giao trinh dien tu tuong tu

§1 CHẤT BÁN DẪN NGUYÊN CHẤT VÀ CHẤT BÁN DẪN TẠP CHẤT Chất bán dẫn nguyên chất (chất bán dẫn thuần) Hai chất bán dẫn điển hình Si (14) Ge (32), chúng có đặc điểm chung lớp ngồi có bốn điện tử hoá trị Ta xét nguyên tử Si mạng tinh thể Khi vật liệu Si chế tạo thành tinh thể từ trạng thái xắp xếp lộn xộn chúng trở thành trạng thái hoàn toàn trật tự Khi khoảng cách nguyên tử cách - Bốn điện tử lớp nguyên tử chịu ràng buộc với hạt nhân ngun tử mà liên kết với bốn Si Si Si Si Si Si Si Si Si Điện tử tự Lỗ trống Liên kết đồng hoá trị nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh có cặp điện tử góp chung - Mỗi điện tử đơi góp chung vừa chuyển động xung quanh hạt nhân vừa chuyển động quỹ đạo điện tử góp chung Sự liên kết gọi liên kết đồng hoá trị Ở nhiệt độ xác định, chuyển động nhiệt, số điện tử góp chung dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành điện tử tự do, hạt dẫn điện tử - Khi điện tử tách trở thành điện tử tự để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống) Khi điện tử góp chung đôi kề cạnh dễ dàng bị rơi vào lỗ trống tạo thành di chuyển điện tử góp chung Sự di chuyển giống di chuyển điện tích dương, di chuyển lỗ trống Như vậy, lỗ trống loại hạt mang điện Khi đặt điện trường lên vật liệu bán dẫn xuất hai thành phần dòng điện chạy qua nó: thành phần dòng điện điện tử tự chuyển động có hướng thành phần dòng điện lỗ trống điện tử góp chung dịch lấp lỗ trống Điện tử tự mang điện âm, lỗ trống mang điện dương Các điện tử chuyển động ngược chiều với véc tơ cường độ điện trường lỗ trống chuyển động chiều tạo nên dòng điện chất bán dẫn * Như vậy: Bán dẫn mà dẫn xuất thực hai loại hạt mang điện (điện tử tự lỗ trống) có số lượng gọi chất bán dẫn (bán dẫn nguyên chất) Chất bán dẫn tạp chất Để nâng cao tính dẫn điện vật liệu bán dẫn, ta thực pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất, gọi chất bán dẫn tạp 2.1 Chất bán dẫn tạp loại P Ta pha thêm tạp chất ngun tố thuộc nhóm III bảng tuần hồn (Ga, In…) vào mạng tinh thể nguyên tử Si Khi mạng tinh thể, số nguyên tử Ga thay vị trí số nguyên tử Si, ba điện tử hoá trị Ga tham gia vào ba mối liên kết với ba nguyên tử Si bên cạnh, mối liên kết với nguyên tử Si thứ tư bị thiếu điện tử coi lỗ trống Các mối liên kết bị thiếu điện tử dễ dàng lấp đầy điện tử bắn từ mối liên kết bên cạnh bị phá vỡ, lỗ trống di chuyển được, tạo thành dòng điện - Khi nhiệt độ tăng lên số mối liên kết bị phá vỡ nhiều làm cho số lượng điện tử tự lỗ trỗng tăng Lỗ trống Si Nhưng bán dẫn có pha thêm tạp chất thuộc nhóm III số lượng Si +3 Si Si Ga Si Si Si Điện tử tự lỗ trống lớn số lượng điện tử tự * Như vậy: Si Cặp điện tử tự do-lỗ trống Vật liệu bán dẫn mà dẫn xuất thực chủ yếu lỗ trống gọi chất bán dẫn tạp loại P Lỗ trống gọi hạt dẫn điện đa số Điện tử tự hạt dẫn điện thiểu số 2.2 Chất bán dẫn tạp loại N Ta pha thêm nguyên tố thuộc nhóm V bảng tuần hoàn (As, P…) vào cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si Khi số nguyên tử P thay số vị trí nguyên tử Si mạng tinh thể Ngun tử P có năm điện tử hố trị, bốn năm điện tử hoá trị tham gia vào bốn mối liên kết với bốn nguyên tử Si đứng xung quanh nó, điện tử hố trị thứ năm không tham Si Si Si +5 Si Điện tử tự P Si Si Si gia vào mối liên kết mà chịu ràng buộc yếu với hạt nhân, chúng Si dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành điện tử tự tham gia vào việc vận chuyển dòng điện Khi nhiệt độ tăng lên, số mối liên kết bị phá vỡ tăng sinh nhiều cặp điện tử tự - lỗ trống Nhưng chất bán dẫn pha thêm tạp chất thuộc nhóm V số lượng điện tử tự lớn số lượng lỗ trống * Như vậy, loại bán dẫn mà dẫn xuất thực chủ yếu điện tử tự gọi chất bán dẫn tạp loại N Điện tử tự hạt dẫn đa số, lỗ trống hạt dẫn thiểu số §2 TIẾP GIÁP P - N TÍNH CHẤT CHỈNH LƯU CỦA ĐIỐT BÁN DẪN Tiếp giáp P-N chưa có điện trường ngồi Khi cho hai khối bán dẫn P N tiếp xúc công nghệ với nhau, hai khối bán dẫn hình thành mặt tiếp xúc P-N, chênh lệch l0 P Et.xúc Itrôi nồng độ hạt dẫn hai khối xảy khuyếch tán Các lỗ trống khối P khuyếch - Mặt tiếp xúc + + + + N Ik.tán Ut.xúc tán sang khối N điện tử từ khối N khuyếch tán sang khối P U Kết làm cho bề mặt gần lớp tiếp giáp khối P nghèo điện tích dương giàu lên điện tích âm Bề mặt gần lớp tiếp giáp khối N điện tích âm nhận thêm lỗ trống nên tích điện dương Nếu chênh lệch nồng độ loại hạt mang điện hai khối lớn khuếch tán diễn mạnh Kết quả: Hai bên mặt tiếp giáp hình thành nên điện trường vùng tiếp xúc E tx có chiều hướng từ khối N sang khối P Điện trường tiếp xúc cản trở khuyếch tán hạt mang điện đa số từ khối sang khối Khi E tx cân với lực khuyếch tán trạng thái cân động xảy Khi vùng điện tích khơng gian khơng tăng nữa, vùng gọi vùng nghèo kiệt (vùng thiếu vắng hạt dẫn điện) chuyển tiếp P-N bao gồm ion không di chuyển Khi cân động, có hạt dẫn điện khuyếch tán từ khối sang khối nhiêu hạt dẫn chuyển trở lại qua mặt tiếp xúc, chúng trị số ngược chiều nên chúng triệt tiêu nhau, kết dòng điện qua tiếp xúc P-N Kết luận: Khơng có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp P – N chưa có điện trường ngồi Tiếp giáp P- N có điện trường ngồi 2.1 Trường hợp phân cực thuận Đặt điện áp chiều vào tiếp giáp P-N cho cực dương nối vào khối P, cực âm nối vào khối N Điện áp tạo điện trường ngồi E ng có chiều hướng từ khối P sang khối N Khi điện trường ngồi Eng có chiều ngược với điện trường vùng tiếp xúc Etx nên điện trường tổng vùng tiếp xúc giảm l0 EΣ = Etx – Eng giảm Khi bề rộng vùng nghèo giảm làm cho khuyếch tán diễn dễ dàng Các hạt mang điện đa số dễ l 0‟ (+) IThuận P Et.xúc dàng khuyếch tán từ khối sang khối N (-) Ut.xúc khuyếch tán Ikt lớn, dòng điện gọi thơng + + + + Engoài Do mật độ hạt mang điện đa số lớn nên dòng dòng điện thuận Ith Ta nói tiếp giáp P-N - Ut.xúc - Ungồi U Ungồi Trong đó: l0: Bề rộng vùng nghèo chưa có điện trường ngồi l‟0: Bề rộng vùng nghèo phân cực thuận Do số lượng hạt dẫn thiểu số ít, nên dòng điện trôi dạt nhỏ, Itr ≈ Điện trở tiếp giáp P- N trường hợp gọi điện trở thuận, có giá trị nhỏ Rth ≈ 2.2 Trường hợp phân cực ngược l0‟ Đặt cực dương vào khối N, cực âm vào khối P Khi Eng chiều với Etx nên l0 (-) - P điện trường tổng vùng tiếp xúc tăng, bề rộng vùng nghèo tăng, ngăn cản + + + + (+) N Engoài Et.xúc Ingược hạt dẫn đa số khuếch tán từ khối sang khối kia, dòng khuếch tán coi I kt = Ut.xúc Ungồi Dòng điện trơi có giá trị nhỏ số hạt dẫn thiểu số ít, Itr = 0, nên dòng điện qua tiếp U Ut.xúc+ Ungồi giáp P-N phân cực ngược có giá trị Ta nói tiếp giáp P-N bị khố, trường hợp tiếp giáp P-N coi điện trở có giá trị vô lớn gọi điện trở ngược, Rng ≈ ∞ * Như vậy: Tiếp giáp P-N có tác dụng dẫn điện theo chiều (từ khối P sang khối N) phân cực thuận Tính chất gọi tính chất van hay tính chất chỉnh lưu, tính chất chỉnh lưu điốt bán dẫn Điốt bán dẫn 3.1 Cấu tạo, kí hiệu Anốt P N A Katốt Hình a: Cấu tạo K Hình b: Kí hiệu Điốt thực chất tiếp giáp P-N Điện cực nối với khối P gọi Anốt (ký hiệu A), điện cực nối với khối N gọi Katốt (ký hiệu K), toàn cấu trúc bọc lớp vỏ kim loại hay nhựa * Nguyên lý làm việc: Chính tượng vật lý xảy tiếp giáp P-N trường hợp: chưa phân cực, phân cực thuận phân cực ngược xét uAK 3.2 Đặc tuyến V-A Đặc tuyến V-A chia làm vùng: IA = Ingbh (e ϕT −1) ith  + Vùng : Ứng với trường hợp phân cực U thuận Khi tăng UAK , lúc đầu dòng tăng từ từ, ngược Ung.max UAK Uthuậ sau UAK > U0 (thường U0 = (0,6÷0,7)V điốt chế tạo từ vật liệu Silic,   Ingược U0 = (0,2÷0,3)V điốt chế tạo từ vật liệu Gecmani) dòng điện tăng theo điện áp với quy luật hàm số mũ + Vùng : Tương ứng với trường hợp phân cực ngược với giá trị dòng điện ngược ing có giá trị nhỏ (ing ≈ Ibhòa) + Vùng : Gọi vùng đánh thủng, tương ứng Ung > Ung.max (Uđánh thủng) Dòng điện ngược tăng lên đột ngột, dòng điện phá hỏng điốt (vì để bảo vệ điốt cho chúng làm việc điện áp: U = (0,7 ÷ 0,8).Uz , Uz điện áp đánh thủng) điện áp Anốt Katốt khơng đổi → tính chất van điốt bị phá hỏng Tồn hai dạng đánh thủng: nhiệt độ cao điện trường mạnh làm cho hạt dẫn chuyển động nhanh, gây va đập gây nên tượng ion hoá va chạm làm cho trình tạo thành hạt dẫn ạt, dẫn đến dòng điện tăng nhanh 3.3 Các tham số điốt: chia nhóm * Các tham số giới hạn: - Ung.max giá trị điện áp ngược lớn đặt lên điốt mà tính chất van chưa bị phá hỏng - Imax.cp dòng điện thuận lớn qua điốt mở - Công suất tiêu hao cực đại cho phép: Pcp - Tần số làm việc cho phép: fmax * Các tham số làm việc: - Điện trở chiều điốt Rđ - Điện trở xoay chiều điốt rđ 3.4 Phân loại - Theo vật liệu chế tạo: điốt Ge, điốt Si… - Theo cấu tạo: điốt tiếp xúc điểm, tiếp xúc mặt… - Theo dải tần số làm việc: điốt tần số thấp, điốt tần số cao, siêu cao… - Theo công suất: điốt công suất lớn, trung bình, nhỏ - Theo cơng dụng: điốt chỉnh lưu, điốt tách sóng, điốt ổn áp, điốt quang… Một số ứng dụng điốt bán dẫn Ta xét số ứng dụng điốt mạch chỉnh lưu, mạch hạn chế biên độ điện áp 4.1 Các mạch chỉnh lưu Định nghĩa: Chỉnh lưu trình biến đổi lượng điện xoay chiều thành lượng điện chiều cung cấp cho phụ tải điện chiều Sau ta xét chỉnh lưu công suất nhỏ Để đơn giản cho trình phân tích, ta giả thiết van điốt lý tưởng, điện áp vào hình sin 110/220 V xoay chiều, tần số 50 Hz, tải trở a Mạch chỉnh lưu pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính * Sơ đồ ngun lý u1 * D1 * u21 u22 * u1 u1∼ ii21 π u2 i1 it 2π u Rt ωt u 21 4π 3π u22 21 u22 i2 ut D2 ωt D1 mở D2 mở D1 mở D2 mở Hình a: Sơ đồ nguyên lý ωt uDng Hình b: Giản đồ điện áp tải C UTB D1 D2 D1 ωt D2 Ungmax Trong sơ đồ, cuộn thứ cấp biến áp chia làm hai nửa có số vòng dây nhau, chiều quấn dây ngược nhau, với cách tạo hai điện áp u 21, u22 có biên độ lệch pha 180 * Nguyên lý hoạt động: - Khi ωt = 0÷π : u21>0, u22 0, điện điểm dương điểm 2, điểm dương điểm 1, D1 khoá, D2 mở, cho dòng i2 chạy qua: D2, Rt điểm Khi đó: ura = ut = u22 - uD2 = u22 = U22m.sinωt Kết quả: Dòng điện (điện áp) nhận tải có dạng nửa hình sin liên tiếp nhau, chu kỳ điện áp lưới điốt thay phiên làm việc + Giá trị trung bình điện áp tải: π U0 = ∫ U2m.sinωt.dωt ≈ 0,9.U2 2π với: U2 giá trị hiệu dụng điện áp cuộn dây thứ cấp MBA + Giá trị trung bình dòng điện tải: I I0 = U0 Rt + Dòng trung qua ID = ID2 = điốt: + Điện áp ngược cực đại đặt vào điốt khoá tổng điện áp cực đại hai cuộn dây thứ cấp biến áp Ung.max = 2.U2m b Mạch chỉnh lưu cầu u2∼ i1 u2 =U2m.sinωt π i M D1 D4 * Q * u1 u2~ i1 N C D3 4π ωt Rt ut D1 mở D2 mở D1 mở D2 mở D1D3 D2D4 D1D3 D2D4 uDng tải C UTB ωt i2 i1 D P 3π it i2 2π Hình a: Sơ đồ nguyên lý D2D4 D1D3 D1D3 D2 Ungmax Hình b: Giản đồ điện áp Cầu gồm có bốn nhánh với bốn điốt nối theo nguyên tắc: hai cạnh đối diện điốt nối chiều, tạo hai nhóm điốt: nhóm có Katốt chung, nhóm có Anốt chung * Nguyên lý hoạt động: - ωt=0÷π: điện điểm dương điểm 2, D 2, D4 phân cực ngược→ khoá D1, D3 phân cực thuận → mở cho dòng điện i1 chạy qua D1, Rt, D3 điểm - ωt=π÷2π: điện điểm dương điểm 3, D1, D3 phân cực ngược, khoá D2, D4 phân cực thuận → mở cho dòng điện i2 chạy qua D2, Rt, D4 điểm Kết quả: Điện áp (dòng điện) tải nửa hình sin liên tiếp chu kỳ giống sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ có điểm trung tính Các biểu thức tính dòng áp hồn tồn giống sơ đồ có điểm trung tính Chỉ khác, giá trị điện áp tải sơ đồ điện áp ngược đặt lên điốt khoá giảm ωt uC = UCC (1 − e −t τ ) + Ucebh Trong t thời gian nạp tụ từ giá trị -uC3 = Ucebh = 0,6 (V) ÷ -uC3 = Ucc τ số thời gian nạp tụ C τ = (rebT5 + rebT4 + R8).C3, với rebT5, rebT4 nội trở tiếp giáp JE hai Tranzitor T4, T5 Do nội trở tiếp giáp Je Tranzitor nhỏ so với R8 nên ta coi khơng có, ta có cơng thức τ sau: τ = R8.C3 Đến thời ‟ điểm t1 tụ C3 nạp đầy điện ta có biểu thức: ' u (t ) = U (1− τ t ) + Ucebh CC3 eC 1 ' ‟ -4 Thay giá trị Ucc2 = 12 (V), Ucebh = 0,6 (V), t1 = 200µs = 2.10 s, τ = R8.C3 , uC3(t1 )‟ = Ucc2 = 12 (V), vào biểu thức ta được: = UCC uC − ⇒e 2.10 ' − (1 − e τ ) + U −4 R8 C3 ⇔ 12 = 12.(1 − e t1 ceb h 2.10 = 0,6 ⇒ e −4 ) + 0,6 = 1,7 R8 C3 -4 Lấy ln hai vế biến đổi ta được: R C = 4.10 ⇒ −4 2.10 − R C 3 R8 = 4.10 −4 C3 -7 Chọn tụ C3 có dung lượng 200 (nF) = 2.10 (F) Khi suy ra: R8 = 2(kΩ) * Tính chọn cho mạch khuếch đại xung: Mạch khuếch đại xung gồm hai Tranzito T T5 đèn thuận ghép Darlington kết hợp với biến áp xung BAX Để chọn Tranzito tầng khuếch đại ta phải hiểu người ta thường ghép để tạo tầng khuếch đại Nguyên Tranzito công suất dùng để khuếch đại cơng suất xung lại có hệ số khuếch đại nhỏ, Tranzistor có hệ số khuếch đại lớn lại có cơng suất nhỏ Vậy muốn có tầng khuếch đại có cơng suất hệ số khuếch đại lớn có cách ghép nối tiếp chúng lại với Khi hệ số khuếch đại mạch tương đương tích hệ số khuếch đại hai Tranzistor thành phần Đối với Tranzistor có hệ số khuếch đại dòng điện lớn ta chọn loại B 562 hay loại khác tương đương Còn Tranzistor cơng suất lớn ta chọn loại A671 loại khác tương đương Biến áp xung BAX ta chọn loại có tỉ lệ 1:1 Các điốt mạch ta chọn điốt chỉnh lưu có nhãn hiệu IN 4007 §9 CỦNG CỐ KIẾN THỨC 1.Tín hiệu xung tham số Chế độ khoá Tranzitor Chế độ khoá Khuếch đại thuật toán Mạch đa hài tự kích dùng Tranzito Mạch đa hài tự kích dùng khuếch đại thuật tốn Mạch đa hài tự kích dùng IC 555 Mạch Trigơ đối xứng dùng Tranzitor Mạch Trigơ Smit dùng Tranzito Mạch Trigơ Smit đảo dùng khuếch đại thuật toán 10 Mạch Trigơ Smit không đảo dùng khuếch đại thuật toán 11 Mạch tạo điện áp cưa dùng Tranzitor có khâu ổn dòng 12 Mạch tạo điện áp cưa dùng Tranzitor có hồi tiếp điện áp 13 Mạch tạo điện áp cưa dùng mạch tích phân đơn giản 14 Mạch tạo điện áp cưa dùng KĐTT 15 Mạch sửa xung dùng mạch vi phân KĐTT 16 Mạch sửa xung dùng Tranzitor mạch vi phân 17 Mạch sửa xung dùng IC 555 18 Mạch sửa xung dùng mạch vi phân, khuếch đại xung dùng Tranzitor Darlingtơn có biến áp +E 19 Cho mạch điện hình 1: A a) Vẽ phân tích dạng đặc tuyến truyền đạt uv + IC KĐTT -E + b) Cho uV = 9sinωt, ±E = ±15V, - Ungƣỡng = 6V Hình ±Urmax = ±12V, IDZ = 10mA, UDZ = 3V - Vẽ giải thích điện áp uA(t) , uB(t) theo uv(t) - Tính giá trị điện trở R - Nêu phương pháp thay đổi độ rộng xung 20 Cho mạch đa hài tự kích dùng IC 555 hình a) Vẽ giản đồ thời gian mô tả hoạt động mạch b) Tính chọn tham số linh kiện mạch cho tần số điện áp thay đổi từ (100 ÷ 1500) Hz, biết D C = 100nF R WR R ur Dz +Ucc R WR B 84 555 CHình ura R WR 21 Cho mạch đa hài tự kích dùng KĐĐT hình a) Vẽ giản đồ thời gian mơ tả hoạt động mạch b) Tính C chọn tham số linh kiện mạch cho _ +UCC N µA741 + tần số điện áp thay đổi từ (10 ÷ 1000) Hz, biết C = 200nF P U R2 R1 -UCC Hình A 22 Cho mạch đa hài tự kích dùng Tranzitor hình RC1 a) Phân tích ngun lý hoạt động mạch b) Cho RB1 = RB2 = 10kΩ; RC1 = RC2 = 1,8kΩ; C1 = C2 = 0,47μF Xác định giá trị WR để tần số xung 50Hz c) Có nhận xét C1 ≠ C2 23 Cho mạch điện hình Biết uv dãy xung vuông âm đối xứng tần số 100Hz WR RB1 C1 ura1 + - + - T2 Hình +EC = 12V, C = 1µF; C1 = 10µF; R1 =30kΩ D A R C1 B T1 R2 Cp uv T2 ur C Re Hình 24 Cho mạch điện hình 6: Biết: +Ec +Ec Dz = 10V; UDZ = 5,6V; R1 =20kΩ R1 R2 =0,5kΩ; RE =10kΩ; C = 1µF uv dãy xung vng âm đối xứng tần số 50Hz a) Phân tích hoạt động mạch b) Xác định biên độ điện áp c) Điện áp thay đổi tăng giảm RE ura2 C2 T1 R1 b) Xác định biên độ điện áp c) Điện áp thay đổi tụ C1 hở mạch RC2 RB2 +Ec R2 =1kΩ; R =10kΩ; a) Phân tích nguyên lý hoạt động mạch +Ec RE T2 ura Cp R uv T1 C R2 Hình 25 Cho mạch điện hình a) Phân tích vẽ đặc tuyến truyền đạt - uv sơ đồ với giả thiết IC lý tưởng b) Cho uv = 9sinωt, ±E = ±15V, R1 = 10kΩ, R2 A(t); B A Dz + R2 = 20kΩ, ±Urmax = ±12V, IDZ = 10mA, UDZ = 3V - Vẽ giải thích điện áp u R3 +E ura -E R1 Hình uB (t) theo uv(t) - Tính R3 26 Cho mạch điện hình a) Phân tích vẽ đặc tuyến truyền đạt sơ đồ với giả thiết IC lý tưởng R2 +E R1 + uv b) Cho = 9sinωt, ±E = ±15V, uV R1 = 10kΩ, R2 = 20kΩ, ±Urmax = ±12V, IDZ = 10mA, UDZ = 3V - Vẽ giải thích điện áp uA(t); uB(t) theo uv(t) - Tính R3 A - B ura -E Dz Hình 27 Cho mạch điện hình +E R2 C Biết: R3 uv R3 uv dãy xung vng dương có biên độ 5V + - R4 u -E R1 U0 U0 điện áp chiều +2V; C = 0,2µF; UDz =3,6V a) Hãy vẽ giản đồ điện áp minh hoạ hoạt động mạch b) Xác định giá trị R1 để độ rộng xung tx = 300µs 28 Mạch sửa xung dùng IC 555 hình 10, biết: uv dãy xung vng dương tần số 100Hz; C = 0,01µF a) Vẽ giản đồ thời gian mô tả hoạt động mạch Dz b) Xác định R, WR để độ rộng xung thay đổi +Ucc R 84 WR D 5553 WR R C uv Hình từ (100 ÷ 400) µs Hình 10 CHƯƠNG IV NGUỒN MỘT CHIỀU - Nội dung : - Khái niệm nguồn chiều - Các ứng dụng nguồn chiều - Sơ đồ khối nguồn chiều - Tìm hiểu mạch điện sơ đồ khối nguồn chiều - Xây dựng nguồn chiều hồn chỉnh – Mục đích : - Sinh viên nắm khái niệm nguồn chiều ứng dụng - Sinh viên ứng dụng linh kiện điện tử để xây dựng khối chức sơ đồ nguồn chiều - Sinh viên lựa chọn tham số mạch điện để tạo nguồn chiều theo yêu cầu cho trước - Ngoài mục đích học cung cấp kiến thức cho sinh viên lớp, có mục đích tăng khả đọc sách, tài liệu khai thác kiến thức mạng Internet qua phần tự nghiên cứu nhà – Các tài liệu tham khảo [1] PGS TS Đỗ Xuân Thụ, Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo Dục, 2008 [2] PGS TS Đỗ Xuân Thụ, Bài tập Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất Giáo dục, 2008 [3] Bộ mơn Kỹ thuật điện tử, Giáo trình Kỹ thuật điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp [4] TS Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng, Nhà xuất Giáo dục, 2005 [5] TS Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất Giáo dục, 2005 [6] Các nguồn tài liệu mở (Internet nguồn tài liệu khác) – Nội dung chương trình Khái niệm chung (dạy lớp) Lọc thành phần xoay chiều dòng điện (điện áp) tải (dạy lớp) 2.1 Bộ lọc tụ điện 2.2 Bộ lọc cuộn dây Ổn định điện áp dòng điện 3.1 Ổn định điện áp (dạy lớp) 3.2 Ổn định dòng điện (tự nghiên cứu) Củng cố kiến thức (thảo luận lớp tự nghiên cứu) Khái niệm chung Năng lượng điện chiều thường dùng để cung cấp cho số thiết bị phụ tải : nạp ắc quy, sạc pin hệ thống điện tử nói chung Trong thực tế, lượng chiều có chủ yếu lấy từ nguồn lượng xoay chiều lưới điện thông qua trình biến đổi thực nguồn chiều Sơ đồ khối nguồn chiều hình vẽ: It u1 u2 Mạch chỉnh lƣu U= Biến áp Bộ lọc U01 Ổn áp Ổn dòng U02 UtRt Trong đó: - Máy biến áp: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều u thành điện áp xoay chiều u có tần số có giá trị thích hợp với yêu cầu - Mạch chỉnh lưu: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều u thành điện áp chiều U= không phẳng (đập mạch) - Bộ lọc: có nhiệm vụ san điện áp chiều đập mạch thành điện áp chiều U01 nhấp nhơ - Bộ ổn áp (ổn dòng) chiều: có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) đầu U02 (It) không đổi điện áp lưới hay điện trở tải thay đổi phạm vi định Lọc thành phần xoay chiều dòng điện (điện áp) tải Trong mạch chỉnh lưu xét, điện áp hay dòng điện tải có cực tính khơng đổi giá trị chúng thay đổi theo thời gian cách chu kỳ người ta gọi đập mạch điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu - Tổng quát: tải trở, dòng điện tổng tải là: ∞ ∞ n =1 n =1 it = I + ∑ An sin nωt + ∑ Bn cosnωt Trong đó: I0 thành phần chiều ∞ ∞ ∑ A sin nωt + ∑ B n n tổng sóng hài có biên độ, pha, tần số khác cosnωt n=1 n=1 Các sóng hài gây tiêu thụ lượng vơ ích gây nhiễu loạn cho làm việc tải, ta phải lọc sóng hài dòng điện tải i t đập mạch - Để đánh giá chất lượng điện áp chỉnh lưu người ta đưa định nghĩa hệ số đập mạch KP KP = Biên độ sóng hài lớn it (hay ut) lọc Giá trị trung bình it (hay ut) KP nhỏ chất lượng điện áp chỉnh lưu cao 2.1 Bộ lọc tụ điện nạp Để lọc tụ điện, tụ C mắc song + + Uvào _ song với tải, dựa vào q trình nạp phóng tụ điện nửa chu kỳ điện áp chỉnh mà ta nhận điện áp tải phóng Ura C Rt lưu _ phẳng - Về mặt điện kháng: với thành phần sóng hài có tần số cao dung kháng ( XC = ω1 ) nhỏ, sóng hài bị nối tắt điểm chung tiêu C tán mạch vòng cuộn dây thứ cấp, chỉnh lưu - Hệ số đập mạch KP lọc tụ điện: K = Rt C P ( ) ω Có nghĩa tác dụng lọc rõ rệt C Rt lớn lọc thích hợp với tải có điện áp cao dòng điện nhỏ 2.2 Bộ lọc cuộn dây Cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải, + dòng điện (điện áp) sau chỉnh lưu biến thiên đập L Uvào Ura Rt mạch cuộn dây L xuất sức điện động tự _ cảm chống lại, làm giảm sóng hài - Về mặt điện kháng: XL = ω.L , sóng hài bậc n có tần số cao XL lớn bị cuộn L chặn lại nhiều Do dòng điện tải có thành phần chiều I0 lượng nhỏ sóng hài - Hệ số đập mạch lọc dùng cuộn L là: ( KP = Rt 3.ω.L ) Nghĩa tác dụng lọc cuộn L cao Rt nhỏ Do cách lọc thích hợp với tải có điện áp thấp dòng điện cao Khi giá trị cuộn L lớn tác dụng lọc tăng, nhiên khơng nên dùng cuộn L q lớn điện trở chiều cuộn L lớn nên sụt áp chiều tăng, làm giảm hiệu suất chỉnh lưu Để tăng hiệu lọc người ta kết hợp tụ điện cuộn cảm để tạo thành mắt lọc, mắc nối tiếp nhiều mắt lọc với nhau, nhiên hiệu suất mạch giảm Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự L + Uvào C2 C1 + Uvào Rt ,Ut Rt ,Ut L _ _ C (Hình c: Bộ lọc hình π) (Hình d: Bộ lọc hình L ngược) Lk + + Uvào Ck Uvào Rt ,Ut C L _ Lk Ck Rt ,Ut _ (Hình e: Bộ lọc cộng hưởng song song) (Hình f: Bộ lọc cộng hưởng nối tiếp) - Trên sơ đồ hình e, người ta sử dụng mạch cộng hưởng LC song song chặn thành phần sóng hài có tần số gần tần số cộng hưởng riêng mạch - Sơ đồ hình f, người ta mắc song song với tải mạch cộng hưởng LC nối tiếp, nối tắt tín hiệu có tần số tần số cộng hưởng riêng mạch không cho tải Ổn định điện áp dòng điện 3.1 Ổn định điện áp - Nhiệm vụ: Các ổn định điện áp có nhiệm vụ ổn định điện áp chiều tải không đổi điện áp vào tần số lưới điện thay đổi, tải thay đổi Sau ta xét ổn áp bản: a) Bộ ổn áp tham số (đã xét phần ổn định điện áp dùng điốt Zener) b) Ổn áp loại bù Để nâng cao chất lượng ổn định, ta dùng ổn áp kiểu bù (còn gọi ổn áp so sánh hay ổn áp có hồi tiếp) Ta xét loại ổn áp loại bù kiểu mắc nối tiếp (hình a) + Uvào D Y Uph Uch Rt - ,Ura Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Hình a: Sơ đồ khối ổn áp mắc nối tiếp Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Trong sơ đồ khối phần tử điều chỉnh D mắc nối tiếp với tải, dòng điện qua tải dòng qua phần tử điều chỉnh D Nguyên lý hoạt động dựa biến thiên điện trở đèn D để thay đổi điện áp đầu tuỳ theo điều khiển điện áp sau khối so sánh khuếch đại tín hiệu sai lệch Y Khối Y so sánh tín hiệu từ nguồn điện áp chuẩn U ch với điện áp Uph tỷ lệ với Ura khuếch đại điện áp sai lệch hai điện áp Từ sơ đồ ta có: Uvào = UD + Ura → Ura = Uvào – UD =const Nếu giả sử điện áp vào Uv thay đổi làm cho điện áp có xu hướng thay đổi → Uph thay đổi theo, sau so sánh với U ch, lượng sai lệch ± ∆U = Uph - Uch | tác động vào phần tử điều chỉnh D làm cho sụt áp phần tử D U D tăng hay giảm so với điện áp vào để giữ cho điện áp ổn định Hình b trình bày nguyên lý ổn áp kiểu bù cực tính dương mắc nối tiếp cấu tạo theo sơ đồ hình a UCET1 Ta xét sơ đồ dùng Tranzito hình vẽ Giả sử UV + + T1 R1 tăng → R2 Ura tăng → Uph tăng Trong Uch có T2 R3 VR Ura + xu hướng khố Tranzito T2 Uph có Uvào xu hướng mở T2 - Khi Uph tăng lớn Uch → UBET2 tăng → Tranzito T2 mở thêm→ C2 Uph C Uch _ R4 DZ _ _ Hình b: Ổn áp loại bù kiểu nối tiếp dùng Tranzito UCET2 giảm lượng ∆U→ UBET1 giảm → T1 khoá bớt lại → UCET1 tăn.g Mặt khác, ta có: Uv = UCET1 + Ura → Ura = Uv – UCET1 = const Trong sơ đồ: + Tranzito T1 xem phần tử điều chỉnh D + Điện trở R2 , DZ tạo nên mạch ổn áp thông số để lấy điện áp chuẩn Uch , điện áp phản hồi lấy phân áp R3 , VR, R4 + Tranzito T2 đóng vai trò khối so sánh khuếch đại tín hiệu sai lệch Tín hiệu phản hồi Uch theo vòng kín đặt vào cực gốc – phát Tranzito T2 + Các tụ C1, C2 có tác dụng lọc thêm nhằm giữ cho điện áp phẳng Từ sơ đồ, lối ta có: Ura = U ph R3 +VR + R4 VR + R4 ⇒ Ura = (0,6 + U ) Dz ; Mặt khác: Uph = UBET2 + UDz = 0,6 + UDz (*) Như thay đổi VR ta thay đổi R3 + VR + R VR +4 R điện áp theo biểu thức (*) + Nhận xét: Bộ ổn áp theo phương pháp bù liên tục có chất lượng ổn định cao, cho phép thay đổi mức điện áp dải định, nhiên có hiệu suất thấp (khoảng 50%) tổn hao công suất nguồn chiều ổn định tương đối lớn c) Bộ ổn áp dùng IC tuyến tính Sau ta xét loại IC ổn áp + IC ổn áp ba chân có điện áp khơng điều chỉnh ( xét họ 78xx 79xx) Trong đó: họ IC 78xx có điện áp Ura dương, họ 79xx có điện áp âm Cả loại có điện áp cố định khơng thay đổi được, dòng điện ≤ 1A Chỉ số xx điện áp ổn định, ví dụ: 7805 (Ura = +5V); 7812 (+12V); 7815 (+15V); 7824 (+24V) 7905 (Ura = -5V); 7912 (-12V); 7915 (-15V); 7924 (-24V) 78xx 79xx 12 - Tuỳ theo khả cung cấp dòng tải IC ổn áp người ta ghi thêm mẫu tự sau họ 78; 79 để dòng danh định: Ví dụ: 78Lxx : dòng 100mA; 78Mxx : dòng 500mA; 78xx : dòng 1A 78Txx : dòng 3A; 78Hxx : dòng 5A + Mạch ổn áp dương mạch ổn áp âm: +Uv từ (+7÷35)V 7805 - Uv U0 = +5V C1 C1 7905 4x4007 +5V 7805 8v ~ C1 C2 U0 = -5V C2 C2 Ví dụ 1: Bộ nguồn chiều cho điện áp ổn định +5V 220v ~ MBA Ví dụ 2: Bộ nguồn chiều cho điện áp đối xứng ±5V 4x4007 220v ~ 8v ~ 7805 +5V C1 C2 C3 C4 -5V 7905 3.2 Ổn định dòng điện (tự nghiên cứu) Củng cố kiến thức Nêu sơ đồ khối nguồn chiều? Phân tích chức khối Các dạng lọc Ưu, nhược điểm loại? Mạch ổn áp loại bù mắc nối tiếp? Nêu vài loại vi mạch ổn áp (sơ đồ chân, cách sử dụng…)? T1 Cho mạch điện hình + R3 Trong đó: R T2 U uv = 20V; UDZ = 9V R4 Ut R2 = 4,7kΩ; R4= 220Ω; = R3 120Ω a Thuyết minh nguyên lý làm việc mạch b Xác định R1 để Ut = 12V vào R2 D Z _ Hình Cho mạch điện hình Trong đó: uv = 22V; Ut = 15V; R2 = 2,2kΩ a Thuyết minh nguyên lý làm việc b Xác định R1 Rt UDZ + T1 R3 Uvào R1 + Ut - DZ R2 _ Hình Cho mạch điện hình Trong đó: UZ = 6,3V, U = 0,7V; VR = 2,5kΩ, D +E Rt R1 = 7,2kΩ; R2 = 1,8kΩ, E = +20V IZ = 12mA , βZ = 50; I0 max = 250mA a Phân tích hoạt động b.Viết biểu thức tính E0 tính R3 c Xác định cơng suất tiêu tán Tranzito dòng I0 max D Dz + - t R2 E0 VR r1 R3 Hình Rt ... đặc tuyến IE (mA) IB (µA) 100 Đặc tuyến truyền đạt UCE1 Đặc tuyến IB5 = IBmax IB4 IB3 IB2 IB UCE2 80 60 40 µA 20 UBC(V) Hình b: Đặc tuyến vào IB IB = V IC0(E) UEC Hình c: Đặc tuyến - Họ đặc tuyến... 12 C(B) r Các họ đặc tuyến tĩnh Tranzito Trường hợp tổng quát, có họ đặc tuyến tĩnh: 4.1 Đặc tuyến vào : uv = f(iv) ura = số 4.2 Đặc tuyến ra: ira = f(ura) iv = số 4.3 Đặc tuyến truyền đạt: ira... UDS Hình c: Đặc tuyến Hình d: Đặc tuyến truyền đạt - Đặc tuyến chia làm ba vùng: + Vùng gần gốc (đoạn OA): Dòng I D tăng gần tuyến tính theo U DS kênh dẫn đóng vai trò điện trở đặc tuyến bị uốn