Bài giảng điện tử cơ bản tổng hợp

Bài giảng: Điện tử Chương Các khái niệm 1.1 Vật dẫn điện cách điện Các vật liệu sử dụng kỹ thuật điện tử đa dạng nhiều Chúng gọi chung vật liệu điện tử để phân biệt với loại vật liệu sử dụng lĩnh vực khác Tuỳ theo mục đích sử dụng yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn vật liệu cho thích hợp đảm bảo tiêu kỹ thuật, dễ gia công giá thành rẻ - Dựa vào lý thuyết vùng lượng người ta chia vật chất làm ba loại chất cách điện, chất bán dẫn chất dẫn điện Theo lý thuyết trạng thái lượng nguyên tử vật chất phân chia thành ba vùng lượng khác là: vùng hóa trị, vùng dẫn vùng cấm Mức lượng cao vùng hóa trị ký hiệu EV; mức lượng thấp vùng dẫn ký hiệu EC độ rộng vùng cấm ký hiệu EG + Chất cách điện: Cấu trúc vùng lượng chất cách điện mô tả hình 1-1a Độ rộng vùng cấm E G có giá trị đến vài eV (EG ≥ 2eV) + Chất bán dẫn: Chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ (EG < 2eV) Hình 1.1: Cấu trúc dải lượng vật chất a- Chất cách điện; b- Chất bán dẫn; c- Kim loại + Kim loại: Cấu trúc vùng lượng tinh thể vùng cấm, vùng hóa trị hòa vào vùng dẫn (hình 1-1c) nên điện tử hóa trị điện tử tự - Dựa vào ứng dụng, vật liệu điện tử thường phân chia thành loại chất cách điện (hay chất điện môi), chất dẫn điện, chất bán dẫn vật liệu từ Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Chất cách điện (hay chất điện môi) a Định nghĩa Chất cách điện, hay gọi chất điện môi Chất cách điện có điện trở suất cao vào khoảng 107 ÷ 1017Ωm nhiệt độ phòng Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu vô hữu Chúng thể khí, thể lỏng thể rắn b Các tính chất chất điện môi - Độ thẩm thấu điện tương đối (hay gọi số điện môi): Hằng số điện môi ký hiệu ε, biểu thị khả phân cực chất điện môi xác định biểu thức: ε= Cd C0 Trong đó: Cd điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi; C0 điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi chân không không khí - Độ tổn hao điện môi (Pa): Độ tổn hao điện môi công suất điện chi phí để làm nóng chất điện môi đặt điện trường tính theo công thức tổng quát sau: Trong đó: • Pa độ tổn hao điện môi đo oát (w) • U điện áp đặt lên tụ điện đo vôn (V) • C điện dung tụ điện dùng chất điện môi đo Farad (F) • ω tần số góc đo rad/s • tgδ góc tổn hao điện môi - Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t.): Nếu ta đặt chất điện môi vào điện trường mà bị khả cách điện - ta gọi tượng đánh thủng chất điện môi Trị số điện áp xẩy tượng đánh thủng chất điện môi gọi điện áp đánh thủng Uđ.t thường đo KV, cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi độ bền điện Độ bền điện ký hiệu Eđ.t tính theo công thức: [KV/ mm;KV/ cm] Trong đó: Uđ.t - điện áp đánh thủng chất điện môi d - bề dày chất điện môi bị đánh thủng - Nhiệt độ chịu đựng: Là nhiệt độ cao mà chất điện môi giữ tính chất lý hóa Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử - Dòng điện chất điện môi (I): Dòng điện chất điện môi gồm có thành phần dòng điện chuyển dịch dòng điện rò • Dòng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi dòng điện phân cực): Quá trình chuyển dịch phân cực điện tích liên kết chất điện môi tạo nên dòng điện phân cực I C.M Khi điện áp xoay chiều dòng điện chuyển dịch tồn suốt thời gian chất điện môi nằm điện trường Khi điện áp chiều dòng điện chuyển dịch tồn thời điểm đóng ngắt điện áp • Dòng điện rò Irò: Dòng điện rò dòng điện tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển động tác động điện trường Dòng điện tổng qua chất điện môi là: I = IC.M + Irò - Điện trở cách điện chất điện môi: Điện trở cách điện xác định theo trị số dòng điện rò: Trong đó: I - Dòng điện nghiên cứu ΣIC.M - Tổng thành phần dòng điện phân cực Phân loại ứng dụng chất điện môi Chất điện môi chia làm loại chất điện môi thụ động chất điện môi tích cực - Chất điện môi thụ động gọi vật liệu cách điện vật liệu tụ điện Bảng sau giới thiệu số chất điện môi thông dụng đặc tính chúng - Chất điện môi tích cực vật liệu điều khiển như: • Về điện trường có gốm, thuỷ tinh, • Về học có chất áp điện thạch anh áp điện • Về ánh sáng có chất huỳnh quang • Electric hay châm điện vật chất có khả giữ phân cực lớn lâu dài Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Chất dẫn điện a.Định nghĩa Chất dẫn điện vật liệu có độ dẫn điện cao Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện chất rắn, chất lỏng chất khí b Các tính chất chất dẫn điện - Điện trở suất: R ρ = R l [Ω.m] , [Ω.mm] , [Ω.m] đó: S - tiết diện ngang dây dẫn [mm2; m2] l - chiều dài dây dẫn [mm; m] R - trị số điện trở dây dẫn [Ω] Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m (của bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm) - Hệ số nhiệt điện trở suất (α): Hệ số nhiệt điện trở suất biểu thị thay đổi điện trở suất nhiệt độ thay đổi 0C Khi nhiệt độ tăng điện trở suất tăng lên theo quy luật: ρt= ρ0(1+ αt) đó: ρt - điện trở suất nhiệt độ t (0C) ρ0 - điện trở suất nhiệt độ 00C α - hệ số nhiệt điện trở suất [K-1] Để cho kim loại nguyên chất hệ số nhiệt chúng bằng: α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 [K-1] - Hệ số dẫn nhiệt : λ Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S thời gian t là: Trong đó: λ - hệ số dẫn nhiệt [w/ (m.K)] ΔT/Δl - gradien nhiệt độ (ΔT lượng chênh lệch nhiệt độ hai điểm cách khoảng Δl) S - diện tích bề mặt t - thời gian - Công thoát điện tử kim loại: Năng lượng cần thiết cấp thêm cho điện tử để thoát khỏi bề mặt kim loại gọi công thoát kim loại EW - Điện tiếp xúc: Nghiên cứu hai chất kim loại tiếp xúc với tiếp xúc C hình Hiệu điện tiếp xúc hai kim loại xác định chênh lệch EAB điểm A B tính theo công thức: EAB = EW2 - EW1 Tương ứng với EAB (đo eV) ta có điện tiếp xúc (đo Vôn), ký hiệu VAB có trị số EAB Nếu kim loại giống nhau, điện tiếp xúc chúng Nếu hai kim loại khác kim loại có công thoát thấp trở thành điện tích dương kim loại có công thoát cao trở thành điện tích âm b Một số loại vật liệu dẫn điện thường dùng Chất dẫn điện chia làm loại chất dẫn điện có điện trở suất thấp chất dẫn điện có điện trở suất cao - Chất dẫn điện có điện trở suất thấp: Chất dẫn điện có điện trở suất thấp (hay độ dẫn điện cao) thường dùng làm vật liệu dẫn điện Bảng sau giới thiệu số chất dẫn điện có điện trở suất thấp tham số chúng Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử - Chất dẫn điện có điện trở suất cao: Các hợp kim có điện trở suất cao dùng để chế tạo dụng cụ đo điện, điện trở, biến trở, dây may so, thiết bị nung nóng điện Một số hợp kim thông thường tính chất điện chúng 1.2 Các hạt mang điện dòng điện môi trường 1.2.1 Dòng điện kim loại Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Theo khảo sát trên, dải lượng điện tử chiếm chưa đầy dải cấm cho lượng cao Nghĩa điện tử di chuyển tự kim loại tác dụng điện trường Hình vẽ phân bố điện tích tinh thể Na Những chỗ gạch chéo tiêu biểu cho điện tử dải hóa trị có lượng thấp nhất, chỗ trắng chứa điện tử có lượng cao nằm dải dẫn điện Chính điện tử điện tử nói thuộc hẳn vào nguyên tử định di chuyển tự từ nguyên tử sang nguyên tử khác Vậy kim loại coi nơi ion kết hợp chặt chẽ với xếp đặn chiều đám mây điện tử mà điện tử di chuyển tự Hình ảnh mô tả kim loại chất khí điện tử Theo thuyết chất khí điện tử kim loại, điện tử chuyển động liên tục với chiều chuyển động biến đổi lần va chạm với ion dương nặng, xem đứng yên Khoảng cách trung bình hai lần va chạm gọi đoạn đường tự trung bình Vì chuyển động tán loạn, nên thời điểm đó, số điện tử trung bình qua đơn vị diện tích theo chiều số điện tử qua đơn vị diện tích theo chiều ngược lại Như vậy, dòng điện trung bình triệt tiêu 1.2.2 Dòng điện điện môi lỏng điện môi rắn Loại điện môi lỏng trung tính điển dầu biến áp, độ dẫn điện phụ thuộc vào hàm lượng tạp chất phân ly có dầu, kể nước mưa Loại điện môi lỏng lưỡng cực ( có cực tính) điển hình dầu cách điện xôvôn độ dẫn điện không phụ thuộc vào hàm lượng tạp chất phân ly mà phụ thuộc vào phân ly thân phân tử điện môi, loại điện môi lỏng có cực tính, có độ dẫn điện lớn loại điện môi lỏng trung hòa Điện dẫn suất điện môi lỏng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ: Khi nhiệt độ điện môi lỏng tăng mức độ phân ly tăng làm cho điện dẫn suất tăng theo Khi E = (10-100) kV/mm dòng điện qua điện môi lỏng không tuân theo định luật Ôm, lý đơn vị thời gian lượng iôn tự tăng không xảy iôn hóa va chạm Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Tính dẫn điện điện môi rắn: Phụ thuộc lượng ion thân điện môi Lượng iôn tạp chất xuất bên bề mặt lớp điện môi Đối với loại điện môi rắn cấu tạo liên kết mạng tinh thể tính dẫn điện phụ thuộc vào hàm lượng tạp chất xuất bên bề mặt lớp điện môi, điển thủy tinh cách điện, gốm cách điện Đối với loại điện môi rắn cấu tạo liên kết iôn độ dẫn điện xác định chủ yếu dịch chuyển iôn giải phóng dao động nhiệt gây ra: Ở nhiệt độ chưa cao, iôn giải phóng thường iôn liên kết yếu, ví dụ iôn loại tạp chất, nhiệt độ cao số iôn liên kết thân điện môi giải phóng tự tham gia chuyển động điện trường, hình thành dòng điện rò chạy qua lớp điện môi Trong qúa trình dòng điện rò dòng điện hấp thụ chạy qua điện môi rắn có chứa tạp chất, iôn tạp chất bị trung hòa điện cực, làm cho độ dẫn điện điện môi rắn bị suy giảm dần sau thời gian trì điện áp đặt lên lớp điện môi, để xác định xác trị số dòng điện rò chạy qua điện môi rắn phải chờ cho kim đồng hồ ampe ổn định sau thời gian tối thiểu 60 giây 1.2.3 Dòng điện điện môi khí Dòng điện qua điện môi khí tồn điện môi khí có iôn hay điện tử tự do, điện áp đặt vào lớp điện môi khí chưa đủ mạnh, điện truờng phân bố lớp điện môi khí yếu, độ dẫn điện điện môi khí gây yếu tố iôn hóa bên gọi điện dẫn không tự trì (yếu tố iôn hóa bên xạ nhiệt độ cao v v) i(A) Khi điện áp đặt vào lớp điện môi khí đủ mạnh đạt tới giới hạn Ui (điện áp iôn hóa) xảy iôn hóa quang iôn hóa va chạm, điện tích tự điện môi khí tăng lên, gây tượng phóng điện vầng quang phóng điện tia lửa, gọi điện dẫn tự trì Đặc tính (V-A) hình vẽ: Giáo viên: Phạm Thị Lành o Uđm U(V) Trang Uth Bài giảng: Điện tử Đoạn đặc tính từ đến Uđm u tăng i tăng Đoạn đặc tính từ Uđm đến Uth dòng điện qua điện môi khí không đổi iôn sinh chưa kịp tái hợp bị kéo trung hòa điên cực, nên lượng điện tích tự sinh đơn vị thời gian không tăng thêm được, cho dù điện áp đặt vào lớp điện môi khí tăng, dòng điện qua lớp điện môi khí không đổi Đoạn đặc tính sau Uth xảy iôn hóa va chạm làm xuất điện dẫn tự trì, điện áp đặt vào điện môi khí tăng dòng điện chạy qua điện môi khí tăng theo hàm số mũ 1.2.4 Dòng điện chất bán dẫn Định nghĩa đặc điểm chất bán dẫn Chất bán dẫn vật chất có điện trở suất nằm trị số điện trở suất chất dẫn điện chất điện môi nhiệt độ phòng: ρ = 10-4 ÷ 107 Ω.m Trong kỹ thuật điện tử sử dụng số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng hai nguyên tố Gecmani Silic Thông thường Gecmani Silic dùng làm chất chính, chất Bo, Indi (nhóm 3), phôtpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho vật liệu bán dẫn Đặc điểm cấu trúc mạng tinh thể độ dẫn điện nhỏ nhiệt độ thấp tăng theo lũy thừa với tăng nhiệt độ tăng gấp bội có trộn thêm tạp chất Chất bán dẫn mà nút mạng tinh thể có nguyên tử loại nguyên tố chất gọi chất bán dẫn nguyên tính (hay chất bán dẫn thuần) ký hiệu số i (Intrinsic) - Hạt tải điện chất bán dẫn thuần: Hạt tải điện chất bán dẫn điện tử tự vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị Xét cấu trúc tinh thể Gecmani Silic biểu diễn không gian hai chiều Gecmani (Ge) Silic (Si) có điện tử hóa trị lớp Trong mạng tinh thể nguyên tử Ge (hoặc Si) góp điện tử hóa trị vào liên kết cộng hóa trị với điện tử hóa trị nguyên tử kế cận để cho nguyên tử có hóa trị Hạt nhân bên nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4 Như điện tử hóa trị liên kết cộng hóa trị có liên kết chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, có sẵn điện tử hóa trị tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng gần tinh thể bán dẫn chất cách điện Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 10 Bài giảng: Điện tử Vcc RC1 Clk (A) Vo (B) D C1 T Q1 RC2 R1 R2 C - _+ B Vo Q2 Ri Clk C A 1000 Hz D Với R1 = 47k, C1 = 18nF, theo mô T ~ 0.56ms Theo tính toán T = 0,7 47.103.18.10-9 = 0.59ms 5.1.2 Dao động dịch pha.phase shift oscillator - Tạo sóng sin tần số thấp dải âm tần - Còn gọi mạch dao động RC Dùng R, C làm khối hồi tiếp - Mạch dùng BJT, FET Op-am làm khối khuếch đại - Thường dùng mạch khuếch đại đảo (lệch pha 1800) nên hệ thống hồi tiếp phải lệch pha thêm 1800 để tạo hồi tiếp dương Ví dụ mạch dao động dịch pha dùng FET sau: Tần số dao động mạch: f = 2π ( RC ) Mạch tạo dao động RC cho dao động có tần số đủ thấp Trong khối khuếch đại, tín hiệu ngược pha với tín hiệu vào (FET mắc Nguồn chung) nên mạch hồi tiếp RC phụ thuộc tần số phải dịch pha tín hiệu 1800 tần số phát sóng Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 101 Bài giảng: Điện tử VDD Rd C R Q1 2N4339 Rs C C R R Cs 5.1.3 Dao động thạch anh Tinh thể thạch anh (quartz crytal) loại đá mờ thiên nhiên, dioxyt silicium (SiO2) Tinh thể thạch anh dùng mạch dao động lát mỏng cắt từ tinh thể Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác Lát thạch anh có diện tích từ nhỏ 1cm đến vài cm2 mài mỏng, phẳng (vài mm) mặt thật song song với Hai mặt mạ kim loại nối chân để dễ sử dụng Ðặc tính tinh thể thạch anh tính áp điện (piezoelectric effect) theo ta áp lực vào mặt lát thạch anh (nén kéo dãn) xuất điện xoay chiều mặt Ngược lại tác dụng điện xoay chiều, lát thạch anh rung tần số không đổi tạo điện xoay chiều có tần số không đổi Tần số rung động lát thạch anh tùy thuộc vào kích thước đặc biệt độ dày mặt cắt Khi nhiệt độ thay đổi, tần số rung động thạch anh thay đổi theo có độ ổn định tốt nhiều so với mạch dao động không dùng thạch anh (tần số dao động gần tùy thuộc vào thạch anh mà không lệ thuộc mạch ngoài) Thực tế, loại thạch anh nhà sản xuất chế tạo có ghi kèm theo tần số rung Khi muốn tạo tín hiệu có tần số ta chọn thạch anh có tần số tương ứng Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 102 Bài giảng: Điện tử Mạch dao động thạch anh có ưu điểm dùng linh kiện mà kết lại cho tần số xác Dao động dùng thạch anh mạch cộng hưởng nối tiếp gọi mạch dao động Pierce (Pierce crystal oscillator) Dạng tổng quát sau: Dao động Pierce loại dao động thông dụng thạch anh Ví dụ mạch dao động thạch anh đơn giản VDD 5V 1k M1 NMOS A 10k RP 220k XTAL 3.5795MHZ C2 22pF Giáo viên: Phạm Thị Lành C1 22pF Trang 103 Bài giảng: Điện tử Dùng thạch anh tần số f = 3.5795MHz, suy chu kỳ T = 1/f = 0,279us, gần với kết mô Ví dụ mạch dao động dạng sóng VDD 5V M2 PMOS M1 NMOS RP A RL 10k 220k XTAL C2 22pF 2.000MHZ C1 22pF 5.2 Mạch xén 5.2.1 Mạch xén Mạch có điện áp ngỏ Vo = Vxt Vi > Vxt Vo = Vi Vi < Vxt Quan hệ điện áp vào Vi điện áp Vo có dạng Vo Vxt Vi Vo 1 Vi Vxt Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 104 Bài giảng: Điện tử Ví dụ mạch xén dùng diode Khi điện áp vào Vi 0.7V D dẫn thuận, Vxt = 0.7V điện áp mở Diode Vi Vo Dạng sóng Vi Vo với Vi = 3*sin(2*pi*1000*t) (V), R =1Kohm, D 1N914 Khi muốn thay đổi giá trị Vxt, người ta mắc thêm nguồn chiều Ví dụ sau: Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 105 Bài giảng: Điện tử Dễ dàng thấy Vxt = + 0.7 = 5.7V Khi Vi < 5.7V D phân cực ngược nên tắt, dòng điện qua D, R 0, điện áp R 0V nên Vo = Vi Khi Vi > 5.7V D dẫn thuận, Vxt = 5.7V Vi Vo Dạng sóng Vi Vo với Vi = 9*sin(2*pi*1000*t) (V), R =1Kohm, D 1N914 Nếu muốn có giá trị Vxt âm cần đổi chiều nguồn chiều 5.2.2 Mạch xén Mạch có điện áp ngỏ Vo = Vxd Vi < Vxd Vo = Vi Vi > Vxd Quan hệ điện áp vào VoVi điện áp Vo có dạng 1 Vi Vxd Vo Giáo viên: Phạm Thị Lành Vxd 1 Trang 106 Vi Bài giảng: Điện tử Ví dụ mạch xén dùng diode, Vxd = -0.7V dạng sóngVi Vo với Vi = 3*sin(2*pi*1000*t) (V), R =1Kohm, D 1N914 Nếu muốn thay đổi Vxd, t mắc thêm nguồn chiều Ví dụ mạch sau cho Vxd = 4.3V R2 V2 -9/9V D2 Vo 1kHz Vi + V3 5V Vo Dạng sóng Vi Vo với Vi = 9*sin(2*pi*1000*t) (V), R2 =1Kohm, D2 1N914 5.2.3 Mạch xén mức độc lập Mạch có điện áp ngỏ Vo = Vi Vxd < Vi < Vxt; Vo = Vxd Vi < Vxd Vo = Vxt Vi > Vxt Quan hệ điện áp vào Vi điện áp Vo có dạng Vo Vxt Vi Giáo viên: Phạm Thị Lành Vxd Trang 107 Bài giảng: Điện tử Vxd < Vo < Vxt Ví dụ mạch xen mức dùng diode Vxd = -0.7V < Vo < Vxt = 0.7V Nếu muốn thay đổi Vxd, Vxt người ta mắc thêm nguồn chiều, ví dụ mạch sau R V2 -20/20V 1kHz D3 Vi D2 + 5V + Vo 5V Dạng sóng với Vi = 9*sin(2*pi*1000*t) (V),R10Kohm D2 D3 1N914 5.2.4 Mạch ghim áp R1 Vi -18/18V Vi 1kHz D R2 Vo + E Khi Vi < E, diode D phân cực thuận, lúc Vo = E – (E-Vi)*R2/(R1+R2) Vo = E - Giáo viên: Phạm Thị Lành ( E − Vi) * R ( E − Vi ) * R1 = Vi + R1 + R R1 + R Trang 108 Bài giảng: Điện tử Khi Vi > E, diode D phân cực ngược, lúc dòng qua R1, R2 nên Vo = E Ví dụ mạch điện với R1 = R2 = 10Kohm, Vi = 9*sin(2*pi*1000*t) (V), D 1N914 Dạng sóng vào sau: A: vi_1 B: d_a 10.00 V 7.500 V Vi 5.000 V Vo 2.500 V D tắt D dẫn 0.000 V -2.500 V -5.000 V -7.500 V -10.00 V 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms Với R1 = R2 = 10Kohm, Vi = 3*sin(2*pi*1000*t) (V), D 1N914 Dạng sóng vào sau: A: vi_1 B: d_a 5.000 V 4.000 V Vi 3.000 V D dẫn Vo 2.000 V 1.000 V 0.000 V -1.000 V -2.000 V -3.000 V 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms 2.500ms 5.3 Mạch ổn áp Nhiệm vụ ổn định điện áp (gọi tắt ổn áp) chiều tải điện áp tần số lưới điện thay đối, tải biến đổi (nhất bán dẫn) thường gặp thực tế Điện trở nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế ghép kí sinh tầng, thiết bị dùng chung nguồn chỉnh lưu Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 109 Bài giảng: Điện tử Việc ổn định điện áp xoay chiều ổn áp xoay chiều có nhiều hạn chế điện áp lưới thay đổi nhiều Dùng ổn áp chiều phương pháp điện từ sử dụng phổ biển đặc biệt công suất tải yêu cầu không lớn tải tiêu thụ trực tiếp điện áp chiều Các dạng ổn áp thực tế chia thành ba loài chính: ổn áp kiều tham số, ổn áp kiểu bù tuyến tính (ổn áp hồi tiếp) ổn áp kiểu bù xung 5.3.1 Ổn áp tham số Bộ ổn áp tham số có ưu điểm mạch đơn giản, tiết kiệm, khuyết điểm chất lượng ổn áp thấp, công suất thấp không thay đổi mức điện áp theo yêu cầu Thường dùng linh kiện Zener, IC họ 78XXX, IC họ 79XXX làm linh kiện mạch Xét mạch ổn áp tham số dùng diode Zener hình sau: V1 8/12V 1kHz + Vi - R + Dz Rt Vo - Giả sử tải Rt cần nguồn điện áp ổn định Vo Ta chọn Dz có điện áp ổn áp Vz = Vo; chọn Vi có biên độ lớn Vo(vài Volt) Khi phân cực ngược, Iz nằm giới hạn(IZK < IZ < IZRM) VKA-Dz = Vz Ta phải tính chọn R để dòng Iz thoả mãn điều Nếu điện áp Vi lớn hay giá trị R nhỏ dòng qua Dz vượt giới hạn cho phép (IZ > IZRM) làm Dz hỏng Ngược lại, Vi < Vz dòng qua Dz 0, Vo khác Vz, Vo = Vi*Rt/(Rt+R) Nếu giá trị Rt nhỏ(tải lớn), dòng qua tải lớn cho dòng qua Dz nhỏ(IZK > IZ ) dẫn đến VKA-Dz < Vz Bộ ổn áp tham số có công suất nhỏ, phù hợp với tải nhỏ(Rt lớn) Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 110 Bài giảng: Điện tử Xét số ví dụ sau: Dz(loại 1N4733) có Vz = 5.1V, Vi có biên độ dao động từ 6V đến 14V Có Vo ổn định 5.1V với tải Rt 10k V1 6/14V 1kHz + A R 1k B Dz Vi Rt 1N4733 10k Vo - - A: v1_1 B: rt_2 + 14.00 V 12.00 V 10.00 V 8.000 V Vi Vo 6.000 V 4.000 V 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms Cũng với mạch trên, ta thay đổi Vi : từ 4V đến 12V, dạng sóng sau: A: v1_1 B: rt_2 13.00 V 11.00 V 9.000 V 7.000 V Vi Vo 5.000 V 3.000 V 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms Vo Rt không ổn định Vi nhỏ Cũng với mạch ban đầu, ta thay đổi Rt đến 500Ohm, dạng sóng sau: Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 111 Bài giảng: Điện tử A: v1_1 B: rt_2 15.00 V 12.50 V Vi 10.00 V 7.500 V Vo 5.000 V 2.500 V 0.000 V 0.000ms 0.250ms 0.500ms 0.750ms 1.000ms 1.250ms 1.500ms 1.750ms 2.000ms 2.250ms Vo Rt không ổn định giá trị Rt nhỏ.Vo < Vz 5.3.2 Ổn áp hồi tiếp Ổn áp loại bù dùng khuếch đại có điều khiển (phương pháp bù tuyến tính) Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng ổn áp kiểu bù (còn gọi ổn áp so sánh ổn áp có hồi tiếp) Thực tế thường dùng cấu trúc mạch có điều khiển nối tiếp với tải - kiểu nối tiếp ĐK + + SS Rt Vi SS Vo Ch 0 Rt Vi Ch _ Vo _ ĐK Trong đó: • ĐK: khối điều khiển, thường dùng BJT công suất, FET công suất • SS: khối so sánh, thường dùng BJT đơn mắc vi sai, OpAmp • Ch: khối tạo điện áp chuẩn, thường dùng Zener • Rt: tải BJT khối ĐK, SS làm việc vùng khuếch đại Khối SS so sánh lấy mẫu điện áp thực tải Rt với điện áp chuẩn Ch Kết so sánh đưa đến khối ĐK điều khiển dòng điện qua tải Rt Nếu điện áp Vo Rt tăng, khối ĐK điều khiển làm cho Vo giảm ngược lại, điện áp Vo Rt giảm, khối ĐK điều khiển làm cho Vo tăng Từ Vo ổn định giá trị Bộ ổn áp hồi tiếp so với ổn áp tham số: có công suất lớn hơn, điện áp dễ dàng điều chỉnh tì theo yêu cầu tải, mạch điện phức tạp Ví dụ xét nguyên lý ổn áp sau: • Điện áp vào Vi có biên độ không định • Tải bóng đèn Đ Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 112 Bài giảng: Điện tử • Khối tạo điện áp chuẩn Ch gồm: Diode Zener D(Vz) Rch • Khối so sánh SS: T1(2N5551) so sánh, lấy mẫu điện áp tải: R1, R2, R3 Thực so sánh điện áp chuẩn Vz với điện áp lấy mẫu biến trở R2(cũng điện áp chân B/T1: VB-T1) • Khối điều khiển ĐK: T2(2N5224) Rc Dễ thấy điện áp Vo = Vz + VBE-T1 + Vo* R3 + R 2t (xem IBT1 bé) R1 + R + R3 Trong R2t phần điện trở phía biến trở R2 Giá trị Vo dễ dàng thay điều chỉnh nhờ thay đổi tỉ lệ R2 Cần ý Vi phải đủ lớn Vo vài Volt T2 làm việc Từ biểu thức Vo = Vz + VBE −T R3 + R 2t , với k = 1− k R1 + R + R3 Do < R2t < R2 nên R3 R3 + R < k< R1 + R + R3 R1 + R + R3 Giả sử R2 để 50%, D có Vz = 3.9V, VBE-T1 = 0.65V(Si) Vo = 3.9 + 0.65 + Vo*(2k + 0.5k)/(2k + 1k + 2k), từ rút Vo = 9.1V Ví dụ ổn áp: Bộ cấp nguồn chiều hình sau gồm có biến áp, chỉnh lưu, lọc ổn áp • Điện áp vào Vi lấy(tại B) sau mạch chỉnh lưu mạch lọc • Điện áp Vo tải R2 • Điện áp chuẩn lấy D2 (1N4736 có Vz = 6.8V ) • Khối so sánh Q1, đồng thời Q1 khối điều khiển Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 113 Bài giảng: Điện tử Điện áp tải R2 Vo = Vz - VBE-Q1 Ở đây, từ yêu cầu công suất tải R2 (Vo, Io) Vi có mà chọn Dz có Vz phù hợp, chọn Q1 có công suất phù hợp • Q1 mạch có VCE-Q1 = Vi – Vo Ic > Io • D2 có Vz = Vo + VBE-Q1 V1 -170/170V Q1 2N2222A B 10TO1 + R1 680 C1 100uF 60 Hz A + D1 18DB10 D2 1N4736 C2 100uF R2 5k +6 Volt Power Supply A: q1_1 B: d1_3 17.50 V A(Vi) 15.00 V 12.50 V 10.00 V B(Vo) 7.500 V 5.000 V 2.500 V 0.000 V -2.500 V 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms Ví dụ: Bộ cấp nguồn chiều hình sau gồm có biến áp, chỉnh lưu, lọc ổn áp Mạch có ổn áp: O1 cho điện áp dương tải R3, O2 cho điện áp âm tải R1 2N3904 Q1 5TO1CT R4 680 D2 1N4736 + 60 Hz C2 100uF + C3 100uF R2 680 Giáo viên: Phạm Thị Lành C1 100uF R3 500 D1 1N4736 C4 100uF D B +/-6 Volt Power Supply O1 C + V1 D3 BRIDGE + A Q2 2N3906 R1 500 O2 Trang 114 Bài giảng: Điện tử A: c3_1 B: c2_2 C: c1_1 D: q2_3 20.00 V A(Vi1) 15.00 V C(Vo1) 10.00 V 5.000 V 0.000 V D(Vo2) -5.000 V -10.00 V B(Vi1) -15.00 V -20.00 V 0.000ms 10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms Kết dạng sóng điểm mạch A, B, C D Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang 115 50.00 ... ngắt điện áp • Dòng điện rò Irò: Dòng điện rò dòng điện tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển động tác động điện trường Dòng điện tổng qua chất điện môi là: I = IC.M + Irò - Điện trở cách điện. .. Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Giáo viên: Phạm Thị Lành Trang Bài giảng: Điện tử Chất dẫn điện a.Định nghĩa Chất dẫn điện vật liệu có độ dẫn điện cao Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng... Dòng điện điện môi khí Dòng điện qua điện môi khí tồn điện môi khí có iôn hay điện tử tự do, điện áp đặt vào lớp điện môi khí chưa đủ mạnh, điện truờng phân bố lớp điện môi khí yếu, độ dẫn điện điện