Giáo trình điện cơ bản

1 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI ****************** GIÁO TRÌNH ĐIỆN CƠ BẢN ( Lưu hành nội ) Tác giả : Th.S Lê Xuân Phong (chủ biên) MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu Mục lục Giới thiệu mô đun Bài mở đầu: Khái quát chung linh kiện điện tử 1.Lịch sử phát triển công nghệ điện tử 2.Phân loại linh kiện điện tử 3.Giới thiệu vật liệu điện tử Bài 1: Các khái niệm 11 1.Vật dẫn điện cách điện 11 10 2.Điện trở cách điện linh kiện mạch điện tử 17 11 3.Các hạt mang điện dịng điện mơi trường 17 12 Bài 2: Lịnh kiện thụ động 24 13 1.Điện trở 24 14 2.Tụ điện 32 15 3.Cuộn cảm: 38 16 Bài 3: Linh kiện bán dẫn 50 17 1.Khái niệm chất bán dẫn 50 18 2.Tiếp giáp P-N; điôt tiếp mặt 55 19 3.Cấu tạo, phân loại ứng dụng điốt 60 20 4.Tranzitor BJT 67 21 5.Tranzitor hiệu ứng trường 82 22 6.SCR – Triac- Diac 94 23 Bài 4: Các mạch khuếch đại dùng Tranzítor 120 24 1.Mạch khuếch đại đơn 120 25 2.Mạch khuếch đại phức hợp 127 26 3.Mạch khuếch đại công suất 133 27 Bài 5: Mạch ứng dụng dùng BJT 156 28 1.Mạch dao động 156 29 2.Mạch xén 170 30 3.Mạch ổn áp 174 31 Tài liệu tham khảo 182 MÔ ĐUN : ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Mã mơ đun: MĐ13 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: Mô đun Điện tử học trước môn học, mô đun như: PLC bản, kỹ thuật cảm biến; học song song với mơn học Mạch điện - Tính chất: Là mơ đun kỹ thuật sở - Ý nghĩa vai trò : Với phát triển hồn thiện khơng ngừng thiết bị điện lĩnh vực đời sống xã hội, mạch điện tử trở thành thành phần thiếu thiết bị điện, cơng dụng để điều khiển khống chế thiết bị điện, thay số khí cụ điện có độ nhạy cao Nhằm mục đích gọn hố thiết bị điện, giảm tiêu hao lượng thiết bị, tăng độ nhạy làm việc, tăng tuổi thọ thiết bị Mục tiêu mơ đun: - Giải thích phân tích cấu tạo nguyên lý linh kiện kiện điện tử thơng dụng - Nhận dạng xác ký hiệu linh kiện, đọc xác trị số chúng - Phân tích nguyên lý số mạch ứng dụng tranzito như: mạch khuếch đại, dao động, mạch xén - Xác định xác sơ đồ chân linh kiện, lắp ráp, cân chỉnh số mạch ứng dụng đạt yêu cầu kỹ thuật an tồn - Hình thành tư khoa học phát triển lực làm việc theo nhóm - Rèn luyện tính xác khoa học tác phong công nghiệp Nội dung mô đun: Số Tên mô đun Thời gian(giờ) Tổn Lý g số thuyết TT Bài mở đầu: Khái quát chung linh kiện điện tử Các khái niệm Linh kiện thụ động Linh kiện bán dẫn Các Mạch khuếch đại dùng tranzito Các mạch ứng dụng dùng BJT Cộng: 2 14 59 25 42 150 10 14 45 Thực hành 46 15 26 98 Kiểm tra* BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Giới thiệu: Linh kiện điện tử phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện tử, hệ thống điện tử Linh kiện điện tử ứng dụng nhiều lĩnh vực Nổi bật ứng dụng lĩnh vực điện tử -viễn thông, CNTT Linh kiện điện tử phong phú, nhiều chủng loại đa dạng.Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ, tạo vi mạch có mật độ lớn (Vi xử lý Pentium 4: > 40 triệu Transistor,…) Xu linh kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày cao, tính mạnh, tốc độ lớn… Mục tiêu: - Trình bày khái quát phát triển công nghệ điện tử - Trình bầy vật liệu điện tử,phân loại ứng dụng linh kiện điện tử - Rèn luyện tính nghiêm túc học tập thực công việc 1.Lịch sử phát triển công nghệ điện tử Mục tiêu: Trình bầy lịch sử phát triển công nghệ điện tử Các cấu kiện bán dẫn diodes, transistors mạch tích hợp (ICs) tìm thấy khắp nơi sống (Walkman, TV,ôtô, máy giặt, máy điều hồ, máy tính,…) Những thiết bị có chất lượng ngày cao với giá thành rẻ PCs minh hoạ rõ xu hướng Nhân tố đem lại phát triển thành cơng cơng nghiệp máy tính việc thơng qua kỹ thuật kỹ công nghiệp tiên tiến người ta chế tạo transistor với kích thước ngày nhỏ→ giảm giá thành công suất Lịch sử phát triển : - 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”) - 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode”) - 1906 Lee de Forest (“Triode”)Vacuum tube devices continued to evolve - 1940 Russel Ohl (PN junction) - 1947 Bardeen and Brattain (Transistor) - 1952 Geoffrey W A Dummer (IC concept) - 1954 First commercial silicon transistor - 1955 First field effect transistor – FET - 1958 Jack Kilby (Integrated circuit) - 1959 Planar technology invented - 1960 First MOSFET fabricated At Bell Labs by Kahng - 1961 First commercial ICs Fairchild and Texas Instruments - 1962 TTL invented - 1963 First PMOS IC produced by RCA - 1963 CMOS invented Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor - U S patent # 3,356,858 2.Phân loại linh kiện điện tử Mục tiêu: - Trình bầy nội dung để làm phân loại linh kiên điện tử 2.1.Phân loại dựa đặc tính vật lý Linh kiện hoạt động nguyên lý điện từ hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS… IC từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI Linh kiện hoạt động nguyên lý quang điện: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ linh kiện chuyển hoá lượng quang điện pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử Linh kiện hoạt động dựa nguyên lý cảm biến: họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học; họ sensor cơ, áp suất, quang xạ, sinh học chủng loại IC thông minh dựa sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống công nghệ chế tạo sensor Linh kiện hoạt động dựa hiệu ứng lượng tử hiệu ứng mới: linh kiện chế tạo cơng nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ: Bộ nhớ điện tử, Transistor điện tử, giếng dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm điện tử, … 2.2 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu ( hình 1) Hình : Phân loại linh kiện dựa chức xử lí tín hiệu 2.3.Phân loại theo ứng dụng Vi mạch ứng dụng: (hình 2;hình 3) - Processors : CPU, DSP, Controllers - Memory chips : RAM, ROM, EEPROM - Analog : Thông tin di động ,xử lý audio/video - Programmable : PLA, FPGA - Embedded systems : Thiết bị ô tô, nhà máy , Network cards System-on-chip (SoC) Hình 2: Ứng dụng vi mạch Hình : Ứng dụng linh kiện điện tử Linh kiện thụ động: R,L,C… Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET… Vi mạch tích hợp IC: IC tương tự, IC số, Vi xử lý… Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang Giới thiệu vật liệu điện tử Mục tiêu: - Giới thiệu loại vật liệu điện tử 3.1.Chất cách điện (chất điện môi) Định nghĩa : Là chất dẫn điện kém, vật chất có điện trở suất cao (10 ÷1017Ω.m) nhiệt độ bình thường.Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu vơ hữu Tính chất ảnh hưởng lớn đến chất lượng linh kiện - Các tính chất chất điện mơi - Độ thẩm thấu điện tương đối(hằng số điện môi - ε) - Độ tổn hao điện môi (Pa) - Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t) - Nhiệt độ chịu đựng - Dịng điện chất điện mơi (I) - Điện trở cách điện chất điện môi 3.2.Chất dẫn điện Định nghĩa : Là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất (khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm) nhỏ so với loạivật liệu khác.Trong tự nhiên chất dẫn điện chất rắn–kim loại, chất lỏng–kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân chấtkhí điện trường cao Các tính chất chất dẫn điện 10 - Điện trở suất - Hệ số nhiệt điệntrở suất(α) - Hệ số dẫn nhiệt: λ - Cơng điện tử kim loại - Điện tiếp xúc 3.3.Vật liệu từ Định nghĩa: Vật liệu từ vật liệu đặt vào từ trường bị nhiễm từ - Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ - Từ trở từ thẩm - Độ từ thẩmtương đối(μr) - Đường cong từ hóa BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mã bài: 13-01 Giới thiệu: Nền tảng sở hệ thống điện nói chung điện kỹ thuật nói riêng xoay quanh vấn đề dẫn điện, cách điện vật chất gọi vật liệu điện Do hiểu chất vật liệu điện, vấn đề dẫn điện cách điện vật liệu, linh kiện nội dung thiếu kiến thức người thợ điện, điện tử Đó nội dung học Mục tiêu : - Phát biểu tính chất, điều kiện làm việc dòng điện linh kiện điện tử theo nội dung học - Tính tốn điện trở, dòng điện, điện áp mạch điện chiều theo điều kiện cho trước - Rèn luyện tính xác, nghiêm túc học tập thực công việc 1.Vật dẫn điện cách điện Mục tiêu: - Trình bầy khái niệm vật dẫn điện, vật cách điện - Trình bầy đặc tính vật dẫn điện, cách điện 1.1 Vật dẫn điện cách điện: Trong kỹ thuật người ta chia vật liệu thành hai loại chính: Vật cho phép dòng điện qua gọi vật dẫn điện Vật khơng cho phép dịng điện qua gọi vật cách điện Tuy nhiên khái niệm mang tính tương đối Chúng phụ thuộc vào cấu tạo vật chất, điều kiện bên tác động lên vật chất 168 - Để mạch chuyển trạng thái tốt tốc độ làm việc nhanh nên chọn nguồn có mức điện áp làm việc thấp phải đảm bảo yêu cầu tải 1.2 Mạch dao động dịch pha (hình 5-14) Điểm mạch mắc theo kiểu E chung Sự hồi tiếp từ cực C đến cực B qua linh kiện C1, C2, C3, R1, R2,R3 nối tiếp với đầu vào Điện trở R có tác dụng biến đổi tần số mạch dao động Đối với mạch dich pha RC để tạo dịch pha 600 C1=C2=C3 Và R1=R2=R3 Tần số mạch dao động fo tính: fo= 2π C1 R12 R1.Rc (5- 11) Rb1 C2 C3 Vcc Q R3 R1 R2 Vo + C1 Rc Rb2 Hình 5-14 Mạch dao động dịch pha Hoạt động mạch sau: Khi cấp nguồn Qua cầu chia Rb1 Rb2 Q dẫn điện, điện áp cực C Tranzito Q giảm đưa trở qua mạch hồi tiếp C1,C2, C3 R1, R2, R3 di pha góc 1800 nên có biên độ tăng chiều với ngõ vào (Hồi tiếp dương) Tranzito tiếp tục dẫn mạnh đến dẫn bão hồ tụ xả điện làm cho điện áp cực B Tranzito giảm thấp, tranzito chuyển sang trạng thái ngưng dẫn đến xả hết điện, điện áp cực B tăng lên hình thành chu kỳ dẫn điện Hình thành xung tín hiệu ngõ Điểm quan trọng cần ghi nhớ đường vòng hồi tiếp phải thoả mãn điều kiện pha tín hiệu ngõ qua mạch di pha phải lệch góc 1800, khơng thoả mãn điều kiện mạch khơng thể dao động được, dạng tín hiệu ngõ bị biến dạng không đối xứng Mạch thường dùng để tạo xung có tần số điều chỉnh mạch dao động dọc kỹ thuật truyền hình, mạch làm việc ổn định nguồn 169 cung cấp không ổn định độ ẩm môi trường thay đổi nên sử dụng điện tử cơng nghiệp thiết bị cần độ ổn định cao tần số 1.3 Mạch dao động hình sin Dao động hình sin có ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử, chúng cung cấp nguồn tín hiệu cho mạch điện tử q trình làm việc Có nhiều kiểu dao động hình sin khác tất phải chứa hai thành phần sau: - Bộ xác định tần số: Nó mạch cộng hưởng L-C hay mạch R-C Mạch cộng hưởng kết hợp điện cảm tụ điện, tần số mạch dao động tần số cộng hưởng riêng mạch L-C Mạch R-C không cộng hưởng tự nhiên dịch pha mạch sử dụng để xác định tần số mạch dao động - Bộ trì: có nhiệm vụ cung cấp lượng bổ xung đến cộng hưởng để trì dao động Bộ phận thân phải có nguồn cung cấp Vdc, thường linh kiện tích cực tranzito dẫn xung điện đặn đến mạch cộng hưởng để bổ xung lượng, phải đảm bảo độ dịch pha độ lợi vừa đủ để bù cho suy giảm lượng mạch 1.3.1 Mạch dao động L-C: a Mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley) (hỡnh 5-15) +V T: Biến áp dao động Rb Vo: ngâ C1 C2 Q Hình 5-15 Mạch dao động hình sin ba điểm điện cảm Trên sơ đồ mạch mắc theo kiểu E-C, với cuộn dây có điểm giữa, cuộn dây tụ C1 tạo thành khung cộng hưởng định tần số dao động mạch tụ C2 làm nhiệm vụ hồi tiếp dương tín hiệu cực B tranzito để trì dao động Mạch phân cực điện trở Rb Tín hiệu hồi tiếp lấy nhánh cuộn cảm nên gọi mạch dao động ba điểm điện cảm (hertlay) b Mạch dao động ba điểm điện dung(Colpitts) (hình 5-16) 170 +V Rc T: Biến áp dao động C1 C3 Rb1 Vo: Ngâ C2 Q Rb2 Hình 5-16 Mạch dao động ba điểm điện dung Trên sơ đồ mạch mắc theo kiểu E-C với cuộn dây điểm giữa, khung cộng hưởng gồm cuộn dây mắc song song với hai tụ C1, C2 mắc nối tiếp nhau, tụ C3 làm nhiệm vụ hồi tiếp dương tín hiệu cực B tranzito Q để trì dao động, mạch phân cực cầu chia Rb1 Rb2 Tín hiệu ngõ lấy cuộn thứ cấp biến áp dao động thực tế để điều chỉnh tần số dao động mạch người ta điều chỉnh phạm vi hẹp cách thay đổi điện áp phân cực B Tranzito điều chỉnh phạm vi lớn cách thay đổi hệ số tự cảm cuộn dây lõi chỉnh đặt cuộn dây thay cho lõi cố định 1.3.2 Mạch dao động thạch anh (hình 5-17) Thạch anh cịn gọi gốm áp điện, chúng có tần số cộng hưởng tự nhiên phụ thuộc vào kích thước hình dạng phần tử gốm dùng làm linh kiện nên chúng có hệ số phẩm chất cao, độ rộng băng tần hẹp, nhờ độ xác mạch cao Dao động thạch anh ứng dụng rộng rãi thiết bị điện tử có độ xác cao mặt tần số tạo nguồn sóng mang thiết bị phát, xung đồng hồ hệ thống vi xử lí +V Rb Rc C1 Q C2 Re X Vo: ngâ 171 Hình 5-17 Mạch dao động dùng thạch anh Nhiệm vụ linh kiện mạch sau: Q: tranzito dao động Rc: Điện trở tải lấy tín hiệu ngõ Re: Điện trở ổn định nhiệt lấy tín hiệu hồi tiếp C1, C2: Cầu chia dùng tụ để lấy tín hiệu hồi tiếp cực B Rb: Điện trở phân cực B cho tranzito Q X: thạch anh dao động +V: Nguồn cung cấp cho mạch Hoạt động mạch sau: Khi cấp nguồn điện áp phân cực B cho tranzito Q đồng thời nạp điện cho thạch anh hai tụ C1 C2 Làm cho điện áp cực B giảm thấp, đến mạch nạp đầy điện áp cực B tăng cao qua vòng hồi tiếp dương C1, C2 điện áp cực B tiếp tục tăng đến Tranzito dẫn điện báo hoà mạch bắt đầu xả điện qua tiếp giáp BE tranzito làm cho điện áp cực B tranzito giảm đến mạch xả hết điện bắt đầu lại chu kỳ tín hiệu Tần số mạch xác định tần số thạch anh, dạng tín hiệu ngõ có dạng hình sin để tạo tín hiệu có dạng xung số cho mạch điều khiển tín hiệu xung đưa đến mạch dao động đa hài lưỡng ổn (FF) để sửa dạng tín hiệu Mạch xén Mục tiêu: - Vẽ trình bầy nguyên lý hoạt động mạch xén dùng tranzitor - Trình bầy ứng dụng mạch xén Mạch xén cịn gọi mạch cắt tín hiệu nhằm mục đích sửa dạng, giới hạn mức biên độ tín hiệu nên dùng phổ biến mạch điều khiển xử lí tín hiệu điều khiển Mạch xén dùng Điot tranzito tuỳ theo nhu cầu mạch điện mà xén trên, xén dưới, xén hai mức độc lập Trong giới thiệu mạch xén dùng tranzito Mức xén xác lập dựa chế độ phân cực Tranzito (hình 5-18) vùng bão hồ Ic vùng khuếch đại Q Ib Ic vùng ngưng dẫn Vc Vcc Uce 172 Hình 5-18 Đặc tuyến làm việc tranzito Do tính chất làm việc tranzito biên độ tín hiệu ngõ vào mạch nằm mức phân cực làm việc tranzito khơng dẫn nên tín hiệu bị xén, ngược lại tín hiệu ngõ vào vượt qua mức ngưỡng tranzito bị dẫn bão hồ tín hiệu bị xén Lợi dụng tính chất mầ người ta thiết kế nên mạch xén dùng trazitor, gồm mạch xén trên, mạch xén xén hai mức độc lập 2.1 Mạch xén trên, xén Mạch có cơng dụng cắt bỏ phần hay phần tín hiệu ngõ vào thường dùng để tách lấy tín hiệu riêng tín hiệu chung nhiều thành phần tín hiệu khác điều chế dạng biên độ dùng để sửa dạng tín hiệu, dạng mạch Tranzito phân cực tĩnh chế độ AB,B, C, D nằm nghiêng sang vùng ngưng dẫn, tuỳ vào mức tín hiệu cần xén (hình 5-19) Là mạch dùng để tách tín hiệu đồng tín hiệu hình hỗn hợp kỹ thuật truyền hình có ngõ vào pha dương, mạch xén trường hợp mạch xén mức (cắt bỏ phần tín hiệu) +V V Vc Rc C1 C2 t Vi Q Rb Vo Tín hiệu ngõ vào: Vi t Tín hiệu ngõ ra: Vo Hình 5-19 Mạch xén mức Hoạt động mạch sau: Tranzito phân cực tĩnh nằm sâu ngưng dẫn (Chế độ C) nhờ điện trở Rb phân cực B cho tranzito xuống mass Vbe =0v, Tranzito ngưng dẫn điện áp cực C = Vcc Khi có tín hiệu có pha dương ngõ vào làm cho điện áp B tăng dần lên chưa đủ lớn làm cho tranzito dẫn điện đến đạt giá trị đủ lớn tranzito chuyển từ trạng thái ngưng dẫn sang 173 trạng thái dẫn điện, nhanh chóng rơi vào vùng khuếch đại, khoảng biên độ tín hiệu lại khuếch đại lấy cực C.trong trường hợp tín hiệu ngõ vào có pha âm mạch điện có cấu trúc ngược lại (hình 5-20) +V V V Rb C2 Q C1 t Tín hiệu ngõ vào: Vi Vi Rc t Vo Tín hiệu ngõ ra: Vo Hình 5-20 Mạch xén mức Ngồi dạng mạch xén trình bày cịn số dạng mạch khác dùng để tách sóng tạo xung kích thích tầng điều khiển - Ngõ tín hiệu +V - Ngõ vào tín điều biên có tần số thấp hiệu điều biên có tần số - Tín hiệu cịn lại Rb1 cao bán kỳ dương - Tín hiệu có hai bán chu kỳ tín hiệu Q kỳ dương âm - Được dùng C1 Re Vo: ngâ Rb2 mạch tách sóng biên độ Radio Hình 5-21 Mạch xén mức không Trên sơ đồ mạch điện (hình 5-21), tiếp giáp BE tranzito đóng vai trị điot tách sóng cắt bỏ phần âm tín hiệu (xén dưới) mức khơng volt, đồng thời đóng vai trị mạch khuếch đại dịng điện tín hiệu ngõ lấy cực E (mạch mắc theo kiểu C-C) 2.2 Mạch xén hai mức độc lập mạch xén tuỳ vào nhu cầu mạch điện mà người ta chọn xén hai mức cân xứng hay hai mức không cân xứng Một vấn đề quan trọng mạch xén dùng Tranzito biên độ tín hiệu ngõ vào phải cao để đảm bảo cho vùng 174 tín hiệu bị xén nằm vùng ngưng dẫn vùng bão hoà tranzito, tín hiệu lấy nằm vùng khuếch đại trường hợp xén hai mức độc lập cân xứng tranzito phân cực chế độ khuếch đại hạng A, xén hai mức độc lập khơng cân xứng tuỳ vào u cầu mà người ta chọn Tranzito loại PNP hay NPN phân cực chế độ AB để tăng tuổi thọ làm việc tranzito - Mạch xén cân xứng, phân cực chế độ khuếch đại A - Tín hiệu ngõ bị xén lẫn cân xứng +V Rb1 Rc C3 Q Vi:Ngâ vµo Vo: Ngâ Rb2 Hình 5-22 Mạch xén hai mức độc lập cân xứng +V Rb1 Rc C3 Q Vi:Ngâ vµo - Mạch xén không cân xứng, phân cực chế độ khuếch đại AB Rb2 Vo: Ngâ Tín hiệu ngõ bị xén lẫn không cân xứng Hình 5-23 Mạch xén hai mức độc lập khơng cân xứng Trên hình vẽ hai mạch xén hai mức độc lập đối xứng không đối xứng không khác khác chế độ phân cực để thay đổi mức tín hiệu ngõ 175 Mạch ổn áp Mục tiêu: - Vẽ trình bầy nguyên lý hoạt động mạch ổn áp - Láp ráp mạch ổn áp đạt thông số kỹ thuật 3.1 Khái niệm Định nghĩa: ổn áp mạch thiết lập nguồn cung cấp điện áp ổn định cho mạch điện thiết bị theo yêu cầu thiết kế mạch điện, từ nguồn cung cấp ban đầu Phân loại: tuỳ theo nhu cầu điện áp, dòng điện tiêu thụ, độ ổn định mà kỹ thuật người ta phân chia mạch ổn áp thành hai nhóm gồm ổn áp xoay chiều ổn áp chiêu Ổn áp xoay chiều dùng để ổn áp nguồn điện từ lưới điện trước đưa vào mạng cục hay thiết bị điện Ngày với tốc độ phát triển kỹ thuật người ta có loại ổn áp như: ổn áp bù từ, ổn áp dùng mạch điện tử, ổn áp dùng linh kiện điện tử Ổn áp chiều dùng để ổn định điện áp cung cấp bên thiết bị, mạch điện thiết bị theo khu vực, mạch điện tuỳ theo yêu cầu ổn định mạch điện Người ta chia mạch ổn áp chiều thành hai nhóm lớn ổn áp tuyến tính ổn áp khơng tuyến tính (cịn gọi ổn áp xung) việc thiết kế mạch điện đa dạng phức tạp, từ ổn áp dùng Điot zêne, ổn áp dùng tranzito, ổn áp dùng IC Trong mạch ổn áp dùng tranzito thông dụng việc cấp điện áp thấp, dòng tiêu thụ nhỏ cho thiết bị mạch điện có cơng suất tiêu thụ thấp 3.2 Mạch ổn ấp tuyến tính dùng tranzito 3.2.1.Mạch ổn áp tham số Mạch lợi dụng tính ổn áp diot zêne điện áp phân cực thuận tranzito để thiết lập mạch ổn áp (hình 5-24) Q Tranzito ỉn ¸p Rb + ZENER + Vi:Đ iện áp ngõ vào Tụ lọc ngõ Vo: Đ iện áp ngõ tụ lọc ổn định Hỡnh 5-24 Mch n ỏp tham s dùng tranzito NPN Q: Tranzito ổn áp 176 Rb: Điện áp phân cực B cho tranzito điot zêne Ở mạch cực B tranzito giữ mức điện áp ổn định nhờ điot zêne điện áp ngõ điện áp điện áp zêne điện áp phân cực thuận tranzito Vo = Vz + Vbe Vz: Điện áp zêne Vbe: Điện áp phân cực thuận Tranzito (0,5 – 0,8v) Điện áp cung cấp cho mạch lấy cực E tranzito, tuỳ vào nhu cầu mạch điện mà mạch thiết kế có dịng cung cấp từ vài mA đến hầng trăm mA, mạch điện có dịng cung cấp lớn thường song song với mạch mắc thêm điện trở Rc khoảng vài chục đến vài trăm Ohm (hình 525) gọi trở gánh dịng Việc chọn tranzito chọn tương thích với dịng tiêu thụ mạch điện để tránh dư thừa làm mạch điện cồng kềnh dòng phân cực qua lớn làm cho điện áp phân cực Vbe không ổn định dẫn đến điện áp cung cấp cho tải ổn định Rc Q Tranzito ổn áp Rb + ZENER + Vi:Đ iện áp ngõ vào Tụ lọc ngõ Vo: Đ iện áp ngõ tụ lọc ổn định Hỡnh 5-25: Mch n áp tham số dùng tranzito NPN có điện trở gánh dòng Dòng điện cấp cho mạch dòng cực C tranzito nên dòng tải thay đổi dòng cực C thay đổi theo làm dòng cực B không thay đổi, nên điện áp không thay đổi (trên thực tế thay đổi không đáng kể) dòng tải thay đổi làm cho tải làm việc khơng ổn định 3.2.2 Mạch ổn áp có điều chỉnh (hình 5-26) Mạch ổn áp điều chỉnh điện áp ngõ có độ ổn định cao nhờ đường vòng hồi tiếp điện áp ngõ nên cị gọi ổn áp có hồi tiếp 177 Rc Tranzito ỉn ¸p Q1 R4 Q2 R5 R1 + Vi:Đ iện áp ngõ vào Q3 Vr + R2 Vo: Đ iện áp ngõ R3 C1 ZENER C2 Tụ lọc ngõ R6 tụ lọc ổn định Hình 5-26: Mạch ổn áp có điều chỉnh Nhiệm vụ linh kiện mạch sau: + Q1: Tranzito ổn áp, cấp dòng điện cho mạch + Q2: Khuếch đại điện áp chiều + Q3: So sánh điện áp gọi dò sai + Rc: Trở gánh dòng + R1, R2: Phân cực cho Q2 + R3: Hạn dòng cấp nguồn cho Q3 + R4: Phân cực cho zener, tạo điện áp chuẩn cố định cho cực E Q gọi tham chiếu + R5, R6, Vr: cầu chia phân cực cho B Q3 gọi lấy mẫu + C1: Chống đột biến điện áp + C2: Lọc nguồn sau ổn áp cách li nguồn với điện áp chiều từ mạch *Hoạt động mạch chia làm hai giai đoạn sau: Giai đoạn cấp điện: Là giai đoạn lấy nguồn cấp điện cho mạch thực gồm Rc, Q1, Q2, R1, R2 Nhờ trình cấp điện từ nguồn đến cực C Q1, Q2 phân cực nhờ cầu chia điện áp R1, R2 làm cho hai tranzito Q1, Q2 dẫn điện Trong Q2 dẫn điện phân cực cho Q1, dòng qua Q1 với dòng qua điện trở Rc gánh dòng cấp nguồn cho tải Trong mạch có dịng cung cấp thấp khơng cần điện trở gánh dòng Rc Giai đoạn ổn áp: Điện áp ngõ phần quay trở Q qua cầu chia R5, R6, Vr đặt vào cực B điện áp chân E giữ cố định nên điện áp cực C thay đổi theo điện áp cực B ngược pha, qua điện trở R đặt vào cực B Q2 khuếch đại điện áp chiều thay đổi đặt vào cực B Q1 để điều chỉnh điện áp ngõ ra, cấp điện ổn định cho mạch Điện áp ngõ điều 178 chỉnh khoảng 20% so với thiết kế nhờ biến trở Vr Hoạt động Q mạch giống điện trở biến đổi để ổn áp Mạch ổn áp có dịng điện cung cấp cho mạch tương đối lớn lên đến vài Amp điện áp cung cấp lên đến hàng trăm Volt *Ưu nhược điểm: Mạch có ưu điểm dễ thiết kế, dễ kiểm tra, sửa chữa nhiên mạch có nhiều nhược điểm cụ thể mạch kếm ổn định nguồn thay đổi, sụt áp nguồn tương đối lớn nên tổn thất công suất nguồn cao mạch có cơng suất lớn cần phải có thêm tản nhiệt nên cồng kềnh Khơng cách li nguồn ngồi nên Q bị thủng gây tượng áp mạch gây hư hỏng mạch điện, độ ổn định khơng cao 3.3 Mạch ổn áp khơng tuyến tính Mạch ổn áp khơng tuyến tính có nhược điểm khó thiết kế có nhiều ưu điểm như: có độ ổn định cao nguồn thay đổi, tổn thất công suất thấp, không gây hư hỏng cho mạch điện ổn áp bị đánh thủng thiết kế mức điện áp,và dòng điện theo ý muốn Trong thực tế mạch ổn áp không tuyến tính có nhiều dạng mạch khác nhau, mạch dùng tranzito IC thơng dụng Chủ yếu ổn áp kiểu xung dùng dao động nghẹt Mạch điện điển hình dùng tranzito có dạng mạch đơn giản (hình 5.27) C1 R1 D3 C4 T C6 C7 Vo: ngâ Q C3 + R2 C2 D2 + D1 D4 R3 R4 C5 +V Hình 5-27 Mạch ổn áp ổn áp kiểu xung dùng dao động nghẹt Trong mạch Tranzito Q đóng vai trị phần tử dao động đồng thời phần tử ổn áp, T biến áp dao động nghẹt đồng thời biến áp tạo nguồn thứ cấp cung cấp điện cho mạch điên thiết bị C 1, R1 giữ vai trò mạch hồi tiếp xung để trì dao động R4 làm nhiệm vụ phân cực ban đầu cho mạch hoạt 179 động D3, R4, C4, C5 làm nhiệm vụ chống áp bảo vệ tranzito Các linh kiện D1, R2, C3, C2 Tạo nguồn cung cho mạch ổn áp D2 làm nhiệm vụ tạo điện áp chuẩn cho mạch ổn áp gọi tham chiếu Hoạt động mạch tương tự mạch ổn áp có điều chỉnh gồm có hai giai đoạn Giai đoạn tạo nguồn: Được thực sau: Điện áp chiều từ nguồn tiếp tế đến cực C Q qua cuộn sơ cấp biến áp T, phần đưa đến cực B tranzito qua điện trở phân cực R làm cho tranzito chuyển trạng thái từ không dẫn điện sang trạng thái dẫn điện sinh dòng điện chạy cuộn sơ cấp biến áp T, dòng điện biến thiên cảm ứng lên cuộn thứ cấp hình thành xung hịi tiếp cực B Tranzito Q để trì dao động gọi dao động nghẹt Xung dao động nghẹt lấy cuộn thứ cấp khác nắn điơt D4 lọc tụ C7 hình nguồn chiều thứ cấp cung cấp điện áp cho mạch điện lúc điện áp ngõ chưa ổn định Giai đoạn ổn áp: Được thực nhánh thứ cấp khác nắn lọc xung để hình thành điện áp chiều có giá trị âm nhờ D 1, C3 đặt vào cực B tranzito Q qua Diot zener D2 điều chỉnh điện áp phân cực tranzito Q để ổn định điện áp ngõ Giữ điện áp ngõ ổn định Để hiểu rõ nguyên tắc ổn định điện áp mạch, giả thuyết điện áp ngõ tăng đồng thời làm cho điện áp âm hình thành từ D C3 tăng làm cho điện áp anôt zener D tăng kéo theo điện áp catôt giảm làm giảm dòng phân cực cho Q ổn áp dẫn điện yếu điện áp ngõ giảm bù lại tăng ban đầu giữ mức ổn định Hoạt động mạch sảy ngược lại điện áp ngõ giảm làm cho điện áp âm Anod D giảm làm cho điện áp catôt tăng nên tăng phân cực B cho tranzito Q Q dẫn mạnh làm tăng điện áp ngõ bù lại giảm ban đầu điện áp ổn định Mạch điện Hình 5.27 dùng cung cấp nguồn cho mạch điện có dịng tiêu thụ nhỏ biến động điện áp ngõ vào thấp Trong mạch cần có dịng tiêu thụ lớn, tầm dị sai rộng cấu trúc mạch điện phức tạp hơn, dùng nhiều linh kiện hơn, kể tranzito, thành phần hệ thống ổn áp hoàn chỉnh đầy đủ có: ổn áp, dị sai, tham chiếu, lấy mẫu bảo vệ hệ thống nguồn cần độ an toàn cao CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Câu Hãy điền vào chỗ trống nội dung thích hợp với câu gợi ý đây? 1.1 Hãy điền vào chỗ trống nội dung thích hợp: a) Mạch dao động đa hài không ổn 180 b) Trong mạch dao động đa hài không ổn dùng hai tranzito có thơng số loại, linh kiện định tần số dao động c) Trong mạch dao động đa hài không ổn, nguyên nhân tạo cho mạch dao động d) Ngoài linh kiện R C đưa vào mạch dao động đa hài khơng ổn dùng tranzito hoặc, người ta cịn dùng để tạo tần số dao động ổn định xác e) f) g) Mạch xén gọi mạch Mức xén dùng tranzito xác lập dựa Ổn áp mạch thiết lập nguồn cung cấp điện cho mạch điện thiết bị theo yêu cầu thiết kế mạch điện, từ 1.2.Trả lời nhanh câu hỏi đây: a) Muốn thay đổi tần số mạch dao động đa hài nên thực cách ? b) Muốn thay đổi thời gian ngắt mở, thường gọi độ rộng xung, cần thực cách nào? c) Muốn cho tranzito dẫn trước cấp nguồn, cần thực cách nào? d) Với nguồn cung cấp 12V tần số 1kHz dòng điện tải I C = 10mA dùng tranzito C1815 (β=100) chọn linh kiện RC cho mạch e) Hãy cho biết nguyên nhân mạch dao động tạo dao động được, điện áp phân cực hai tranzito hoàn toàn giống Câu Hãy lựa chọn phương án mà học viên cho câu gợi ý tơ đen vào vng thích hợp TT Nội dung câu hỏi Sơ đồ mạch dao động đa hài đơn ổn dùng tranzito khác mạch dao động đa hài không ổn dùng tranzito yếu tố sau: a.Các linh kiện mạch mắc không đối xứng a Trị số linh kiện mạch không đối xứng b Cách cung cấp nguồn d.Tất yếu tố a b c d □ □ □ □ 181 Xét mặt ngun lí xác định trạng thái dẫn hay không dẫn tranzito cách: □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ a Nhìn cách phân cực mạch b Đo điện áp phân cực c Xác định ngõ vào mạch d.Tất yếu tố Thời gian phân cách là: a Thời gian hai xung liên tục ngõ mạch b Thời gian hai xung kích thích vào mạch c.Thời gian xuất xung d Thời gian tồn xung kích thích Độ rộng xung là: a Thời gian xuất xung ngõ b Thời gian xung kích thích c Thời gian hồi phục trạng thái xung d Thời gian hai xung xuất ngõ Thời gian hồi phục là: a Thời gian từ xuất xung đến trở trạng thái ban đầu b Thời gian tồn xung c Thời gian mạch trạng thái ổn định d Thời gian từ trạng thái xung trở trạng thái ban đầu Mạch đa hài đơn ổn dùng nguồn có ưu điểm a Dễ thiết kế mạch b Có cơng suất tiêu thụ thấp c Có nguồn cung cấp thấp d Tất Mạch đa hài đơn ổn có tụ gia tốc có ưu điểm: a Có độ rộng xung nhỏ b Có biên độ lớn c Có thời gian chuyển trạng thái nhanh d Có thời gian hồi phục ngắn 182 Bài tập Hãy làm tập theo số liệu cho Cho mạch điện có Re = 4,7K, Rb = 47K, C=0,01µF Dùng tranzito C1815 (β=100) với nguồn cung cấp 12V Hãy cho biết: a) Độ rộng xung mạch b) Tần số mạch TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện, mạch điện tử, NXB Giáo dục 2008 [2] Nguyễn Văn Tuân, Sổ tay tra cứu linh kiện điện tử,NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [3] Đỗ Xuân Thụ, Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo dục 2005 [4] Nguyễn Đình Bảo, Điện tử 1, NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [5] Nguyễn Đình Bảo, Điện tử 2, NXB Khoa học kỹ thuật 2004 ... Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t) - Nhiệt độ chịu đựng - Dòng điện chất điện môi (I) - Điện trở cách điện chất điện môi 3.2.Chất dẫn điện Định nghĩa : Là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện. .. kiện điện- điện tử 18 Các loại plastic (polyetylen, polyclovinin) Dùng làm chất cách điện 19 Điện trở cách điện linh kiện mạch điện tử Mục tiêu: - Trình bầy điện trở cách điện linh kiện điện tử,... thuật ghi bảng tra mà không ghi thân nên muốn xác định điện trở cách điện cần phải tra bảng Điện trở cách điện mạch điện điện áp lớn cho phép hai mạch dẫn đặt gần mà khơng sảy tượng phóng điện, hay