Tài liệu bao gồm lý thuyết và bài tập áp dụng ( có đáp án ) về diode và mạch ứng dụng của nó trong chương trình môn học điện tử cơ bản. Tài liệu rất dễ hiểu sẽ giúp bạn hiểu rõ những kiến thức cần nắm. Chúc các bạn học tốt.
Bài Giảng Mạch Điện Tử Chương 01 1.1 CHẤT BÁN DẪN VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA DIODE 1.1.1 Khái niệm chất bán dẫn phân loại Xét điện học, vật chất chia thành loại: Các chất mơi trường có chứa hạt mang điện tự (electron, Ion+, Ion-) có khả dẫn điện gọi chất dẫn điện Các chất mơi trường khơng chứa hạt mang điện tự khơng thể dẫn điện được, chúng chất cách điện Có vật chất trung gian loại trên, bình thường chúng khơng có hạt mang điện tự nên khơng dẫn điện nhận lượng kích thích từ bên ngồi nhiệt độ, ánh sáng số hạt mang điện electron bị bứt khỏi ràng buộc ngun tử trở thành tự sẳn sàng tham gia dẫn điện Những chất gọi chất bán dẫn, gọi chúng chất dẫn điện có điều kiện Bán dẫn loại P bán dẫn loại N Chất bán dẫn có chứa hạt mang điện tự có điện tích (+) gọi bán dẫn loại P (Positive: dương) Các hạt mang điện (+) tự bán dẫn loại P thường lỗ trống (lỗ trống ngun tử trung hồ bị electron nên trở thành Ion+) Chất bán dẫn có chứa hạt mang điện tự có điện tích (–) (thường hạt electron) gọi bán dẫn loại N 1.1.2 Ngun lý cấu tạo chung Diode Các linh kiện: Diode chỉnh lưu, Diode Zener, Diode khác nói chung loại LED có ngun lý cấu tạo chung khối bán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N (xem hình vẽ) Anode + + P Cathode + N - Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện (+) nên ghép với khối N lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sáng khối N gây thiếu hụt điện tích (+) bên khối P, khối P lại nhận thêm e (-) từ khối N chuyển sang nên kết khối P tích điện âm (-) Khối N chứa nhiều e tự nên ghép với khối P, e tự có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối P gây thiếu hụt điện tích (–) bên khối N, đồng thời khối N lại nhận thêm lỗ trống mang điện (+) nên kết khối N tích điện (+) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, số e (-) bị lỗ trống (+) thu hút chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với tạo thành ngun tử trung hồ, LEDq trình giải phóng lượng dạng ánh sáng tuỳ theo mức lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng khác tức màu sắc khác Sự tích điện (-) bên khối P (+) bên khối N hình thành điện áp gọi điện áp tiếp xúc Điện trường sinh điện áp có hướng từ N → P nên cản trở chuyển động Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ Bài Giảng Mạch Điện Tử khuếch tán sau thời gian kể từ lúc ghép khối bán dẫn với q trình chuyển động khuếch tán chấm dứt tồn điện áp tiếp xúc, lúc ta nói tiếp xúc P-N trạng thái cân Điện áp tiếp xúc trạng thái cân khoảng 0,6V Diode làm bán dẫn Si khoảng 0,3V Diode làm bán dẫn Ge Hai bên mặt tiếp giáp vùng e (-) lỗ trống (+) dễ gặp nên q trình tái hợp thường xảy vùng hình thành ngun tử trung hồ Vì vùng biên giới hai bên mặt tiếp giáp hạt dẫn tự nên gọi vùng nghèo Anode P Điện trường tiếp xúc có hướng từ N P Mặt ghép Cathode N Vùng nghèo 1.2 DIODE CHỈNH LƯU Diode chỉnh lưu có cấu tạo mối nối P-N chế tạo chịu điện áp ngược cao dòng điện thuận lớn Những đặc điểm chế tạo cho phép Diode làm việc hệ thống chỉnh lưu điện xoay chiều (AC) thành điện chiều (DC) hiệu tin cậy 1.2.1 Ký hiệu dạng thực tế : Anode (A) CƠNG DỤNG Cathode (K) 1.2.2 Tính chất Diode Diode dẫn điện theo chiều từ A → K Theo ngun lý dòng điện chảy từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp muốn có dòng điện qua Diode theo chiều này, ta phải đặt A điện cao K Khi ta có UAK > ngược chiều với điện áp tiếp xúc Như muốn có dòng qua Diode điện trường UAK sinh phải mạnh điện trường tiếp xúc, tức UAK phải lớn Utx Khi phần điện áp UAK dùng để cân với điện áp tiếp xúc (khoảng 0,6V); phần lại dùng để tạo dòng điện thuận qua Diode Khi UAK > 0, ta nói Diode phân cực thuận dòng điện qua Diode lúc gọi dòng điện thuận (thường ký hiệu IF tức IForward ID tức IDiode) Dòng điện thuận có chiều từ A → K Khi UAK đủ cân với điện áp tiếp xúc Diode trở nên dẫn điện tốt nghĩa điện trở Diode lúc thấp (khoảng vài chục Ω) Do phần điện áp để tạo dòng điện thuận thường nhỏ nhiều so với phần điện áp dùng để cân với Utx Thơng thường phần điện áp dùng để cân với Utx cần khoảng 0,6V phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0,1 đến 0,5V tuỳ theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài A Như giá trị UAK đủ để có dòng qua Diode khoảng 0,6V đến 1,1V Ngưỡng 0,6V ngưỡng Diode bắt đầu dẫn UAK = 0,7V dòng qua Diode khoảng vài chục mA (xem đặc tuyến Vơn-Ampe điển hình Diode) Nếu Diode tốt khơng dẫn điện theo chiều ngược từ K → A Thực tế tồn dòng điện ngược Diode bị phân cực ngược với hiệu điện lớn Tuy nhiên dòng điện ngược nhỏ (cỡ µA) thường khơng quan tâm ứng dụng cơng nghiệp Mọi Diode chỉnh lưu khơng dẫn điện theo chiều ngược điện áp ngược q lớn ( ≥ VBR Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ Bài Giảng Mạch Điện Tử ngưỡng chịu đựng Diode) Diode bị đánh thủng, dòng điện qua Diode tăng nhanh đốt cháy Diode Vì sử dụng cần tn thủ điều kiện sau đây: Thứ 1: Dòng điện thuận qua Diode khơng lớn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, ta phải tra cứu tài liệu hãng SX để xác định) Thứ 2: Điện áp phân cực ngược (tức UKA) khơng lớn VBR (ngưỡng đánh thủng Diode, nhà sản xuất cung cấp) Ngồi cần thiết kế mạch với độ xác cao, ta cần tham khảo thêm đặc tuyến Vơn-Ampe Diode tần số hoạt động cho phép từ tài liệu tra cứu Ví dụ: Diode 1N4007 có thơng số kỹ thuật hãng sản xuất cung cấp sau: VBR = 1000V; IFmax = 1A; VF = 1,1V IF = IFmax Những thơng số cho biết: Dòng điện thuận qua Diode khơng lớn 1A Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode khơng lớn 1000V Điện áp thuận (tức UAK) tăng đến 1,1V dòng điện thuận 1A Cũng cần lưu ý Diode chỉnh lưu nói chung UAK = 0,6V Diode bắt đầu dẫn UAK = 0,7V dòng qua Diode đạt đến vài chục mA 1.2.3 Đặc tuyến Vơn-Ampe Diode ID Đặc tuyến Vơn-Ampe Diode đồ thị mơ tả quan hệ dòng điện qua Diode theo điện áp UAK đặt vào Diode Có thể chia đặc tuyến thành đoạn: ID=F(VD) Đoạn ứng với UAK > mơ tả quan hệ dòng-áp Diode phân cực thuận Đoạn ứng với UAK ≤ mơ tả quan hệ dòng-áp Diode phân cực nghịch vài chục mA UAK VBR 0v 0,6v Điện áp đánh thủng Hình 1.1 Đoạn phân cực nghòch + A K Đặc tuyến Vôn-Ampe điển hình Diode 0,7v Đoạn phân cực thuận + A K Phân cực thuận: chưa dẫn Phân cực thuận: dẫn Khi Diode phân cực thuận dẫn điện dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở mạch ngồi (được mắc nối tiếp với Diode) Dòng điện phụ thuộc vào điện trở thuận Diode điện trở thuận nhỏ, thường khơng đáng kể so với điện trở mạch điện Ví dụ : Một thí nghiệm thực với mạch điện hình 1.2 Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ Bài Giảng Mạch Điện Tử Khi chuyển khố K sang vị trí 2, số Ampekế 92,8mA, số Vơn kế 0,72V D Khi khố K vị trí Ampekế 9,33mA; Vơn kế 0,67V K A V R1 1000Ω + 10v R2 100Ω Qua thí nghiệm ta nhận thấy thay đổi khóa K từ vị trí sang vị trí 2, điện trở mắc nối tiếp với Diode giảm 10 lần dòng điện Hình 1.2 qua Diode tăng lên gần 10 lần (thực tế 9,946 lần) điện áp UAK biến tăng (từ 0,67V → 0,72V; tăng 0,05V) Như cho thấy Diode dẫn điện dòng điện qua Diode chủ yếu phụ thuộc vào mạch ngồi thân Diode ảnh hưởng Điện áp Diode dẫn điện thuận thường lấy trung bình khoảng 0,7V dòng điện qua Diode < 100mA Nếu giá trị 0,7V nhỏ so với điện áp xét bỏ qua xem khơng có sụt áp Diode (lúc ta nói Diode lý tưởng) Giá trị: rD = ∆U AK gọi điện trở động Diode phân cực thuận, giá trị ∆ID thường nhỏ (cỡ vài chục Ω) rD điện trở thân Diode phân cực thuận Từ kết thí nghiệm trên, ta xác định điện trở động Diode dùng thí nghiệm là: ∆U AK 0,72 − 0,67 rD = = = 5,99Ω 83,47.10 − ∆ID 1.2.4 Phương pháp xét tính tốn dòng điện qua Diode Trước muốn tính dòng điện qua Diode, ta cần phải xét xem Diode có dẫn điện hay khơng Để xác định điều ta cần phải xu hướng chảy dòng điện giá trị điện áp đặt lên đoạn mạch chứa Diode Bước một: Dựa vào quy luật dòng điện chảy từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp Diode dẫn điện theo chiều từ A → K để xét xem Diode có khả dẫn điện hay khơng? (điều kiện 1) Bước hai : Khi thoả điều kiện cần xét xem điện áp đặt lên đoạn mạch chứa Diode (nếu Diode mắc nối tiếp với điện trở) điện áp đặt lên Diode (nếu đoạn mạch chứa Diode) có đủ lớn để thắng điện áp tiếp xúc thân Diode hay khơng? (điều kiện 2) Điện áp đặt lên đoạn mạch chứa Diode (hoặc trực tiếp lên Diode) phải có giá trị từ 0,6V trở lên có D D dòng qua Diode Khi thoả mãn đồng thời điều kiện có dòng qua Diode + - D1 D2 D1 D2 Ở mạch hình b), có dòng qua Diode thoả đồng thời điều kiện + + 1V Izm Diode Zener bị hỏng Thơng thường thiết kế người ta chọn R cho (dòng cực đại qua Dz) = x%Izm với x% tuỳ chọn theo quan điểm an tồn người thiết kế mạch (x% < 100%) Bởi dòng qua Dz đạt cực đại khơng tải nên R tính tốn với điều kiện ngõ khơng tải Giá trị R tính theo điều kiện giá trị tối thiểu cho phép, thực tế ta chọn theo tiêu chuẩn cao giá trị tính Tính Rmin theo cơng thức: R = Uin − Vz (x% chọn theo quan điểm an tồn) x %Izm Xác định giá trị dòng tải max Dòng tải trường hợp dòng Iout, phép lấy giá trị cực đại nhỏ dòng Iin từ đến 2mA, phần dòng điện đến 2mA dòng điện tối thiểu qua Dz theo chiều ngược để trì điện áp Uout hai cực Diode khơng đổi Như ta có: Iout(max) = Iin − 2mA = Uin − Vz − 2mA ta chọn Izmin = 2mA R Nếu xét đến tải Iout(max) ứng với R t = Uout Iout(max) = Vz Iout(max) Ví dụ : Hãy tính tốn mạch ổn áp để cung cấp cho tải Rt biết điện áp tải cần phải ổn định mức 6,8V; cho biết điện áp Uin = 10V Tính tốn giá trị tối thiểu tải Rt Giải: Trước ta chọn Diode Zener loại có Vz = 6,8V Diode loại thị trường có nhiều cấp cơng suất khác nhau: 0,25W; 0,5W; 1W; 2W Giả sử ta chọn loại có cơng suất Pzm = 1W Tính điện trở hạn dòng R theo điều kiện khơng tải, ta có: Uin − Vz , chọn x% = 50% tức dòng điện tối đa có qua Diode Zener x %Izm 50% dòng cực đại cho phép thì: R = R = Uin − Vz Uin − Vz 10 − 6,8 = = = 43,52Ω Pz m 50%Izm 0,5 0,5 6,8 Vz Chọn R theo bảng giá trị chuẩn có sản xuất, ta chọn R = 47Ω > Rmin Tính giá trị tối thiểu cho phép tải Rt: Ta có dòng tải tối đa cho phép là: Iout(max) = Iin − 2mA = Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ Uin − Vz 10 − 6,8 − 2mA = − 0,002 = 0,066A = 66mA R 47 10 Bài Giảng Mạch Điện Tử Hệ số nhấp nhơ: (Ripple Factor) kr = U r , rms U DC (1.5) 10 Điện áp hiệu dụng thứ cấp biến áp cấp vào mạch chỉnh lưu: U2 11 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp (dòng hiệu dụng qua cuộn dây thứ cấp): I2 12 Cơng suất thứ cấp máy biến áp cấp vào mạch chỉnh lưu: P2 13 Hệ số sử dụng biến áp: (Transformer Utilization Factor) T U F = PDC P2 (1.6) 14 Dòng điện trung bình qua Diode: ID(AV) 15 Điện áp ngược tối đa đặt lên Diode mạch hoạt động: (Peak Inverse Voltage) Ký hiệu: PIV D a 1.5.2 Chỉnh lưu bán kỳ + ut Áp u2 AC 220V Rt - b Hình 1.15: Ngun lý mạch chỉnh lưu bàn kỳ Ngun lý hoạt động mạch Gọi u2 điện áp tức thời thứ cấp biến áp; u2 có dạng hình sin, tần số f ut điện áp tức thời tải Rt Trong bán kỳ (+) điện áp thứ cấp biến áp (điện áp u2), điện điểm a dương điện b Diode D phân cực thuận Khi chênh lệch điện a b (tức uab hay u2) lớn 0,7V Diode dẫn điện ta có sụt áp Diode 0,7V; điện áp tải lúc là: ut = u2 – 0,7V (ut thấp u2 khoảng 0,7V) Trong bán kỳ (-) điện áp u2, điện a âm điện b, dòng điện khơng thể chảy từ b a ngược chiều Diode (Diode khơng dẫn điện theo chiều ngược) khơng có dòng qua tải Rt điện áp tải ut = Trong giai đoạn Diode ngưng dẫn phải chịu điện áp ngược có giá trị uba điện áp tải Điện áp ngược tác động lên Diode đạt cực đại uba đạt cực đại (xem đồ thị) a Trường hợp u2 > 0, Diode phân cực thuận dẫn điện, điện áp tải xấp xỉ điện áp thứ cấp biến áp (chính xác ut = u2 – 0,7V) 0,7V - + + ut AC 220V Áp u2 D a Áp ngược + ut AC 220V 15 + Rt + - Áp u2 i - - b Trường hợp u2 < 0, Diode ngưng dẫn chịu điện áp ngược tác động Dòng qua tải điện áp tải Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ + Rt - b Bài Giảng Mạch Điện Tử 10V 5V ut 0V -5V u2 -10V Hình 1.16: Quan hệ điện áp thứ cấp biến áp điện áp tải Time Tính tốn thơng số mạch: Quan sát kết phân tích mạch PISPICE hình 1.16 ta thấy: Trong thời gian điện áp sin u2 có bán kỳ (+) điện áp tải có dạng gần bán kỳ (+) dạng sin có biên độ đỉnh thấp biên độ đỉnh u2 khoảng 0,7V (đây lượng sụt áp Diode, ý lượng tăng đến 1V dòng tải tăng đến hàng Ampe) Như bán kỳ (+) u2 ta viết phương trình gần điện áp tải là: ut = (U2m – 0,7).sinωt với U2m trị đỉnh điện áp thứ cấp biến áp Trong bán kỳ âm u2, điện áp tải Tóm lại ta có phương trình gần ut là: (U2m-0,7).sinωt , bán kỳ (+) u2, U2m trị đỉnh u2 ut = , bán kỳ (-) u2 U2m Utm 0V T/2 T Time Trị trung bình điện áp tải: Chính lấy phần diện tích tạo đồ thị ut chu kỳ đem chia cho cho kỳ T Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 16 Bài Giảng Mạch Điện Tử UDC = T 2π π U 1 ∫ U tm sin(ωt).d(ωt) + ∫ 0.d(ωt) = tm u t dt = ∫ T0 2π π π UDC = Utm ≈ 0,318U tm π với Utm = U2m – 0,7V Utm: Trị cực đại hay trị đỉnh điện áp tải U2m trị cực đại hay trị đỉnh điện áp thứ cấp máy biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu U2m = U2 với U2 trị hiệu dụng Trị trung bình dòng điện qua tải: Dòng điện qua tải đồng dạng với điện áp tải tải trở Vì trị trung bình dòng điện qua tải trường hợp là: I U IDC = tm Itm trị cực đại dòng điện qua tải, I tm = tm Rt π U ⇒ IDC = tm π.R t Cơng suất DC tải (PDC cơng suất thành phần chiều): U tm U tm Utm PDC = UDC IDC = = π π.R t π R t PDC = Utm π R t Trị hiệu dụng điện áp tải: T ∫ u t dt = T0 Urms = = π Utm 4π Urms = 2π π ∫ Utm sin2 (ωt).d(ωt) + ∫ 0.d(ωt) = 2π π ∫ (1 − cos 2ωt).d(ωt) = U tm Utm Trị hiệu dụng dòng điện qua tải: Vì dạng dòng điện giống dạng điện áp nên cách tính giống Dòng hiệu dụng: Irms = Itm U , đó: I tm = tm Rt U tm 2.R t ⇒ Irms = Cơng suất hiệu dụng tải: PT = Urms Irms = Utm Utm U tm = 2.R t 4.R t U PT = tm 4.R t Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 17 Bài Giảng Mạch Điện Tử Hiệu suất mạch chỉnh lưu: Utm P π R t η = DC = = ≈ 0,4053 = 40,53% PT π Utm 4.R t η = 40,53% chứng tỏ cơng suất thành phần DC chiếm 40,53% Trị hiệu dụng thành phần xoay chiều tải: 2 Ur,rms = Urms − U DC 2 π2 − U U = tm − tm = U tm ≈ 0,385U tm = 38,5%Utm 4.π π Ur,rms = 38,5%U tm Hệ số gợn sóng tải: kr = Ur,rms 0,385Utm = ≈ 1,21 = 121% UDC 0,318Utm k r = 121% chứng tỏ thành phần xoay chiều tải có giá trị cao thành phần chiều, điện áp gợn sóng nhiều Lưu ý trường hợp DC lý tưởng thành phần AC hệ số kr = Trường hợp hệ số gợn sóng tải q lớn chứng tỏ điện áp DC tải có chất lượng Nhóm thơng số liên quan đến Diode máy biến áp: (*) Dòng trung bình qua Diode: Trong trường hợp chỉnh lưu bán kỳ, dòng điện qua Diode dòng điện qua tải nên dòng trung bình qua Diode dòng trung bình qua tải IDav = IDC = Utm π.R t Điện áp ngược cực đại tác động lên Diode q trình vận hành: Như phân tích phần ngun lý hoạt động mạch, điện áp ngược cực đại tác động lên Diode trường hợp là: PIV = U2m Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Dòng chảy cuộn dây thứ cấp máy biến áp dòng qua tải nên trị hiệu dụng trị hiệu dụng dòng tải: I2 = Irms = U tm 2.R t Điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Do điện áp thứ cấp biến áp có dạng sin nên trị hiệu dụng là: U2 = U2 m Cơng suất hiệu dụng thứ cấp máy biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu: Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 18 Bài Giảng Mạch Điện Tử P2 = U2 I2 = P2 ≈ U2m Utm U2m (U2m − 0,7) U2m = ≈ 2.R t 2.R t 2 R t U2 m 2 R t Hệ số sử dụng máy biến áp: U tm PDC 2 π R t T.U.F = = ≈ ≈ 0,2866 = 28,66% P2 π U2 m 2 R t T.U.F ≈ 28,66% Hệ số sử dụng biến áp 28,66% có nghĩa mạch chỉnh lưu bán kỳ chuyển đổi 28,66% cơng suất mà nhận từ thứ cấp máy biến áp thành cơng suất DC tải Nếu máy biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu 100W cuối tải nhận 28,66W cơng suất DC, điều chứng tỏ chỉnh lưu bán kỳ có chất lượng Ví dụ tính tốn thơng số mạch chỉnh lưu bán kỳ: Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ với thơng số ban đầu là: U2 = 12V; Rt = 50Ω Hãy xác định điện áp trung bình tải, dòng trung bình qua tải, cơng suất DC nhận tải, cơng suất hiệu dụng thứ cấp biến áp cấp vào mạch chỉnh lưu hệ số sử dụng biến áp Giải: Trước ta có điện áp hiệu dụng thứ cấp biến áp U2 = 12V ⇒ Trị đỉnh: U2m = U2 = 12 ≈ 16,97V ⇒ Trị đỉnh điện áp tải là: Utm = U2m – 0,7 = 16,27V Điện áp trung bình tải là: U 16,27 UDC = tm = ≈ 5,18V 3,14 π Dòng điện trung bình qua tải là: UDC 5,18 = = 0,1036 A = 103,6mA Rt 50 Dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp dòng hiệu dụng qua tải: IDC = Utm 16,27 = ≈ 0,1627A = 162,7mA 2.R t 2.50 Cơng suất DC nhận tải là: I2 = Irms = PDC = UDC.IDC = 5,28.0,1036 = 0,547W Cơng suất hiệu dụng thứ cấp biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu: P2 = U2.I2 = 12.0,1627 = 1,952W Hệ số sử dụng biến áp là: T.U.F = PDC 0,547 = = 0,28 = 28% P2 1,952 1.5.3 Chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode với biến áp có điểm Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 19 Bài Giảng Mạch Điện Tử D1 a + + Rt u2 ut n - - + AC 220V u2 b D2 Hình 1.17: Sơ đồ ngun lý mạch chỉnh lưu tồn kỳ dùng Didode D1 a + + Rt n - AC 220V - ut Áp ngược + b D2 Hình 1.18: Hoạt động mạch bán kỳ (+) u2 D1 a - n Áp ngược + + Rt ut - AC 220V + b D2 Hình 1.19: Hoạt động mạch bán kỳ (-) u2 10V U tm 5V U 2m u2 ut 0V -5V -10V Time Hình 1.20: Quan hệ điện áp u2 thứ cấp biến áp điện áp ut tải Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 20 Bài Giảng Mạch Điện Tử Ngun lý làm việc mạch: Trước phân tích hoạt động mạch, ta xét hoạt động biến áp thứ cấp có điểm giữa; biến áp mà dây quấn thứ cấp chia thành hai cuộn có số vòng dây dẫn đến điện áp hai đầu cuộn Điểm điểm nối chung cuối cuộn thứ với đầu cuộn thứ hai ngược lại Nếu ta nối mass điểm tức coi điểm điểm chuẩn có điện điện hai đầu lại hai cuộn dây ngược pha (xem đồ thị hình 1.21) Với mạch chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode thiết cần có biến áp thứ cấp có điểm điểm nối mass; điện áp u2 mà ta dùng để tính tốn phép tính sau hiểu điện áp cuộn dây a + u2 uan n + AC 220V ubn 0V u2 b Time Hình 1.21: Biến áp có điểm điện áp đầu a,b so với điểm n Xét mạch chỉnh lưu tồn kỳ có sơ đồ ngun lý hình 1.17 Khi điện áp u2 có bán kỳ (+), điện điểm a có giá trị (+) điện b có giá trị (-) so với điểm chuẩn n Theo ngun lý dòng điện chảy từ nơi có điện cao (điểm a) qua Diode D1, qua tải Rt đến nơi có điện thấp (điểm n) Nhánh mạch lại khơng dẫn điện Diode D2 bị phân cực ngược Như suốt bán kỳ (+) u2, có D1 dẫn điện D2 ngưng dẫn, giai đoạn cuộn an có dòng điện (xem chiều dòng điện hình 1.18) Điện áp tải giai đoạn có dạng gần giống uan (tức u2) biên độ đỉnh thấp U2m khoảng 0,7V sụt áp Diode D1 Phương trình gần ut là: ut = (U2m – 0,7).sin(ωt) với < ωt < π Khi điện áp u2 có bán kỳ (-), điện điểm a có giá trị (-) điện b có giá trị (+) so với điểm chuẩn n Trong giai đoạn dòng điện chảy từ điểm b qua Diode D2, qua tải Rt đến điểm n Nhánh mạch lại khơng dẫn điện Diode D1 bị phân cực ngược Như suốt bán kỳ (-) u2, Diode D2 dẫn điện D1 ngưng dẫn, giai đoạn cuộn bn có dòng điện (xem chiều dòng điện hình 1.19) Điện áp tải giai đoạn có dạng gần giống ubn (tức -u2) biên độ đỉnh thấp U2m khoảng 0,7V sụt áp Diode D2 Phương trình gần ut là: ut = -(U2m – 0,7).sin(ωt) với π < ωt < 2π Tóm lại ta có phương trình gần điện áp tải Rt là: (U2m – 0,7).sin(ωt) với < ωt < π ut = -(U – 0,7).sin(ωt) với π < ωt < 2π 2m Đồ thị điện áp tải quan hệ so với điện áp thứ cấp biến áp (xem hình 1.20) Điện áp tải có giá trị (+) tức dòng điện qua tải Rt chiều Tính tốn thơng số bản: Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 21 Bài Giảng Mạch Điện Tử ut ≈ (U2m − 0,7) sin(ωt) ut ≈ (U2m − 0,7).sin(ωt) U 2m UDC 0V π π ωt Chu kỳ T Trị trung bình điện áp tải: U DC = 2π π π 2U tm 1 ∫ U tm sin(ωt ).d (ωt ) + ∫ U tm sin(ωt ).d (ωt ) = u t dt = ∫ T 2π π π UDC = 2Utm ≈ 0,636Utm π với Utm = U2m – 0,7V Utm: Trị cực đại hay trị đỉnh điện áp tải U2m trị cực đại hay trị đỉnh điện áp thứ cấp máy biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu U2m = U2 với U2 trị hiệu dụng Trị trung bình dòng điện qua tải: Dòng điện qua tải đồng dạng với điện áp tải tải trở Vì trị trung bình dòng điện qua tải trường hợp là: 2I U IDC = tm Itm trị cực đại dòng điện qua tải, I tm = tm Rt π 2Utm ⇒ IDC = π.R t Cơng suất DC tải (PDC cơng suất thành phần chiều): 2U tm 2Utm 4U tm PDC = UDC IDC = = π π.R t π R t PDC = 4U tm π R t Trị hiệu dụng điện áp tải: T Urms = = ∫ u t dt = T0 2π Utm 4π π 2π ∫ Utm sin2 (ωt).d(ωt) + ∫ (−Utm )2 sin2 (ωt).d(ωt) = 2π π ∫ (1 − cos 2ωt).d(ωt) = Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ Utm 22 Bài Giảng Mạch Điện Tử Urms = Utm Trị hiệu dụng dòng điện qua tải: Vì dạng dòng điện giống dạng điện áp nên cách tính giống I U Dòng hiệu dụng: Irms = tm , đó: I tm = tm Rt Utm ⇒ Irms = R t Cơng suất hiệu dụng tải: PT = Urms Irms PT = U U U = tm tm = tm R t 2.R t 2 U tm 2.R t Hiệu suất mạch chỉnh lưu: 4U tm PDC π R t η= = = ≈ 0,81 = 81% PT π U tm 2.R t η = 81% chứng tỏ cơng suất thành phần DC chiếm 81%, gấp đơi trường hợp chỉnh lưu bán kỳ Trị hiệu dụng thành phần xoay chiều tải: Ur,rms Ur,rms π2 − U 2U = Urms − U DC = tm − tm = U tm ≈ 0,308U tm = 30,8%Utm 2.π 2 π = 30,8%U tm nhỏ trường hợp chỉnh lưu bán kỳ (38,5%Utm) 2 Hệ số gợn sóng tải: kr = Ur,rms 0,308Utm = ≈ 0,484 = 48,4% UDC 0,636Utm k r = 48,4% nhỏ nhiều so với trường hợp chỉnh lưu bán kỳ (121%) Tuy nhiên hệ số gợn sóng lớn chứng tỏ điện áp tải có độ nhấp nhơ cao Nhóm thơng số liên quan đến Diode máy biến áp (*) Dòng trung bình qua Diode: Vì hai Diode thay phiên làm việc nên dòng điện trung bình qua Diode phân nửa dòng trung bình qua tải IDav = U IDC = tm π.R t Điện áp ngược cực đại tác động lên Diode q trình vận hành: Xem lại hoạt động mạch bán kỳ (+) u2 mơ tả hình 1.18; D1 dẫn điện D2 ngưng dẫn, thân D2 chịu điện áp ngược tác động có giá trị Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 23 Bài Giảng Mạch Điện Tử xấp xỉ hiệu điện uab Hiệu điện đạt cực đại điện a đạt cực đai (Uamax = U2m) điện b đạt cực tiểu (Ubmin = -U2m) Điện áp ngược cực đại Diode D2 là: PIV ≈ 2U2m Tương tự bán kỳ (-) u2, Diode D1 ngưng dẫn D2 dẫn Lúc D1 bị phân cực ngược điện áp ngược cực đại D1 xấp xỉ 2U2m (xem đồ thị điện áp UAK Diode D1 hình 1.22) Tóm lại với mạch chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode ta có điện áp ngược cực đại tác động lên Diode q trình vận hành là: PIV ≈ 2U2m Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Dòng chảy cuộn dây thứ cấp máy biến áp có dạng giống dòng điện qua thứ cấp biến áp mạch chỉnh lưu bán kỳ, cơng thức tính nhau: Utm 2.R t I2 = U2m u2 Giai đoạn D1 ngưng dẫn chòu điện áp ngược UAK(D1) 0V Giai đoạn D1 dẫn điện -U2m UAK(D1) -2U2m Time Hình 1.22: Điện áp UAK Diode D1 q trình vận hành Điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Do điện áp thứ cấp biến áp có dạng sin nên trị hiệu dụng là: U2 = U2 m Cơng suất hiệu dụng thứ cấp máy biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu: Cần lưu ý đặc biệt trường hợp chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode thứ cấp biến áp có cuộn dây thay phiên làm việc bán kỳ điện áp sin nên cơng suất hiệu dụng thứ cấp biến áp là: U U (U − 0,7) U2m U P2 = P2(cuộnan) + P2(cuộnbn) = 2U2 I2 = 2m tm = 2m 2m ≈ 2.R t 2.R t 2 R t P2 ≈ U2 m 2 R t Hệ số sử dụng máy biến áp: 4U tm PDC π R t T.U.F = = ≈ ≈ 0,573 = 57,3% P2 π U2 m R t Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 24 Bài Giảng Mạch Điện Tử T.U.F ≈ 57,3% gấp đơi trường hợp chỉnh lưu bán kỳ Hệ số sử dụng biến áp 57,3% có nghĩa mạch chỉnh lưu chuyển đổi 57,3% cơng suất mà nhận từ thứ cấp máy biến áp thành cơng suất DC tải Nếu máy biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu 100W cuối tải nhận 57,3W cơng suất DC Như với mạch chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode, ta sử dụng khoảng 60% cơng suất biến áp Ví dụ tính tốn thơng số mạch chỉnh lưu bán kỳ: Cho mạch chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode với thơng số ban đầu là: U2 = 12V; Rt = 50Ω Hãy xác định điện áp trung bình tải, dòng trung bình qua tải, cơng suất DC nhận tải, cơng suất hiệu dụng thứ cấp biến áp cấp vào mạch chỉnh lưu hệ số sử dụng biến áp Giải: Trước ta có điện áp hiệu dụng thứ cấp biến áp U2 = 12V ⇒ Trị đỉnh: U2m = U2 = 12 ≈ 16,97V ⇒ Trị đỉnh điện áp tải là: Utm = U2m – 0,7 = 16,27V Điện áp trung bình tải là: 2.U tm 2.16,27 UDC = = ≈ 10,36V 3,14 π Dòng điện trung bình qua tải là: UDC 10,36 = = 0,2072A = 207,2mA Rt 50 Dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp máy biến áp là: IDC = U tm 16,27 = ≈ 0,1627A = 162,7mA 2.R t 2.50 Cơng suất DC nhận tải là: I2 = PDC = UDC.IDC = 10,36.0,2072 ≈ 2,15W Cơng suất hiệu dụng thứ cấp biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu: P2 = 2.U2.I2 = 2.12.0,1627 = 3,905W Hệ số sử dụng biến áp là: PDC 2,15 = = 0,55 = 55% P2 3,905 Đây kết tính xác, cơng thức lý thuyết ta có T.U.F ≈ 57,3% bỏ sụt áp 0,7V Diode + T.U.F = 1.5.4 Chỉnh lưu tồn kỳ dùng cầu Diode D1 D2 a + AC 220v ut Rt u2 - b D4 D3 - Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 25 Bài Giảng Mạch Điện Tử Hình 1.23: Sơ đồ ngun lý mạch chỉnh lưu cầu D1 + a + Áp ngược 0,7 - + D2 - + ut Rt - AC 220v Áp ngược + D4 0,7 - b D3 + - - Hình 1.24: Vận hành mạch bán kỳ (+) u2 Áp ngược a D1 0,7 - + + + - D2 - ut Rt + AC 220v D4 + Áp ngược 0,7 - b + D3 - - Hình 1.25: Vận hành mạch bán kỳ (-) u2 10V Utm 5V U2m u2 ut 0V -5V -10V Time Hình 1.26: Quan hệ điện áp ut tải điện áp u2 thứ cấp biến áp Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 26 Bài Giảng Mạch Điện Tử Ngun lý làm việc mạch: Xét hoạt động mạch bán kỳ (+) u2 (xem hình vẽ 1.23) Trong bán kỳ ta có điện điểm a dương điện điểm b nên dòng điện chảy từ a qua D1, qua tải Rt, qua D3 b Điện áp tải bán kỳ có dạng gần giống điện áp uab (tức u2) biên độ đỉnh thấp U2m khoảng 1,4V sụt áp Diode D1 D3 (sụt áp Diode 0,7V) Vì ta có phương trình gần ut giai đoạn là: ut ≈ (U2m – 1,4).sin(ωt) Đồng thời giai đoạn Diode D2 D4 ngưng dẫn chịu điện áp ngược Xem hình 1.23 ta nhận thấy điện áp ngược D2 D4 xấp xỉ uab cực đại uab đạt đến trị đỉnh U2m Như ta có PIV = U2m (đối với D2 D4) Xét hoạt động mạch bán kỳ (-) u2 (xem hình 1.24) Trong bán kỳ ta có điện điểm a âm điện điểm b nên dòng điện chảy từ b qua D2, qua tải Rt, qua D4 a Điện áp tải bán kỳ có dạng gần giống điện áp uba (tức -u2) biên độ đỉnh thấp U2m khoảng 1,4V sụt áp Diode D2 D4 Vì ta có phương trình gần ut giai đoạn là: ut ≈ -(U2m – 1,4).sin(ωt) Đồng thời giai đoạn Diode D1 D3 ngưng dẫn chịu điện áp ngược Xem hình 1.24 ta nhận thấy điện áp ngược D1 D3 xấp xỉ uba cực đại uba đạt đến trị đỉnh U2m Như ta có PIV = U2m (đối với D1 D3) Tóm lại phương trình gần điện áp tải Rt là: (U2m – 1,4).sin(ωt) với < ωt < π u t = -(U – 1,4).sin(ωt) với π < ωt < 2π 2m Điện áp ngược cực đại Diode PIV = U2m (chỉ phân nửa trường hợp chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode u2 có giá trị) Tính tốn thơng số bản: Dạng điện áp tải trường hợp chỉnh lưu tồn kỳ dùng cầu Diode gần giống trường hợp chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode nên phép tính thơng số liên qua tới phụ tải : Điện áp trung bình, dòng điện trung bình, điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng v.v giống với cơng thức ta đề cập phần 2.2 Tuy nhiên có lưu ý quan trọng trị đỉnh điện áp tải (tức Utm) trường hợp chỉnh lưu cầu thấp trị cực đại U2m 1,4V sụt áp Diode (D1 D3 D2 D4) trường hợp chỉnh lưu tồn kỳ dùng 2Diode Utm thấp U2m 0,7V sụt áp Diode (D1 D2) Các thơng số liên quan đến Diode máy biến áp chỉnh lưu cầu có cách tính khác Tính tốn thơng số liên qua đến Diode máy biến áp (*) Dòng trung bình qua Diode: Cặp Diode D1,D3 thay phiên việc với cặp Diode D2,D4 bán kỳ điện áp u2 nên dòng điện trung bình qua Diode phân nửa dòng trung bình qua tải IDav = U IDC = tm π.R t Điện áp ngược cực đại tác động lên Diode q trình vận hành: PIV ≈ 2U2m xem phần ngun lý làm việc mạch Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Dòng chảy cuộn dây thứ cấp máy biến áp (tức dòng i2) trường hợp chỉnh lưu cầu dòng xoay chiều dạng sin Trong bán kỳ (+) u2, dòng có chiều điểm a bán kỳ (-) u2, chiều ngược lại (đi vào Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 27 Bài Giảng Mạch Điện Tử điểm a) Xem hình 1.24 1.25 chiều chảy dòng điện cuộn thứ cấp Dạng sóng i2 hình 1.27 0A Time Hình 1.27: D ng dòng n cu n th c p máy bi n áp Do có dạng gần với dạng sin nên trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp là: U tm I R U tm I2 = m = t = 2 R t I2 = Utm R t Điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Do điện áp thứ cấp biến áp có dạng sin nên trị hiệu dụng là: U2 = U2 m Cơng suất hiệu dụng thứ cấp máy biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu: U U (U − 1,4) U2m U P2 = U2 I2 = 2m tm = 2m 2m U2m >> 1,4V ≈ 2.R t 2 R t 2 R t U P2 ≈ 2m 2.R t Hệ số sử dụng máy biến áp: 4Utm PDC π R t T.U.F = = ≈ ≈ 0,81 = 81% P2 π U2 m 2.R t T.U.F ≈ 81% cao nhiều so với chỉnh lưu tồn kỳ dùng Diode Hệ số sử dụng biến áp 81% có nghĩa sử dụng mạch chỉnh lưu cầu, chuyển đổi khoảng 80% cơng suất biến áp thành cơng suất DC tải, chỉnh lưu cầu có hệ số sử dụng biến áp cao mạch chỉnh lưu mà ta khảo sát Ví dụ tính tốn thơng số mạch chỉnh lưu bán kỳ : Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 28 Bài Giảng Mạch Điện Tử Cho mạch chỉnh lưu cầu với thơng số ban đầu là: U2 = 12V; Rt = 50Ω Hãy xác định điện áp trung bình tải, dòng trung bình qua tải, cơng suất DC nhận tải, cơng suất hiệu dụng thứ cấp biến áp cấp vào mạch chỉnh lưu hệ số sử dụng biến áp Giải: Trước ta có điện áp hiệu dụng thứ cấp biến áp U2 = 12V ⇒ Trị đỉnh: U2m = U2 = 12 ≈ 16,97V ⇒ Trị đỉnh điện áp tải là: Utm = U2m – 1,4V = 15,57V Điện áp trung bình tải là: 2.U tm 2.15,57 UDC = = ≈ 9,92V 3,14 π Dòng điện trung bình qua tải là: UDC 9,92 = = 0,1984A = 198,4mA Rt 50 Dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp máy biến áp là: IDC = Utm 15,57 = ≈ 0,22A = 220mA R t 50 Cơng suất DC nhận tải là: I2 = PDC = UDC.IDC = 9,92.0,1984 ≈ 1,968W Cơng suất hiệu dụng thứ cấp biến áp cấp cho mạch chỉnh lưu: P2 = U2.I2 = 12.0,22 = 2,64W Hệ số sử dụng biến áp là: T.U.F = PDC 1,968 = = 0,745 = 77,5% P2 2,64 Đây kết tính xác, cơng thức lý thuyết ta có T.U.F ≈ 81% bỏ sụt áp 1,4V Diode Trong trường hợp ta có U2m = 16,97V khơng q lớn so với 1,4V nên bỏ qua sụt áp 1,4V Diode dẫn đến sai lệch lớn tính xác tính gần Biên soạn: Ths Ngơ Sỹ 29