GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử b¶n Lời Mở Đầu Học phần Điện tử xem học phần tảng ngành Điện tử, việc biên soạn giáo trình cần thiết nhằm phục vụ hiệu việc đào tạo nguồn nhân lực trang bị cho sinh viên kiến thức điện tử Giáo trình dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ kỹ thuật Điện tử truyền thông, Công nghệ kỹ thuật Tự động hóa Giáo trình bám sát chương trình đào tạo c trường Đại học sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long nhằm giúp cho sinh viên đạt mục tiêu học phần Đảm bảo chuẩn kiến thức, kỹ chuẩn đầu ban hành Nội dung giáo trình bao gồm chương - Chương trình bày chất bán dẫn diode bán dẫn - Chương trình bày transistor - Chương trình bày họ thyristor - Chương trình bày Op-amp - Chương 5, vào loại mạch cụ thể, bao gồm Mạch khuếch đại, Mạch dao động Mạch nguồn Để học tốt học phần này, Sinh viên cần có kiến thức mạch điện, định luật phương pháp giải mạch điện Ngồi giáo trình cịn giúp Giảng viên thống nội dung giảng dạy học phần Điện tử bản, làm sở để xây dựng ngân hàng đề thi chung Khi biên soạn, chúng tơi tham khảo giáo trình tài liệu giảng dạy học phần số trường đại học ngồi nước để giáo trình vừa đạt yêu cầu nội dung vừa thích hợp với đối tượng sinh viên trường Đại học sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long Trong trình biên soạn, chúng tơi nhận đóng góp ý kiến q báu hổ trợ đồng nghiệp khoa Điện – Điện tử số đồng nghiệp khác Mặc dù đã cố gắng để giáo trình hồn chỉnh, song chắn khơng tránh khỏi sai sót Nhóm biên soạn mong nhận góp ý đọc giả Nhóm tác giả Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử b¶n Chương 1: Diode mạch ứng dụng 1.1 Đại cương chất bán dẫn Thuật ngữ bán dẫn (Semicondctor) dựa khái niệm độ dẫn điện vật liệu Nó nằm khoảng hai vật liệu dẫn điện (Conductor) cách điện (Isolator) Bán dẫn vật chất thể rắn, kết tinh vơ định hình, tinh khiết hỗn hợp, đơn chất hợp chất Để ước lượng độ dẫn điện, người ta dùng đại lượng điện trở suất ρ (Ω.cm) Trong bảng 1.1 cung cấp giá trị điện trở suất loại vật liệu Bảng 1.1 Giá trị điện trở suất Dẫn điện  = 10-6.cm (đồng) Bán dẫn Cách điện  = 50.cm (Ge)  = 1012.cm (mica)  = 50.103.cm (Si) Vật liệu bán dẫn khơng phải có germanium (Ge) silicon (Si), nhiên hai vật liệu sử dụng phổ biến để chế tạo linh kiện điện tử Những năm gần việc sử dụng thiên Si Ge, nhiên Ge sản xuất với lượng khiêm tốn Nếu dựa vào cấu tạo phân tử phân bán dẫn đơn chất bán dẫn hợp chất Ví dụ Si Ge bán dẫn đơn chất nút mạng tinh thể chúng cấu tạo từ nguyên tử, bán dẫn mà phân tử chứa loại ngun tử bán dẫn hợp chất Dựa vào chất hạt tải điện (hay gọi hạt dẫn) mà người ta chia thành dạng dẫn bán dẫn: - Nếu hạt tải điện gồm loại hạt với số lượng điện tử lỗ trống, đồng thời độ dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ bán dẫn (bán dẫn loại I - viết tắt từ Intrinsic) - Nếu hạt tải điện chủ yếu điện tử bán dẫn loại N - Nếu hạt tải điện chủ yếu lỗ trống bán dẫn loại P 1.1.1 Chất bán dẫn Chất bán dẫn lý thuyết định nghĩa vật liệu khơng có tạp chất (Intrinsic Semiconductor) Trên thực tế chế tạo bán dẫn lý tưởng, nhiên để chế tạo linh kiện mạch tổ hợp có chất lượng cao người ta địi hỏi chất bán dẫn phải có độ cao Hiện độ đạt tới phần 10 tỷ 1cm3 bán dẫn (1: 10.000.000.000) Có nghĩa 10 tỷ nguyên tử chất bán dẫn có nguyên tử lạ (tạp chất) Hầu hết chất bán dẫn có nguyên tử xếp theo dạng tinh thể Hai chất bán dẫn dùng nhiều kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử Silicon Germanium Hình 1.1 trình bày cấu trúc đơn tinh thể hai loại bán dẫn Si Ge, hình 1.2 trình bày cấu trúc nguyên tử Si Ge Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Hỡnh 1.1 Cu trỳc n tinh th Si Ge a) Si b) Ge Hình 1.2 Cấu trúc nguyên tử Si (a) Ge (b) Mỗi nguyên tử hai chất có điện tử Khi tham gia vào mối liên kết mạng để tạo thành mạng tinh thể bán dẫn, nguyên tử đưa đôi điện tử dùng chung để hình thành điện tử lớp tạo nên cấu trúc bền vững (hình 1.3), liên kết nguyên tử với làm cho điện tử khó tách rời khỏi nhân chúng Với cấu trúc nên nhiệt độ 00K chất bán dẫn hoàn toàn cách điện Hình 1.3 Liên kết nguyên tử Si Hạt dẫn điện tự xuất điều kiện nhiệt độ xác định Khi chất bán dẫn cung cấp lượng, điện tử nguyên tử dao động đủ phá vỡ mối liên kết hoá học trở thành điện tử tự (electron) để lại lỗ trống cho nguyên tử Theo nguyên tắc liên kết hóa học, điện tử nguyên tử bên cạnh có xu hướng thay lỗ trống vừa xuất để lại cho nguyên tử lỗ trống Như lỗ trống liên tục đổi vị trí khắp chất bán dẫn nên gọi lỗ trống tự (hole) Đối với chất bán dẫn khiết lượng hạt dẫn điện tử lỗ trống tự Nếu nồng độ hạt dẫn điện tử n lỗ trống p, ta có n = p Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử b¶n Các mức lượng vật liệu bán dẫn khơng liên tục hình thành dải lượng vùng dẫn, vùng hoá trị, vùng phân cách vùng cấm Hình 1.4 Mức lượng vật liệu ví dụ bán dẫn Si, khơng có điện tử phép nằm vùng cấm Những điện tử lớp tương ứng với liên kết cộng hoá trị bứt khỏi mối liên kết trở thành điện tử tự mạng việc tương ứng với cách biểu diễn điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn giản đồ vùng lượng Do điện tử vùng dẫn tham gia dẫn điện Đơn vị lượng tính eV (electron Volts) W = QxV (eV) Vì điện tích điện tử 1,6 x 10-19C W = QxV = (1,6 x 10-19C) (1V) Nên 1eV = 1,6 x 10-19J Đối với chất bán dẫn thuần, 00K (tức -2730C) tất điện tử nằm vùng hoá trị Tại nhiệt độ phòng (3000K hay 250C) số lượng lớn điện tử có đủ lượng rời khỏi vùng hóa trị, vượt qua vùng cấm để nhảy lên vùng dẫn trở thành điện tử tự do, điện tử hạt dẫn điện chất bán dẫn Với vật liệu bán dẫn loại Si, GaAs Ge, độ lớn vùng cấm 1,1eV, 1,41eV 0,67eV hình 1.4 (đối với chất cách điện có vùng cấm thường 5eV hơn, làm hạn chế số lượng electron đến vùng dẫn nhiệt độ phòng, chất dẫn điện tồn điện tử vùng dẫn nhiệt độ 0K ) Với nhiệt độ 250C, 1cm3 Si có khoảng 1,5 x 1010 điện tử tự do, Ge tương ứng 2,3 x 1013 Điều chứng tỏ Ge dẫn điện tốt Si nhiều 1.1.2 Chất bán dẫn pha tạp hay ngoại lai: Các đặc tính chất bán dẫn thay đổi đáng kể bổ sung nguyên tử tạp chất định vào chất bán dẫn Chất bán dẫn pha thêm tạp chất gọi chất bán dẫn pha tạp hay ngoại lai (Doped/Extrinsic Semiconductor) Có hai loại bán dẫn pha tạp quan trọng dùng để chế tạo linh kiện bán dẫn ú l loi n v loi p Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử a Chất bán dẫn loại n: Khi pha lượng nhỏ tạp chất có hố trị (tức có điện tử lớp cùng) vào mạng tinh thể chất bán dẫn (cấu trúc tinh thể không biến dạng), chất Sb (Antimony), As (Asen), P (Photpho) Khi liên kết dùng chung cần điện tử đủ (Si: điện tử Sb góp điện tử) Vậy cịn thừa điện tử, điện tử liên kết lỏng lẻo với nguyên tử cần lượng nhỏ cấp cho đủ làm bứt khỏi liên kết trở thành điện tử tự Tạp chất loại gọi tạp chất cho (Donor) Hình 1.5 biểu diễn hình thành điện tử tự giản đồ lượng ứng với bán dẫn loại Tạp chất dùng Sb Qua hình vẽ ta thấy rõ mức lượng ứng với tạp chất cho nằm sát đáy vùng dẫn khoảng cách nhỏ cỡ 0,05eV Si 0,01eV Ge Vì cần cấp lượng nhỏ (thí dụ lượng nhiệt mức nhiệt độ phòng) đủ giúp điện tử nhẩy lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự (a) (b) Hình 1.5: Tạp chất Sb bán dẫn loại n (a) giản đồ lượng(b) Kết có chất Donor, độ dẫn điện bán dẫn tăng cách đáng kể Ở nhiệt độ phòng (250C), số lượng điện tử tự loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn 105 lần bán dẫn (tùy theo mức pha tạp) Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi bán dẫn loại N Do có nhiều eletron nằm băng dẫn điện lỗ trống nằm vùng hóa trị chất bán dẫn loại n Các điện tử gọi hạt tải đa số lỗ trống nằm lớp hóa trị gọi hạt tải thiểu số (nn>> pn) b Chất bán dẫn loại p: Trong trường hợp pha tạp chất có hóa trị (tức có điện tử lớp ngồi cùng) ví dụ B (Boron), In (Indium), Al(Aluminium) Ga (Gallium) vào mạng tinh thể bán dẫn thuần, kết thiếu điện tử mối liên kết cộng hóa trị Tạp chất Boron Gi¸o viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử hóa trị bao bọc xung quanh nguyên tố silicon Nên có mối liên kết khơng thành thiếu điện tử tạo thành lỗ trống Tạp chất để tạo nên hiệu ứng có tên tạp chất nhận (Acceptor) Chất bán dẫn loại p có nhiều lỗ trống vùng hóa trị nên gọi hạt tải đa số điện tử vùng dẫn nên gọi hạt tải thiểu số (pp >> np) Hình 1.6: Tạp chất B bán dẫn loại p 1.2 Đại cương diode: 1.2.1 Cấu tạo: Cấu tạo diode bán dẫn gồm khối chất bán dẫn n khối chất bán dẫn p ghép lại với hình thành mặt tiếp xúc P-N hình 1.7 Điện cực lấy từ bán dẫn loại P gọi Anode điện cực lấy từ bán dẫn loại N gọi Cathode a Cấu tạo diode b ký hiệu diode Hình 1.7 Cấu tạo ký hiệu diode bán dẫn Tại mặt tiếp xúc P-N điện tử tự lỗ trống kết hợp lại với nhau, kết khu vực nồng độ lỗ trống điện tử giảm rõ rệt so với phía sâu vùng P N Điều dẫn đến trở kháng vùng lớn Cũng lý vùng tiếp xúc cịn có tên gọi vùng nghèo (ít hạt dẫn), vùng chắn (trở kháng lớn) 1.2.2 Phân cực diode: Vì diode có cực nên có cách đặt điện áp lên cực diode VD = 0V (không phân cực), VD < 0V (phân cực ngược) VD > 0V (phân cực thuận) a Khi không phân cực (VD = 0V) Do chênh lệch nồng độ xảy tượng khuếch tán hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ p sang n, điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại từ n sang p Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán Trong vùng tiếp xúc lỗ trống khuyếch tán phía N nên cân điện tích, chúng để lại ion âm tạp chất nhận nút mạng tinh thể Ngược lại điện tử khuếch tán phía vùng P, chúng để lại ion dương tạp chất cho Kết hình thành lớp điện tích kép vùng tiếp giáp PN giống hai bảng cực tụ điện Do tồn lớp điện tích kép này, hình thành hiệu điện tiếp xúc Vtx vùng tiếp giáp Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Hỡnh 1.8 Mi ni pn cha cú điện trường Do tồn hiệu điện tiếp xúc Vtx làm xuất dịng điện trơi hạt dẫn thiểu số tạo thành có chiều ngược với chiều dòng điện khuếch tán Chiều điện áp tiếp xúc cản lại dòng khuyếch tán Như hình thành chế tự điều chỉnh sau: Do có tượng khuyếch tán sinh dịng khuếch tán Ikt làm xuất Vtx xuất Vtx lại cản tăng trưởng Ikt Trong điều kiện khơng có điện áp ngồi, dịng điện tổng phải khơng Ikt - Itrơi = Ta nói chuyển tiếp P-N đạt tới trạng thái cân động Ứng với trạng thái đó, hiệu tiếp xúc) bán dẫn n bán dẫn p có giá trị định Thông thường, hiệu điện tiếp xúc Vtx vào cỡ 0,2V- 0,3V (đối với germanium) 0,6V-0,7V (đối với silicon) Hiệu ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, trì trạng thái cân bằng, nên gọi “điện hàng rào” Tóm lại khơng phân cực diode, dòng điện qua diode theo chiều b Phân cực nghịch (VD < ): Anode nối với cực âm Cathode nối với cực dương nguồn ngồi Có thể giả thiết điện trở vùng P vùng N nhỏ nhiều so với điện trở lớp tiếp xúc nên điện áp VD coi đặt toàn lên lớp tiếp xúc chiều với Vtx làm cho tình trạng cân trước khơng cịn Số lượng ion dương vùng nghèo chất bán dẫn loại n tăng lên phụ thuộc vào số lượng lớn điện tích dương tự lấy từ điện dương nguồn điện áp cung cấp Tương tự số lượng ion âm tăng chất bán dẫn loại p Kết làm cho vùng nghèo nới rộng Sự nới rộng vùng nghèo thiết lập rào cản lớn đến hạt tải đa số băng qua nên dịng khuếch tán zero trình bày hình 1.9 Hình 1.9 Phân cực nghịch mối ni pn Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Do vựng nghốo b m rng, điện trở tăng Điện hàng rào trở thành: V = Vtx + VD Điện hàng rào tăng thêm giá trị VD, làm cho dịng trơi hạt dẫn thiểu số tăng theo VD Nhưng nồng độ hạt tải thiểu số vốn ít, nên trị số dịng nhỏ Nó nhanh chóng đạt tới giá trị bảo hòa Is điện áp VD cịn thấp Vậy I = Ikt - Itrơi = - Itrơi = -Is Tóm lại phân cực ngược diode, dịng điện qua diode dịng điện ngược có giá trị nhỏ c Phân cực thuận (VD > ): Anode nối với cực dương cathode nối với cực âm nguồn ngoài, lúc điện hàng rào giảm Vtx-VD Số lượng ion dương vùng nghèo chất bán dẫn loại n giảm xuống phụ thuộc vào số lượng lớn điện tích âm tự lấy từ điện âm nguồn điện áp cung cấp Tương tự số lượng ion âm giảm chất bán dẫn loại p Kết làm cho vùng nghèo thu hẹp lại Sự thu hẹp vùng nghèo làm cho hạt dẫn đa số hai bán dẫn tràn qua hàng rào sang miền đối diện Dòng hạt dẫn đa số tăng nhanh theo điện áp VD, dịng trơi hạt dẫn thiểu số giảm theo VD Tuy nhiên dòng hạt tải thiểu số vốn bé nên coi khơng đổi Khi dịng tổng hợp qua chuyển tiếp pn là: I = I kt − I troi = I S ( eVD VT − 1) (1-1) Trong đó: Is = dòng điện bảo hòa : số phụ thuộc vào vật liệu 1≤≤2 VT: hiệu điện nhiệt VT = kTk q Tk: nhiệt độ kelvin Tk = Tc +273 q: điện tích q = 1,6 x 10-19 C k: số Boltzman k = 1,38 x 10-23 J/0K Hình 1.20 Phân cực thuận mối nối pn Gi¸o viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử 1.2.3.: Đặc tuyến Vôn - Ampe: Đặc tuyến Vôn -Ampe diode đồ thị mô tả quan hệ dòng điện qua diode theo điện áp VD(hay VAK) đặt vào nó, mơ tả biểu thức I D = I S ( eV D VT − 1) Có thể chia đặc tuyến thành hai vùng: - Vùng phân cực thuận: dòng điện ban đầu nhỏ gần không tăng nhanh sau giá trị VD định Điểm mà dịng bắt đầu tăng nhanh điểm VD gần tới giá trị điện áp tiếp xúc Vtx VD  Vtx dịng ID tăng vọt Theo đường cong thực tế, dịng diode thuận ID khơng gốc tọa độ mà xuất có điện áp thuận định gọi điện áp ngưỡng hay điện áp mở diode Đối với diode Ge giá trị điện áp khoảng 0,3V Si khoảng 0,7V - Vùng phân cực ngược: Dòng ngược qua diode nhỏ, điện áp ngược tiếp tục tăng đến giá trị lớn dịng điện ngược trở nên tăng vọt, nghĩa chuyển tiếp pn dẫn điện mạnh theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van Hiện tượng gọi tượng đánh thủng Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng điện nhiệt, người ta thường phân biệt hai dạng đánh thủng điện đánh thủng nhiệt Hình 1.21: Đặc tuyến vơn-ampe chuyn tip pn Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử a ỏnh thng v in: Vùng đánh thủng điện thường gọi vùng Zener Đánh thủng điện gồm hiệu ứng - Hiệu ứng Zener hai lớp P N có nồng độ hạt dẫn cao bề dầy lớp tiếp xúc nhỏ Khi điện trường lớp tiếp xúc lớn đủ giải phóng điện tử khỏi mối liên kết để thành hạt dẫn tự do, làm dòng ngược tăng đột ngột Cơ chế đánh thủng có tên đánh thủng Zener - Cơ chế đánh thủng thác lũ điện tử va chạm vào mạng tinh thể gây nên tượng ion hóa làm tăng dòng ngược Tuy tượng đánh thủng hai hiệu ứng gây người ta gọi chung vùng đặc tuyến vùng Zener Hiện tượng đánh thủng điện không làm hỏng diode Điện áp phân cực ngược lớn trước đạt đến vùng zener gọi điện áp ngược đỉnh (peak inverse voltage: PIV) thường gọi điện áp đánh thủng ngược Hình 1.22 Vùng zener b Đánh thủng nhiệt: Xảy tích lũy nhiệt vùng tiếp xúc Khi có điện áp ngược lớn, dịng điện ngược tăng làm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng lại làm dịng điện ngược tăng nhanh Quá trình tiến triển khiến cho nhiệt độ vùng tiếp xúc dòng điện ngược liên tục tăng nhanh, dẫn đến đánh thủng Hiện tượng đánh thủng có trị số điện áp đánh thủng phụ thuộc vào dịng điện ngược ban đầu, nhiệt độ mơi trường điều kiện tỏa nhiệt chuyển tiếp pn Đánh thủng nhiệt thường làm diode bị hỏng hoàn tồn khơng sử dụng Hình 1.23 so sánh đặc tuyến diode bán dẫn Si Ge Diode Si có PIV, dịng điện khoảng nhiệt độ hoạt động lớn diode Ge Điện áp PIV Si khoảng 1000V giá trị lớn Ge 400V Diode Si dùng ứng dụng mà nhiệt độ lên đến 2000C nhiệt độ chịu đựng lớn diode Ge 1000C Dòng ngược diode Si nhỏ nhiều so với diode Ge IS (Si) VC + Do VA > VB nên D1 phân cực thuận: I: A → D1 → R1 → GND (B): dòng qua tải + Mặt khác VB > VC nên D2 phân cực thuận: I: B (GND) → R2 → D2 → C: dòng qua tải - Xét bán kỳ (-) áp xoay chiều vào: diode bị phân cực nghịch nên khơng có dịng qua tải  sau chu kỳ ta thấy tạo R1 điện áp chiều +V, tạo R2 áp chiều –V chọn điểm B GND 178 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Tỏc dng ca t C1 v C2 lọc nguồn b Mạch nguồn áp đối xứng dạng 2: (chỉnh lưu toàn kỳ) BR1 TR1 A C B ac +V C D4 D1 D3 D2 C1 C2 R1 R2 -V Hình 7.19 Sơ đồ mạch nguồn áp đối xứng toàn kỳ Nguyên lý hoạt động: - Xét bán kỳ (+) áp cung cấp ac: Tương tự phần ta có VA > VB > VC nên làm D1 D3 phân cực thuận (để ý GND điểm B) + Áp R1 (+V) tạo sau: dòng I: A→D1→R1→GND (điểm B) + Áp R2 (-V) tạo sau: dòng I: GND (điểm B)→R2→D3→C - Xét bán kỳ (-) áp cung cấp ac: Tương tự phần ta có VC > VB > VA nên làm D2 D4 phân cực thuận (để ý GND điểm B) + Áp R1 (+V) tạo sau: dòng I: C→D2→R1→GND (điểm B) + Áp R2 (-V) tạo sau: dịng I: GND (điểm B)→R2→D4→A Trong chu kỳ dòng qua tải R1 R2 áp chiều (hướng từ xuống) nên áp áp chiều +V –V 7.3 Mạch ổn áp Mặc dù sau chỉnh lưu, có mắc thêm mạch lọc để giảm tần số đập mạch tác động vào tải, nhiên, điện áp ngõ sau mạch lọc cịn gợn sóng, khơng phải điện áp chiều phẳng hồn tồn Do nguồn chỉnh lưu tồn nhiều vấn đề: - Điện áp ngõ lọc ln ln bị gợn sóng, điều làm cho linh kiện làm việc khơng xác có nhiễu AC Thí dụ: Mạch tăng âm bị ù, nghe không tốt - Điện áp cung cấp cho tải tiêu thụ bị thay đổi dòng điện qua tải thay đổi (hiện tượng sụp áp sử dụng dòng lớn) - Điện áp thay đổi điện áp xoay chiều cung cấp ngõ vào thay đổi Vì thế, mạch điện tử cần chất lượng cao, yêu cầu phải có nguồn cung cấp ổn định bị tác động Nghĩa điện áp ngõ không bị thay đổi cho dù điện áp AC vào hay tải thay đổi, nhiệm vụ mạch ổn áp Mạch th c gi l mch n ỏp 179 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử 7.3.1 Mạch ổn áp zener (ổn áp kiểu tham số) 7.3.1.1 Mạch bản: Sơ đồ mạch điện: Hình 7.20: Mạch ổn áp dùng zener Muốn sử dụng mạch yêu cầu R đảm bảo vấn đề: công suất P zener giá trị R để đảm bảo áp không đổi công suất chịu Zener Gọi RL điện trở tải Ta có: + Khi hở zener: U DC out = + Công suất Zener: RL  U DCin  Vz R + RL Pđm = Iđm Vz Iđm = I - Itải = I – Vz/RL Nếu tải có giá trị lớn q dịng qua tải nhỏ dẫn đến dịng qua zener lớn gần dòng qua R Trong trường hợp chọn R có giá trị nhỏ dẫn đến dòng I lớn làm hư Zener 7.3.1.2 Mạch dùng thêm transistor: a Dạng mạch nối tiếp: Sơ đồ mạch điện: Hình 7.21: Mạch ổn áp nối tiếp Mạch gọi nối tiếp điện trở mối nối C-E (điện trở thay đổi) gắn nối tiếp tải Tác dụng linh kiện: + R D1 tạo áp chuẩn Vz cực B Q1 + C1 lọc giữ điện áp cho zener + Q1 điện trở thay đổi để tạo áp ổn định ngõ để gánh dòng cho tải Nguyên lý hoạt động: 180 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử iu kin mch hot ng l UDC in > VZ Xét trường hợp: * Trường hợp 1: Udc in thay đổi + Điện áp ngõ vào chưa ổn định đưa đến cực C Q1 + Nhờ R D1 tạo áp chuẩn cho cực B Q1 nên Q1 dẫn, dẫn yếu hay mạnh phụ thuộc vào tải + Khi Q1 dẫn tạo áp ngõ UDCout = Vz + 0,7V Đến cho thấy, cho dù điện áp vào có thay đổi điện áp ln cố định với giá trị Vz+0,7V * Trường hợp 2: dòng qua tải thay đổi + Nếu dòng tải tăng, theo nguyên tắc làm sụt điện áp ngõ Khi UDCout giảm lúc VE Q1 giảm làm Q1 dẫn mạnh lên lúc đó: Vì UDCout = UDCin - VCE Mà Q1 dẫn mạnh làm VCE giảm dẫn đến UDCout tăng lên trở lại + Ngược lại lý mà áp tăng → VE Q1 tăng làm Q1 dẫn yếu nên VCE tăng nên áp ngõ giảm Từ cho thấy dù áp vào hay dịng qua tải có thay đổi áp ln ổn định Tuy nhiên sử dụng mạch có ưu - nhược điểm sau: - Ưu điểm: đơn giản, dễ ráp - Khuyết điểm: ổn áp với tải có dịng q lớn, áp vào phải lớn Vz  Để khắc phục người ta mắc nhiều transistor kiểu Darlington b Dạng mạch song song: Sơ đồ mạch điện: Hình 7.22: Mạch ổn áp song song Nguyên lý hoạt động: Điều kiện để mạch hoạt động UDC in> VZ Chú ý rằng, xem Q1 điện trở mắc song song tải Sự dẫn điện Q1 bù vào dẫn điện mạnh hay yếu dòng qua tải Xem như: IR1 = IC(Q1) + Itải Xét mạch trường hợp trên: 181 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử b¶n * Trường hợp 1: điện áp vào thay đổi + Giả sử điện áp vào tăng, cặp R1, R2 zener tạo phân áp làm Q1 dẫn điện Khi điện áp ngõ tính theo cơng thức: UDC out = VZ + UBE(Q1) = VZ + 0,7 Do VZ số nên điện áp cố định Khi điện áp vào tiếp tục tăng điện áp cố định, có dịng qua R1 Q1 tăng thêm ngược lại Điều chứng tỏ dòng qua Q1 giải tăng áp ngõ vào mà không ảnh hưởng đến dòng qua tải * Trường hợp 2: dòng tải tăng Trường hợp dòng qua tải tăng lên làm ảnh hưởng đến dòng qua R1, IR = IC(Q1) + Itải nên dòng qua Q1 giảm, bù vào tăng dòng tải 7.3.2 Mạch ổn áp có hồi tiếp (ổn áp kiểu bù tuyến tính) - Cung cấp điện áp chiều đầu không đổi hai trường hợp điện áp đầu vào thay đổi dòng tiêu thụ tải thay đổi, nhiên thay đổi phải có giới hạn - Cho điện áp chiều đầu có chất lượng cao, giảm thiểu tượng gợn xoay chiều Sơ đồ khối kiểu bù tuyến tính: Hình 7.23 Sơ đồ khối mạch ổn áp tuyến tính có hồi tiếp UDC out = UDC in – Uđiều khiển Tác dụng khối: - Khối lấy mẫu theo dõi tăng giảm điện áp đầu (thông qua cầu phân áp) - Khối tạo điện áp chuẩn có tác dụng tạo mức điện áp cố định (thường zener) - Khối so sánh so sánh điện áp lấy mẫu điện áp chuẩn để tạo thành điện áp điều khiển - Khối khuếch đại khuếch đại điện áp điều khiển nhằm tác động làm cho khối điều khiển thay đổi theo hướng bù lại tăng giảm điện áp ngõ Nếu điện áp tăng → thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh → làm tăng điện áp rơi khối điều khiển → điện áp giảm xuống Ngược lại điện áp giảm → thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh → làm giảm điện áp rơi khối điều khiển điện áp tăng lên → kết điện áp đầu khơng thay đổi 182 Gi¸o viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử 7.3.2.1 Dạng mạch dùng transistor: Sơ đồ mạch điện: Hình 7.24 Mạch ổn áp tuyến tính có hồi tiếp dùng transistor Tác dụng linh kiện: - R1, R2: lấy mẫu - D1: tạo điện áp chuẩn - Q2: so sánh - Q1: Điều khiển - R: tạo phân cực cho Q1 - RZ: phân cực cho D1 Nguyên lý hoạt động: Mạch ổn áp gồm phần chính: - Điện áp chuẩn: Được tạo diode Zener (D1) mắc theo chiều ngược để ta có điện áp VZ không đổi đặt vào chân E Q2 - Điện áp mẫu: Lấy từ cầu phân R1, R2 đưa vào chân B Q2 - So sánh: Q2 làm nhiệm vụ so sánh để tạo điện áp điều khiển chân C Nếu điện áp Uo tăng: Điện áp lấy mẫu cầu phân áp R1, R2 tăng nên VB2 tăng, T2 phân cực cao, dẫn điện mạnh nên VC2 giảm xuống → VB1 giảm xuống, T1 phân cực thấp dẫn điện yếu nên UCE1 tăng lên làm Uo = Ui - UCE1 giảm xuống → kết điện áp đầu không thay đổi Nếu điện áp Uo giảm: Điện áp lấy mẫu cầu chia R1, R2 thấp nên VB2 thấp, T2 phân cực yếu, dẫn điện yếu nên VC2 tăng lên → VB1 tăng, T1 dẫn điện mạnh → UCE1 giảm xuống làm Uo = Ui - UCE1 tăng lên trở lại → kết điện áp đầu không thay đổi Tính tốn: Điện áp ngõ mạch tính dựa vào R1, R2 Zener D1 Ta có: Mà VB2 = Vz + 0,7 Cho nờn: 183 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử 7.3.2.2 Dạng mạch dùng Op-amp Sơ đồ mạch điện: Hình 7.25 Mạch ổn áp tuyến tính có hồi tiếp dùng Op-amp Tác dụng linh kiện: - R1, R2: lấy mẫu - D1: tạo điện áp chuẩn - Op-amp: so sánh - Q1, Q2: thành phần điều chỉnh mắc theo kiểu Darlington để tăng hệ số khuếch đại (  = 1  ) Nguyên lý hoạt động: Nếu điện áp U0 tăng: Điện áp lấy mẫu cầu phân áp R1, R2 tăng làm điện áp hồi tiếp âm tăng (hệ số khuếch đại giảm) điện áp ngõ Op-amp giảm → Q2 dẫn yếu kéo theo Q1 dẫn yếu nên UCE1 tăng lên làm Uo = Ui - UCE1 giảm xuống → kết điện áp đầu không thay đổi Lý luận tương tự cho trường hợp ngược lại Tính tốn: Ta có: Điện áp ngõ vào Op-amp nhau: V+ = V- Mà V+ = VZ Nên 7.3.3 IC ổn áp 7.3.3.1 Ổn áp dương: Trên thực tế có nhiều IC ổn áp, thời lượng có hạn, xin giới thiệu IC thông dụng họ 78xx LM317 a IC ổn áp họ 78xx: Sơ đồ khối chức khối: 184 Gi¸o viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Hình 7.26 Sơ đồ khối IC ổn áp họ 78xx Trong đó: - Khối STARTING CIRCUIT: mạch khởi động - Khối CURRENT GENERATOR: khối nguồn dòng điện cung cấp cho khối tạo điện áp chuẩn REFERENCE VOLTAGE nuôi mạch so sánh - Khối tạo áp chuẩn thường dùng zener mạch Band gap ref - Khối SHORT CIRCUIT PROTECTION: khối bảo vệ ngắn mạch - Khối SERIES PART ELEMENT: khối công suất, thường transistor đấu kiểu Darlington - Khối THERMAL SHUTDOWN: khối bảo vệ nhiệt, IC làm việc sức bị nóng bị ngắt nhờ khối Khối cảm nhận nhiệt từ transistor công suất - Điện áp đưa ngõ vào âm (điện áp lấy mẫu) mạch so sánh ERROR AMPLIFIER kết hợp áp chuẩn (được đưa vào ngõ vào dương) để thúc mạch cơng suất Đặc tính IC 78xx: Đối với IC cần quan tâm vấn đề: - Một là, điện áp ngõ ra: chữ xx cho biết áp ổn áp volt Hai chữ thường 05, 06, 08, 09, 10, 12, 15, 18, 24, 62 đặc biệt 7862 áp 6,2V - Hai dòng điện chịu đựng tối đa: dòng tối đa IC tùy thuộc vào ký hiệu: + Dòng 5A: 78Hxx, … + Dòng 3A: 78Txx,… + Dòng 1A: 78xx, KA78xx,… + Dòng 500mA: 78Mxx + Dịng 100mA: 78Lxx Ngồi cịn có loại khác - Ba là, điện áp vào không 40V Cách mc thụng dng: 185 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Hỡnh 7.27 Mch ngun n áp dùng IC ổn áp họ 78xx Tụ Ci tụ ngõ vào thường có điện dung thật lớn tụ C0 tụ ngõ khơng cần có điện dung lớn b IC LM317: Về nguyên tắc giống với IC78xx có số điểm khác: + Áp vào khơng q 37V + Dịng tối đa đến 1,5A + Áp ra: 1,25V 7.3.3.2 Ổn áp âm: Tương tự ổn áp dương, ta nghiên cứu bổ túc 78xx LM317 79xx LM337 Về ngun tắc ổn áp âm khơng có khác ổn áp dương cần ý: - Điện áp cung cấp điện áp âm, điện áp điện áp âm - 79xx bổ túc 78xx LM337 bổ túc LM317 Dạng mạch 79xx sau: 7905 VO -5V -V VI GND Hình 7.28 Mạch ổn áp âm dùng IC ổn áp học 79xx 7.3.3.3 Mạch ổn áp điều chỉnh điện áp ra: Tất IC ổn áp có nguyên tắc chung lấy hồi tiếp từ ngõ chân COM IC ổn áp Hình 7.29 Sơ đồ nguyên tắc tạo áp thay đổi so với giá tr ban u 186 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Tớnh toỏn: Ta cú: in áp chân OUT chân COM VZ (ví dụ: với 7805 Vz=5V) Điện áp chân COM trường hợp là: Khi điện áp U0 tính cơng thức: Để điện áp ngõ điều chỉnh tùy ý, ta tham khảo mạch sau: Hình 7.30 Mạch ổn áp với ngõ điều chỉnh (chỉ sử dụng điện trở) Tính tốn: Tương tự hình 7.29 thay R2 thành VR Nên điện áp ngõ U0 tính theo công thức:  V  V0 = 1 + R  V23  R1  Tham khảo thêm mạch: Hình 7.31 Mạch ổn áp với ngõ điều chỉnh (sử dụng Op-amp) Tương tự, mạch ổn áp âm dùng nguyên tắc Hình 7.32 Mạch ổn áp âm với điện áp điều chỉnh 187 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử 7.3.3.4 Nõng dũng cho n ỏp dng: Khi nhu cầu dòng lớn dòng danh định ta nâng dịng cách dùng thêm linh kiện gánh dịng BJT, FET,…Có nhiều cách mắc xin giới thiệu cách a Dạng1: Sơ đồ mạch điện: Hình 7.33 Mạch nguồn ổn áp dương nâng dòng Điện áp ra: điện áp IC 78xx, cụ thể 7805 nên U0=5V Q1 có nhiệm vụ gánh dòng cho mạch, điện trở R1 định Q1 dẫn cho biết IC dẫn dòng Q1 dẫn Cụ thể mạch chọn giá trị R1 33 dòng để Q1 bắt đầu dẫn là: I=0.7/33=210mA, nghĩa tải cần dịng nhỏ 210mA có IC dẫn điện tải cần dịng lớn Q1 dẫn Ví dụ mạch tải cần dịng I=5A IC chịu dịng 210mA cịn lại 5A-0,21A dịng điện qua Q1 Các tụ có tác dụng làm ổn định áp b Dạng 2: Sơ đồ mạch điện: Hình 7.34 Mạch nguồn ổn áp nâng dịng Ngun tắc áp dụng nâng dòng IC = IC Áp ngõ bị sụt lượng áp: U0 = Vz – UBE Để bù lại ta mắc thêm diode mạch sau: Hình 7.35 Mạch ổn áp nâng dũng v ci tin 188 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử Khi ú in ỏp điện áp IC ổn áp Cụ thể trường hợp U0=5V Việc nâng dòng cho IC ổn âm tương tự, ý chiều dịng điện cực tính điện áp Hình 7.36 Mạch ổn áp âm nâng dịng (có bẫy dịng điện) Q2 - 79xx VO RL -Vo GND - VI -V + + Hình 7.37 Mạch ổn áp âm nâng dòng đơn giản Tương tự mạch ổn áp dương, mạch áp bị sụt VBE để khắc phục ta mắc thêm diode vào chân common IC Hình 7.38 Mạch ổn áp âm c nõng dũng v ci tin 189 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử ` Cõu hỏi ơn tập tập: Trình sơ đồ khối khối nguồn Trình bày dạng mạch chỉnh lưu pha Viết cơng thức tính điện áp chiều sau chỉnh lưu vẽ dạng sóng ngõ mạch Vẽ sơ đồ khối mạch ổn áp kiểu bù tuyến tính Cho mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ cung cấp cho tải trở R=1,25Ω Dùng VOM, người ta đo điện áp sau biến áp 12V a Vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu vừa nêu b Vẽ dạng sóng điện áp trước sau chỉnh lưu c Tính điện áp trung bình sau chỉnh lưu d Xác định dịng trung bình qua tải e Xác định điện áp ngược cực đại đặt lên diode f Xác định công suất tiêu thụ tải Thực lại tập với mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp điểm Thực lại tập với mạch chỉnh lưu cầu Cho mạch chỉnh lưu cầu cung cấp cho tải trở R=0,25Ω Dùng VOM, người ta đo điện áp tải 21,6V a Xác định dịng điện trung bình qua tải b Xác định điện áp trước chỉnh lưu c Xác định công suất tiêu thụ tải Một biến áp có sơ cấp ký hiệu 0-220 thứ cấp ký hiệu 0-3-6-9-12-15-18-21-24 Hãy thiết kế mạch chỉnh lưu dùng biến áp điểm cho điện áp trước chỉnh lưu 6V Thiết kế mạch ổn áp 9V dùng IC ổn áp 7805 10 Thiết kế mạch ổn áp điều chỉnh a Từ 3V đến 12V với áp vào 12Vac b Từ 5V đến 10V với áp vào 12Vac 11 Thiết kế nguồn ổn áp đối xứng: a ±5V b ±12V 12 Thiết kế nguồn ổn áp thỏa điều kiện: - Áp 12V - Dòng cung cấp tải lớn dòng định mức vi mạch ổn áp có 13 Thiết kế nguồn ổn áp ±12V có dịng cung cấp lớn 14 Thiết kế nguồn ổn áp thỏa: - Áp điều chỉnh từ ±5V đến ±15V - Dòng cung cấp lớn dòng định mức vi mch n ỏp hin cú 190 Giáo viên: Biện Cõng Long Giáo trình: Điện tử TI LIU THAM KHẢO [1] Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng (2013) Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hơ Chí Minh [2] Trương Văn Tám (2003) Linh kiện điện tử Trường Đại học Cần Thơ [3] Trương Văn Tám (2003) Mạch điện tử Trường Đại học Cần Thơ [4] Nguyễn Viết Nguyên (2004), Linh Kiện điện tử ứng dụng Nhà Xuất giáo dục [5] Hoàng Ngọc Văn(2004) Kỹ thuật điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh [6] Robert Boylestad, Louis Nashelsky(2009) Electronic Devices and Circuit Theory Pearson Prentice Hall [7] Albert Malvino, David J Bates (2007) Electronic Principles Mc Graw-Hill [8] David A bell (1999) Electronic Devices and Circuit Oxford University Press [9] Aloke K Dutta (2008) Semiconductor Devices and Circuit Oxford University Press [10] S.S.Islam (2006) Semiconductor Physics and Devices Oxford University Press [11] www.alldatasheet.com để tra cứu thông số kỹ thuật linh kiện 191