IV. Biến áp
3. Sơ đồ tơng đơng của diode
Kỹ tht điƯn tư 42
Khi điện ỏp trong mạch lớn hơn nhiều điện ỏp ng−ỡng UD (UD ~ 0,6V với Si và 0,2V với Ge). Lúc này coi diode nh một khoỏ điện tử ở trạng thỏi đúng và đỈc tun Von-ampe coi nh− tr−ờng hợp ngắn mạch.
b. Sơ đồ tơng đơng khi diode phõn cực ngợc
Khi bị phõn cực ngợc, diode hầu nh khụng cho dũng đi qua, do đú cú thể coi nh một khoỏ điện tử mở.
4. Phõn loại và ứng dụng của diode
ạ Diode chỉnh l−u
Diode chỉnh lu sử dụng đặc tớnh dẫn điện một chiều để chỉnh lu dũng điện xoay chiều thành dũng điện một chiề Nghĩa là nú chỉ chuyển dũng điện theo một hớng thuận khi anot cú điện ỏp dơng hơn catot (dơng hơn một giỏ trị điện ỏp nhất định tuỳ thuộc loại diode, đú chớnh là điện ỏp ngỡng)
Cần quan tõm tới 2 tham số quan trọng sau khi sư dơng diode chỉnh l−u:
+ Dũng điện thuận cực đại Imax là dũng điện cho phộp xỏc định dũng chỉnh lu cực đạ
+ Điện ỏp ngợc tối đa cho phộp Ung−ỵc max sẽ xỏc định điện ỏp chỉnh lu lớn nhất. Ngời ta th−ờng chọn Ung−ỵc max = 0,8 Udt.
Diode chỉnh lu dựng để biến đổi dũng điện xoay chiều thành dũng điện một chiề Cú 2 kiểu chỉnh l−u là chỉnh l−u nưa chu kỳ và chỉnh lu cả chu kỳ.
Hiện nay ng−ời ta sản xuất sẵn cầu diode nh−ng lắp 4 diode theo kiểu cầu cho chất lợng mạch tốt hơn và dễ sửa chữa hơn dự mạch cú cồng kềnh hơn.
Diode nh một khoỏ điện tử đúng
Ký hiƯu cđa diode chỉnh l−u
A
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 43
b. Diode ỉn áp (Zene)
Cấu tạo: diode Zene cú cấu tạo giống nh diode thụng thờng nhng cỏc chất bỏn dẫn đợc pha tạp chất với tỉ lệ cao hơn diode thụng thờng. Đa số cỏc diode ổn ỏp đều đợc chế tạo từ Si và là diode tiếp mặt (do phải chịu dũng lớn)
Nguyên tắc làm việc: diode ổn ỏp làm việc trờn đoạn đặc tuyến ngợc (xem hỡnh dới đõy).
Ngời ta lợi dụng chế độ đỏnh thủng về điện của chuyển tiếp P - N để ổn định điện ỏp (từ 3 đến 300V).
Khi phõn cực thuận diode Zene hoạt động nh một diode bỡnh thờng. Khi phõn cực ngợc và làm viƯc ở chế độ đỏnh thủng thỡ nú khụng bị hỏng nh diode khỏc. Từ sơ đồ trờn ta thấy khi điện ỏp thấp hơn điện ỏp ngỡng diode coi nh làm hở mạch, khi điện ỏp vợt quỏ điện ỏp ngợc điện trở của diode bắt đầu giảm. Điện ỏp càng tăng dũng qua diode càng lớn, nghĩa là nú ngăn chặn một cỏch hiệu quả điện ỏp đảo vợt quỏ điện ỏp cho phộp trờn hai đầu điƯn trở tảị
Mạch chỉnh l−u nưa chu kỳ và mạch chỉnh lu cả chu kỳ
Ký hiƯu cđa diode Zene
Mạch điện ổn ỏp dùng diode Zene
Kỹ tht điƯn tư 44
Khi điƯn áp một chiỊu mang giá trị từ (1,5 ữ2)VZ thì điện ỏp ra trờn hai đầu của diode Zene là VZ.
Diode Zene đợc sử dụng trong cỏc mạch nguồn và cỏc mạch cú yờu cầu độ ổn định điƯn áp caọ
c. Diode biến dung
Diode biến dung (diode varactor) làm từ silicon hc galium arsenide là loại diode đợc sử dơng nh− một tơ điƯn có trị số điện dung điều khiển đợc bằng điện ỏp.
Nguyờn tắc làm việc của diode biến dung là dựa vào sự phơ thc cđa điƯn dung rào thế cđa chuyển tiếp P - N với điện ỏp ngợc đặt vào nú.
Trị số của diode biến dung tuỳ thuộc vào cấu tạo của nú và tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của điện ỏp ngợc đặt lờn nú.
Varactor thờng đợc sử dụng trong cỏc mạch dao động cần điều khiển tần số cộng h−ởng bằng điện ỏp ở khu vực siờu cao tần nh: mạch tự động điều chỉnh tần số AFC (automatic frequency controller), các mạch điều tần và thụng dụng nhất là cỏc bộ dao động khống chế bằng điện ỏp VCO (Voltage Controlled Oscilator)
d. Diode phát sáng (LED – Light emitting Diode)
Đõy là loại diode cú khả năng phỏt ra ỏnh sỏng nhỡn thấy hoặc cỏc b−ớc sóng khác t theo vật liệu cấu tạo khi đợc phõn cực thuận. LED cú kớ hiệu và hỡnh dạng thực tế nh hỡnh trờn.
Diode thu sỏng (Photo diode)
Diode quang có cấu tạo giống nh diode thụng thờng nhng vỏ bọc cỏch điện là nhựa hoặc thuỷ tinh trong suốt để ỏnh sỏng bờn ngoài chiếu vào mối nối P-N.
Khi đặt điện ỏp phõn cực ngợc lờn hai cực và cú ỏnh sỏng rọi vào diode quang sẽ dẫn, cờng độ sỏng mạnh hay yếu sẽ làm cho diode dẫn mạnh hay yếu tơng ứng. Photo diode gồm hai loại cơ bản là PIN và APD.
Ký hiƯu cđa diode biến dung
Sự phơ thc cđa điƯn dung chun tiếp P - N lên điện ỏp ngợc đặt lờn nú
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
Kỹ tht điƯn tư 45
Diode quang đợc sử dụng rộng rãi trong các hƯ thống tự động điỊu khiĨn theo ánh sáng, báo động cháy, kết hợp với led trong hệ thống thu phỏt quang …
ị Tế bào quang điện
Một diode silicon đợc chiếu sỏng bằng ỏnh sỏng mặt trời sẽ tạo ra dũng điện một chiều (nếu cú đủ bức xạ điện từ tỏc động lờn chuyển tiếp P N), đõy chớnh là hiệu ứng quang điện thuận, đú cũng là nguyờn tắc hoạt động của cỏc tế bào mặt trờ Nh vậy, cỏc tế bào này đà chuyển năng lợng mặt trời thành năng lợng điện. Tế bào quang điện đợc chế tạo để cú đợc bề mặt chuyển tiếp P – N lớn nhất, nghĩa là diện tớch nhận ỏnh sỏng là lớn nhất (điện cực cú dạng thanh nh trong hỡnh 71). Một tế bào quang điện silicon đơn cú thể tạo ra khoảng 0,6V điện thế một chiều, với ỏnh sỏng mặt trời trực tiếp 1 inch vuụng bề mặt P N cú thể tạo ra khoảng 160m Để tăng dũng và ỏp ngời ta mắc song song một chuỗi cỏc tế bào quang điện để tạo thành pin mặt trời cung cấp cho cỏc thiết bị điện tử.
IIỊ Transistor l−ỡng cực - BJT
Transistor = transfer reristor / điƯn trở truyền đạt
Tờn gọi của transistor xuất phỏt từ cụng dụng cơ bản của nú là cú khả năng biến đổi điện trở bản thõn nhờ điều khiển bằng dũng hoặc ỏp. Chỉ cần tỏc dụng một điện ỏp nhỏ vào cực gốc thỡ điện trở giữa hai cực cũn lại sẽ thay đổi ứng với cỏc trờng hợp:
+ Nội trở giảm mạnh, tức là transistor dẫn mạnh + Nội trở tăng, tức là transistor dẫn yếu
Với tớnh chất cơ bản nh trờn, sự ra đời của transistor đà làm thay đổi hoàn toàn xu h−ớng cũng nh tốc độ phỏt triển của kỹ thuật điện tử, nú là một minh chứng cho thời điểm chấm dứt vai trũ của cỏc ống chõn khụng để thay vào đú là cỏc thiết bị bỏn dẫn. Đõy thực sự là một bớc ngoặt cho kỹ tht điƯn tư núi riờng và cuộc sống của con ngời núi chung.
Transistor gồm cỏc loại cơ bản là:
+ BJT (Bipolar Junction Transistor): transistor l−ỡng cực (hai mối nối)
+ JFET (Junction Field Effect Transistor): Transistor hiệu ứng tr−ờng mối nối
+ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET): transistor hiệu ứng tr−ờng oxit kim loại + UJT (Unijuntion Transistor): transistor đơn nối
Ngoài ra, ngời ta cũn đặt tờn cho transistor theo phơng phỏp cụng nghệ chế tạo: transistor hợp kim; transistor khuếch tỏn; transistor plana
Dới đõy ta sẽ xột tới transistor lỡng cực và gọi tắt là transistor. (cỏc loại khỏc sẽ núi tới ở phần IV, V)
Kỹ tht điƯn tư 46
1. Cấu tạo và ký hiệu BJT
Transistor đợc tạo thành bởi 2 chun tiếp P - N ghép liên tiếp trờn 1 phiến đơn tinh thể. Nghĩa là về mặt cấu tạo transistor gồm các miỊn bán dẫn P - N xếp xen kẽ nha Do trỡnh tự sắp xếp cỏc miền P - N mà ta cú 2 loại cấu trỳc transistor là PNP và NPN.
MiỊn thứ nhất gọi là miền phỏt (emitor), điện cực nối với miền này gọi là cực emitor. MiỊn ở giữa gọi là miền bazo (miền gốc) điện cực nối với miền này gọi là cực baz Miền cũn lại gọi là miỊn góp (miỊn collector) điện cực nối với nú gọi là cực gúp (cực collector).
Chuyển tiếp P - N giữa emitor và bazo gọi là chun tiếp E-B hay là chun tiếp emitor . TE Chuyển tiếp P - N giữa bazo và collector gọi là chuyển tiếp C-B hay chuyển tiếp collector. TC Về mặt cấu tạo cú thể xem transistor đợc tạo thành từ 2 diode mắc ngợc nhng khụng cú nghĩa là cứ ghộp 2 diode thỡ sẽ tạo ra đợc transistor .
3 miền của transistor đợc pha tạp với nồng độ khỏc nhau và cú độ rộng cũng khỏc nhau để cỏc miền thực hiện đợc chức năng của mỡnh là:
+ Emtor phỏt xạ hạt dẫn cú điều khiĨn trong transistor (pha tạp nhiỊu)
+ Bazo truyền đạt hạt dẫn từ E sang C (pha tạp ớt để số lợng hạt từ E sang ớt bị tỏi hợp và kớch thớc mỏng để giảm thiểu thời gian đi qua cđa hạt dẫn)
+ Collector thu gúp hạt dẫn từ E qua B, điện trở cđa vùng này là lớn nhất.
Tuỳ vào chiều điện áp phân cực cho chun tiếp emitor và chun tiếp collector mà có thĨ phõn biệt 4 miền làm việc của transistor nh− sau:
TE Tc Miền làm viƯc ứng dơng
Phân cực thuận Phân cực thuận MiỊn bão hoà Khoỏ điện tử Phân cực thuận Phân cực ng−ỵc MiỊn tích cực Khuếch đại
Phõn cực ngợc Phõn cực ngợc Miền cắt Khoá
Phõn cực ngợc Phõn cực thuận Miền tích cực ng−ỵc
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 47
Khi sư dơng transistor điỊu rất quan trọng là phải xỏc định chớnh xỏc vị trớ cỏc chõn cđa transistor, viƯc này có thể xỏc định bằng ohm kế hoặc đối chiếu theo quy ớc của nhà sản xuất, nh hỡnh dới đõ
2. Nguyờn tắc làm việc của transistor ở chế độ tớch cực
Đõy là chế độ làm việc thụng dụng nhất của transistor. Khi này transistor đúng vai trũ là phần tử tớch cực cú khả năng khuếch đại hay núi cỏch khỏc, trong transistor cú quỏ trỡnh điều khiển dũng, điện ỏp hay cụng suất.
Nh đà núi, đĨ transistor làm viƯc ở chế độ tích cực (chế độ khuếch đại) cần cấp nguồn điện một chiều sao cho TE phân cực thuận và TC phõn cực ngợc.
Nói chung, các transistor PNP và NPN cú thể hoạt động nh− nhau trong các mạch điện tử nhng cú điểm khỏc biệt là đảo chiều sự phõn cực điện ỏp và hớng của dũng điện. Do vậy, ở đõy ta chỉ cần xột hoạt động của loại PNP nh− sau:
+ Trong trờng hợp cha cú điện ỏp ngoài đặt vào cỏc chuyển tiếp emtor và collector thỡ qua cỏc cực của transistor khụng cú dũng điện. Hiện tợng khụng cú dũng chảy qua transistor cịng xảy ra khi đặt điện ỏp lờn cực C và E nh−ng cực B đĨ hở.
+ Khi cấp nguồn cho transistor sao cho TE đợc phõn cực thuận và TC đợc phõn cực ngợc trên 3 cực cđa transistor sẽ xuất hiện dũng điện nh biểu diễn trong hỡnh trờn.
Kỹ tht điƯn tư 48
qua TC sang miền collector và tạo nờn dũng cực gúp IC. IC =α.IE
với α là hƯ số trun đạt dũng điện (hay hệ số khuếch đại dũng điện cực phát)
α = số lỗ trống khụng bị tỏi hợp / tổng số lỗ trống xuất phỏt từ cực emitor
α ≈ 0,95 ữ 0,999
Quan hệ giữa cỏc thành phần dũng trong transistor là: IE = IC + IB β β α + = = 1 E C I I
gọi là hệ số truyền đạt của transistor
β= = B c I I α α −
1 gọi là hệ số khuếch đại của transistor (giỏ trị từ vài chơc tới vài trăm, giỏ trị điển hỡnh 50 150)
là thụng số đỏnh giỏ tỏc dụng điều khiển của dũng IB tới dòng IC
2 tham số α và β cú giỏ trị xỏc định đối với mỗi loại transistor và đợc ghi trong bảng thông số kỹ thuật.
Khả năng khuếch đại của transistor :
Khi đặt giữa c−c emito và bazo một ngn tín hiƯu Ũ thì điện ỏp phõn cực cho TE sẽ thay đổi, tức là làm thay đổi dũng phun từ emito sang bazo (IE). Tuy điện ỏp phõn cực cho TC khụng đổi nhng do số hạt thiĨu số trội trong miền bazo thay đổi nờn dũng ng−ỵc qua chun tiếp TC (dòng IC) cũng thay đỉi theo đỳng quy luật của tớn hiệu đầu và
Nếu mắc điện trở tải ở cực collector thỡ điện ỏp rơi trờn điện trở này cũng có quy luật biến thiờn nh điện ỏp tớn hiệu đặt ở đầu và Thờm vào đó, trong khi điƯn trở cđa E-B khơng đỏng kể thỡ điện trở của B-C lại rất lớn và dũng IC xấp xỉ dòng IE nờn theo định luật Ohm điƯn
áp cđa tín hiƯu ở lối ra lớn hơn rất nhiều lần điện ỏp của tớn hiệu ở lối và Đõy chớnh là khả năng khuếch đại của transistor.
3. Transistor làm viƯc nh khoỏ điện tử
Đõy là chế độ làm việc thụng dụng thứ 2 của transistor, chế độ làm việc này của transistor cũn gọi là chế độ đúng mở. Khi này nú chỉ cú 2 trạng thỏi ổn định: hoặc đúng (ngắn mạch cho dũng qua transistor) hoặc mở (hở mạch khụng cho dũng chảy qua transistor).
Đụi khi transistor chuyờn dụng làm việc ở chế độ đúng mở cũn gọi là transistor xung vỡ cú thể coi chỳng làm việc ở chế độ xung.
Trong kĩ tht điỊu khiĨn tự động và kĩ thuật số nói chung cỏc transistor hầu hết đỊu hoạt động nh− khoỏ điện tử .
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tử 49
ở chế độ ngắt nguồn một chiều đợc cấp cho transistor sao cho cả 2 chun tiếp TE và TC đỊu phõn cực ngợc. Lỳc này qua 2 chuyển tiếp chỉ cú dũng điện ngợc IEBo và ICBo rất nhỏ nên có thĨ coi mạch cực phỏt hở và coi điƯn trở cđa transistor rất lớn, dòng qua transistor bằng 0. Nh− vậy transistor nh− 1 khoá ở trạng thỏi mở.
UCE≈EBC
b. Chế độ dẫn bÃo hoà
Transistor đợc phân cực sao cho chun tiếp TE và TC đỊu phõn cực thuận. Khi đú điện trở của cả 2 chuyển tiếp đều nhỏ nờn cú thể coi 2 cực phỏt và gúp đợc nối tắt.
Dũng qua transistor IC khi này khỏ lớn và chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn cung cấp EC và khụng phụ thuộc vào transistor .
IC = C C R E và UCE ≈0 (thực tế th−ờng lấy = 0,3 V)
Hai chế độ ngắt và bÃo hoà của transistor đợc sử dụng trong kĩ thuật xung và kĩ thuật mạch logic. ở đõy điện ỏp đặt lờn lối vào chỉ cú 2 mức là mức cao và mức thấp
Nếu UBE = mức thấp thỡ transistor ngắt lối ra cú UCE ≈EC UBE = mức cao thỡ transistor dẫn bÃo hồ lối ra có UCE = 0
Nh vậy transistor làm việc nh một khoỏ điện tử và khụng cú khả năng biến đổi tớn hiệụ
Sơ đồ mạch điện transistor trong chế độ ngắt và sơ đồ t−ơng đ−ơng
Ura Uvào ULo UHo Ngắt Tích cực Dẫn bão hoà ULi UHi
Đặc tuyến truyền đạt của transistor làm việc ở chế độ đúng mở Sơ đồ mạch và sơ đồ tơng đơng của transistor ở chế độ bão hoà
Kỹ tht điƯn tư 50
4. Phân cực và định điểm làm việc cho Transistor
ạ Nguyờn tắc chung
Để Transistor làm việc cần đặt điện ỏp ngoài lờn chuyển tiếp emito va colecto với cực tớnh và trị số thớch hợp, việc này gọi là phõn cực cho transistor hay xỏc định điểm làm việc tĩnh cho
transistor. Vị trớ của điểm cụng tỏc tĩnh này quyết định chế độ làm việc của mạch, vỡ vậy tuỳ vào mục đớch sử dụng mà phõn cực cho phự hợp.
Trong trờng hợp transistor làm việc ở chế độ khuếch đại cần đặt điện ỏp một chiều lờn cỏc chân cực sao cho chun tiếp TE phõn cực thuận và chuyển tiếp TC phân cực ng−ỵc.
Trong tr−ờng hỵp transistor làm việc ở chế độ khoỏ điện tử cần đặt điện ỏp một chiều lờn cỏc chân cực sao cho chun tiếp TE và TC cựng phõn cực thuận hoặc cựng phõn cực ngợc.
b. Đờng tải tĩnh và điểm cụng tỏc tĩnh
Xột một sơ đồ phõn cực cho transistor nh hỡnh bờn.
Phơng trỡnh đờng tải tĩnh là phơng trỡnh biểu diễn mối quan hệ giữa dũng ra và điện ỏp ra khi cha đa tớn hiệu vào và cha mắc tả
Cụ thể là ở sơ đồ bờn phơng trỡnh đờng tải tĩnh biểu diễn mối quan hƯ giữa IC và UCE.