Bài giảng Điện tử 2

THS LÊ MINH ĐỨC §IƯN Tư TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2018 THS LÊ MINH ĐỨC BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2018 LỜI NĨI ĐẦU Điện tử mơn học sở nằm chương trình đào tạo ngành Công nghệ kỹ thuật điện tử Nội dung môn học cung cấp cho người học kiến thức linh kiện bán dẫn nhiều mặt ghép, mạch khuếch đại ứng dụng, vấn đềghép tầng khuếch đại, lọc nguồn cung cấp cho mạch điện tử.Bài giảng bao gồm 02 phần: Phần nội dung chi tiết chương, cuối chương có câu hỏi ơn tập tài liệu tham khảo Phần phần hướng dẫn ôn tập đáp án câu hỏi chương 1, 2, nhằm giúp người học tự kiểm tra, củng cố kiến thức Chương 1: Phần tử nhiều mặt ghép P - N.Giới thiệu số linh kiện điện tử có cấu trúc đặc biệt SCR,TRIAC, DIAC, UJT… ứng dụng điển hình chúng thực tế Chương 2: Khuếch đại Đề cập tới cách mắc mạch khuếch đại sử dụng transistor hiệu ứng trường(FET), cách ghép tầng khuếch đại, mạch khuếch đại cơng suất, khuếch đại thuật tốn (OA): cấu trúc, đặc điểm ứng dụng mạch cộng, mạch trừ, mạch vi phân, mạch tích phân, mạch lọc tích cực… Chương 3: Tạo dao động điều hòa nguồn chiều Đề cập tới định nghĩa, điều kiện mạch tạo dao động hình sin; phân tích mạch tạo dao động hình sin ghép biến áp, ghép RC, mạch dao động điểm, dao động thạch anh Phân tích mạch cung cấp nguồn chiều; phương pháp bảo vệ dòng, áp nguồn; giới thiệu nguồn chuyển mạch Chương 4: Mạch điện tử ứng dụng Giới thiệu mạch điện ứng dụng thực tế sử dụng kiến thức trang bị chương đầu Đề cập tới yêu cầu chức nguyên lý hoạt động thiết bị đo lường điện tử; mạch chuyển đổi (điện áp/dòng điện, D/A, A/D, tần số/dòng điện, đo nhiệt độ…) Bài giảng biên soạn phù hợp với chương trình mơn học Điện tử Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt Mặc dù cố gắng trình biên soạn chỉnh sửa nội dung, song lần biên soạn nên chắn tránh sai sót, mong nhận góp ý đồng nghiệp sinh viên để hoàn thiện giảng lần tái sau Các ý kiến góp ý xin gửi về: Bộ mơn Kỹ thuật điện & Tự động hóa, Khoa Cơ điện & Cơng trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Tác giả Chương PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P- N Nội dung chương giới thiệu linh kiện bán dẫn cấu tạo từ nhiều mặt ghép P-N Thyristor, TRIAC, Diac, transistor tiếp giáp (UJT), diode Shortkey… ứng dụng điển hình chúng: mạch chỉnh lưu có điều khiển, mạch chuyển đổi điện áp, mạch khống chế pha, mạch kích… 1.1.Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến tham số Thyristor Thyristor cấu kiện chỉnh lưu có điều khiển quan trọng họ Thyristors Do làm từ vật liệu Silic nên cịn có tên gọi cấu kiện chỉnh lưu Si có điều khiển SCR (Silicon Controlled Rectifier) Cấu kiện chỉnh lưu Si có điều khiển cấu tạo từ dụng cụ nhiều mặt ghép P-N Các dụng cụ chỉnh lưu có có cấu trúc dạng bốn lớp bán dẫn công nghệ P- N- P-N xếp liên tiếp 1.1.1 Cấutạo Thyristor Thyristor chế tạo từ bốn lớp bán dẫn P1-N1-P2-N2 đặt xen kẽ (trên đế N1 điện trở cao, tạo lớp P1++ P2+, sau tiếp N2++) Giữa lớp bán dẫn hình thành chuyển tiếp P-N J1, J2,J3 lấy cực Anode (A), Cathode (K) cực khống chế G (hình1.1a) Để tiện cho việc phân tích ngun lí làm việc Thyristor tưởng tượng lớp bán dẫn Thyristor chia thành hai cấu trúc transistorP1N1P2 N1P2N2 hình 1.1a với nối thơng miền N1 P2 chúng Từ vẽ sơ đồ tương đương hình 1.1b Kí hiệu quy ước Thyristor cho hình 1.1c a) Cấu tạo lớp P-N b) Sơ đồ tương đương Hình 1.1.Cấu tạo ký hiệu Thyristor c) Ký hiệu 1.1.2 Nguyên lý làm việc củaThyristor Có thể biểu diễn Thyristor sơ đồ tương đương với hai transistor Q1, Q2mắc nối tiếp (hình 1.2) Trong đó: Q1 transistor loại PNP, Q2 transistor loại NPN a) Trường hợp cực G hở mạch (IG = 0) - Khi UAK> 0: J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược, toàn điện áp UAK đặt lên J2 Khi UAK nhỏ, mạch có dịng bão hồ ngược ICB0 chuyển tiếp J2 - Khi UAK> đủ lớn: Tăng mức độ phân cực thuận cho tiếp giáp J1, J3, tăng phân cực ngược cho J2 Khi UAK tăng tới điện áp đánh thủng J2 J2 bị đánh thủng trở thành dẫn điện Khi J1, J3tương đương hai Diode phân cực thuận mắc nối tiếp nối tắt qua J2Thyristor chuyển sang trạng thái mở Khi Thyristor mở, nội trở giảm giá trị nhỏ coi không Đối với vật liệu silic, giá trị điện áp bão hòa transistorSilic xấp xỉ 0,2V UBE cỡ khoảng 0,7V.Điện áp rơi hai cực A K là:UAK = UEC1 + UBE2 0,2V + 0,7V  0,9V Giá trị điện áp UAK làm cho Thyristor chuyển trạng thái từ ngắt sang mở gọi điện áp kích mở tự nhiên (Ukmtn) Như vậy, phương pháp tăng điện áp phân cực thuận UAK để Thyristor chuyển từ khoá sang mở gọi phương pháp kích mở điện áp thuận (phương pháp kích mở tự nhiên)  phương pháp không dùng thực tế - Khi UAK< 0: J1, J3 phân cực ngược, J2 phân cực thuận, dòng qua Thyristor dòng rò ngược (chiều từ K  A) có trị số nhỏ Hình 1.2 Mạch điện minh họa hoạt động Thyristor - Khi UAK< đến giá trị Ung.max  J1, J3 bị đánh thủng  dòng ngược qua Thyristor tăng nhanh Thyristor bị hỏng b) Trường hợp IG (phương pháp kích mở dòng điều khiển) Khi UAK  điện áp UGK tạo dòng (IG + ICB0), dòng lớn dòng mở transistor T2 T2 mở T1mởThyristor chuyển sang trạng thái mở hồn tồn Khi Thyristor mở có mặt dịng IG khơng cịn có ý nghĩa Như vậy, ta cần đưa điện áp UGK có giá trị nhỏ (một xung điện áp dương có biên độ, độ rộng đủ lớn) làm mở Thyristor c)Tính dịng IA, IK trạng thái mở - Theo sơ đồ mạch tương đương Thyristor ta thấy, Thyristor dẫn điện có dịng điện từ A đến K tiếp xúc P-N Q1 vàQ2 có dịng điện: IE1 = IA; IC1 = 1IE1 = 1IA IE2 = IK; IC2 = 2IE2 = 2IK Mà dòng collector Q1, Q2 là: IC1 = 1IE1 + IC01 = 1IA + IC01 IC2 = 2IE2 + IC02= 2IK + IC02 Trong 1 2 hệ số khuếch đại thác lũ (số nhân thác lũ) - Dòng điện tổng qua Thyristor là: IA= IC1 + IC2 = 1IA + 2IK + IC01+ IC02 Trong đó:IC01 + IC02 = IC0 IC0 dòng điện ngược bão hòa tiếp xúc J2 Mặt khác: IK = IA + IG, thay vào (1-1) rút gọn ta có: α2 IG + IC0 IA = - (α1 + α2 ) (1-1) (1-2) Nếu IG = 0: IC0 (1-3) - (α1 + α2 ) Hệ số khuếch đại hai transistor trạng thái hở nhỏ Do đó, trạng thái dẫn bền vững đạt hai transistorrơi vào chế độ bão hòa tương ứng IA = với1+2= Như vậy, 1 + 2 =  dịng IA tăng vọt khơng điều khiển được, tương ứng với tiếp xúc J2 phân cực thuận Lúc Thyristor dẫn điện  hai transistor dẫn bão hòaThyristor chế độ mở (ON) Trên thực tế, đặt điện áp UAK lên Thyristor có dịng điện ngược chạy qua Thyristor, cịn dịng điều khiển IG tạo thành phần dòng điện mà tổng hệ số khuếch đại thác lũ dòng điện 1 + 2 = dẫn tớiThyristor khởi động Khi cho dòng điện vào cực điều khiển G, tăng hệ số  mà khơng phụ thuộc vào điện áp dịng điện Dịng IG có tác dụng gia tăng hạt dẫn thiểu số (điện tử) cho lớp bán dẫn P2 tiếp xúc J2 thông (phân cực thuận) sớm Tùy theo trị số dòng IG mà điện áp đánh thủng tiếp xúc J2 trị số dòng điện trì IH thay đổi Khi IG có giá trị lớn UBF nhỏ IH nhỏ 1.1.3 Đặc tuyến Vôn-Ampe (V-A) Thyristor Đặc tuyến V-A thể hoạt động Thyristor hình vẽ 1.3 chia thành miền rõ rệt: a) Phân cực ngược UAK< Thyristor coi diode phân cực ngược mắc nối tiếp J1, J3 Khi UAK giảm dịng qua Thyristor nhanh chóng dòng bão hòa ngược (bằng dòng bão hòa ngược diode), Thyristor làm việc “Miền chắn ngược” hay trạng thái khóa “OFF” Nếu giảm UAK nhỏ (UAK *Trường hợp 1: Cực G hở (IG = 0): Tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược, UAK nhỏ dòng IA, IK nhỏ định chủ yếu dòng bão hòa ngược J2, ID = IA = IK gọi dòng dò thuận, Thyristor làm việc “Miền chắn thuận” (hay Thyristor chế độ trở kháng cao, trạng thái khóa “OFF”) Nếu tăng dần UAK lên đến điện áp đánh thủng tiếp xúc J2 dịng điện qua SCR tăng vọt Lúc tiếp xúc P-N coi phân cực thuận, điện trở chúng nhỏ làm cho sụt áp Thyristor giảm hẳn xuống khoảng từ  2V Lúc Thyristor chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở “ON”, hay trạng thái dẫn điện chế độ trở kháng thấp, miền làm việc Thyristor gọi “Miền dẫn thuận” Trong trạng thái mở, dòng điện qua Thyristor hạn chế nhờ điện trở mắc mạch ngồi IA>IL(dịng chốt:Dịng điện nhỏ Anode yêu cầu để trì Thyristor trạng thái mở).Như vậy, Thyristor chuyển sang trạng thái mở khơng cần dịng điều khiển IG Trị số điện áp mà xảy đánh thủng tiếp xúc J2 gọi điện áp đỉnh khuỷu VBF(hay điện áp kích mở) Như vậy, Thyristor dẫn điện dịng điện qua khơng thể điều khiển dòng IA lớn Theo sơ đồ tương đương, tăng UAK tới giá trị định làm dòng ngược IC1 tăng (khi J2 bắt đầu bị đánh thủng), mà IB2= IC1,khi IC1lớnhơn dịng mở cho Q2 Q2 mở làm cho IC2tiếp tục tăng, mà IB1=IC2.Như vậy,IC1tiếp tục tăng, q trình xảy theo vịng kín Kết dù điều kiện gây đánh thủng J2 (khi UAKgiảm), trình tự động tiếp tục dẫn tới Q1, Q2 mở hoàn toàn, nghĩa làThyristor mở hoàn toàn Khi Thyristor mở hoàn toàn, điện áp phân cực thuận UAKgiảmnhỏ điện áp kích mở dịng IAcũng giảm Thyristor mở.Thyristor ngừng dẫn dòng điện IAbị giảm xuống trị số dòngđiện IH gọi dòng điện trì tương ứng với dịng IHta có điện ápduy trì UH *Trường hợp 2: Cực G có dịng điều khiển (IG0): Nếu điện áp thuận đặt vào ThyristorUAKnhỏ mức điện áp kích mởUBF, cực G K đặt điện áp UG>0, tạo dòng IGđủ lớnlàm mở Q2và q trình xảy theo vịng kín tương tự làm cho Q1 mở Thyristor mở hoàn toàn ... có: Hình 2. 19 Xác định điểm làm việc tĩnh ĩnh Q UDS = UDD – ID(RS + RD) (2- 20) UD = UDD-IDRD (2- 21) US = IDRS (2- 22) (2- 23) IR1 = IR2 = UDD/(R1 + R2) Ví dụ: Cho mạch ch điện hình vẽ 2. 20 Hãy tính... đương hình 2. 18 UDD R1 Uv RD C2 Ur C1 R2 RS CS Hình 2. 17 Mạch phân cực phân áp 38 Hình 2. 18 Sơ đồ tương đương Khi IG = 0A, IR1 = IR2 điện áp phân cực điệnn áp đđặt R2: R2 (2- 18) UG = U R1 +R2 DD UG... Hình 1 .22 Dạng D sóng VE, VB1 VB2 Khi RB1 giảm IB tăng gần g gấp đôi ( 2mA) nên điện thế: VB2 = VCC-IB.R2 = 10 – 2. 200  9,6V Ở cực B2 có xung âm với v biên độ 9,6V – 9,8V = -0,2V 0,2V Đ Đồng