CÁC LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH BIẾN ĐỔI DC – DC

DC –

4.3 CÁC LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH BIẾN ĐỔI DC – DC

4.3.1 Điốt (diode).

Giới thiệu.

Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại. Có nhiều loại điốt bán dẫn, như điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED. Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N. Ngày nay hầu hết các điốt được làm từ silic, nhưng các chất bán dẫn khác như selen hoặc germani thỉnh thoảng cũng được sử dụng.

Cấu tạo.

Gồm 2 chất bán dẫn P, N nối với nhau, do có sự chênh lệch mật độ điện tử giữa hai lớp, khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Hình 4.10 Điện áp tiếp xuc hình thành

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối N đến khối P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge.

Hình 4.11 Điện áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xuc tạo ra dòng điện

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy vùng

biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của điốt.

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt. Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do. Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.

Dựa vào ứng dụng của diode người ta chia thành các loại sau:

Chúng có thông số về điện áp xấp xỉ 5kV và dòng điện xấp xỉ 5kA hoạt động cao nhất trong các loại điốt, đặc tính chịu quá dòng, quá áp rất tốt. Bù lại chúng có đặc tính phục hồi ngược lớn (Qrr và trr)

Fast recovery điốt: Loại này có thời gian phục hồi bé xấp xỉ 1s. Chúng có thể đạt công suất cao và thường dùng trong các ứng dụng như mạch DC-DC chỉnh lưu.

Schottky rectifiers: Là loại Diode chỉnh lưu nhanh nhất, không bị hiện tượng phục hồi ngược, điện áp phân cực thuận 0,2V, Tuy nhiên chúng chỉ chịu được điện áp hàng trăm Volt. Vì vậy chúng được sử dụng trong ứng dụng đo lường.

 Đặc tính Volt-Ampere

Hình 4.12 Đặc tính của điốt

Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào nó. Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:

Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực thuận. Giai đoạn ứng với U = 0.7V< 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực nghịch

(UAK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các điốt Si, với điốt Ge thông số này khác)

Khi điốt được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với điốt). Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của điốt vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện.

 Biểu thức giải thích đặc tính V-A

Đặc tính V-A của diode được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức: I = Is( kT U q e . . - 1) (4.1)

Trong đó: Is - Dòng điện rò khoảng vài trục mA. q - Điện tích của điện tử (q = 1,59.10-19 C). k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K). T = 2730 + t0 - Nhiệt độ nhiệt đối (0K).

t0 - Nhiệt độ môi trường 0C u – Điện áp đặt trên diode (V)

4.3.2 MOSFET ( IRF540, IRFP460)

Mosfet là transistor hiệu ứng trường ( Metal oxide semiconductor fielf effect transistor) là một transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết. Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở. Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.

Hình 4.13- Cấu truc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET

- G : Gate gọi là cực cổng

- S : Source gọi là cực nguồn

- D : Drain gọi là cực máng

Mosfet kệnh N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp P- N được cách điện bởi lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G.

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ).

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. +Các thông số của MOSFET:

Khi ứng dụng MOSFET trong các thiết bị điện tử công suất thì thông số quan trọng nhất mà ta quan tâm đến đó là thời gian đóng cắt của MOSFET, thông thường thời gian đóng cắt của MOSFET từ 10ns- 60ns.

Bên cạnh đó còn có các thông số quan trọng khác như: Điện áp lớn nhất trên hai cực D, S của MOSFET: VDS(max) (V). Dòng điện lớn nhất mà van chịu được: ID(A). Điện

trở trong của van: RDS(on). Dải nhiệt độ hoạt động của van. Các thông số này rất quan trọng khi ta thiết kế mạch điều khiển van.

 Quá trình mở và khóa của MOSFET.

Khi cấp vào cực G của MOSFET một điện áp thông qua mạch Driver thì quá trinh mở Mosfet được thể hiện trong đồ thị sau:

 Quá trình mở của MOSFET.

Giai đoạn thứ nhất: điện dung đầu vào của MOSFET được nạp từ điện áp 0V đến giá trị UTH, trong suốt quá trình đó hầu hết dòng điện vào cực G được nạp cho tụ CGS, một lượng nhỏ nạp cho tụ CGD. Quá trình này được gọi là quá trình mở trễ bởi vì cả dòng ID và điện áp trên cực D đều không đổi. Sau khi cực G được nạp tới giá trị điện áp giữ mẫu UTH, Mosfet sẵn sàng để dẫn dòng điện.

Giai đoạn thứ hai: điện áp cực G tăng từ UTH đến giá trị U Miller. Đây là điểm làm việc tuyến tính của MOSFET; dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp cực cổng G. Ở phía cực cổng, dòng điện đi vào tụ điện CGS và CGD giống như trong khoảng thời gian đầu tiên và điện áp UGS ngày càng tăng. Ở đầu ra của MOSFET, dòng điện trên cực máng cũng tăng dần, trong khi điện áp D-S không đổi (U DS, OFF ). Cho đến khi tất cả dòng điện được chuyển vào MOSFET và diode khóa hoàn toàn để có thể ngăn chặn điện áp ngược qua lớp tiếp giáp PN của nó, điện áp cực máng phải bằng cấp điện áp đầu ra.

Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giữ nguyên ở mức điện áp Miller (V GS, Miller ) cho dòng điện đi qua tải và các diode chỉnh lưu bị khóa lại. Cấp cho cực máng 1 điện áp rơi. Trong khi xuất hiện điện áp rơi trên cực máng thì điện áp trên D-S vẫn giữ ở mức ổn định. Tất cả Dòng điện trên cực cổng nhận từ bộ điều khiển làm lệch hướng xả Của tụ CGD để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay đổi điện áp qua D-S. Dòng điện cực máng của Mosfet được giữ không đổi vì bị giới hạn bởi các mạch điện bên ngoài, tức là nguồn dòng DC

Giai đoạn thứ tư: là để tăng kênh dẫn điện cho MOSFET bằng cách áp dụng điều khiển mức điện áp cao cho cực cổng. Biên độ VGS được xác định bằng điện trở trong của thiết bị trong thời gian nó mở. Vì vậy, trong khoảng thời gian thứ tư, V GS tăng từ V GS, Miller đến giá trị cuối cùng của nó, V DRV. Điều này được thực hiện bởi sự nạp của tụ điện C GS và CGD , do đó dòng điện trên cực cổng được chia làm hai thành phần.

Trong khi các tụ đang nạp điện, thì dòng điện trên cực máng là không đổi, và nguồn áp trên D-S giảm nhẹ do điện trở trong của thiết bị giảm.

- Quá trình khóa của MOSFET

Quá trình khóa được chia làm 4 giai đoạn:

- Giai đoạn thứ nhất: Là quá trình xả điện tích trên tụ CGS.DS từ giá trị ban đầu đến giá trị Miller, điện áp trên cực D của MOSFET bắt đầu tăng dần nhưng rất nhỏ, dòng điện trên cực D là không đổi.

- Giai đoạn thứ hai: điện áp giữa hai cực D-S của Mosfet sẽ tăng từ giá trị UDS = ID × RDS(on). Tới giá trị cuối UDS(off)

- Trong suốt giai đoạn này dòng điện trên cực D vẫn giữ không đổi. Dòng điện của cực G hoàn toàn là dòng xả của tụ trên các cực của Mosfet.

- Giai đoạn thứ ba: điện áp cực G giảm từ giá trị Miller đến giá trị giữ mẫu UTH. Phần lớn dòng điện xả trên cực G là phóng trên tụ CGS.

- Giai đoạn này điện áp UGS và dòng điện ID đều giảm tuyến tính. Trong khi đó điện áp UDS vẫn giữ nguyên giá trị UDS(OFF).

Giai đoạn thứ tư: giai đoạn này là quá trình phóng điện hoàn toàn của tụ điện trên các cực của Mosfet, UGS giảm đến giá trị 0V. Dòng điện trên cực D giảm về giá trị 0 và không đổi.

4.3.3 Tụ điện

Tụ điện là một linh kiện được cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song, có tính chất cách điện một chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp.

a, Tụ phân cực

Tụ điện được cấu tạo từ hai lá kim loại ghép song song nhau, giữa là chất điện môi và được nối ra hai cực.

Tụ điện là linh kiện điện tử dung để chứa điện tích. Một tụ điện lý tưởng có điện tích ở bản cực tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt lên nó theo công thức :

Q = C U (culong)

Tùy theo chất điện môi giữa hai bản cực là gì mà người ta lấy tên gọi tụ theo chất điện môi đấy như :

Tụ gốm : chất điện môi là gốm Tụ giấy : chất điện môi là giấy

b, Tụ không phân cực

Các loại tụ nhỏ không phân cực . Các loại tụ này thường chịu được các điện áp cao mà thông thường là khoảng 50V hay 250V. Các loại tụ không phân cực này có rất nhiều loại và có rất nhiều các hệ thống chuẩn đọc giá trị khác nhau.

Hình 4.14 Tụ điện 4.3.4 Cuộn cảm

Khái niệm

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, thường dùng trong mạch điện có dòng điện biến đổi theo thời gian (như các mạch điện xoay chiều).

Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện đi qua); và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90°.

Cuộn cảm được đặc trưng bằng độ tự cảm, đo trong hệ đo lường quốc tế theo đơn vị henri (H). Cuộn cảm có độ tự cảm càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng.

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử lệ thuộc vào tần số chỉ dẩn điện ở tần số thấp

Cấu tạo của cuộn cảm.

Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơn emay cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc là vật liệu dẫn từ như Ferrite hay lõi thép kỹ thuật .

4.3.5 Điện trở

Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn.

Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.

a) b)

Hình 4.16 (a)Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử. (b) Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

 Cách đọc trị số điện trở . Quy ước mầu Quốc tế

Mầu sắc Giá trị Mầu sắc Giá trị Đen 0 Xanh lá 5

Nâu 1 Xanh lơ 6 Đỏ 2 Tím 7 Cam 3 Xám 8 Vàng 4 Trắng 9 Nhũ vàng -1 Nhũ bạc -2

Hình 4.17 – Quy ước màu trên điện trở

Điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng mầu , điện trở chính xác thì ký hiệu bằng 5 vòng mầu.

* Cách đọc trị số điện trở 4 vòng mầu :

Hình 4.18 Cách đọc điện trở 4 vòng mầu

Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này.

Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3 Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị

Trị số = (vòng 1)(vòng 2) x 10 ( mũ vòng 3)

Có thể tính vòng số 3 là số con số không "0" thêm vào

Mầu nhũ chỉ có ở vòng sai số hoặc vòng số 3, nếu vòng số 3 là nhũ thì số mũ của cơ số 10 là số âm.

* Cách đọc trị số điện trở 5 vòng mầu : ( điện trở chính xác )

Hình 4.19 Cách đọc trị số điện trở 5 vòng mầu

Vòng số 5 là vòng cuối cùng , là vòng ghi sai số, trở 5 vòng mầu thì mầu sai số có nhiều mầu, do đó gây khó khăn cho ta khi xác điịnh đâu là vòng cuối cùng, tuy nhiên vòng cuối luôn có khoảng cách xa hơn một chút.

Đối diện vòng cuối là vòng số 1

Tương tự cách đọc trị số của trở 4 vòng mầu nhưng ở đây vòng số 4 là bội số của cơ số 10, vòng số 1, số 2, số 3 lần lượt là hàng trăm, hàng chục và hàng đơn vị.

Trị số = (vòng 1)(vòng 2)(vòng 3) x 10 ( mũ vòng 4) Có thể tính vòng số 4 là số con số không "0" thêm vào

4.3.6 IC ACS712 – 30A

Cảm biến dòng điện ACS712 – 30A. IC ACS 712là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall. ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện Ip được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho.

CF được dùng với mục đích chống nhiễu và có giá trị tùy thuộc vào từng mục đích sử