Diode

 Sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ chỉ là một điện trở động r được xác định như hình vẽ.... Một số ứng dụng của Diode và một số loại Diode đặc biệt  Ứng dụng[r]

Chương Diode Diode là gì ? Cấu tạo Diode  Diode tạo thành từ lớp bán dẫn pha tạp loại p và bán dẫn pha tạp loại n ghép tiếp xúc công nghệ với hình vẽ: p n  Các quá trình vật lý xảy hai lớp bán dẫn này sử dụng để tạo thành tính chất cho diode Cấu tạo Diode A  Ký hiệu quy ước diode bán dẫn mạch điện biểu diễn sau: A K  Diode có hai cực: + Cực A (anốt) là cực nối với lớp bán dẫn p Cực A còn gọi là cực dương Điện anốt ký hiệu là UA + Cực K (katốt)là cực nối với lớp bán dẫn n Cực K còn gọi là cực âm Điện katốt ký hiệu là U K Nguyên lý hoạt động  UA≥UK thì diode phân cực thuận(diode thông mạch) Dòng điện qua diode hoàn toàn, trở kháng diode không, đoạn mạch chứa diode coi ngắn mạch  UA<UK thì diode phân cực ngược(diode hở mạch) Dòng điện qua diode không, trở kháng diode vô cùng, đoạn mạch chứa diode coi hở mạch Đặc tuyến Voltage - Ampere  Đặc tuyến vol-ampere là đồ thị biểu diễn mối quan hệ điện áp và dòng điện qua diode Đặc tuyến vol-ampere diode bán dẫn mô tả sau: Đặc tuyến Voltage - Ampere  Vùng 1: diode phân cực thuận  Khi điện áp dương đặt tới hai đầu diode đủ lớn, diode cho dòng điện chảy qua hoàn toàn Diode có thể coi ngắn mạch  Vùng 2: diode phân cực ngược  Khi điện áp âm đặt tới hai đầu diode, dòng điện chảy qua diode là nhỏ Khi điện áp âm lớn vài phần trăm vol, dòng điện ngược không đổi và đạt tới dòng bão hòa ngược là ID = -I0  Vùng 3: vùng đánh thủng  Khi điện áp âm đủ lớn đặt vào hai đầu diode (khoảng -100V), dòng điện ngược qua diode tăng đột ngột điện áp không thay đổi, tính chất van diode bị phá hỏng Hiện tượng này gọi là Zener hay đánh thủng Điện áp mà đó xảy tượng trên gọi là điện áp đánh thủng, ký hiệu là VBR Đặc tuyến Voltage - Ampere  Tại vùng và vùng 2, đặc tuyến vol-ampere diode tuân theo biểu thức Shockley:  q.VD nkT  I D  I  e  1    đó:  q là điện tích electron, 1.6022 x 10-19 C  k là số Boltzmann, 1.3806 x 10-23 J/K  I0 là dòng điện bão hòa ngược, giá trị từ 10-16 đến 1μA  T là nhiệt độ thang Kelvins (K)  n là số hiệu chỉnh, lý thuyết lấy giá trị 1, trên thực tế lấy giá trị từ đến diode thực tế Đặc tuyến Voltage - Ampere q  Ở nhiệt độ phòng chuẩn (25oC, 77oF, 298.16K), , ta có: kT  38 92V  Để đơn giản, biểu thức Shockley thường viết dạng sau:  đó: 1  VD VT n  I D  I  e  1    V  kT gọi là điện áp nhiệt, là hàm phụ thuộc vào nhiệt độ T q  Khi diode phân cực thuận với điện áp đủ lớn, thành phần -1 biểu thức tính ID có thể bỏ qua 38.92.VD n  Ví dụ, n=1, VD=0.1 nhiệt độ phòng, thành phần e  e3.892  49.01 So với giá trị 1, chấp nhận sai số 2% thì ta có thể bỏ qua giá trị -1 biểu thức tính ID vD>0.1V  (VD>0.1V) V  D VT n   I D  I  e  với V <-0.1V thì thành phần  Khi diode phân cực ngược, D có thể bỏ qua so với 1, vì vậy: I D  I (VD<-0.1V) e 38.92.VD n  e 3.892  0.02 Sơ đồ tương đương  Việc tính toán toán học các mạch diode gặp nhiều khó khăn tính phi tuyến, đặc biệt là xuất các thành phần hàm mũ đó  Vì vậy, để đơn giản người ta đưa số các sơ đồ tuyến tính tương đương diode Mỗi sơ đồ có độ chính xác khác nhau, tùy theo nhu cầu sử dụng mà người thiết kế định chọn sơ đồ nào cho phù hợp  Sơ đồ tương đương tuyến tính diode bán dẫn chế độ chiều  Sơ đồ tương đương diode chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số thấp Sơ đồ tương đương chế độ chiều  Sơ đồ tương đương 1: Sơ đồ tương đương đơn giản cho diode bán dẫn gọi là diode lý tưởng - Khi vD>0 thì diode cho dòng điện qua hoàn toàn Diode coi bị ngắn mạch - Khi vD<0 thì diode ngăn không cho dòng điện qua Diode coi bị hở mạch Hình biểu diễn diode lý tưởng giống diode bán dẫn có thêm chữ Ideal (lý tưởng) phía trên Sơ đồ tương đương chế độ chiều  Sơ đồ tương đương 2:  Sơ đồ tương đương chính xác  Điện trở Rth cho phép điện áp phân cực thuận nhận giá trị khác  Giá trị Rth nằm khoảng đến 50Ω Sơ đồ tương đương chế độ chiều  Sơ đồ tương đương 3:  Một nguồn điện chiều V0 mắc nối tiếp với điện trở làm cho đặc tuyến vol-ampere gần với đặc tuyến thực Giá trị V0 nằm khoảng 0.4 đến 0.7V  Từ sơ đồ tương đương hình (c) ta có: Khi VD > V0 VD  V0  I D Rth Sơ đồ tương đương chế độ chiều  Sơ đồ tương đương 4: Sơ đồ tương đương cho vùng đánh thủng Zener.Giá trị nguồn chiều đúng điện áp đánh thủng VBR Sơ đồ tương đương chế độ xoay chiều  Sơ đồ tương đương diode chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số thấp :  Ở đây, ta xem xét các mạch tín hiệu nhỏ, tức là tín hiệu có biên độ là nhỏ so với điện áp và dòng điện chiều điểm làm việc Khi các thành phần tần số tín hiệu là thấp, chúng ta có thể bỏ qua tác động điện dung diode  Sơ đồ tương đương diode chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ là điện trở động r xác định hình vẽ Một số ứng dụng Diode và số loại Diode đặc biệt  Ứng dụng Diode  Mạch chỉnh lưu   Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ  Mạch ghim  Một số loại diode đặc biệt  Diode Zenner  Photo diode  Light emitting diode (LED)  Varactor diode  Schotty diode Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ  Mạch chỉnh lưu : là mạch biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều  Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ:  Các linh kiện mạch:  V1 là điện áp lưới 220V, 50Hz  T1 là biến áp, thực biến đổi dòng xoay chiều thành dòng xoay chiều có biên độ thay đổi  D1 là diode bán dẫn, nhờ tính chất van dòng điện chỉnh lưu dòng xoay chiều phía thứ cấp biến áp thành dòng chiều Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, đó ta cần tính toán trên chu kỳ từ đến T Các chu kỳ còn lại tín hiệu tuần hoàn 0 < t < T/2: U2>0 => diode phân cực thuận => U0=U2 T/2 < t < T: U2<0 => diode phân cực ngược => U0=0 Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ  Nhận xét:  Tại đầu ra, điện áp luôn ≥0 nên mạch đã thực việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều Tuy nhiên, điện áp tồn nửa chu kỳ dương điện áp vào Vì vậy, mạch gọi là mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ  Giá trị trung bình điện áp tính sau (giả sử U2 là điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U2) 2.U  cos(2ft) U   2.U sin(t )dt  T0 T 2f _ T T 2.U   0.45U  Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ  Tín hiệu U0 là tín hiệu chiều nhiên tín hiệu này không ổn định Tín hiệu chiều mong muốn là tín hiệu phẳng và ổn định Để làm cho tín hiệu phẳng hơn, ta mắc thêm tụ điện vào mạch sau: D1 V1 220 V 50 Hz 0Deg T1 U2 C1 R1 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ D1 V1 220 V 50 Hz 0Deg T1 U 21 U 22 R1 10k D2  Các linh kiện mạch:  V1 là điện áp lưới, 220V, 50Hz  T1 là biến áp có điểm đất chung Hai điện áp U21 và U22 ngược pha  Hai diode D1 và D2 phối hợp với đảm bảo điện áp tồn hai chu kỳ Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, đó ta cần tính toán trên chu kỳ từ đến T Các chu kỳ còn lại tín hiệu tuần hoàn  < t < T/2:  U21>0 => Diode phân cực thuận  U22<0 => Diode phân cực ngược => U0=U21  T/2 < t < T:  U21<0 => Diode phân cực ngược  U22>0 => Diode phân cực thuận => U0=U22 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Nhận xét:  Tại đầu ra, điện áp luôn ≥0 nên mạch đã thực việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều Điện áp tồn hai nửa chu kỳ Vì vậy, mạch gọi là mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ  Giá trị trung bình điện áp tính sau (giả sử U21 và U22 là điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U2) Dễ thấy giá trị trung bình điện áp mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ gấp đôi trường hợp chỉnh lưu nửa chu kỳ, _ U  0.9U  Để đánh giá độ phẳng điện áp ra, thường sử dụng hệ số gợn sóng định nghĩa thành phần sóng bậc n:  qn  U nm U0 với Unm là biên độ sóng có tần số n.ω, U0 là thành phần điện áp chiều trên tải Đối với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ta có: q1 = 0.67 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Tín hiệu U0 là tín hiệu chiều nhiên tín hiệu này không ổn định Tín hiệu chiều mong muốn là tín hiệu phẳng và ổn định Để làm cho tín hiệu phẳng hơn, ta mắc thêm tụ điện vào mạch sau: D1 V1 220 V 50 Hz 0Deg T1 U 21 C1 U 22 D2 R1 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Khi có thêm tụ điện, giá trị trung bình điện áp tăng và hệ số gợn sóng giảm q1 ≤ 0.02 Mạch chỉnh lưu cầu V1 220 V 50 Hz 0Deg T1 D1 D2 U2 D4 U0 D3 R1  Các linh kiện mạch:  diode D1, D2, D3, D4 mắc trên gọi là mắc theo hình cầu  V1 là nguồn điện áp lưới  T1 là biến áp Mạch chỉnh lưu cầu  < t < T/2:  U2 > => D1, D3 phân cực ngược; D2, D4 phân cực thuận => U0 = U2  T/2 < t < T:  U2 < => D1, D3 phân cực thuận; D2, D4 phân cực ngược => U0 = -U2 Mạch chỉnh lưu cầu  Nhận xét:  Điện áp đầu mạch chỉnh lưu cầu giống mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Tuy nhiên, luôn có hai diode phân cực ngược nên điện áp ngược đặt lên diode phân cực ngược nửa so với trường hợp mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Điều này có ý nghĩa chọn linh kiện cho mạch Mạch ghim  Mạch ghim là mạch điện tử có chức hạn chế tín hiệu không cho vượt quá ngưỡng nào đó  Có hai loại mạch ghim :  mạch ghim trên  mạch ghim  Mạch ghim trên là mạch điện hạn chế không cho điện áp lớn ngưỡng nào đó, tức là điện áp lớn ngưỡng đó, điện áp bị cắt  Mạch ghim là mạch điện hạn chế không cho điện áp nhỏ giá trị nào đó, tức là điện áp nhỏ ngưỡng đó, điện áp bị cắt Mạch ghim trên nối tiếp D1 U0 U1 R E  Các linh kiện mạch:  U1 là tín hiệu vào  E là nguồn chiều, là mức hạn chế trên  D1 là diode  Từ sơ đồ mạch, ta nhận xét thấy:  Điện áp vào U1 đặt tới đầu Katốt diode  Nguồn chiều E đặt tới đầu Anốt diode Mạch ghim trên nối tiếp  Phân tích hoạt động mạch:  < t < t1:  U1 < E => Diode phân cực thuận => U0 = U1  t1 < t < t 2:  U1 > E => Diode phân cực ngược => U0 = E  t2 < t < t :  U1 < E => Diode phân cực thuận => U0 = U1  Mạch ghim trên nối tiếp  Nhận xét:  Khi điện áp vào nhỏ E thì điện áp điện áp vào Khi điện áp vào lớn E thì điện áp bị cắt và E Như vậy, mạch ghim không cho điện áp lớn E Đó chính là mạch ghim trên  Mạch ghim nối tiếp D1 U0 U1 R E  Các linh kiện mạch:  U1 là tín hiệu vào  E là nguồn chiều, là mức hạn chế Chú ý nguồn E mắc ngược lại so với trường hợp mạch ghim trên nối tiếp Khi đó, mức ghim –|E|  D1 là diode Mạch ghim nối tiếp  Phân tích hoạt động mạch:  < t < t1:  U1 > -E => Diode phân cực thuận => U0 = U1  t1 < t < t2:  U1 < -E => Diode phân cực ngược => U0 = -E  t2 < t < t3:  U1 > -E => Diode phân cực thuận => U0 = U1 Mạch ghim nối tiếp  Nhận xét:  Khi điện áp vào lớn -E thì điện áp điện áp vào Khi điện áp vào nhỏ -E thì điện áp bị cắt và -E Như vậy, mạch ghim không cho điện áp nhỏ -E Đó chính là mạch ghim Diode Zenner  Diode Zener là diode đặc biệt chế tạo để hoạt động vùng đánh thủng Trong miền phân cực thuận, diode Zener hoạt động diode chỉnh lưu bình thường Trong miền phân cực ngược, điện áp phân cực ngược đạt tới giá trị điện áp đánh thủng VD=VBR thì dòng điện ngược qua diode tăng mạnh và điện áp VD=const, nên diode Zener thường sử dụng để ổn áp chiều  PhotoDiode (Diode thu quang)  PhotoDiode là thiết bị chuyển hóa quang thành điện PhotoDiode hoạt động chế độ phân cực ngược Các photon ánh sáng chiếu vào photodiode tạo dòng điện phân cực ngược tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào  LED (Light Emitting Diode ) Diode phát quang  LED là diode bán dẫn đặc biệt có khả phát quang phân cực thuận Cường độ sáng diode tỷ lệ với dòng phân cực thuận LED thường sử dụng để hiển thị số các loại máy tính cầm tay các thiết bị hiển thị số khác Ký hiệu LED giống diode bán dẫn có thêm hai mũi tên ra, ý nghĩa là ánh sáng phát có phân cực thuận Varactor Diode (Diode biến dung)  Diode phân cực ngược có thể coi tương đương tụ điện, giá trị điện dung tụ điện thay đổi theo giá trị điện áp phân cực ngược Diode biến dung thường ứng dụng các mạch cộng hưởng chọn tần: Mạch điều chỉnh tần số tự động - AFC (Automatic frequency Controller) hay VCO (Voltage-Controlled Oscillator) Schottky Diode  Schottky Diode cấu thành từ lớp tiếp xúc lớp bán dẫn và lớp kim loại Dạng đặc tuyến Schottky Diode giống với diode bán dẫn có điểm khác sau:  Thời gian chuyển mạch từ phân cực thuận sang phân cực ngược Schottky Diode là ngắn so với diode bán dẫn  Dòng điện phân cực thuận cho cùng điện áp Schottky Diode lớn so với diode bán dẫn  Nhờ đặc điểm trên, Schottky Diode thường ứng dụng các chuyển mạch có thời gian chuyển đổi nhanh Bài tập  Cho mạch điện hình vẽ:  Giả thiết diode là lý tưởng Cho U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc tọa độ, có biên độ ±6V, chu kỳ T=30ms Biết E=+2V  a Phân tích hoạt động mạch và xác định dạng đặc tuyến truyền đạt mạch U2(U1)  b Vẽ dạng tín hiệu U2(t) phù hợp với dạng tín hiệu vào U1(t)  c Tính các tham số điện áp U2(t) Bài tập  Cho mạch điện hình vẽ sau:  Giả thiết các diode là lý tưởng Biết E1=2V, E2=-3V Cho điện áp vào U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua trục tung, có biên độ ±5V, chu kỳ T=20ms Cho R=1KΩ  a Phân tích hoạt động mạch và xác định dạng đặc tuyến truyền đạt mạch U2(U1)  b Vẽ dạng tín hiệu U2(t) phù hợp với dạng tín hiệu vào U1(t)  c Tính các tham số điện áp U2(t) Bài tập  Mạch điện hình vẽ sau dùng để xấp xỉ tín hiệu hình sin điện áp tam giác kiểu dùng đường gãy khúc U1 +E1 U2 R1 R3 D1 D2 R4 -E1 R2  Giả thiết các diode là lý tưởng U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc tọa độ a Phân tích hoạt động mạch b Cho U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc có biên độ ±6V, R1=R2=4R3=4R4, E1=±3V Vẽ dạng tín hiệu U2(t) theo thời gian phù hợp với tín hiệu vào