2 MƠ HÌNH CỔ ĐIỂN CHO MẠCH CHỈNH LƯU SỬ DỤNG ĐIÔT BÁN DẪN
2.1.1 Chất bán dẫn
Chất bán dẫnlà nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện bán dẫn như điôt, Transistor, IC mà ta đã thấy trong các thiết bị điện tử ngày nay.
Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, về phương diện hố học thì bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngồi cùng của ngun tử, đó là các chất Germanium ( Ge) và Silicium (Si)
Chất bán dẫn thuần (tinh khiết): là chất bán dẫn Si (hoặc Ge) duy nhất,
khơng pha thêm chất khác vào.
Si và Ge đều có hố trị 4, tức lớp ngồi cùng có 4 điện tử, ở chất bán dẫn tinh khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị như hình.
Luận văn Thạc sĩ Chun ngành Tốn ứng dụng
Hình 2.1: Cấu tạo chất bán dẫn tinh khiết.
Chất bán dẫn tạp chất (N, P):Từ các chất bán dẫn ban đầu ( tinh khiết) người ta có pha thêm chất khác vào. Tùy vào chất khác là chất nào, ta phân ra làm hai loại là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. Sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Điơt hay Transistor.
Hình 2.2: Cấu tạo chất bán dẫn tạp chất (N, P)
- Cấu tạo chất bán dẫn tạp chất loại N: Pha một lượng nhỏ chất có hố trị 5 như Phosphor (P) vào chất bán dẫn Silic (Si) thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tửSi theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phosphor chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do , khi đó chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm), được gọi là bán dẫn tạp chất loạiN (Negative).
Hình 2.3: Chất bán dẫn tạp chất loại N
- Cấu tạo chất chất bán dẫn tạp chất loại P: Ngược lại, khi ta pha thêm
một lượng nhỏ chất có hố trị 3 như Indium (In) (hoặc Bore (B) ) vào chất bán dẫnSithì 3 nguyên tử củaInsẽ liên kết với 4 nguyên tửSi theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử , khi đó chất bán dẫn lúc này trở thành lỗ trống ( mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn tạp chất loạiP (Positive).
Hình 2.4: Chất bán dẫn tạp chất loại P
2.1.2 Điơt.
Hình 2.5: Một số loại điơt trong thực tế
Điơt bán dẫn hay cịn gọi là Điốt, là một linh kiện điện tử bán dẫn mà theo lý thuyết chỉ cho phép dịng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất và khơng cho dịng điện đi qua theo chiều ngược lại. Trong thực tế, thì là cho phép dịng điện di chuyển qua nó theo một hướng dễ dàng hơn rất rất nhiều so với hướng ngược lại.
Hình 2.6: Ký hiệu và hình dáng của Điơt bán dẫn.
Ngun lý cấu tạo chung của Điôt bán dẫn: là một khối bán dẫn loại P
Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Toán ứng dụng
ghép với một khối bán dẫn loạiN, được nối với 2 chân ra là Anode (A) và
Cathode (K).
Hình 2.7: Hình biểu diễn của Điơt bán dẫn
Điơt bán dẫn là loại điôt phổ biến nhất trong thiết kế mạch hiện đại, mặc dù có các cơng nghệ điơt khác tồn tại.
Có nhiều loại điơt bán dẫn, như điơt chỉnh lưu thường, điôt Zener, LED, . . .
Điôt là linh kiện bán dẫn đầu tiên được loài người phát minh. Khả năng
chỉnh lưu của tinh thể được nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện năm 1874. Điôt bán dẫn đầu tiên được phát triển vào khoảng năm 1906 được làm từ các tinh thể khoáng vật như galena. Ngày nay hầu hết các điôt được làm từ silic, nhưng các chất bán dẫn khác như selen hoặc ger- mani thỉnh thoảng cũng được sử dụng.
Ví dụ 2.1.1. Trong mạch đèn pin đơn giản, điơt sẽ cho phép hoặc ngăn dòng điện qua đèn, tùy thuộc vào cực của điện áp được áp dụng . Hình bên dưới , hình (a) dịng điện được phép chạy qua điơt, hình (b) dịng điện bị chặn lại bởi điơt
Hình 2.8: Mạch đèn pin đơn giản
2.1.3 Nguyên tắc hoạt động của Điốt
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).
Hình 2.9: Điện áp tiếp xúc hình thành.
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 ngun tử trung hịa. Q trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UT X). 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
0.7V đối với điôt làm bằng bán dẫn Si và khoảng0.3V đối với điôt làm bằng bán dẫn Ge.
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 hịa. 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 (depletion region). 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 khuếch 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.
Luận văn Thạc sĩ Chun ngành Tốn ứng dụng
Hình 2.10: Điệp áp ngồi ngược chiều điện áp tiếp xúc, tạo ra dòng điện.
Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt điện tự do. Nói cách khác điơt chỉ cho phép dịng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.
Hình 2.11: Điệp áp ngồi cùng chiều điện áp tiếp xúc, ngăn dịng điện.
Điơt chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode sang cathode.
Hình 2.12: Ký hiệu và hình dáng của Điơt bán dẫn.
Theo ngun lý dịng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dịng điện qua điơt theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở anode một điện thế cao hơn ở cathode. Khi đó ta cóUAK >0và ngược chiều với điện áp tiếp xúcUT X ( U tiếp xúc). Như vậy muốn có dịng điện qua điơt thì điện trường doUAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là:UAK >UT X. Khi đó một phần của
điện ápUAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua điốt.
KhiUAK >0, ta nói điơt phân cực thuận và dịng điện qua điơt lúc đó gọi
là dịng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức I-FORWARD hoặc ID tức I-DIODE). Dịng điện thuận có chiều từ anode sang cathode.
KhiUAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì điơt trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của điơt lúc đó rất thấp (tầm khoảng vài chục Ohm). Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng vớiUT X. Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng vớiUT X cần khoảng0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục m A hay lớn đến vài
Amper e. Như vậy giá trị củaUAK đủ để có dịng qua điơt khoảng 0.6V đến
1.1V. Ngưỡng 0.6V là ngưỡng điôt bắt đầu dẫn và khiUAK =0.7V thì dịng qua Điơt khoảng vài chụcm A.
Nếu Điơt cịn tốt thì nó khơng dẫn điện theo chiều ngược cathode sang anode. Thực tế là vẫn tồn tại dịng ngược, nếu điơt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn. Tuy nhiên dịng điện ngược rất nhỏ (cỡ µA) và thường
không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp. Mọi điôt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (V B R là ngưỡng chịu đựng của Điơt) thì điơt bị đánh thủng, dịng điện qua điơt tăng nhanh và đốt cháy điốt. Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:
• Dịng điện thuận qua điơt khơng được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định).
• Điện áp phân cực ngược (tứcUK A) không được lớn hơnV B R (ngưỡng đánh thủng của điốt, do nhà sản xuất cung cấp).
Ví dụ:Điơt1N4007có thơng số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau
V B R=1000V,I F max=1A,V F =1.1V khiI F =I F max. Những thơng số trên
cho biết:
- Dịng điện thuận qua điôt không được lớn hơnI F max=1A.
- Điện áp ngược cực đại đặt lên điôt không được lớn hơnV B R=1000V. - Điện áp thuận (tứcUAK) có thể tăng đếnI F max=1Anếu dòng điện thuận
bằngV F =1.1V. Cũng cần lưu ý rằng đối với các điơt chỉnh lưu nói chung thì khiUAK =0.6V thì điơt đã bắt đầu dẫn điện và khiUAK =0.7V thì dịng qua điơt đã đạt đến vài chụcm A.
Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Toán ứng dụng
2.1.4 Tính chất đặc trưng Volt-Ampere của điơt.
Tính chất đặc trưng Volt-Ampere của điơt được mơ tả bởi đồ thị (Hình 2.13), thể hiện mối liên hệ giữa dịng điện qua điơt và hiệu điện thế đặt vào nó.
Hình 2.13: Mối liên hệ giữa Volt-Ampere của điôt bán dẫn.
Hoạt động của Điơt bán dẫn có thể được biểu diễn bởi hệ: [9]
i ≥0, u≤0, i u=0.
Tính chất dẫn điện một chiều của Điơt giúp Điôt được sử dụng rộng rãi trong các mạch chỉnh lưu, nhằm hiệu chỉnh nguồn điện xoay chiều thành một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng.
2.2 Mạch chỉnh lưu.
Mạch chỉnh lưu là một mạch điện điện tử chứa các linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dịng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu được dùng trong các bộ nguồn một chiều hoặc mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến trong các thiết bị vô tuyến. Trong mạch chỉnh lưu thường chứa các Điôt bán dẫn để điều khiển dòng điện và các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác. Trong luận văn này, chúng ta sẽ khảo sát hai loại mạch chỉnh lưu đơn giản thường gặp là mạch chỉnh lưu nửa sóng và mạch chỉnh lưu tồn sóng.
2.2.1 Mạch chỉnh lưu nửa sóng:
Một mạch chỉnh lưu nửa sóng, là mạch điện chỉ cho dịng điện ở một nửa chu kỳ dương hoặc âm của dịng điện xoay chiều đầu vào có thể dễ dàng đi ngang qua điốt, trong khi dịng điện của nửa chu kì cịn lại sẽ bị ngăn chặn không cho đi qua (tùy thuộc vào chiều lắp đặt của điốt). Vì chỉ một nửa chu kỳ của dòng điện được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu
suất truyền với cơng suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp đặt đơn giản chỉ bằng một điôt bán dẫn, trong các mạch nguồn một pha.
Hình 2.14: Hình biểu diễn mạch chỉnh lưu nửa sóng
2.2.2 Mạch chỉnh lưu tồn sóng:
Mạch chỉnh lưu tồn sóng, biến đổi cả hai nửa chu kỳ dương hoặc âm của dòng của dòng điện xoay chiều đầu vào thành dòng điện một chiều. Do đó, nó có hiệu suất cao hơn.
Người ta thường cần đến 4 điôt trong mạch chỉnh lưu tồn sóng thay vì một điơt như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng. Điều này có nghĩa là mỗi nữa chu kì của điện áp ra sẽ cần đến 2 điôt để chỉnh lưu, thí dụ như 1 cho trường hợp điểm X dương, và 1 cho trường hợp điểm X âm. Đầu ra cịn lại cũng cần chính xác như thế, kết quả là phải cần đến 4 điốt. Các điôt dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu.
Hình 2.15: Hình biểu diễn mạch chỉnh lưu tồn sóng
Bộ chỉnh lưu tồn sóng biến đổi cả hai nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có một chiều duy nhất: dương (hoặc âm) vì nó chuyển hướng đi của dịng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều. Nửa cịn lại sẽ kết hợp với nửa kia thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.
Đối với nguồn xoay chiều một pha, nếu dùng biến áp có điểm giữa, chỉ cần 2 điôt nối đấu lưng với nhau (nghĩa là anot-với-anot hoặc catot-với- catot) có thể thành một mạch chỉnh lưu tồn sóng.
Luận văn Thạc sĩ Chun ngành Tốn ứng dụng
Hình 2.16: Mạch chỉnh lưu tồn sóng.
Trong các mạch điện tử của các thiết bị như radio - cassette, amply, tivi màu, đầu VCD,. . . , chúng sử dụng nguồn điện một chiều DC ở các mức điện áp khác nhau, nhưng ở ngoài giắc cắm của các thiết bị này lại cắm trực tiếp vào nguồn điện AC 220V 50Hz, như vậy các thiết bị điện tử cần có một bộ phận để chuyển đổi từ nguồn xoay chiều ra điện áp một chiều, cung cấp cho các mạch trên, bộ phận chuyển đổi bao gồm:
- Biến áp nguồn : Hạ thế từ 220V xuống các điện áp thấp hơn như 6V, 9V, 12V,. . . ,
- Mạch chỉnh lưu : Đổi điện AC thành DC,
- Mạch lọc gợn xoay chiều sau chỉnh lưu cho nguồn DC phẳng hơn. - Mạch ổn áp: Giữ một điện áp cố định cung cấp cho tải tiêu thụ.
Hình 2.17: Sơ đồ tổng quát của mạch cấp nguồn
Trong thực tế, tùy theo hiệu điện thế, cường độ dịng điện và tính chất của dòng điện cần chỉnh lưu mà người ta sử dụng các loại mạch chỉnh lưu khác nhau.
Tóm lại, ứng dụng cơ bản nhất của mạch chỉnh lưu là trích xuất chỉnh lưu dịng điện xoay chiều (AC) thành dịng điện một chiều (DC). Vì trên thực tế, hầu hết các thiết bị điện tử sử dụng nguồn một chiều, nhưng nguồn điện mà chúng ta có được thường lại là dịng điện xoay chiều.
2.3 Mơ hình cổ điển viết bởi bao hàm thức vi phân cho mạch chỉnhlưu. lưu.
Mơ hình tốn học cho hầu hết các mạch chỉnh lưu sử dụng Điôt bán dẫn sẽ được mô tả bởi bao hàm thức vi phân dưới dạng sau [21]
x′∈ f ¡
t,x¢
−NQ(x) (2.1)
vớiQ là nón trong khơng gianRn;NQ(x)là nón pháp tuyến đến tập lồi đóng khác rỗngQ ⊂Rn tại x ∈Q; và f ¡
t,x¢
=F(t)− ℑx, với f : £
t0, TƠ
ì Q → Rn
thỏa mãn các điều kiện:
• f ¡
t, xÂliờn tc theo bin tÊ
t0, Tễ ; xQ; ã f Ă t, x f Ă t, y L xy, x,y Q, t Êt0, Tễ; ã f Ă t,x C, tÊ t0,Tễ , xQ.
2.4 Mụ hình cổ điển viết bởi bao hàm thức vi phân cho mạch chỉnh lưu nửa sóng và mạch chỉnh lưu tồn sóng.
2.4.1 Mơ hình cổ điển cho mạch chỉnh lưu nửa sóng.
Chúng ta xem xét mạch chỉnh lưu nửa sóng như hình. Mạch gồm một Điơt bán dẫnD, bộ nguồne(t), điện trởR và cuộn cảmL.
Hình 2.18: Mạch chỉnh lưu nửa sóng.Ta biết, Ta biết, Ld iL d t =uL, RiR =uR, uE= −e(t), trong đó,L¡ Henr y¢ ,R¡ Ohm¢ là các hằng số và hàm số e(t)¡ V ol t¢ có giá trị thay đổi theo biến số là thời gian t(s)đã biết. Hàm số i =i(t)¡
Amper e¢ là cường độ dịng điện của mạch và hàm số uD =u(t)¡