.12 Đặc tính của điốt

Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mơ tả quan hệ giữa dịng 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 mơ tả quan hệ dịng áp khi điốt phân cực thuận. Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< 0 mơ tả quan hệ dịng 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 dịng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với điốt). Dịng 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 cơng 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 dịng 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 vơ cùng lớn, cịn 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 cơng suất thì thơng số quan trọng nhất mà ta quan tâm đến đó là thời gian đóng cắt của MOSFET, thơng thường thời gian đóng cắt của MOSFET từ 10ns- 60ns.

Bên cạnh đó cịn có các thơng 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.

 Q trình mở và khóa của MOSFET.

Khi cấp vào cực G của MOSFET một điện áp thơng qua mạch Driver thì q 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 q trình đó hầu hết dịng 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 dịng 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; dịng điện tỷ lệ thuận với điện áp cực cổng G. Ở phía cực cổng, dịng 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 khơng 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 dịng điện trên cực cổng được chia làm hai thành phần.

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

- Q trình khóa của MOSFET

Q trình khóa được chia làm 4 giai đoạn:

- Giai đoạn thứ nhất: Là q 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, dịng điện trên cực D là khơng 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 khơng đổi. Dịng 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 dịng điện xả trên cực G là phóng trên tụ CGS.

- Giai đoạn này điện áp UGS và dịng 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 q 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 dịng 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 cơng 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 khơng phân cực này có rất nhiều loại và có rất nhiều các hệ thống chuẩn đọc giá trị khác nhau.

Hình 4.14 Tụ điện4.3.4 Cuộn cảm 4.3.4 Cuộn cảm

Khái niệm

Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, thường dùng trong mạch điện có dịng 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 khơng 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 vơ 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 vịng 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

Vịng số 4 là vịng ở cuối ln ln 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 = (vịng 1)(vịng 2) x 10 ( mũ vịng 3)

Có thể tính vịng số 3 là số con số khơng "0" thêm vào

Mầu nhũ chỉ có ở vịng sai số hoặc vịng số 3, nếu vịng 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 vịng ghi sai số, trở 5 vịng 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 vịng cuối ln 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 vịng 4) Có thể tính vịng số 4 là số con số không "0" thêm vào

4.3.6 IC ACS712 – 30A

Cảm biến dòng điện ACS712 – 30A. IC ACS 712 là một IC cảm biến dịng 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 dụng.

Hình 4.20 Sơ đồ chân IC ACS712

Ưu điểm của ACS712 – 30A:

+ Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs. + Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.

+ Nguồn vận hành đơn là 5V. + Độ nhạy đầu ra từ 63÷190mV/A. + Điện áp ra cực kỳ ổn định.

Thông số kỹ thuật:

- Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp - Thời gian chuyển đổi: 5µs

- Điện trở trong: 1.2mΩ - Sử dụng nguồn đơn: 5V

- Độ nhạy đầu ra: 63 ÷ 190 mV/A - Nhiệt độ hoạt động: -40 ÷ 85 0C - Điện áp cách ly tối đa: 2100V (RMS)

4.3.7 IC nguồn LM7824, LM7812, LM7805

LM7805 là một IC nguồn tích hợp của mạch nguồn xung theo nguyên lý nguồn Buck. Với dòng điện định mức đầu ra tải là 3A và có các đầu điện áp đầu ra cố định

3.3V, 5V, 12V, 15V và điện áp biến đổi tùy từng loại Serial của LM7805. Đây là loại IC nguồn cung cấp điện áp đầu ra ổn định, hoạt động ổn định với đầu tản nhiệt tốt giúp IC hoạt động tốt trong nhiệt độ cho phép.

Hình 4.21 Sơ đồ chân IC nguồn dịng LM78XX

Một số tính năng chính của LM78XX:

- Điện áp đầu ra của các Serial là 5V, 12V, 24V

- Điện áp điều chỉnh được từ 1.25V đến 37V. Với điện áp đầu vào là lớn nhất - Dòng đầu ra định mức là 3A

- Điện áp đầu vào định mức là 40V có thể lớn 60V tùy từng dòng Serial - Chỉ giao tiếp với 5 chân đầu vào ra

- Tần số đóng cắt chuẩn 52 kHz[separator] - Hiệu suất cao

- Bảo vệ quá dòng và quá nhiệt

4.3.8 IC IR2184

Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý IC IR2184

IR2184 là IC driver phát xung tín hiệu điều khiển đóng, mở các mosfet Chức năng các chân của IR2184 :

- Chân 1 là chân nhận tín hiệu xung PWN đầu vào

- Chân 2 là chân shutdown tích cực mức thấp ngắt toàn bộ Mosfet khi có tín hiệu q tải đưa về.

- Chân 3 là chân GND

- Chân 4 là chân điều khiển Mosfet kênh dưới - Chân 5 là chân nguồn Vcc từ 12V đến 15V - Chân 6 là chân nguồn âm của mosfet kênh trên - Chân 7 là chân điều khiển mosfet kênh trên

- Chân 8 là chân nguồn dương của mosfet kênh trên

4.3.9 Vi điều khiển PIC16F887-I/P

PIC16F887-I/P là dòng PIC vi điều khiển khá phổ biến với các chức năng thực hiện các tập lệnh, tính tốn các bài tốn được lập trình, phát tín hiệu điều khiển các thiết bị điện tử.

Hình 4.24 PIC16F887-I/P

Chức năng các chân của PIC 16F887 :

 Chân OSC1/CLK1(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào nhận xung clock từ bên ngoài.

 Chân OSC2/CLK2(14): ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock.

 Chân (1) có 2 chức năng : : ngõ vào reset tích cực ở mức thấp.

 Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình chp PIC. Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2(3): có 2 chức năng

 Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự của kênh thứ 2/ nhõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn cao của bộ AD.

 Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ AD.

 Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1.

 Chân RA5/AN4/ / C2OUT (7): xuất nhập số / ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.