từ mức năng lượngcao xuống mức năng lượng thấp kèm theo phát xạ các photon, được gọi là hiệntượng tái hợp hạt dẫn LED có thể phát ra ánh sáng trông thấy phụ thuộc vào điện

áp ngưỡng Điện áp ngưỡng rơi trên LED thường cao hơn diode chỉnh lưu

Là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại.Cũng giống như diode bán dẫn, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghépvới một khối bán dẫn loại n

LED được sử dụng làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, đèn báo trạng thái

có điện vv…

1.2.3 Transistor

Transistor (viết tắt của:

"Transfer-resistor" tức điện trở chuyển) là một linh kiện

bán dẫn thường được sử dụng như một thiết bị

khuếch đại hoặc một khóa điện tử Transistor là

khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch

ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử

hiện đại khác

Hình 1.16: Cấu tạo transistor Hình 1.15: Hình ảnh và kí hiệu LED