Mạch điện tử - Chương 1

.Mạch điện tử cơ bản là giáo trình được biên soạn theo đề cương do Sở Giáo dục và Đào tạo thành phố Hà Nội xây dựng và thông qua. Đây là giáo trình dành cho chuyên ngành đào tạo hệ kỹ thuật v

KÝ HIỆU

Giá trị tại tĩnh điểm Q (quiescent-point): IEQ, VCEQ

Giá trị tức thời của thành phần thay đổi theo thời gian: ie, vce

e E

CHƯƠNG 1: DIODE BÁN DẪN

1.1 Giới thiêu

1.2 Vật liệu bán dẫn

1.3 Diode bán dẫn thông thường

1.4 Chỉnh lưu

1.5 Phân tích mạch Diode

1.6 Mạch xén (Clippers) và mạch ghim điện áp (Clampers)

1.7 Diode Zener

1.8 Các loại Diode khác

1.9 Aûnh hưởng của nhiệt độ và các thông số kỹ thuật

1.1 GIỚI THIỆU

x Diode là một linh kiện điện tử phi tuyến đơn giản nhất

x Các loại diode: Diode chân không, Diode khí, Diode chỉnh lưu kim loại, Diode bán dẫn, vv

x Diode bán dẫn: Cấu tạo và tính chất

1.2 VẬT LIỆU BÁN DẪN

Các vật liệu bán dẫn thường dùng:

x Silicon (Si)

x Germanium (Ge)

x Gallium Arsenide (GaAs)

1.2.1 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc tinh thể

1.2.2 Sự dẫn điện

x Các mức năng lượng

x Sự dẫn điện trong chất bán dẫn

Dòng khuếch tán (diffusion current): Khi có sự thay đổi mật độ electron (hole)

Dòng chảy (drift current): Khi có điện trường ngoài

1.2.3 Bán dẫn loại p và bán dẫn loại n

x “Doping”: Là quá trình đưa vào chất bán dẫn các chất khác cần thiết

x Bán dẫn loại p

9 Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material) Ví dụ: Boron (III)

9 Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

9 Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material

x Bán dẫn loại n

9 Chất đưa vào: Chất cho (donor material) Ví dụ: Phosphorus (V)

9 Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

9 Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type material

1.3 DIODE BÁN DẪN THÔNG THƯỜNG

1.3.1 Cấu trúc của Diode bán dẫn

x Cấu trúc và ký hiệu

x Lớp tiếp xúc pn (pn junction)

x Sự phân cực của Diode (bias)

1.3.2 Quan hệ giữa dòng điện và điện áp của Diode

x Diode lý tưởng

9 vi > 0: iD > 0 và vD = 0 (Diode ngắn mạch: short circuit)

9 vi < 0: vD < 0 và iD = 0 (Diode hở mạch: open circuit)

vi

ri

vD

iD+_

x Đặc tuyến Volt-Ampere (VA) của Diode

) 1 (

) 1

D D

mV

v o mkT

qv o

x Diode thực tế và Xấp xỉ tuyến tính hóa từng đoạn

(piecewise-linear approximation)

1.3.3 Mạch điện tương đương của Diode

<Xem Giáo trình và TLTK [3]>

1.3.4 Các phương pháp phân tích mạch dùng Diode

<Xem Giáo trình và TLTK [3]>

D i

D

R r

v v i





vi > 0: vD = 0 (Diode ngắn mạch),

L i

i D

R r

v i

L i D

L L

R r

R v i

_+

Ideal diode

Nguồn (Source) Tải (Load)

x Điện áp trên tải vL (Chỉnh lưu bán sóng):

x Phân tích tín hiệu chỉnh lưu bán sóng:

Giá trị trung bình:

S

Lm T

L dc

L

V dt t

v T

cos 3

2 cos

2

1 1 )

S

Z S

Z S

x Lọc (filter) tín hiệu chỉnh lưu bán sóng:

9 Mạch lọc dùng để lọc bỏ các hài xoay chiều (harmonics) nhằm giữ lại thành phần một chiều của tín hiệu vL(t): Lọc thông thấp (lowpass filter – LPF)

9 Các dạng mạch lọc cơ bản:

9 Giả sử dùng mạch lọc (a) với RC = 100/Zo và R >> RL

Biên độ điện áp ngõ ra của mạch lọc tại tần số nZo (nt1) là:

V RC

sin 300

1 sin

200

1 1

Z S

9 Độ gợn sóng (Ripple factor):

Thành phần DC:

S

Lm dc

200

1

t t

V

S Z

Giá trị hiệu dụng (rms) của thành phần gợn sóng:

> @

280

) 300 (

1 )

200 (

1 2

) (

1 )

2 /

1

T

r rms

r

V V

dt t

v T

,

|

dc L

rms r

V v

“Nothing is difficult to those who have the will.”

- Dutch Poet's Society

1.4.2 Chỉnh lưu toàn sóng (Full-wave rectification)

Ri 1

9 D1

vL+

_D1

D2D3

D4

x Phân tích tín hiệu chỉnh lưu toàn sóng

Giá trị trung bình:

S

Lm dc

cos 3

4 2

S

x Lọc tín hiệu chỉnh lưu toàn sóng

Giả sử dùng mạch lọc như ở phần chỉnh lưu bán sóng, điện áp ngõ ra:

sin 300

2 2

V

Độ gợn sóng 0 0024

420 1

|

1.4.3 Mạch lọc (Filtering)

Tụ C được nạp nhanh đến giá trị Vmax của điện áp vo(t)

Khi vo(t) giảm, tụ C phóng điện qua RL với quy luật: R C

t

o t V e Lv

 max

) (

Quá trình tuần hoàn với tần số của điện áp chỉnh lưu fp:

x Phân tích và tính toán mạch

Xấp xỉ tín hiệu ngõ ra bằng dạng sóng răng cưa (sawtooth wave)

Tụ C:

L

pR Vf

V C

'

max

Điện áp gợn sóng hiệu dụng:

3 2

) ( vr rms Vmax  Vmin

Chứng minh: <Xem Giáo trình và TLTK [3]>

1.4.4 Mạch nhân đôi điện áp (Voltage-doubling circuit)

x Ví dụ 1: (Nhân đôi điện áp một bán chu kỳ)

C1

C2 D1

D2

9 Bán kỳ âm của vS: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax

9 Bán kỳ dương của vS: Điện áp chồng chập của C1 và vS nạp điện cho C2 qua D2 đến điện áp 2VSmax

vS

x Ví dụ 2: (Nhân đôi điện áp hai bán chu kỳ)

C1 C2

9 Bán kỳ dương của vS: C2 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax

Tổng điện áp vS và VSmax trên C1 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D1

9 Bán kỳ âm của vS: C1 nạp điện qua D2 đến điện áp VSmax

Tổng điện áp vS và VSmax trên C2 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D2

1.4.5 Nhân tần số (Frequency multiplication)

9 Mạch chỉnh lưu tạo ra tín hiệu (hài – harmonics) tại các tần số: nZo

9 Sử dụng mạch lọc thích hợp để tách lấy thành phần hài cần thiết

RL

+_

vS

1.5 PHÂN TÍCH MẠCH DIODE

Lưu ý: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến Diode thực

1.5.1 Mạch Diode đơn giản – Đường tải một chiều (DC Load Line)

x Phương pháp đồ thị

9 Phần tử phi tuyến được thể hiện bằng đặc tuyến VA: i D f ( vD)

9 Phần còn lại (tuyến tính) được thay thế bằng mạch tương đương

Thevenin: vD vT  iDRT hay:

T

T D

T

D

R

v v

của phần tuyến tính

x Điện áp tương đương Thevenin vT thay đổi (Ví dụ: vT = VTmsin Zt)

1.5.2 Phân tích tín hiệu nhỏ – Điện trở động (Dynamic resistance)

x Tín hiệu nhỏ

Thành phần thay đổi (ac) của tín hiệu là rất nhỏ so với thành phần dc

t V

V v

V

vT dc  i dc  im sin Z với Vim << Vdc

x Phương pháp kết hợp đồ thị – phân tích (graphical-analytical)

Phân tích tín hiệu nhỏ:

Chuyển trục toạ độ về Q: id iD  IDQ

Tín hiệu nhỏ: Xem ab là đoạn thẳng đi qua Q và có phương trình:

d

d d

D d

i

v r

' '

x Tính giá trị điện trở động

D

mV

v o

D I e

i | , giá trị điện trở động:

DQ DQ

T Q

D

D Q

D

D d

I

mV m

I

mV i

v i

'

với: IDQ: Dòng điện tĩnh điểm qua Diode

x Mạch tương đương

9 Mạch (a): Tìm tĩnh điểm Q (IDQ và VDQ), sử dụng phương pháp đồ thị

9 Mạch (b): Tìm đáp ứng tín hiệu nhỏ (id và vd), sử dụng điện trở động và các định luật Kirchhoff

9 Dùng nguyên lý xếp chồng để tìm tổng đáp ứng

x Mạch điện có thành phần điện kháng - reactive elements (LC)

Ví dụ:

Giả sử: 1/CZ << RL và Vim << VdcMạch tương đương:

1.5.3 Đường tải xoay chiều (AC Load Line - ACLL)

Xét ví dụ trên

Giả sử: 1/CZ << RL và Vim << Vdc

x Tín hiệu dc

Điện trở mạch tương đương Thevenin nhìn từ Diode: RTdc = ri + R1

Độ dốc của DCLL: slopedc =

1

1

1

R r

RTdc  i 



x Tín hiệu nhỏ (ac)

Điện trở mạch tương đương Thevenin nhìn từ Diode: RTac = ri + R1//RL

Độ dốc của ACLL: slopeac =

L i

1 1

1.6 MẠCH XÉN VÀ MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP

<Xem TLTK [3]>

1.6.1 Mạch xén (Clippers)

Mạch xén dùng để loại bỏ tín hiệu nằm dưới (hay trên) một mức chuẩn

(reference level)

x Ví du 1: (Giả sử Diode lý tưởng)

x Ví dụ 2: (Giả sử Diode lý tưởng)

x Ví dụ 3: (Giả sử Diode lý tưởng)

1.6.2 Mạch ghim điện áp (Clampers)

Mạch ghim điện áp thực hiện việc di chuyển tín hiệu (shifting operation) theo trục Y với độ dịch chuyển phụ thuộc vào dạng sóng ngõ vào sao cho tín hiệu ngõ ra luôn được ghim (clamped) tại một giá trị cố định

x Ví dụ: Giả sử Diode lý tưởng, RC >> T và Vm > VB

VC = Vm -VB

1.7 DIODE ZENER

x Diode Zener: Hoạt động chủ yếu trong vùng phân cực nghịch

x Ký hiệu và Đặc tuyến VA

9 Phân cực thuận: Như Diode thông thường

9 Phân cực nghịch: IZmax t iZ t IZmin , vZ = VZ = constant

VZ: Điện áp Zener

IZmax: Dòng phân cực nghịch

tối đa của Diode Zener

IZmin: Dòng phân cực nghịch

tối thiểu để vZ = VZ,thường IZmin = 0.1 IZmax

PZmax = VZIZmax: Công suất tối

đa tiêu tán trên Diode Zener

x Ứng dụng: Thường dùng để tạo điện áp chuẩn (reference voltage)

1.7.1 Mạch ổn áp dùng Diode Zener (Zener regulator)

vS và iL: Không ổn định

x Mục đích: Thiết kế mạch sao cho Diode Zener hoạt động trong vùng ổn áp (vùng gãy – breakdown region): IZmax t iZ t IZmin , vZ = VZ

x Phân tích:

L Z

Z S

R

Z S

i

i i

V v

i

V v

R

V v

Để IZmax t iZ t IZmin với mọi giá trị của vS và iL: min(iZ) t IZmin và max(iZ) d IZmax

i

Z S

R

V V

i

Z S

R

V V

max min

max min

max

min

Z L

Z S

i Z

L

Z S

I I

V V

R I

max min

max

min

Z L

Z S

Z L

Z S

I I

V V

I I

V

V



 t





, thường chọn IZmin = 0.1 IZmax

Ÿ Chọn Diode Zener sao cho:

max min

min min

max max

) (

) (

S Z

S

Z S

L Z

S L

Z

V V

V

V V

I V

V I

và: IZmax t ILmax

và: IZmin 0 1 IZmax d ILmin Ÿ IZmax d 10 ILmin

x Thiết kế: Làm theo thứ tự ngược lại để xác định IZmax của Diode Zener và

Ri

x Ví dụ 1: Thiết kế mạch ổn áp dùng Diode Zener: VZ = 10 V

a) vS : 14 y 20 V và iL: 100 y 200 mA

A V

V V

V V

I V

V I

I

S Z

S

Z S

L Z

S L

1 0 9

0

) (

) (

max min

min min

max max

và IZ max t ILmax 0 2 A

và IZ max d 10 ILmin 1 A

Chọn IZmax = 0.533A Ÿ Ri = 15.8 :Cần xét đến công suất tiêu tán cực đại trên Ri và Diode Zener:

Trên Ri: PRimax = (VSmax – VZ)2 / Ri = 6.33 W Trên Diode Zener: PDiode = IZmaxVZ = 5.33 W b) vS : 10.2 y 14 V và iL: 20 y 200 mA

A V

V V

V V

I V

V I

I

S Z

S

Z S

L Z

S L

1 0 9

0

) (

) (

max min

min min

max max

Không thiết kế được !!!

x Ví dụ 2: VZ = 7.2 V; vS = Vdc = 12 V; iL: 12 y 100 mA; Tìm Ri

VSmax = VSmin = Vdc = 12V

mA V

V V

V V

I V

V I

I

S Z

S

Z S

L Z

S L

1 0 9

0

) (

) (

max min

min min

max max

và IZ max t ILmax 100 mA

và IZ max d 10 ILmin 120 mA

Chọn IZmax = 100 mA

Ÿ 43.5: t Ri t 40:: Chọn Ri = 43.5:Công suất tiêu tán cực đại:

Trên Ri: PRimax = (Vdc – VZ)2/ Ri = 0.53W Trên Diode Zener: PDiode = IZmaxVZ = 0.72 W

1.7.2 Diode Zener thực tế và Độ thay đổi điện áp (percent regulation)

x Diode Zener thực tế: <Xem TLTK [2]>

9 Đặc tuyến VA

9 Dùng phương pháp đồ thị để phân tích mạch

x Độ thay đổi điện áp:

9 Ví dụ: Xét Ví dụ 1a) trong phần trước Giả sử IZmin = 0.1IZmax = 0.053A

Diode Zener thực tế có giá trị điện trở động: rd = 2:Mạch tương đương:

Điện áp ra: Vomax = 10 + 0.53u2 = 11.1V

Vomin = 10 + 0.053u2 = 10.1V

9 Độ thay đổi điện áp:

%Reg = (Vomax – Vomin) / Vo danh định (nominal)

%Reg = (11.1 – 10.1) / 10 = 10%

“Never, never, never give up.”

- Winston Churchill, Sir (1874-1965)

Ri

rd

iL

vo+

_

VZ

iZDiode Zener

lý tưởng

1.8 CÁC LOẠI DIODE KHÁC

<Xem Giáo trình và TLTK [3]>

1.9 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT

1.9.1 Aûnh hưởng của nhiệt độ

x Aûnh hưởng lên đặc tuyến VA

9 Điện áp ngưỡng VJ (turn-on voltage)

) (

) ( )

T2  1 T21

T21: Điện trở nhiệt (thermal resistance) giữa 2 và 1 (oC / W)

P: Công suất tiêu tán (power dissipation) tại 2 (W)

j jc c

j ca a

Tj d Tjmax: Cho trước bởi nhà sản xuất

Tjc: Hằng số, cho trước bởi nhà sản xuất

Tca: Có thể thay đổi được, sử dụng tản nhiệt

(heat sink) để giảm Tca Ÿ Giảm Tj với cùng công suất Pj (Ta = constant)

9 Đường suy giảm công suất (Derating Curve)

1.9.2 Thông số kỹ thuật <Xem TLTK [2], [3]>

x Diode thông thường

1 Điện áp ngược cực đại (PIV –

Peak Inverse Voltage)

2 Dòng phân cực nghịch cực đại

tại PIV

3 Điện áp phân cực thuận cực đại

4 Giá trị trung bình của chỉnh lưu bán sóng

5 Nhiệt độ cực đại chỗ tiếp giáp

3 Công suất tiêu tán cực đại Pmax

4 Dòng điện thử (test current) IZT

5 Điện trở động tại dòng thử RZT

6 Dòng điện tại điểm gối IZk

7 Điện trở động tại điểm gối RZk

8 Nhiệt độ cực đại chỗ tiếp giáp

pn Tjmax

9 Hệ số nhiệt độ (temperature coefficient) TC, thể hiện sự thay đổi của VZ theo nhiệt độ