IV. Biến áp
3. Các tỉ lƯ cđa biến áp
Tỉ lệ về điện ỏp: n N N U U = = 2 1 2 1
Nh− vậy, muốn tăng điện ỏp ra cần tăng số vũng dõy cuộn thứ cấp hoặc giảm số vũng dõy cuộn sơ cấp và ngợc lại, khi muốn giảm điện ỏp ra cần giảm số vũng cuộn thứ cấp hoặc tăng số vũng cuộn sơ cấp. Tỉ lệ về dũng điện: n N N I I 1 1 2 2 1 = =
Hệ thức trờn cho thấy một biến ỏp tăng ỏp bao giờ cũng làm hạ dũng và ngợc lại, biến ỏp hạ ỏp sẽ làm tăng dũng.
Tỉ lệ vỊ công st: P1 = P2
Một biến ỏp lý tởng coi nh khụng cú tổn hao trờn hai cuộn dõy và mạch từ sẽ có cơng suất ở sơ cấp và thứ cấp bằng nha
Tuy nhiên trên thực tế cụng suất tiờu thụ ở bờn thứ cấp luụn nhỏ hơn cụng suất của nguồn cung cấp cho sơ cấp. Nguyờn nhõn là do cỏc cuộn sơ cấp và thứ cấp cú điện trở của dõy dẫn nờn tiờu hao năng lợng dới dạng nhiệt. Thờm vào đú, lừi từ cú dũng điện cảm ứng do từ thụng thay đổi sẽ tự kớn mạch trong lừi (gọi là dũng Fuco) cũng tiờu thụ năng lợng dới dạng nhiệt.
Vỡ những tổn hao trờn ngời ta đa ra thụng số hiệu suất của biến ỏp là tỉ số giữa cụng suất ra và cụng suất vào tớnh theo % nh− sau:
.100% .100% 2 2 1 2 hao tổn P P P P P + = = η
với: P1 là cụng suất của cuộn sơ cấp
P2 là cụng suất thu đợc ở cuộn thứ cấp
P tỉn hao là cụng suất mất mỏt do tổn hao trờn cuộn dõy và mạch từ
Khi hở mạch tải trờn mạch bờn thứ cấp thỡ vẫn cú tổn hao trờn biến ỏp gọi là tổn hao khụng tải, nó th−ờng chiếm khoảng 5% cụng suất danh định của biến ỏp. Khi biến ỏp cú tải lớn nhất theo cụng suất danh định (gọi là đầy tải) thỡ hiệu suất cao nhất khoảng 80% đến 90%.
Để tăng hiệu suất của biến ỏp phải giảm tổn hao bằng cỏch dựng lừi làm bằng cỏc lỏ sắt từ mỏng cú quột sơn cỏch điện, dõy quấn dựng loại cú tiết diện lớn và ghộp chặt.
Tỉ lƯ vỊ tỉng trở: Có: U1 = 2 1 N N .U2 = n.U2 I1 = n 1 .I2 2 2 2 2 2 1 1 1 . . I U R n R I U n = = = ⇒ 2 2 2 1 2 1 n N N R R = = ⇒
với R2 là tải thứ cấp và R1 đợc gọi là điện trở tải phản ánh vỊ sơ cấp.
V2 N1 N2 b a 50 Hz V1
Khi có tải với trở kháng Z2 nối tới cuộn thứ cấp, trở khỏng của cuộn sơ cấp lỳc đú là Z1 = n2.Z2, từ đú cú thể xỏc định n theo hƯ thức: t t R R R R R n 1 2 1 2 1 Z Z ≈ + ≈ =
đõy chớnh là hệ thức để xỏc định loại biến ỏp dựng để phối hợp trở khỏng giữa mạch sơ cấp R1 và mạch thứ cấp Rt (>> R2)
4. Phõn loại và ứng dơng cđa biến áp
Biến ỏp là linh kiện dựng để biến đổi điện ỏp, biến đổi dũng, ngăn cỏch thành phần dũng một chiều giữa cỏc mạch khi hai cuộn dõy đợc cỏch điện với nhau và cú khi là phối hợp trở khỏng giữa cỏc tầng.
Ngời ta thờng phõn loại biến ỏp theo ứng dụng của chúng. Một số loại biến áp th−ờng gỈp:
ạ Biến áp ngn (biến áp cấp điƯn)
Biến ỏp nguồn là biến ỏp làm việc ở tần số 50 đến 60 Hz để biến đổi điện áp l−ới (th−ờng là 110V 60 Hz hoặc 220V 50Hz) thành điện ỏp và dũng điện đầu ra theo yờu cầu đồng thời ngăn cỏch thiết bị khỏi nguồn điện cao ỏp.
Cỏc biến ỏp nguồn thờng cú 3 đầu vào (0V, 110V và 220V) và nhiều đầu ra (0V, 1.5V, 3V, 4.5V, 6V … 12V … 24V)
Cỏc thụng số chớnh để chọn biến ỏp nguồn là trị số điện ỏp đầu ra và dũng điện lớn nhất qua đợc biến ỏp. Hai thụng số này sẽ quyết định tới kớch thớc và giỏ thành của biến ỏp.
Cỏc yờu cầu đối với một biến ỏp nguồn tốt là tổn hao trong lõi nhỏ, hƯ số ghép cao, kích th−ớc nhỏ gọn.
Hiện nay, với một số thiết bị yờu cầu nguồn cung cấp cú độ ổn định cao nh mỏy tớnh, màn hỡnh, tivi, VCR … ng−ời ta sư dơng mạch ỉn áp dải rộng gọi là autovolt với sơ đồ nh− sau:
Sơ đồ trờn cú nguyờn tắc hoạt động nh sau: Nguồn điện lới khụng ổn định đợc đa vào mạch nắn điện để tạo ra điện ỏp một chiề Dũng dc này chạy qua cuộn dõy bờn sơ cấp rồi qua mạch điện tử tạo dao động cao tần. Dao động cao tần làm ức chế dũng dc, lỳc cú lỳc mất, do đú tạo nờn dũng i (ac) biến đổi nhanh, tạo ra sức điện động tự cảm rất lớn do di/dt lớn. Sức điện động này cú thể lờn tới 1kVAC và nh vậy sự khụng ổn định của điện lới ban đầu (80VAC – 240VAC) có thĨ coi nh khụng ảnh hởng tới sức điện động của cuộn sơ cấp, tức là cũng chẳng ảnh hởng tới cuộn thứ cấp, đầu ra ac của mạch đợc ổn định.
Dới đõy là mạch tạo cao ỏp cho đốn hỡnh của tivi hoặc monitor mỏy tớnh cũng với nguyờn tắc hoạt động giống nh trờn nhng số vũng dõy của L2 lớn hơn nhiều số vũng dõy của L1 và bộ nắn điện thứ 2 đồng thời là bộ bội ỏp và đầu ra ta sẽ cú cao áp có thĨ lên tới 20 – 30kV.
L3 L2 L1 L3 L2 L1 Mạch điƯn tư tạo dao động cao tần 80VAC ữ 240VAC ỏp AC ra ổn định
Chơng II: Linh kiện thụ động
b. Biến ỏp cộng hởng
Đõy là biến ỏp cao tần có lõi khơng khí, sắt bụi hoặc ferit đợc ghép lỏng đĨ có thĨ điỊu chỉnh lõị Các tụ đợc mắc với cỏc cuộn sơ cấp và thứ cấp để tạo thành cỏc mạch cộng hởng. Nếu chỉ có một tơ gọi là mạch cộng hởng đơn, nếu cú hai tụ gọi là cộng h−ởng kép hc cộng h−ởng lƯch (nếu tần số cộng h−ởng lƯch nhau)
Biến ỏp cộng hởng thờng đợc sử dụng làm tải cho cỏc tầng khuếch đại trộn tần, chọn lọc tần số
c. Biến ỏp õm tần
Biến ỏp õm tần làm việc ở dải tần số õm tần từ 20 Hz đến 20 kHz. Biến ỏp này cho phộp biến đổi điện ỏp mà khụng gõy mộo dạng súng, ngăn cỏch thành phần một chiều giữa cỏc tầng, biến đổi pha …
Do làm viƯc ở tần số thấp nờn cỏc biến ỏp õm tần thờng cú lừi sắt từ, kớch thớc và trọng lợng lớn. Chớnh vỡ lý do này mà biến ỏp õm tần càng ngày càng ớt đợc sử dụng.
L1 L2 ơ Mạch điƯn tư tạo dao động cao tần 80VAC 240VAC Cao áp > 10kV
Kỹ tht điƯn tư 38
Ch−ơng III
Linh kiƯn bán dẫn Ị Vật liƯu bán dẫn
Trong ngành vật liệu điện ngời ta chia vật liệu ra làm 4 nhúm vật liệu là: chất dẫn điện, chất cỏch điện, chất dẫn từ và chất bỏn dẫn. Phần này chỳng ta sẽ quan tõm tới chất bỏn dẫn.
1. Định nghĩa và tớnh chất
Bắt đầu từ những năm 60 chất bỏn dẫn trở nờn khụng thể thiếu đối với ngành kỹ thuật điện tử, nó có mỈt ở tất cả cỏc thiết bị điện tử.
Vật liệu bỏn dẫn là vật liệu mà trong một số điều kiện nú trở thành cỏch điện và trong một số điều kiện khỏc nú lại dẫn điện. Tớnh đa năng này nằm ở chỗ sự dẫn điện cú thể đợc điều khiển để tạo ra cỏc hiệu ứng nh sự khuếch đại õm thanh, sự chỉnh lu dũng điện, chuyển đổi và trộn lẫn tớn hiệu …
Xột về đặc tớnh dẫn điện thỡ vật liệu bỏn dẫn cú điện trở suất lớn hơn vật liƯu dẫn điƯn nh−ng nhỏ hơn vật liệu cỏch điện.
ĐiƯn trở st ρρρρ (ΩΩΩm) Ω Loại vật liƯu
10-8 ữ 10-5 Dẫn điƯn
10-6 ữ 108 Bán dẫn
107 ữ 1017 Cỏch điện
Đặc điểm nổi bật của vật liệu bỏn dẫn là điện trở suất của nú phụ thuộc rất nhiều và nhiệt độ, điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng. Ngoài ra nú cũn phụ thuộc vào loại chất pha tạp, nồng độ tạp chất, ỏnh sỏng chiếu vào, thế năng ion hoỏ .
Trong kỹ tht điƯn tư, một số chất bỏn dẫn đợc sử dụng rộng rÃi là Silicon (Si), Germani (Ge) và Galium Arsenide (GaAs). Germani (Ge) đợc sử dụng trong những năm đầu của cụng nghệ bỏn dẫn cũn hiện nay chỉ xuất hiện trong những ứng dụng đặc biệt.
2. Bỏn dẫn thuần (bỏn dẫn nguyờn tớnh)
Định nghĩa và tớnh chất
Chất bỏn dẫn thuần là chất bỏn dẫn mà trong cấu trỳc mạng tinh thể tại mỗi nỳt mạng chỉ cú nguyờn tư cđa một nguyên tố.
vớ dụ: Si nguyờn chất và Ge nguyờn chất
Cấu trúc tinh thĨ cđa Si đợc cho ở hỡnh bờn
ở nhiƯt độ rất thấp (0 độ tuyệt đối), cỏc điện tử hoỏ trị cú liờn kết chặt chẽ với lõi ion do đó độ dẫn điƯn thấp, điƯn trở suất ca Chỳng đợc coi nh chất cỏch điện. Khi nhiệt độ tăng lờn số lợng hạt dẫn tăng theo do một số cặp điện tử lỗ trống đợc hỡnh thành, ngời ta gọi đú là hiện
tợng phỏt xạ cặp điện tử lỗ trống do nhiệt. Núi chung điện trở suất của chất bỏn dẫn tinh khiết là rất lớn.
D−ới đõy là một số chất bỏn dẫn thụng dụng
* Silicon
Silicon (Si) thờng đợc sử dụng rộng rÃi trong diode, mạch tớch hợp. Tuy nhiờn, để cú tớnh chất mong muốn ngời ta phải pha cỏc chất khỏc vào trong S Si cú thể đợc khai thác trong tự nhiờn hoặc để cú chất lợng cao nhất thỡ tạo ra bằng cỏch nuụi cỏc tinh thể trong điều kiện phũng thớ nghiệm, sau đú sẽ đợc đa vào trong cỏc chip.
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
Kỹ tht điƯn tư 39
* Selenium
Selenium (Se) có trở khỏng phụ thuộc rất mạnh vào cờng độ ỏnh sỏng tỏc động vào nú. Đõy là tớnh chất chung của vật liệu bỏn dẫn nhng thể hiện rừ nhất ở Se, vỡ vậy Se đợc sử dụng để chế tạo cỏc tế bào quang điện. Ngoài ra, Se đợc cũn dựng để chế tạo cỏc thiết bị chỉnh lu ở khu vực điện ỏp khụng ổn định do khả năng chịu đợc điện ỏp cao bất th−ờng cđa Se tốt hơn nhiỊu so với Sị
* Germanium
Germanium (Ge) nguyờn chất là một chất dẫn điện kộm. Nú trở thành chất bỏn dẫn khi thờm một số tạp chất và Germanium đợc sử dụng rộng rÃi trong thời kỳ đầu nhng vỡ Ge dễ bị h hỏng bởi nhiệt độ nờn sau đú ngời ta ớt dựng loại vật liệu này, trừ những trờng hợp đặc biệt.
3. Bỏn dẫn pha tạp (bỏn dẫn ngoại tớnh)
Bỏn dẫn tạp là bỏn dẫn mà trong mạng tinh thể ở một số nỳt mạng đợc thay thế bởi nguyên tư cđa một nguyờn tố khỏc. Quỏ trỡnh thờm tạp chất vào đợc gọi là quỏ trỡnh pha tạp và việc này làm cho tính chất của vật liệu thay đổi rất nhiều tuỳ vào chất pha tạp và nồng độ của chất đú. Mức độ pha tạp đợc tớnh bằng đơn vị ppm (đơn vị phần triệu)
Khi này nồng độ của điện tử và lỗ trống khụng cũn cõn bằng nữ Nếu bỏn dẫn cú hạt tải điện chủ yếu là điện tử thỡ ngời ta gọi đú bỏn dẫn loại N và nếu hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống thỡ gọi là bỏn dẫn loại P.
Bỏn dẫn loại N (bỏn dẫn loại cho, pha tạp chất donor)
Là bỏn dẫn hỡnh thành khi pha tạp chất nhúm V vào bỏn dẫn thuần. Vớ dụ: pha tạp chất As, P, Sn (nhúm V) vào bỏn dẫn nền Si (nhóm IV)
Nguyên tư tạp chất cú 5 điện tử hoỏ trị ở lớp ngoài cựng nờn nú sẽ dựng 4 điện tử cho 4 liờn kết cộng hoỏ trị với 4 nguyờn tử Si (hoặc Ge) ở bờn cạnh. Điện tử thứ 5 sẽ thừa ra và cú liên kết rất u với nguyờn tử tạp chất. Để giải phúng điện tử này chỉ cần cung cấp một năng lợng rất nhỏ vào khoảng 0,01 eV đối với Ge và 0,05 eV đối với S
Khi tỏch khỏi nguyờn tử thỡ điện tử thứ 5 sẽ trở thành điện tử tự do và nguyờn tử tạp chất trở thành ion dơng cố định. Nh vậy số điện tử tự do chớnh bằng số nguyờn tử pha tạp và Tạp chất nhúm V vỡ vậy đợc gọi là tạp chất cho (hay tạp chất donor). Và đặc tớnh điện quan trọng nhất của bỏn dẫn loại N là cú hạt dẫn đa số là điện tử cũn hạt dẫn thiểu số là lỗ trống.
b. Bỏn dẫn loại P (bỏn dẫn loại nhận, pha tạp chất acceptor)
Khi đa tạp chất là nguyờn tử của nguyờn tố nhúm III vào bỏn dẫn thuần thỡ ta cú bỏn dẫn loại P.
Ví dơ: pha Ga, In, B (nhóm III) vào bán dẫn nỊn Ge (nhóm IV)
Nguyờn tử tạp chất cú 3 điện tử ở lớp ngoài cựng nhng chỳng lại phải thiết lập 4 mối liờn kết cộng hoỏ trị với 4 nguyờn tử Si hoặc Ge bờn cạnh. Do đú mối liờn kết thứ 4 cú một lỗ trống. Cỏc điện tử bờn cạnh sẽ nhảy sang để lấp đầy vào lỗ trống này và nguyờn tử tạp chất sẽ trở thành ion õm cũn nguyờn tử cú điện tử vừa rời đi trở thành ion dơng cố định. Tạp chất nhúm III vỡ vậy đợc gọi là tạp chất nhận (hay tạp chất acceptor). Vỡ vậy, đặc tớnh điện quan trọng nhất của bỏn dẫn loại P là cú hạt dẫn đa số là lỗ trống và hạt dẫn thiểu số là điện tử.
Kết luận: Qỳa trỡnh pha tạp chất vào bỏn dẫn nguyờn tớnh khụng chỉ làm tăng độ dẫn điện mà cũn
tạo ra một chất dẫn điƯn có điƯn tư chiếm −u thế (loại N) hay lỗ trống chiếm u thế (loại P). Nghĩa là, nếu để tạo thành dũng điện thỡ sự di chuyển của cỏc hạt dẫn đa số mới cú ý nghĩ
* Ngoài cỏc loại bỏn dẫn kể trờn, hiện nay ngời ta quan tõm nhiều tới một số hỵp chất oxit kim loại cũng cú những tớnh chất nh− các chất bán dẫn thuần tuý. Đú chớnh là cụng nghệ MOS (metal-oxide semiconductor) và CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). Đặc điểm nổi trội của cỏc thiết bị MOS và CMOS là chỳng hầu nh khụng cần bất cứ năng lợng nào để hoạt động. Chỳng cần ớt năng lợng đến nỗi mà một viờn pin ở trờn thiết bị MOS hay CMOS sẽ kéo dài thời gian sư dơng cho đến khi nào nú cũn nằm trờn giỏ của nú. Thờm nữa, cỏc thiết bị MOS và CMOS cú tốc độ rất ca Điều này cho phộp nú hoạt động ở tần số cao và cú khả năng thực hiƯn nhiỊu phép tính trờn giõ Ngày càng cú nhiều transistor và mạch tớch hợp sử dụng cụng nghệ MOS
Kỹ tht điƯn tử 40
và CMOS vỡ nú cho phộp một số lợng lớn diode và transistor riờng biệt nằm trờn một chip đơn. Núi cỏch khỏc, cụng nghệ MOS/CMOS cú mật độ tớch hợp cao hơn. Tuy nhiờn, vấn đề lớn nhất đối với MOS và CMOS đú là cỏc thiết bị dễ bị h hỏng vỡ tĩnh điện.
IỊ Diode
“Diode” nghĩa là “hai nguyờn tố. Trong những năm đầu của điện tử và vụ tuyến, hầu hết cỏc diode là cỏc ống chõn khụng hai cực. Catot phỏt ra cỏc điện tử và anot sẽ thu cỏc điện tử đú. Trong cỏc ống chõn khụng này điện ỏp của catot và anot lờn tới hàng trăm thậm chớ hàng ngàn Volt một chiềụ
Ngày nay, khi núi tới diode chỳng ta hỡnh dung đú là khụng phải là ống chõn khụng nặng nề mà chỉ là cỏc mẫu nhỏ làm từ silicon hoặc cỏc vật liệu bỏn dẫn khỏc, ngời ta gọi đú là diode bỏn dẫn. Diode bỏn dẫn cú những đặc tớnh tuyệt vời mà ống chõn khụng khụng thể cú và chỳng đợc ứng dụng rất rộng rÃi trong ngành kỹ thuật điện tử. Phần dới đõy sẽ giới thiệu chi tiết diode bỏn dẫn.
1. Cấu tạo và ký hiệu
Diode bỏn dẫn là một linh kiện điện tử gồm 1 chuyển tiếp P - N và 2 chõn cực anốt nối với bán dẫn P và catốt nối với bỏn dẫn N.
Hỡnh dạng thực tế của một số loại diode
2. Nguyờn tắc làm việc, đặc tuyến Von-ampe của diode
+ Nguyờn tắc làm việc cđa diode
Dựa trên tính chất dẫn điƯn một chiỊu cđa chun tiếp P - N. Khi đ−a điƯn ỏp ngoài cú cực dơng nối vào anốt, cực õm nối vào catốt (UAK > 0) thì diode sẽ dẫn điện và trong mạch cú dũng điện chạy qua (coi nh ngắn mạch). Khi điện tử dịch chuyển từ bờn N (catot) sang bên P (anot) do sự chênh lƯch nồng độ thỡ sự thiếu hụt này sẽ đợc cực âm của nguồn pin cung cấp. Đồng thời, cực