Elektronik 2

Klaus Beuth

Bauelemente18., überarbeitete Auflage

unter Mitarbeit von Olaf Beuth

V ogel Buchverlag

Der Lizenzgeber (Vogel Industrie Medien) überträgt dem Lizenznehmer (Higher Educational and Vocational Book JSC Hanoi) das ausshliesstiche Recht zur Veröffentlichung in Buch form dis Verkes in Vietnam.

Cuốn sách được xuất bản theo hợp đồng chuyển nhượng bản quyền giữa Công ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục và Nhà xuất bản Vogeỉ Bucheverlag Würzburg.

© Bản quyền tiếng Việt thuộc HEVOBCO - Nhà xuất bản Giáo dục

183-2008/CXB/l5-363/GD Mã số: 7K755Y8 - DAI

LỜI Glớ l THIỆU

Cùng với cuô"n *'Mạch điện tử’’, cuôn "Linh kiện điện tử" hỢp thành hai trong bộ sách quan trọng nhất phục vụ cho lĩnh vực đào tạo ngành điện tử tin học - điện tử viễn thông đã được NXB ’’Vogel Buchverlag" - Cộng hoà Liên bang Đức xuât bản.

CuôVi "Linh kiện điộn tử” được chúng tôi lựa chọn mua bản quyền và dịch sang tiếng Việt vì đây là cuô"n sách có nội dung tốt, đã được xuất bản đô"n lần thứ 18 và đã được nhiều nước như: Trung Quốc, Ân Độ... mua bản quyền.

Cuôn ”Linh kiện điện tử" gồm 14 chương, nội dung xuyên suô"t của 14 chương là những vấn đề râ't cơ bản về cấc linh kiện điện tử, từ cấu tạo, đặc diểm công nghệ chế tạo, nguyên lý làm việc, phạm vi ứng dụng đã được các tác giả trình bày một cách ngắn gọn, dễ hiểu và súc tích. Kết thúc mỗi chương đều có câu hỏi, bài tập giúp người học ôn tập và kiểm tra những nội dung đã học. Sách sỗ là giáo trình, tài liộu tham khảo bổ ích cho nhiều đối tưỢng và trình độ khác nhau trong lĩnh vực điện tử viễn thông, đo lường điổu khiển, tự động hoá...

Viộc chuyển đổi ngôn ngữ từ tiếng Đức sang tiếng Việt cũng như lựa chọn một hệ thông ký hiệu đã được chuẩn hoá sao cho phù hỢp và truyền tải trung thành những nội dưng của bản gôc sang tiếng Việt một cách đơn giản, dỗ hiểu gặp không ít khó khăn, nhưng người dịch là nhà giáo đã có nhiều kinh nghiệm giảng dạy môn "Linh kiộn điện tử” và đã được đào tạo ỏ Cộng hoà Liên bang Đức nên nhiểư vấn đề phức tạp gặp phải trong quá trình dịch đã đưỢc khắc phục.

Mặc dù người dịch đã có nhiều cô" gắng, nhưng chắc chắn không tránh khỏi còn những sai sót, mong bạn đọc thông cảm và mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Công ty Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục “ 25, Hàn Thuyên, Hà Nội.

Chúng tôi hy vọng cuôn "Linh kiện điện tử” sỗ là tài liệu bổ ích đốì với ĩihững ai học tập và quan tâm đô"n lĩnh vực kỹ thuật điện tử.

Chúng tôi sẽ tiô"p tục tim kiếm các giáo trình, sách tham khảo có nội dung tô"t đã được xuất bản ỏ các quốc gia có nền giáo dục truyền thống, tiên tiên khác nhau để chuyển sang tiếng Việt giúp cho nguồn tài liệu phục vụ Dạy và Học thêm phong phú, tiếp cận trình độ Dạy và Học tiên tiến, đáp ứng các yẻư cầu ngày càng nâng cao của sự nghiệp đổi mới giáo dục.

Nhân dịp xuất bản lần đầu cuốh ”Linh kiện điện tử" được dịch từ tiếng Đức sang tiêng Việt, chúng tôi xin gửi lòi cảm ơn đến Nhà xuất bản Vogel Buchverlag — Cộng hoà Liên bang Đức, tới các dịch giả về sự chia sẻ trong quá trình hỢp tác cũng như lời cảm ơn chân thành tới sự quan tâm, đón nhận và những đóng góp của bạn đọc gần xa. Mong rằng sự hỢp tác sẽ đưỢc tiếp tục.

NHÀ XUẤT BẤN GIÁO DỤC

LÒI MỞ ĐẦU

Cuôn "Linh kiện điện tử” đưỢc tái bản lần thứ 18 vào năm 2006 nằm trong bộ sách của Nhà xuất bản "Vogel ßuchverlag” do nhiều tác giả biên soạn. Bộ sách gồm 8 cuốn:

• Điện tử 1: Cơ sở kỹ thuật điện - Heinz Meister.• Điện tử 2 : Linh kiện điộn lử - Klaus Beuth.• Điện tử 3: Mạch điện tử - Klaus Beulh và Wolfgang Schinusch.• Điện tử 4: Kỷ thuật sô"- Klaus Beuth.

Điện tử 5: Kỹ thuật vi xử Iv - Helmut Miller và Lothar Wolz.• Điện tu G: Kỹ Ihuật đo lường - Wolfgang Schmusch.• Điện tử 7: Kỹ thuật thông tin viễn thông - Klaus Beuth và Günther Kurz.• Điện tử 8 : Kỹ thưậl Sensor ” Wolfgang Schmusch,Cuôn ’’Linh kiộn điộn tử" cùng cuôn "Mạch điộn tử" cung cấp cho bạn dọc

cấc kiôn Ihức cơ sở làm nền tảng trong ngành kỹ thuật điộn tử viễn thồng.Trong quá trình biôn soạn, các tác giả đã cô" gắng thể hiộn nội dung rõ

ràng, hộ thông hoá kiôn thức và kêt hỢp với các đồ thi, hình vẽ vói nhiều chitiet có tính sư phạm cao, cộp ĩìhộp kiôn thức mới thổ hiộn dưói dạng ngônngữ kỹ thuật đơn giản, dỗ tiôp cận và dễ nhớ không đòi hỏi người đọc phải có kiến thức toán cao cấp. Nội dung có chứa nhiều ví dụ và bài tập có lính thực tiễn đế người đọc củng cô" kic"n thức và có hứng thú vận dụng trong thực tế kỹ thuật.

ĐỐI tượng bạn đọc mà các tác giả muôn hướng tới để cung cấp tài liệu học tập hoặc tham khảo bổ ích thiết thực là tương đôi rộng rãi: Sinh viên, kỹ sư, kỹ thuật viên hay công nhân kỹ thuật. Các đổi tưỢng muôn tự học đổ nâng cao kiôn thức cơ sỏ của chuyên ngành cũng sẽ tìm được ở bộ sách này những thông tin hữu ích.

KLAUS BEUTH

4

Chương 1

KỸ THỈlệT ĐO DÙNG MÁY HIỆN SÓNG (OXYLO)

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG

Máy hiện sóng (oxylo) là một thiết bị thông dụng và đa năng dùng để quan sát và tiến hành đo lường dạng tín hiệu, có thể lưu kết quả nhò cơ cấu nhớ. Tên gọi “Oszillograph” bắt nguồn từ gôc La tinh “Oscillare - dao động” và từ gốc Hy Lạp “grafein - ghi”. Như vậy Oxylogiaf t;ó tìiể dịch nghĩa là bộ ghi lại dac động gồm £ chức năng chính: giữ lại dao động, hiển thị và ghi lại nó. Ngoài ra tên gọi Oxyloscop có ý nghĩa chỉ gồm chức năng quan sát dao động.

Nhờ Oxy/oscop có thể quan sàt một dao động điện áp biến thiên theo thời gian thông qua đồ thị thời gian của nó trên màn ảnh: u = f(t).

% \Jr > ơ=:/llf) /

/ \/ V\ /

\

{ \\ /

\ yU2

Hình 1.1. Đổ thị thòỉ gian của một điện áp.

Hình 1.2. Đồ thị quan hệ phụ thuộc của vào Uj.

i

r - i / V\

/if— \\ / = t) i

/* 'Ỷ'" ỉf\N //

VV fi t/t

V— — ---

\ _ i~T'~ệ

</

Hinh 1.3. Biên đoi dòng điện I thành một điện áp tưdng đưđng, đổ thị thòi gian của dòng diện.

Tiếp theo có thể hiển thị môl quan hộ hàm sô" giữa hai điện áp Ui = f(Uọ) (hình 1.2). Với các dòng điện I(t), không thể biểu diễn trực tiếp mà cho I chảy qua một điện trở II để nhận được điện áp Ur tương đương (tỷ lệ) có cùng quy luật với I(t) và việc hiển thị I(t) được thực hiện gián tiếp qua ƯR(t) (hình 1.3).

Tương tự vói việc biểu diễn các đại lượng khác như đường sức từ B(t), cưòng độ từ trường H(t) hay tần số f(t), trước tiên cần biến đổi

chúng về một diện áp tương đương có cùng quy luật biến thiôn, sau đó hiển thị điện áp tương dương này. Mọi phép quan sát hoặc đo lường dưỢc thực hiện một cách gián tiếp qua điện áp tương đương,

1.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY HIỆN SÓNG

Nhờ một chùm tia điện tử đưỢc tạo ra từ một “súng điện tử” của ôVig tia điện tử (xem chưđng 14), các dạng diện áp u = f(t) hay Ui = f(U2) được hiển thị trên màn ảnh của ô"ng tia (hình 1.4). Các tia điện tử được gia tốc chuyển động nhanh dọc theo trục ô"ng tia và được lái lộch quỹ đạo tạo thành các đường quét phát sáng trên màn hình từ trên xuông dưới và từ phải qua trái nhờ một hệ thông lái tia đặt trong lòng ống tia (loai diều khiển lái tia bằng điện trường - hình 1.5 và hình 1.6).

fVi I

------------ỆĐiểm sáng

Súng điện tử Ỹ2

Hình 1.4. Cấu tạo cơ bàn của một ống tia điện tử.

Hình 1.5. Nguyên lý làm lệch (lái) tia điện tử theo chiểu dọc.

Một cặp phiến điện cực điều khiển tia lệch theo phương thẳng đứng nhờ điện áp đặt vào chúng gọi là cặp phiến Y.

Tương tự, một cặp phiến làm lệch tia theo phương nằm ngang gọi là cặp phiến X.

Nhờ hệ thông lái tia này, một tia điện tử có thể quét đến mỗi điểm trên màn hiện thị. Trong oxylo loại 2 tia, ông tia điện tử có 2 súng điện tử tạo ra hai tia và do đó có hai hệ thốhg hội tụ và làm lệch tia độc lập nhau, thông thường do nhu cầu sử dụng loại 2 tia, cặp phiôn lệch đứng độc lập còn cặp phiến lệch ngang được sử dụng chung và do dó hai tín hiệu được hiển thị đồng thời trên màn và có thổ được so sánh với nhau nhờ việc quét ngang chung.

Độ lệch tia trên màn (hiệu quả của việc lái tia bằng điện áp trên các phiến lệch) đượe đánh giá nhò hệ số lái tia hay độ nhậy lái tia tính theo v/cm . Đơn vị v/cm được định nghĩa là cần bao nhiêu volt để làm lệch tia đi được 1 cm theo chiều ngang hoặc theo chiều đứng.

Khi điện áp tác động vào phiến có giá trị nhỏ (hơn IV) cần dùng các mạch khuếch đại điện áp trước khi đưa tới các cặp phiến làm lệch (hình 1.7 và 1.8) - được gọi tương ứng là bộ khuếch đại X (cho điện áp làm lệch ngang) và bộ khuếch đại Y (cho điện áp làm lệch đứng).

Các bộ khuếch đại X và khuếch đại Y có thể thay đổi hệ số khuếch đại, theo từng thang (từng bậc) và thay đổi liên tục trong 1 thang đà chọn. Khi diện áp vào khá lớn, thưòng có bộ suy giảm (làm yếu tín hiệu cần quan sát) đưỢc sử dụng tại lổì vào như hình 1.9. Hình 1.10 thể hiện sơ đồ khối tổng quát của một máy hiện sóng, bao gồm các khôi cơ bản nhất. Các lôì vào X và lôi vào Y là không đốl xứng luôn có một cực tiếp đất (OV) và có điện trở vào khoảng vài MQ.

Tín hiệu Y đặt tói lối vào Y, qua bộ suy giảm Y, qua bộ khuếch đại Y, đặt tói cặp phiến lệch Y.

Hình 1.7. Bộ khuếch đại Y có thể điểu chỉnh hệ số khuếch đại liên tục hay

từng nấc.

Hình 1.8. Bộ khuếch đại X, có thể điểu chỉnh hệ số khuếch đại liên tục hay

từng nấc.

Bộ khuêch đại Y thưòng là bộ khuếch đại một chiều (xem chương 4), nó khuếch đại cả thành phần một chiều của tín hiệu Y. Khi không mucm biểu diễn thành phần một chiều này, có thể nối một tụ điện phía trước nhò một chuyển mạch có ghi rõ “chuyển mạch AC/DC”.

AC; dòng điện hoặc điện áp xoay chiểu (biến thiên theo thời gian).

DC: dòng điện hoặc điện áp một chiều (không đổi theo thòi gian), khi ở vị trí AC thì tụ c được nôl vào.

Đầu vào

-o~o

-o Đầu ra

Tín hiệu X đặt tới lối vào X, qua bộ suy giảm X, qua bộ khuếch đại X đặt tới phiến làm lệch X.

— r *Hình 1.9. Cấu tạo bộ suy giảm

đầu vào X hoặc đầu vào Y.

7

Tín hiệu trên màn ảnh có thể đưỢc dịch chuyển theo hai chiều: thẳng đứng và dịch ngang theo ý muôn của ngưòi sử dụng (đang quan sát tín hiệu). Khi đó cần bổ sung vào tín hiệu Y (cho dịch chiều đứng tại phiến làm lộch Y) hoặc vào tín hiệu X (cho dịch chiềư ngang, tại phiến làm lệch X) các giá trị điện áp một chiều thích hỢp. Các chức năng trên do tầng “dịch T ’ hay tầng '‘dịch X” thực hiện. Khi đó tia điện tử được dịch tịnh tiến theo chiều tương ứng tùy giá trị và cực tính của các điện áp một chiều này.

Chuyển mạch AC-DC

Hình 1.10. Cấu trúc khối của một Oxylo.

Hình 1.11. Đổ thị điện áp khi dịch đứng (lên).

N

/ \ \c:'-

V y

Hình 1.12. Đồ thị điện áp khi dịch ngang (phải).

Khi muôn thể hiện sự phụ thuộc hàm sô" của điện áp theo thời gian, cần duy trì tôc độ quót cửa tia điện tử (từ trái qua phải) không

đổi. Nghĩa là thời gian làm lệch tia cố định theo một dòng quét (ví dụ thòi gian quét (chu kỳ quét) một dòng từ trái qua phải là 1/50 giây).Điện áp thực hiện việc lái tia đưỢc gọi là diện áp quét, có dạng răngcưa (hình 1.13) được tạo ra từ một bộ phát xung răng cưa:

Tần số của điện áp răng cưa có thể thay đổi theo nhiều thang và thay đổi liên tục trong mỗi thang. Tần sô" nàv càng lớn thì tốc độ quét của tia điện tử càng nhanh.

Khi muốn hiển thị một chu kỳ điện áp hình sin, tín hiệu này cần đưa tới lối vào Y; điện áp ràng cưa đưỢc đưa tồi lôi vào X. Chu kỳ của hai điện áp này phải bằng nhau (hình 1.14, Tx = Tv).

.Chu kỳ ■ lặp ĩHỉnh 1,13. Điện áp quét dạng

răng cưa.

Hinh 1.14. Quan hệ giữa chu kỳ của tín hiệu Y và chu kỳ của điện áp răng cưa.

Nếu Ty hình trên màn sẽ không đứng vững (bị trôi đi)Nếu Tx = 2Ty trên màn sẽ xuất hiện hai chu kỳ tín hiệu hình sin.

Ta chỉ nhận được hình vũng trên màn khi bằng bội sổ nguyên của Ty.

Ta nói tín hiệu cần quan sát Uy và tín hiệu quét ngang Ux được đồng bộ nhau về tần sô". Có thể thực hiện việc đồng bộ bằng điều chỉnh tay nhưng khá khó khăn, các oxylo ngày nay được đặt ỏ chế độ tự động bám đồng bộ nhờ khối đồng bộ trong cấu trúc hình 1.10 .

Tầng đồng bộ có thể hoạt động ở các chê” độ khác nhau như;• Đồng bộ theo lưới điện 50Hz.

• Đồng bộ theo các điện áp ngoài đặt vào để điều khiển.• Chế độ tự đồng bộ khi tín hiệu Y trực tiếp đưỢc sử dụng (bằng

cách trích ra) để điều khiển đồng bộ tín hiệu X.

ở chô’ độ tự đồng bộ, chuyển mạch chọn chế độ đồng bộ ỏ vỊ trí “+” là chọn phần dưđng của tín hiệu Y; còn ở vị trí ” là chọn phần âm của tín hiệu Y.

Khôi nguồn nuôi cung cấp các mức điện áp khác nhau cho oxylo. Khối nguồn cao áp điều khiển cường độ dòng tia điện tử và do vậy điều khiển dộ sáng của hình ảnh trên màn. Ngoài ra việc điều chỉnh các giá trị điện áp một chiều vào các điện cực của ông tia điện tử có thể thay đổi độ hội tụ (độ nét) của tia điện tử. Các chiết áp điều chỉnh độ sáng hay độ nét đều được đặt ở phía ngoài mặt trước oxylo cho người sử dụng thao tác khi cần hình ảnh rõ nét theo ý muôVi.

1.3. SỬ DỤNG MÁY HIỆN SÓNG

Có rết nhiều chuyển mạch và các núm điều chỉnh trên mặt trưốc oxylo. Thường chúng được ghi ký hiệu và thông tin cần thiết cho người sử dụng, do nguồn gô"c sản xuất rất đa dạng nên không có quy tắc chung cho việc ký hiệu này. Do sử dụng ô"ng tia điện tử, việc khởi động oxylo cần có thời gian vài chục giây tối vài phút để tạo tia cho tới khi có tia quét ngang trên màn ảnh. Điều chỉnh độ sáng của tia Ihích hỢp; điều chỉnh các núm dịch X và dịch Y cho tia nằm chính giữa màn hình. Chọn thồi gian làm lệch (thời gian quét) thích hỢp. Chọn độ nét tia phù hỢp.

r

>\ ......

1ị

¡Oms

Hình 1.15. Chuẩn thang cho lệch Y.

Hình 1.16. Biểu diễn đường hình sin có biên độ 20mV và tẩn số 6,67kHz.

Tùy theo tín hiệu Y cần quan sát (về tần sô" và về biên độ) cần chọn các chế độ của oxylo cho phù hỢp, đưỢc gọi là chuẩn thang chia chiều đứng (V/cm) và chiều ngang (ms/1 thang chia). Ví dụ trên hình 1.15 có chuẩn thang chiểu đứng là 0 ,lV/cm (khi điện áp đặt tới phiến lệchY thay đổi 0 , 1V thì tia dịch đi Icm theo chiều đứng).

10

Giá trị chuẩn theo trục ngang là lOms/1 thang chia (tia quét ngang đưỢc 1 đơn vị thang chia cần 1 thời gian là lOms).

Việc chuẩn thang chia là quan trọng nhất trong việc đo đạc các tham sô"của tín hiệu Y đang quan sát.

Vi du: Bộ làm lệch Y của một oxylo đưỢc đặt ở lOmV/1 đơn vị thang chia và độ lệch thời gian đặt là 25ms/l đơn vị thang chia.

Như trên hình 1.16 xuất hiện điện áp hình sin trên màn ảnh. Hãy tính giá trị biên độ đỉnh và tần sô của dao động đang quan sát. Thoo trục thời gian: 1 chu kỳ hình ảnh chiếm khoảng 6 ô (6 đơn vị cl' Ì£. ngar g) v ậ y chu kỳ T = 6 25|L,S = loCfis.

Theo trục thẳng đứng biôn độ hình ảnh từ đỉnh tới đỉnh chiếm 4Ô (4 đơn vị chia dọc), vậy biên độ đĩnh - đỉnh của hình ảnh là:

4.10mV = 40mV Biên độ đỉnh; ù = 20mV

Tần sô"của tín hiệu f = ^ = — ỉ— « 6,67 kHzT 150 Ị.IS

Có loại oxylo không có chuẩn thang chia bên trong, khi đó cầnchuẩn từ các điện áp Uy và biết trước đặt vào đầu vào tương ứngđể chuẩn từ ngoài, sau đó mới đưa tín hiệu cần đo vào để so sánh với các mẫu dơn vị chia vừa có, nếu chưa phù hỢp cần chuẩn lại. Tuy nhiôn các thế hệ oxylo sau này được chuẩn thang một cách tự động và đa dạng.

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 . Việc điều khiổn tia điện tử lệch ngang và lệch đứng xảy ra trong ông tia diện tử như thế nào?

2 . Nhiệm vụ của bộ khuếch đại Y.3. Bộ tạo điện áp răng cưa dùng vào việc gì?4. Cần hiểu “sự đồng bộ” trong oxylo như thế nào?5. Chuyển mạch AC - DC trong mỗi oxylo có ý nghĩa gì?6 . Trục thời gian trên màn hình oxylo đưỢc tạo ra như thế nào?7. Việc chuẩn độ lệch ngang có ý nghĩa gì?8 . Nhiệm vụ của tầng Trigơ trong cấu trúc khối của oxylo hình 1 .10 .

11

Chương 2

ĐIỆN TRỞ TUYỂN TÍNH VÀ ĐIỆN TRỞ PHI TaYẾN

2.1. CÁC TÍNH CHẤT CHUNG

Điện áp và dòng điện là hai thông sô xác định trạng thái về điện của một phần tử trong mạch điện. Quan hệ giữa 2 đại lượng này là không độc lập, phụ thuộc lẫn nhau. Nếu coi điện áp tác động lên phần tử là biến số thì dòng đi qua phần tử là hàm sô", ta có quan hệ hàm 1 = f(u). ở đây quan hộ hàm f đưỢc định nghĩa là trỏ kháng hay điện trở của phần tử đang xét.

Điện trở tuyến tính là các phần tử điện trỏ có đặc tuyến i = f(u) là môt đường thẳng (hình 2.1).

Trường hỢp điển hình là tồn lại môi quan hộ

tuyến tính I = — u với hệ số’R

R =uI

được định nghĩa là

điện trở thuần của một phần tử và quan hộ hàm số này là định luật ôm cho một điện trở thuần.

Đặc tuyến I - u đôi với một sô điện trỏ đưỢc cho trôn hình 2.2. Mức độ dốc hay tga đưỢc định nghĩa là diện dẫn của phân tử.

AI 1tga = — - = „ = G

AU R

Điện trở tuyên tính còn được gọi là điện trỏ Omíc, nó tuân theo định luật Om.

Hình 2.1. Điện tuyến I - u tuyến tính của một diện trỏ thuần.

Hình 2.2. Điện tuyến tuyến tính vổi các giá trị diện trỏ khác nhau.

Điện trở phi tuyển là các điện trở có đặc tuyến I - u dạng phi tuyến.

12

Hình 2.3 là đặc tính I - u của một điện trở phi tuyến, ở đây quan hệ dòng điện và điện áp trên phần tử không là tỷ lệ, không áp dụng đưỢc định luật Ôm cho phần tử loại này. Nếu ta chỉ chú ý tói một đoạn nhỏ trên đặc tuyến hình 2-4, có thể coi trong phạm vi hẹp này (từ P) tới Pv) phần tử được tuyến tính hóa, quan hệ dòng điện và điện áp trong vùng hẹp gần như đưòng thẳng. Điện trở vi phân của phần tử theo định nghĩa là tỷ sô" các vi phân điện áp và dòng điện:

AUr =

AI

Hình 2.3. Đặc tuyến I - U của một điện trở phi tuyến tính.

Hinh 2.4. Tuyến tính hoá trong đoạn p, - P2

của một đặc tuyến phi tuyến tính.

Điện trỏ vi phân r, thể hiện sự biến thiên nhỏ của I và u trong một vùng đủ hẹp của đặc tuyến đang quan tâm.

Các phần tử có diện trở phi tuyến chiêm số lượng và chủng loại đa sô" như diot bán dẫn, transito, thyristo, ôVig tia diện tử, các loại nhiệt diện trở, áp điộn trở,...

Các diện trỏ đưỢc phân thành 2 nhóm: nhóm có giá trị điện trở cố định và nhóm có giá trị thay dổi dược, chúng dểu có tham sô" đánh giá khả năng chịu tải là lượng công sutít diện biến đổi thành công suất nhiệt tỏa trên diện trở. Khả năng chịu tải phụ thuộc dạng điện trở, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ tổì đa cho phép trôn điện trở được đánh giá qua tham sô" diện trở nhiệt Ru,u-

RniU

ở đây p là khả năng chịu tải của điện trở tính bằng Watt (W) là nhiệt độ tôl đa cho phép trên điộn trở.

là nhiệt độ môi trường không khí.Giữa giá trị điện trở thực và giá trị điện trở do nhà sản xuất

13

muốn có luôn có sự khác biệt gọi là dung sai (sai sô) của điện trở. Thường dung sai được tính theo phần trăm tỷ sô" giữa độ lệch và giá trị muôn có; 0 ,1% vối loại có độ chính xác cao hoặc 2 0 % vối loại kém chính xác.

2.2. ĐiỆN TRỎ CÓ GIÁ TRỊ cố ĐỊNH

2,2.1. Các tính chất

Píhi chế tạo, chúng là các điện trỏ có giá trị cô" định sẵn xác định qua giá trị danh định, công suất (khà năng chịu tải_, sai số tương đôi, thời hạn sử dụng hay mức già hóa.

Các giá trị danh định của điện trở đưỢc sản x u ấ t theo seri các sô" liệu chuẩn thổ hiện trên bảng hình 2.5.

; | | ía |;ìỆị'";.!!

m 'i 1.2

6,8

E 12(iio*/.) 1,8 2.2 2,7 3,3 3,9 5.6 6:8 8,2

E 2-4 ( í 5V.) 1,1 ị 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2A 2,7 3.0 3,3 3,6 3.9 «,3 5.1 5.6 6.2 6fi 7,5 0.2 9,1

Hình 2.5. Giá trị tiêu chuẩn IBC của điện trỏ Seri E6, E12 và E24

Khi muôn một giá trị cụ thể nào đó, cần chọn giá trị điện trở có giá trị chuẩn gần giá trị muôn có nhất hoặc phải dùng loại điện trở có thổ thay dổi đưỢc giá trị (biến trở).

Các loại mẫu ký hiệu seri E6 E12 E24 được dùng phổ biến. Giá trị điện trở đưỢc ký h iệu theo mã màu quô"c t ế là các vòng m àu khác nhau bô" trí trên thân điện trở. Giá trị sai sô" cũng được thề’ hiện bằng vòng màu hoặc chữ cái ký hiệu cuôl cùng trên thân điện trở (xem bảng màu quy ước).

Các loạt điện trở mã ký hiệu E6 có sai số ±2 0 % với các giá trị danh đinh là:

1Q 1.5Q 2.2Q 3,3fì 4,7Q 6.8Í1 8.1Q

10Q 15Q 220 33Q 47Q 68fỉ 81Q

100Q 150Q 220Q 330Q 470Q 680Q 810Q

1kQ 1,5kQ 2,2kQ 3,3kQ 4,7kQ 6,8kQ 8,1kQ

10kQ 15kQ 22kQ 33kQ 47kQ 68kQ 81kr2...v.v...

14

Laại E12 có sai sô ±10%, E24: ±5%; E48: ±2%; E96; ±1% và E192: ±0,5%. Dải thăng giáng giá trị xung quanh trị danh định cho loại E6 cho

trên hình 2.6 với các giá trị điện trở từ l f ì đến 6 ,8 Í -

Công suất cho trong dải đanh định: 0,05W; 0,1W; 0,25W; 0,5W; 1W; 2W; 3W; 6W; 10W; 20W xét ở nhiệt độ môi trường, ví dụ 50°c, khi nhiệt độ môi trường cao hơn, giá trị công suất danh định đã cho của diện trỏ bị giảm.

BẢNG MÃ MÀU QUY ĐỊNH QUỐC TỂ CHO LOẠI 4 VÒNG MÀU(E6, E12, E24)

MàuVòng 1

giá trị số thứ nhất

Vòng 2 giá trị số thứ hai

Vòng 3 giá trị hệ số thập phân

Vòng 4 sai sô'

Không màu — — ± 20%Bạc nhũ — — 10-^Q ± 10%Vàng đồng — — 10-’ Q ±5%Đen 0 0 10° Q

Nâu 1 1 10 Q ± 1%Đỏ 2 2 10^Q ±2%Da cam 3 3 10^QVàng 4 4 lO-'QXanh lá 5 5 10®Q 0,5%Xanh da trời 6 6 10®Q

Tím 7 7 10^Q

Xám 8 8 10® QTrắng 9 9 10®Q

15

Vỉ dụ:Vàng Tím Đỏ Vàng đồng

4 7 10^Q ± 5% = 4700Q ± 5%Xanh da trời Xám Xanh da trời

6 8 10® Q ± 20% = 68MQ ± 20%Nâu Xanh lá Da cam Bạc

1 5 lO^Q + 10% = 15kQ ± 10%

BẢNG MÃ MÀU QUỐC TỂ CHO LOẠI ĐIỆN TRỞ c ó 5 VẠCH MÀU(E48, E96, E142)

Màu Vòng 1 giá trị số thứ nhất

Vòng 2 giá trị sô thứ hai

Vòng 3 giá trị số thứ ba

Vòng 4 hệ số

lũy thừa

Vòng 5 sai số

Không màu — — — 1 + 20%Bạc — — — 10-^ Q ± 10%

Vàng đồng — — — 1 0 -'Q ± 5%Đen 0 0 0 10°QNâu 1 1 1 10’ Q ± 1%Đỏ 2 2 2 10^Q ±2%

Da cam 3 3 3Vàng 4 4 4 lO^Q

Xanh lá 5 5 5 0,5%Xanh da trời 6 6 6 10® Q

Tím Xám

1 Trắng

78 9

78 9

78 9

10' í ì 10®Q 10®Q

Ví dư:Nâu Xám Tím Da cam Đỏ

1 8 7 10^Q ± 2% = 187KQ ± 2%Cam Xám Xanh lá Vàng đồng Nâu

3 8 5 1 0 -'Q ± 1% = 38,5n ± 1%Trắng Tím Xanh da trời Bac Xanh lá

9 7 6 10-^ Q ± 5% = 9,76 Q ± 0,5%Hệ S ố thập phân

Số giá trị 2 \ / Sai sốSố giá trị 1'

Số giá trị 2Số giá trị 3

Hệ số thập phân / Sai số

r ------- \

1 E i

'T- C\J coCTJ CJ) Ợ) ODc c c c -o -o 'O > > > >

' I - <\J ơ) ưìCTJ ro Oí ơì cnc c c c c'O 'O 'O 'O 'P> > > > >

Hình 2.6a. Phân bô vòng màu quốc tế (loại 4 vòng).

Hình 2.6b. Phân bố vòng màu loại 5 vòng theo quy định quốc tế.

16

BẢNG CÁC GIÁ TRỊ CHUẨN c ủ a đ iệ n t r ở n h ó m E48 (±2%) VÀ E96 (±1%)

E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96 E48 E96

100 100 133 133 178 178 237 237 316 316 422 422 562 562 750 750

102 137 182 243 324 432 576 768

105 105 140 140 187 187 249 249 332 332 442 442 590 590 787 787

107 143 191 255 340 453 604 806

11Q 110 147 147 196 196 261 261 348 348 464 464 619 619 825 825

113 150 200 267 357 475 634 845

115 '|15 154 154 205 205 274 274 365 365 487 487 649 649 866 866

118 158 210 280 374 499 665 887

121 121 162 162 215 215 287 287 383 383 511 511 681 681 909 909

124 165 221 294 392 523 698 931

127 127 169 169 226 226 301 301 402 402 536 536 715 715 953 953

130 174 232 309 412 549 732 976

2.2.2. Các dạng câu tạo của điện trỏ

2.2.2.1. Điện trở lớpTrên thân lõi ô"ng bằng gô"m sứ hay thủy tinh, trong chân không,

một lớp mỏng (từ 0 ,0 0 1 p,m đến 2 0 |.im) vật liệu dẫn điện được phủ lên nhò phương pháp công nghệ nhúng hay khuếch tán hdi. Các loại vật liệu làm lớp điện trở thường dùng là than, kim loại (kể cả kim loại hiếm) hay oxyt kim loại. Giá trị điện trỏ phụ thuộc vào vật liệu được chọn, vào thòi gian bám phủ (hay độ dầy lớp bám phủ). Các hình dạng lớp phủ kiểu bốc bay trong chân không được cho trên hình 2.7 hoặc 2.8. Cấu hình lớp điện trỏ cho trên hình 2.9. Bên ngoài phần đưa chân ra thường dùng nồi kim loại chụp hai đầu, phủ các hỢp chất chông cháy, chông xâm thực của môi trường và ổn định về cơ học. Gần đây các điện trở đưỢc chế tạo cấu hình đưa chân ra về một phía (hình 2.11). Thân trụ gốm được thay bằng một bề mặt gôm trên đó đã cho lớp vật liệu bô"c bay bám trên bề mặt. Hiện nay công nghệ chê tạo điện trở thực hiện lắp ráp ngay vối các phân tử liên quan theo một mặt phẳng xác định (gọi là công nghệ lắp ráp bề mặt SMD - Surface Mounted Device). Hình 2 .1 2d chỉ ra cấu tạo điển hình của một điện trở SMD trên bề mặt một phiến dẫn điện.

2-LKĐIỆNTỬ 17

C B H H Ĩ

7

Hình 2.7. Điện trỏ với các Idp uốn lượn

ĩi[ĩifỉiní]n " từ các đường díc dắc

Hình 2.8. Điện trở với các lớp gấp khúc

Điện trở không có nồi nắp và mặt cắt của nó

\Điện trở nồi nắp kim ioạị

Hình 2.9. Các dạng câ'u tạo điện trỏ lốp

A

Hình 2.10. Một dạng điện trả

ẲrHình 2.11. Điện trở lớp chế tạo về một phía

Hình 2.12. Điện trỏ lớp chế tạo theo công nghệ SMD

2.2.2.2. Điện trở trong công nghệ vimodun (vi điện tủ)Trong công nghệ vi điện tử, điện trở cùng mọi linh kiện khác được

chế tạo đồng thòi theo một quy trình công nghệ chuẩn và đã được ghép nốì sẵn thành một hoặc nhiều mạch hoàn chỉnh (gọi là một hoặc nhiều modun). cần phân biệt hai loại công nghệ: Công nghệ lớp dầy và công nghệ màng mỏng. Thân điện trở trong hai loại công nghệ này được vẽ trên các hình 2.13a (với công nghệ lốp dày) và hình 2.13b (vóicông nghệ màng mỏng), ở công nghệ lốp, trên đế (là 1 tấm oxyde nhôm) nhò phương pháp nóng chảy có nén, một lớp bột kim loại (kim

18

loại quý, oxyde h ay m ột hỢp chất dẫn điộn) được gắn lên (để). Còn lí'ong công nghệ màng mỏng điện trở cũng như các linh kiện khác dược chê tạo theo phương pháp bô"c bay ở pha hơi kim loại cho bám lên một đế gô"m sứ trong môi trường chân không qua một mặt nạ với các cửa sổ khác nhau. Theo đó các linh kiện trong đó có điện trở được lạo ra với kích thước hình học chính xác nhò các tia laze cắt, giá trị điện trở có sai số có thể đạt tới ± 0 ,1%.

Oữĩtiũí

y

Điện trở

Đường d?n

Hỉnh 2.13a. Thân điện trở trong kỹ thuật lớp dày

Hình 2.13b. Thân điện trỏ trong kỹ thuật màng mỏng

2.2.2.3. Các điện trở loại dây quấnCác dây điện trở đưỢc quấn trên một thân đ ế loại gô"m sứ chịu

n h iệt tạo thành nhóm đ iện trở dây quấn.

Các điện trở dây quấn có điện cảm riêng khá lớn vì các vòng dây của nó đã tự tạo ra điện cảm ký sinh. Đe giảm nhỏ điện cảm không mong muôn này, cần d ù n g công nghệ quấn dây đôi, kiểu đôl ngẫu (hình 2.14). Sợi dây điện trở được lấy điểm giữa và tạo ra một cặp dây song song đế quấn. Như vậy một cặp vòng dây luôn có chiều dòng diện là ngược nhau (hình 2.14) và từ trường bị triệt tiêu. Tuy nhiên do Lính không đôi xứ n g lý tưởng, vẫn còn điện cảm nhỏ và do đó hạn chế tần sô" làm việc của loại điện trở này dưới 2Ọ0kHz. Các vòng dây quấn đưỢc cách đ iện (thường dùng sơn cách đ iện phủ lên hoặc nhờ lớp diộn môi oxyde bề m ặt).

Hinh 2.14. Điện trỏ dây cuốn, nguyên lý cuốn kép.

19

Khi dòi hỏi công suTìt rất lc)n (hàng chục vv hay lìốn nữa), các điộn irỏ dây quấn dạng chữ nhật đưỢc sử dụng. Các áạng diện trở dây quấn thông dụng dược cho trên hinh 2.15, dược bảo vộ chông ẩm. clìông chấy, chông xâm thực của môi trường hay bổn về cơ học.

- -.............................

y

<> oNối kiểu kẹp

It

Nối kiểu hàn

Nổi k'm loại ohép nối

Hình 2.15. Các dạng cảu tạo điện trỏ đảy cuốn.

2.3. ĐIỆN TRỎ THAY Đổl GIÁ TRỊ (BIỂN TRỞ)

Các diện trỏ thuộc nhóm này có giá trị thay đổi được trong một dải nliất dịnh và được câ"u tạo có vị Irí dộng để chọn mức giá Irị cần có nhò một cơ cấu dịch chuyển quay hay tịnh tiến (hình 2.16 và hình 2.17).

Á

Hình 2.16. Điện trd điều chỉnh được nhò con chạy.

Trên hình 2.16, giá trị điện trở thay đổi đưỢc nhờ một tiô”p điểm trượt trên một đường ray, qua đó chọu đoạn làm việc cho điện trỏ. Đường ray điện trỏ có thể là hình tròn hay đoạn thẳng. Đặc tính biến đổi của điện trở tính theo độ dài làm việc có thể là tuyến tính (tô"t nhâ't theo mong muôn) liay phi tuyến tính đưỢc biểu diỗn trôn hình 2.18, hình 2.19 hay hình 2.20. ở các đặc tính tuyến tính, với gia số mộl góc quay cô" dinh hay gia số’ mộl độ dài đường ray cô" dịnh luôn nhận dược một giá trị diộn trở không đổi. Các dạng biến đổi phi Luvên tính (hàm exp, logarit, chữ s...) được cho trên các hình 2.19 và 2.20.

20

Ký hiệu

Hình 2.17. Các dạng điện trở biên đổi.

Imax' ^2max

Imin» ^2min

Ị Đường rãnh đièn trở

Con chạy

-RoR =

Hình 2.18. Đường cong giá trị điện trỏ phụ thuộc vào vị trí con chạy.

21

Hình 2.20. Đường cong giá tri điên trỏ2.3.1. Biên trơ loại lớp theo vị trí con chạy.

Các đường ray diện trở loại này đưỢc c h ế tạo g iông như loại điện

trở lớp cô" định.

Điểm khác biệt là tiôp điểm tiếp xúc với đường raj' cần có độ cứng bề mặt đổ tiếp xúc tô"t, tránh nhiễu điện áp xuất hiện khi dịch vị trí.

Do đặc điểm cấu tạo, loại điện trở lớp có công suất nhỏ (từ 0,25W đến 2W) và có diện dung riông lớn cần đặc biệt chú ý khi dùng ở tần số cao. Khi sử dụng cần quay góc của đường ray diện trở, loại này còn được gọi là ch iết áp khi đường ray đ iện trỏ đưỢc c h ế tạo từ loại

chất, dỏo dẫn điện, chiết áp loại này làm việc bền vững trong thòi gian dài.

2.3.2. Biến trỏ dây quấn

Loại biến trở dây quấn dùng cho các mạch điện công suất trung bình hoặc công suất lớn (đến lkW), đưỢc quấn trên lõi sứ (hình 2.21), thường không dùng lớp- bảo vộ hoặc một lớp chịu nhiệt trừ phần đường ray di chuyển điểm tiếp xúc của con chạy. Quan hệ biến thiên điện trở với đoạn làm viộc của biến trở là tuyến tính nhưng thực chất là nhẩy bậc (không liôn Lục).

22

Hình 2.21. Biến trở dây quấn trên lõi sứ.

2.4. Sự PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ CỦA ĐIỆN TRỎ

Các giá LrỊ điện trở cố định hay giá trị đã cho (của loại biên dổi đưỢc) xác định thường ở 20"c. Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị của điện trở thay dổi theo. Mức độ biến thiên được xác định qua hệ số nhiột a.

AR. R20. a . Au

ở dây: AR là sự biến thiên giá trị diện trở vì nhiệt độ R o là giấ trị điện trở tính tại 20®c.¿\v là lượng biến thiên nhiộL độ tác dộng lên điện trở. a là hệ sô" nhiệt.

ỠR ^

a tính theo đơn vị 1'c0 /

Khi tăng nhiệt độ. íĩiá trị điện trỏ đang xét có thể tăng hay giảm Lưđng ứng. Khi đó tại nhiệt độ đang xét, điện trồ có giá trị:

hoặcRvv ~ + ARR],; = R2I) — AR

Rvv gọi líi điện trở nóng, R« - diện trở lạnhThay giá trị AR đã có vào biểu thức của R\v và R k , c ó :

hoặcRvv = R 2Ũ (1 + aA u)

Rk= r 2() (1 - OtAu)

23

2.5. NHIỆT ĐIỆN TRỞ NÓNG VÀ NHIỆT ĐIỆN TRỞ LẠNH

2.5.1. Nhiệt điện trở nóng

2.5.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt độngNếu điện trỏ đưỢc chế tạo

từ các loại vật liệu có hệ sô" a lớn. khi đó chúng đưỢc gọi là các nhiệt điện trở. Khi Au > 0 (nhiệt độ Lăng), AR < 0 (điện trở giảm) thì nhiệt điện trỏ được gọi là loại nóng (nhiệt diộn trở nóng NTC). Còn khi Au > 0 thì > 0 gọi là nhiệt điện trỏ lạnh PTC.

Như vậy loại điện trở NTC (Negative Temperature Coefficitent) có hệ sô a < 0 (hình 2 .22 ).

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 i“C

Hình 2.22. Quan hệ điện trci nhiệt độ của loại NTC điện trả.

Giá trị của nhiệt điện trỏ nóng (NTC) giảm khi nhiệt độ tăng, hệ số a có độ lón (modun) phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng và vào nhiệt độ.

Vối các loại NTC, a thường có giá trị - 2%/°C đến -10%/”c các vật liệu sử dụng đồ chế Lạo điện trố NTC thường là hỢp chất bán dẫn đa tinh thể như oxyde sắL, oxyde niken, oxyde cacbon hay các hỢp chất có titan.

2.5.1.2. Gỉ á trị định múc và giá trị giói hạnCác tham sô định mức và tham số giới hạn do nhà sản xuất đưa

I'a hỗ trỢ người sử dụng những thông tin quan trọng ở c h ế độ làm việc và ở chê' độ tới hạn (sức chịu đựng) của linh k iện trong đ iều k iện khắt khe nhất. Đôi với điện trở NTC có các tham sô" sau:

R20 điện trở ở trạng thái lạnh (ở 20°C); có khi cho ở các nhiệt độ lạnh khác như:

R25 điện trỏ ở trạng thái lạnh (ở 25°C). hoặc R.,0 diện trở ở trạng thái lạnh

(ở ếO C).t thòi gian nguội: tính từ lúc đạt tới (sau khi ngừng tác động

nhiệt) đến khi giá trị điện trở tăng gấp đôi khi n h iệ t độ giảm .

/ kíỉ

Hình 2.23. Ký hiệu nhiệt điện trở nóng.

24

©

Hình 2.24. Dùng nhiệt điện trở nóng làm cảm biến nhiệt.

Tol: Dung sai của R20 (hay R25, R40)

P^ox: Công suất cho phép lớn nhất.

'j|nax0- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép khi không tải.

'->maxP N h iệ t độ là m v iệc cực đạ i

cho phép khi p =

Hình 2.23 là ký hiệu quy ước điện trở NTC trong mạch điện, ký hiệu 2 mũi tên ngưỢc chiều nhau thể hiện quan hệ nhiệt độ tăng thì điện trỏ giảm và ngưỢc lai

2.5.1.3. ứng dụngPhần lớn ứng dụng của điện trỏ NTC là để ổn định nhiệt cho các

mạch bán dẫn (xem mục 7.11). Khi cung cấp cho nhiệt điện trở NTC một dòng điện ổn định, có thể dùng nó như một cảm biến nhiệt độ (sensor nhiệt) để đo hay điều chỉnh nhiệt độ trong một hệ thông đo lường điều khiển.

2.5.2. Nhiệt điện trở lạnh

2.5.2.1. Cấu tạo và hoạt độngNhiệt điện trỏ lạnh (điện trở PTC: Positive Temperature Coefficient)

có giá trị đ iện trở nhỏ nhất ở trạng thái lạnh và tàn g giá trị khi n h iệt độ tăng lên (đồ thị hình 2.25).

Giá trị điện trỏ của loại điện trỏ PTC tàng lên khi tăng nhiệt độ.

Trên đồ thị hình 2.25. Bắt đầu Ẵ từ nhiệt độ Ua (nhiệt độ khỏi động) giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, đoạn Ua < u < Un có tính chất phi tuyến mạnh; đoạn Ujvj < u < UịỊ quan hệ tuyến tính và là vùng làm việc chủ yếu của nhiệt điện trở PTC, giá trị R của điện trở tăng mạnh (nhiều cấp thập phân) theo nhiệt độ tăng do hình thành các lớp khóa có điện trở lớn trong tinh thể vật liệu.Hệ sô" a trong khoảng từ 20“c đến u,\ có giá trị âm. Khi o > U;V, a có dấu dương và rất lớn trong đoạn Ujvj đến Ug.

10'

10*

10

10-

10

10' 20 100 200

Hình 2.25. Quan hệ điện trỏi nhiệt độ của loại PTC.

25

T3- - à i > -»f

Độ lớn của a do loại vật liệu sử dụng và do nhiệt độ quyết định. Giá trị thông thường của a từ 7%/' C đến ÔO^/’C.

Ký hiệu quy ước loại nhiệt điện trở lạnh (PTC) cho trên hình 2.26. Loại diện trở nhiệt PTC 1 .được làm từ loại gô"m Titanat đa tinh thổ cho pha tạp vài chất lạ có chọn lọc.

2.5.2.2. Thông sô của nhiệt điện trở PTCYa nhiệt độ khởi động

Ra = R (i a)Ron = R (25"C)U.NJ nhiệt độ danh định

R n ~ ('->n )

ttu hệ số nhiệt (độ dôc đặc tính R - V))Ur nhiệt độ cuôì của dải làm việc R,.: = R (u,.;)

u,„„¡, điện áp làm việc tôi đa cho phép.

2.5.2.3. ứng dụngNhiộL điện trở lạnh PTC có thổ làm việc ở chế dộ làm nóng từ

ngoài hay chế độ tự làm nóng.

ở ch ế độ làm nóng từ ngoài, đ iện trở đưỢc cấp m ột điện áp thâ'p cỡ IV và do đó nó không thay đổi trị sô". Nhiệt độ của điện trơ lúc này do nhiệt độ môi trường quyết định. Khi đó điện trỏ được dùng làm cảm biến đổ đo nhiệt độ môi trường (ví dụ nhiệt độ của các cuộn dây môtơ). Nếu nhiệt độ trong thiết bị quá cao, cầu chì bảo vệ sẽ hoạt động.

ở chế độ tự làm nóng điện áp cấp cho điện trở lớn (lOV đến 60V), nhò dó dòng điện chảy qua diện trở làm nóng nó lên, giá trị điện trở tăng và làm dòng qua nó giảm. Trạng thái ổn định được thiêt lập khi việc làm mát hệ thông xác lập ổn định.

Nhiệt độ của điện trở PTC xác định qua điện áp làm việc đặt lên nó và qua sự làm mát nó quyết định.

26

Hình 2.27. Nhiột điện trở lạnh !àm phần tử bá^ mức châ"t lỏng khi đầy.

Hình 2.23. Đặc luyến lĩnh của một điện trở lạnh.

Hình 2.27 nôu một ứng dụng của điện trở nhiệt PTC thông báo trạng thai dẩy mức chất lỏng trong bình: khi mức chất lỏng trong bình dầy làm ngập điện trở, nó đưỢc làm nguội nhanh và do đó giá trị điện trơ giảm mạnh, dòng điện qua rơle tăng (mạch nối tiếp vói điện Irở) hút nạch tự động cắt quá trình làm đầy bình. Đặc tuyến Von-Ampe I-U ở chế độ t:nh của điện trở cho trên hình 2.28, vùr.g ư nhỏ lương ứng với chế độ làm nónr n^oài, còn vùng u lớn ứng với chể* độ tự làm nóng, ở chô" độ làm nóng ngoài, đặc tuyôn có dạng gần tuyến tínli (hình 2.29), tức là điộn trỏ có giá trị gánnhư khôrg dổi. ở chô độ tự làm nóng, đặc Hình 2.29. Đặc tuyến Von Ampe tuyến có dạng phi tuyen tính m ạnh do quá vùng u thâp cua hình 2.28.

trình tự tạo nhiệt (dòng lớn) và làm mất diện trở quyôt định, khi đó giá trị diẹn trở thay dổi theo từng điểm làm việc.

2.6. CÁC ĐIỆN TRỎ c ó GIÁ TRỊ PHỤ THUỘC ĐIỆN ÁP

2.6.1. Câu tạo và hoạt động

Khi giá trị của điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt trên nó, điện trỏ đưỢc gọi là VDR (Voltage Dependent Resistor) vật liệu thường dùng là sỢi Cacbua Silic đưỢc thiêu kô"t ở một nhiột độ nhất định trong một thòi gian xác định. Sợi Cácbua Silic là loại vật liệu bán dẫn điện đa tinh thể có cấu tao từ nhiều tinh thể bán dẫn nhỏ hơn có tính dẫn điện khác

27

nhau. Giữa các vùng bán dẫn này xuất hiện các lớp chắn giống như trong diot bán dẫn. Việc phân cực các lớp chắn là hoàn toàn không đều nhau. Dưới tác động của điện ti’ường ngoài, các lốp chắn được phân cực khác nhau tạo ra các vùng có điện trở suất khác nhau. Khi cường độ điện trường càng lổn càng nhiều lớp chắn đưỢc phân cực.

Giá trị điện trở của phần tử VDR luôn giảm khi điện áp đặt vào tăng lên. Cực tính của điện áp không có vai trò quyết định. Đặc tuyến cho thổ hiện sự thay đổi của điện trở của VDR theo điện áp đặt trôn nó cho ở hình 2.30a. Còn đặc tuyến Von-Ampe I-U của VDR cho ỏ hình 2.30b.

Hình 2.30a. Đặc tuyến của một áp trở. Hình 2.30b. Đặc tuyến Von-Ampe của một áp trỏ.

2.6.2. Các tham số định mức và tham số giói hạn của VDR

Các tính chất quan trọng nhất của VDR đưỢc thể hiện qua đặc tính Von-Ampe hình 2.30b. Quan hệ I(U) là phương trình dạng:

hay I =

p; Hệ sô' điều chỉnhC: Hằng số’ phụ thuộc vào kích thưốc hình học của VDR.

Hằng số c có g iá trị từ 15 đến 5000 đưỢc xác đ ịnh khi cho dòng điện bằng lA chảy qua VDR.

Hệ sô' hiệu chỉnh p quyết định độ dốc của đặc tuyên (nằm trong dải từ 0,15 đến 0,40).

28

Tham sổ giới hạn có1’míix- Công suất tôl đa cho phép.Umax-: Nhiệt độ tối đa cho phép.

Các tham sô' định mức dược xác định khi tác động điện áp một chiểu lên VDR và đặc tính Von-Ampecũng xác dịnh với điện áp một chiều, ơ chế độ xoay chiêu đường đặc tính có lệch một chút. Ký hiệu quy ước của VDR được cho trên hình 2.31. Các mũi tên ngưỢc chiều nhau thể hiện khi tăng điện áp tác động lên VDR thì điện trở của nó gií.in hoặc ngược lại.

Ví dụ: Cho VDR có c = 1 0 0 ; ß = 0 ,2 .Hãy tính giá trị điện trở của VDR tại các điện áp: a) lOV; b) 25V; c) 50V; d) 75V: e) lOOV?

W/H- c z ± l -

Hình 2.31. Ký hiệu áp trỏ.

/

Ap dụng hệ thức đã cho: I =v C y

a)

b)

c)

d)

1 =

R =

1 =

R =

1 =

R =

1 =

R =

10.100

ư

Vũ• A = 0 , 1'’'. A

lOVI lOịiA

= IMQ

25100,

25V0,977mA

. A = 0,25'l A = 0,977mA.

= 25,59kQ

50, 100,

50V31,25mA

ßÍ ]ÍI.2

I c ; l i o o j

A = 0,5^ A = 31,25mA.ì-

= l,6kQ

. A = 0,75" . A = 237,5mA.

75V237,5mA

= 316Q

29

c)

R =

100100^lOOV

lA

0,2

A = l lA = lA.

= lOOQ

Khi sử dụng VDK chú ý công suất trên VDR luôn phụ thuộc vào điện áp tác dộng nên cần xác định với mọi giá trị điện áp trong dải làm việc, từ hộ thức p - U.I hãy tính p nếu yêu cầu khi p < p,tn a x •

2.6.3. ứng dụng của VDR

Một, ứng dụng phổ biến và quan trọng của VDR là hạn chế diện áp khi VDR dược coi là một điện trở bảo vệ Iiô"i song song vói phần tử cần đưỢc bảo vộ chôVig quá áp (h ình 2.32). Vâi m ột đ iện áp h ìn h sin tác động lên VDR, đáp ứng dòng điện không còn dạng sin và được thế’ hiện trẽn hình 2,33. Trường hỢp ngược lại cũng tương tự nếu dòng tác động qua VDR là hình sin thì điện áp trên nó không còn dạng sin. Việc sửa (làm méo dạng) diện áp hay dòng điện như trên được sử dụng trong kỹ thuật xung, kỹ thuật truyền hình và kỹ thuật điều khiển hoặc điều chỉnh.

Ub

II

u

Hình 2.32. Dùng áp trỏ bảo vệ chống quá áp cho coỉectơ - emỉtơ.

Hình 2.33. Biến đổi dòng trên một VDR khỉ tác động điện áp hỉnh sỉn.

30

1.

2.

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

Hãy định nghĩa điện trở tuyến tính và điện trở phi tuyến.Điện trở vi phân r của một linh kiện cho biết thông tin gì về linh kiện?

3. Loạt điện trở chuẩn theo quy ưốc quốc tố là gì?

4. Hãy liệt kê các giá trị điện trở chuẩn theo loạt mẫu E12 nằm giũa 2 giá ti'ị 400Q vá lOki”}.

5. Trong loạt mẫu E96, với dải giá trị từ 100fì đến lOOOQ có bao nhiêu giá trị chuẩn? Sai số’ của loạt E96?

6. ĐỐI với công suất tốì đa cho phép, hãy liệt kô các giá trị chuẩn cho tới 20W.

7. Với quy ưốc mã vạch màu quô"c tế, có hai loại được sử dụng là 4vạch và 5 vạch. Hãy nêu ý nghĩa các vòng màu trong mỗi loạichuẩn đang sử dụng.

8 . Hãy xác định trị sô" các diện trở và sai số tương ứng của nó vối các mã màu đọc đưỢc như sau:

Hình 2.34. Đặc tuyên của một nhiệt điện trỏ lạnh.

Vòng 1 Vòng 2 Vòng 3 Vòng 4

a) Nâu Đen Cam Vàng

b) Xám Đỏ Nâu Bạc

c) Đỏ Đỏ Vàng Vàng

d) Vàng Tím Da trời Không màu

e) Nâu Lá cây Bạc Bạc

Vòng 1 Vòng 2 Vòng 3 Vòng 4 Vòng 5

f) Lá cây Cam Da trời Bạc Đỏ

g) Xám Xám Tím Da trời Nâu

h) Đỏ Tím Vàng Đen Đỏ

i) Nâu Cam Xám Vàng Nâu

k) Vàng Cam Đỏ Nâu Nâu

9 . Hãy nêu mã màu tương ứng của các điện trở sau:a) 3,740 ± 1%: b) 681kQ ± 2%; c) 114kQ ± 0,5%d) 2,46MQ ± 0,5%; e) 46,4kQ ± 1%; í) 7150Q ± 2%

31

10 . Vật liệu được sử dụng để chế tạo điện trỏ lóp?11. Phân biệt hai dạng câ'u tạo điện trở lớp?12 - Giải thích khái niệm công nghệ SMD? Điện trỏ SMD có cấu tạo

như thế nào?13. Hãy mô tả công nghệ chê tạo điện trở trong kỹ thuật lốp dầy và

kỹ th u ật m àng mỏng.14. Đặc diểm cấu tạo của điện trở dây quấn?15. Hãy nêu biện pháp kỹ thuật làm giảm nhỏ điện cảm riêng của

điện trở dây quấn?16. Chiết áp có đặc tính biên đổi logarit dương. Hãy phác họa quan hệ

giữa sự biến thiên diện trở với đường ray dịch chuyển hay góc dịch chuyển của con chạy của chiết áp.

17. Nhiễu khi quay vói loại chiết áp được hiểu như thế nào?18. ưu nhược điểm của điện trở dây quấn đối với điện trở ìớp.19. Hãy định nghĩa hộ sô" nhiệt a của điện trở nhiệt hay của một vật

liệu làm điện trở.20 . Một điện trở dây quấn làm từ dây điện trở Niken có R20 = 400Q. Nung

nóng nó tới nhiệt độ 110°c. Hãy tính điện trỏ của nó tại nhiệt độ làm

vìôc, biết rằng hê sô a của Niken là a = +0,15.10” . .

2 1 . Quan hộ giữa nhiệt độ và giá trị điện trở của loại điện trở NTC?2 2 . Hãy phân biệt thời gian làm mát của một điện trỏ nóng được xác

định như th ế nào?23. Hãy vẽ sơ lược đặc tính điển hình của điện trỏ PTC (quan hộ R-u).24. Hãy giải thích chế độ tự làm nóng và chế độ làm nóng từ ngoài

của nh iệt điện trỏ lạnh.25. Giá trị điện trở của VDR thay đổi như thế nào khi tăng điện áp

tác động lên nó.26. Hãy vẽ phác thảo đặc tính I-U của một VDR.27. Một VDR có c =120 và ß = 0,3.

Hãy tính giá trị của VDR tại các điện áp làm việc,a) 20V b) lOOV.

28. Đặt một điện áp dạng hình sin vào VDR. Hãy vẽ dòng điện chảy qua VDR và giải thích dạng đã VC.

29. Với một điện trở nhiệt PTC có đặc tính R—u cho ở hình 3.34. Hãynêu các thông tin quan trọng về tham sô" và c h ế dộ của phần tửth ông qua dạng đặc tính đã có.

32

Chương 3

TỤ ĐIỆN Và CGỘN DàỴ

3.1. ĐIỆN DUNG

Một vật thể có nhiều điện tử hơn proton sẽ tích điện âm. Lượng điện tích âm chính là tổng các điện tích nguyên tô" của số lượng các điện tử dư ra. NgưỢc lại vật thể sẽ tích điện dương khi sô" lượngelectron ít hơn sô' proton và lượng điện tích dương của nó được xácđịnh bằng lổng các điện tích nguyên to của lỉố pr&ton dư thừa.

Không gian xung quanh vật thể tích điện là một trạng thái đặc biệt gọi là trường điện. Trường điện được tạo từ các đường sức dược sắp xếp có trật tự bắt đầu xuất phát từ điện tích dương và kô"t thúc ndi điện tích âm. Nếu hai vật thể dẫn điện dưỢc bô" trí cách ly nhau và được đặt vào một điện áp, khi đó hai vật thể này được nạp điện (hình 3.1).

Vùng nghèo điện tử

Điện trường

Vùng thừa điện tử

Hình 3.1. Điện trưòng phân bố giữa các vật tích điện.

Vật thế được nôì tới cực âm của nguồn áp sỗ nhận được một lượng điện tử dư thừa và phía đôl diện vật thổ thứ hai sẽ thiếu hụt một lượng electron tương iương khi nó nô"i tới cực dương của nguồn áp. Giữa hai vật thể đã xuất hiện một trường điện.

Số lượng điện tích Q hai vật thể đang xét nhận đưỢc phụ thuộc vào kê't cấu hai vật thể, hình dạng của chúng và độ lốn của trưòng điện.

Trường diện xuất hiện phụ thuộc giá trị điện áp đặt vào, vào kích thưốc vật thổ và khoảng cách giữa chúng. Điện dung của hộ thông hai vật thể đang xét là đại lượng đặc trưng cho sự kết hỢp các yếu tô" đã nêu trên (kích thưốc vật thể, cưòng độ, điện áp đặt vào...). Theo định nghĩa điện dung c là tỷ số giữa điện tích Q và điện áp u.

Q = c . u

Q: điện tích của hệ hai vật thể đang xét C: điện dung của hệ U: Điện áp đặt vào chúng

3-LK OIỆNTỬ33

Do đơn vị đo lường của Q là Ampe giây (As) = Culón, của điện áp

u là Volt (V), nên đơn vị đo của điện dung là;V

= Ss = Siemens

Sekunde đưỢc gọi là Fara (F) 1F = iSs.Theo đó; lm F = 10" F ; l(aF = 10‘®F

lnF = 10'®F và lpF = 10 ''"FLà các đơn vị nhỏ hơn của Fara.Một phần tử có điện dung 1 Fara khi vối một điện áp IV đặt lên,

vật thể sỗ nhận đưỢc một điện tích 1 Culon.Điện dung chỉ hình thành giữa 2 vật thể dẫn điện nằm cách ly

nhau về điện. Hai vật thể có thể rất lớn như 1 vệ tinh và quả đất hay rất nhỏ như hai sỢi dây dẫn song song cạnh nhau.

Điên dung là một thuộc tinh dưới tác động của một điên áp, càc điện tích sẽ được nạp.

Một tụ điện gồm 2 bản kim loại (hình 3.2) có điện dung:

íì,, .e .Ac = - í) r

a

ở đây C: điện dung của tụe„: hằng số’ điện môi Eo = 8,85. 10“'^F/m 8,.: hệ sô" điện môiA: diện tích hai bẳn kim loại song song đôi diện, a: khoảng cách giữa hai bản kim loại.

Để có c lớn thường dùng hai lá kim loại cách ly nhau bằng một lớp cách điện mỏng và được quấn lại song song nhau.

MặtphẳngA Lap điện môi

Hình 3.2. Tụ điện phẳng.

3.2. TỤ ĐIỆN

3.2.1. Vấn để chung

Tụ điện là loại linh k iện có điện dung đưỢc xác đ ịnh trước, gọi là giá trị danh định, có sai sô" (độ lệch giữa giá trị thực và giá trị m uôn có) và có phụ thuộc n h iệt độ.

34

Do lớp điện môi có điện trở không phải vô cùng lớn (có giá trị hữu hạn) nên kh i đã đưỢc nạp điện tích (từ nguồn áp ngoài) tụ sẽ tự phóng điện qua điện trở của lớp điện môi. Ngoài ra khi làm việc lớp điện môi bị làm nóng và gây ra tổn hao (nhiệt) cho tụ điện, tổn hao ở chế độ một chiều khi chịu tải và ở chế độ xoay chiều.

Cần phân biệt hai dạng tụ điện: Tụ một chiều và tụ xoay chiều.Tụ một chiều được chế tạo để chỉ làm việc vói điện áp một chiều

khi đó vật liệu điện môi có tính chất tổn hao rất lớn ở chế độ xoay chiều. Tụ một chiều luôn có điện áp danh định và không thể làm việc với điện áp xoay chiều có trị biên độ oằng giá trị danh định này. Trong một sô trưòng hỢp đặc biệt chúng có thể làm việc với các điện áp xoay chiều vối biên độ rất nhỏ (trên nền giá trị một chiểu lốn - tụ lọc trong nguồn chỉnh lưu) tụ xoay chiều chỉ làm việc với tín hiệu xoay chiều. Các tụ điện có kích thước hình dạng và chủng loại rất khác nhau.

Tham sô" danh định và tham sô" giới hạn thể hiện các tính chất của tụ điện:

Tham sô' danh định:* Điện dung danh định * Dải nhiệt độ làm việc* Độ lệch (dung sai) * Thời gian sử dụng* Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện dung * Độ tin cậy khi làm việc* Sự phụ thuộc đp ẩm của diện dung * Hệ số’ tổn hao* Hằng sô" thòi gian tự phóng điện

Tham số giới hạn:* Điện áp giới hạn (danh định)* Điện áp giới hạn tác dộng lâu* Điện áp giới hạn hay đỉnh (tác động nhanh)* Điện áp xoay chiều tôì đa

Các giá trị của tụ điện (giá trị điện dung của tụ) đưỢc quy định biểu diễn theo mã m àu với các màu cơ bản giông như quy định quốc tế vổi điện trở. Dùng loại mã màu 5 vòng, quy định tuân theo bảng sau;

Chú ý tụ điện có điện dung danh định theo tiêu chuẩn lEC - loạt chuẩn tương tự cho loạt E6 , E12 , E24, sai số tuân theo loạt E48 E96 và E192. Ngoài ra với các tụ điện bọc kim chú ý chân nối ov và phân biệt nó vói các chân nốì ra mạch ngoài.

35

Chân nối ra mạch ngoài\

\ \ = ( I)\ \\ Điện áp danh định

Sai số iỊl

Số giá trị thứ 1

Số giá trị thứ 2

Hệ số thập phân

Hình 3.3. Ký hỉệu quy ưóc vạch màu của tụ điện.

\ Ị■-4

/

Chân nối ra mạch ngoài

Hình 3.4. Các loại tụ SMD

Sự phụ thuộc của điện dung vào nhiệt độ được xác định qua hệ sốnhiệt ttc-

AC = C . ơc . Av

MàuVòng 1

Số thứ 1

Vòng 2

Số thứ 2

Vòng 3

Sô thứ 3 hệ số nhân

Vòng 4

Sai số

Vòng 5

Điện áp danh định

Khòng màu — - - ± 20% 5000V

Bạc — — 10*^ ± 10% 2000V

Vàng - - 10*^ ± 5% 1000V

Đen — 0 10"pFNâu 1 1 10' pF ± 1% 100VĐỏ 2 2 10'pF ± 2% 200VCam 3 3 10"pF 300VVàng 4 4 10"pF 400V

Xanh lá 5 5 10"pF ± 0.5% 500VXanh da trời 6 6 10"pF 600VTím 7 7 10'pF 700VXám 8 8 10®pF 800VTrắng 9 9 10"pF 900V

Vối AC sự thay đổi điện dung do nhiệt độ gây ra. c giá trị điện dung của tụ điện tại 20°c (hay tại 40®C)

(trị danh định) ttc hệ sô nhiệt của tụ đo bằng l /”c Av Sự biến thiên của nhiệt độ tác động trực tiếp lên tụ c.

36

Thời gian phóng điện ĩs là tích số của điện trỏ cách điện Rịs và điện dung c của tụ = R/s-C

Tụ điện có Ts càng lốn thì chất lượng càng tô t, giá trị của ts thường trong khoảng lOOOs đến lO.OOOs (s: giây)

Dải nhiệt độ làm việc, thòi gian sử dụng (ví dụ từ 8 đến 15 năm). Độ tin cậy khi làm việc (ví dụ lOO.OOOgiờ/3%), hệ sô" tổn hao ô là các tham số khác nhà sản xuất cung cấp thông tin cho người sử dụng. Chú ý hệ sô" tổn hao 5 tăng theo sự tăng của tần số. Khi nhiệt độ tăng cao điện áp danh định giảm (ví dụ ở 40”c điện áp danh định là lOOV thì ỏ 80‘'C giá trị này chỉ còn lại 60V). Khi làm việc ở chê độ xung, cần quan tám tới giá trị điện áp đỉnh danh định cho biết khả năng chịu điện áp trong một thòi gian ngắn của tụ.

3.2.2. Câu tạo tụ điện

3.2.2.1. Tụ giấy và tụ micaTụ giấy (hình 3.5) gồm 2 tò

kim loại m ỏng thường là giấy nhôm được cách ly nhò một tấm giấy mỏng. Hộ thôVig trên đưỢc cuộn tròn ch ặt lạ i sa u đó đưỢc tạo 2 cực ra từ hai tò giấy kim loại và đưỢc bọc k ín bằng vậL liệu chông ẩm, có độ cứng bảo vệ, chông cháy.

Ngày nay lớp cách điện thường được dùng là lớp vật liệu

Lớp màng kim loại

Lớp điện môi

Hinh 3.5. Cảu tạo tụ giấy hoặc tụ mica.

nhân lạo (mica, polyme) có nhiều ưu diểin hdn giấy: kích thước gọn hớn, giá trị điện dung c và diện áp chịu đựng ổn định hơn. Đặc biệt vật liệu polystyrol có nhiều ưu diổm về tổn hao điện môi thấp, hệ số nhiệt ttc âm giá trị nhỏ thích hỢp cho việc sử dụng ỏ tần số cao ví dụ

trong mạch tạo dao động tần sổ cao.

3.2.2.2. Tụ kim loại - giấy (tụ MP)Bề dầy của phiến kim loại không ảnh hưởng tới giá trị điộn dung

của tụ. Khi muôn có một giấi trị điện dung lốn (trên một đơn vị thể tích với một điện áp nạp xác định), cần giảm bề dầy phiến kim loại tối mức tôi thiểu. Tụ kim loại - giấy được chê tạo để đạt được mục đích

37

VỊ trí đảnh thủng Lớp klm loại

Ế 1"Lớp điện môi

Vùng có mật độ dỏng điện lớn

trôn. Kim loại được bốc bay dưối dạng một lớp mỏng trên bề mặt giấy cách điện. Bề dày lớp kim loại cỡ 0,05 Ị-im. Bề dày lớp giấy được chọn tuỳ điện áp danh định cần có, các lớp kim loại mỏng có điện trở tương đôi lớn là nhưỢc điểm của loại tụ MP. Các chần tụ (các cực) được lấy ra trên 2 mặt đó đã đưỢc mài nhọn ở đầu cuộn về 2 phía của lớp kim loại. Việc câ'u tạo này làm giảm điện cảm riêng của cuộn.

Nếu thực hiện đục một lỗ thủng (hình 3.6), tại vùng xung quanh lỗ sẽ xuất hiện trong thòi gian ngắn rnột mật độ dòng điện khá lớn. Đây là điểm đặc biệt của các lớp kim loại được bô"c bay phủ thành màng mỏng. Lớp điện môi nhò đó không bị phá huỷ. Điểm thủng lỗ là cách ly về điện. Lỗ thủng có tính chất tự lành lại (tự hồi phục).

'•r Lớp kim loại bị bóc đl

Hình 3.6, Tự hồi phục của tụ MP và tụ MK.

Hi©

Lớp kim ioại (điện cực thứ nhất cùa tụ)

Chất điện môi (điện cực thứ hai cùa tụ)

Lớp điện môi

Hình 3.7. Cấu tạo tụ điện hoá (theo mặt cắt). Hình 3.8. cấu tạo một tụ điện hoá.

Tính chất tự hổi phục là một ưu điểm quan trọng của tụ MP.

Quá trình tự hồi phục xảy ra trong thời gian lO^s đến 50|.IS. Trong thời gian này, điện áp của tụ giảm dẫn tới khả năng gây nhiễu ở dạng xung cho các mạch điện tử. Sau mỗi quá trình tự hồi phục, điện dung của tụ bị giảm một chút (ví dụ sau lOOOlần, giá trị điện dung sẽ giảm đi 1%).

3.2.2.3. Tụ kim loại - hợp chất nhăn tạo (tụ MK)Cấu tạo của tụ MK về nguyên tắc giông tụ MP, lớp điện môi ở đây

không dùng giấy mà là loại vật liệu nhân tạo dưới dạng màng mỏng

38

được phủ 2 lớp kim loại mỏng (0 ,0 2 |.im đôn 0,05^rr^ trên 2 mặt của lớp điện môi. Việc chế tạo cần đảm bảo điện cảm riêng nhỏ và điện trở riêng của các tấm kim loại làm điện cực thấp. Tụ loại MK cũng có khả năng tự hồi phục như loại tụ MP.

Tụ MK được chia nhỏ thành các nhóm.Tụ MKT vật liệu điện môi là polyetylen (loại ký hiệu phổ biến MKH).Tụ MKC vật liệu điện môi là polycacbonat Goại ký hiệu phổ biến MKM).Tụ MKU vật liệu sử dụng là xenluloasetat (loại phổ biến MKL).Tụ MKS vật liệu điện môi là polystyrol (loại ký hiệu MKY).

3.2.2.4. Tụ gốmTụ gô"m sử dụng gốm làm lớp điện môi, gồm 2 nhóm:Nhóm 1: sử dụng các loại gô"m có hệ số" điện môi thấp (e,. từ 6 đến

450) có tổn hao điện môi nhỏ, ít phụ thuộc vào nhiệt độ.Nhóm 2 : sử dụng các loại gô"m đặc biệt có hệ sô" điện môi lớn (e,. từ

700 đến 50.000), tuy nhiên phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, tổn hao diện môi tương đôi lớn.

Vật liệu gô"m sứ thuộc nhóm 1 sử dụng tốt trong các mạch cần tần sô" ổn định, thường là các mạch tạo dao động. Khi đó cần gia công kích thước tụ điện tương đốì chính xác, giá trị điộn dung chính xác và ít phụ thuộc nhiệt độ. Tổn hao điện môi ở tần số rất cao vẫn đủ nhỏ. Vật liệu thuộc nhóm 2 có thể chế tạo đưỢc các tụ kích thưâc rất nhỏ nhưng có giá trị điện dung lớn (ví dụ c = 10 |J.F, u =: 30V) các tụ thuộc nhóm 2 có hệ s ố nhiệt độ lớn, tổn hao điện môi cũng khá lớn chỉ dùng ỏ những v iệc yêu cầu độ chính xác không cao.

3.2.2.5. Tụ điện hoáCác tụ điện hoá dùng dung dịch điện hoá làm 1 trong hai điện cực

của tụ, điện cực kia là kim loại cấu tạo dạng màng (hình 3.7 và 3.8), ngăn cách 2 điện cực này với lớp điện môi. Dung dịch điện hoá là một loại c h ấ t lỏng dẫn điện, một sô" trường hỢp dùng vật liệu bán dẫn điện làm cực điện hoá, điện cực kia là nhôm. Bản cực nhôm luôn tồn tại 1 lớp oxyde nhôm được sử dụng làm môi trường điện môi để cách ly bản cực nhôm với cực điện hoá. Vói tụ hoá chịu điện áp lOOV, lớp oxyde nhôm chỉ dày cỡ 0,15(.im, khoảng cách giữa 2 điện cực như vậy là rất hẹp trong khi diện tích hai bản cực lại rất lớn nên loại tụ điện hoá

39

thường có giá trị điện dung lớn (hình 3.8) khi cùng một giá trị tổn hao, điện dung có thể tăng gấp 8 lần. Hệ số điện môi của ôxyt nhôm khoảng 7 đô"n 8 . Cấu tạo của tụ hoá luôn phân biệt điện cực kim loại (nhôm) là cực dương, cực điện hoá còn lại luôn là cực âm (hình 3.8). Với điện áp đặt vào cỡ 2V, tụ điện hoá đã được phân cực và hình thành lớp oxyt. Chất điện hoá đưỢc nung nóng nhanh tạo khí có khả năng gây nổ. Việc phân cực nhanh cho tụ chỉ thực hiện với điện áp thấp cỡ 2V. Đổ tránh làm nổ tụ cần chú ý ngắn mạch dòng điện cho tụ trước khi đưa tụ vào mạch bằng cách nối tắt 2 cực của tụ.

Ký hiệu quy ước của tụ điện hoá được cho trên hình 3.9. Một vài dạng tụ điện hoá có hai lá nhôm không có lớp oxyt, loại này có điện trở thấp, 1 lá nhôm làm cực ầm (gọi là lá katot), còn lá kia đảm nhiệm vai trò lớp oxyt gọi là anot. Giữa 2 lá katol và anot đổ dung dịch điện hoá và vật liệu giữ chúng (giấy hay sỢi dệt). Nếu tại lá katot tạo thêm 1 lớp oxyt sẽ nhận được hai tụ điện hoá nối đôl nhau kiểu nôi tiếp - đây là loại tụ điện hoá không có cực tính (hình 3.10) và ký hiệu cho trêii hình 3.11. Điện dung loại tụ hình 3.10 còn giá trị một nửa và làm việc được ở mạch điện xoay chiều. Nếu cùng giá trị điện dung và điện áp danh định thì kích thước của tụ không phân cực gấp đôi tụ có phân cực.

Hình 3.9. Ký hiệu tụ điện có Hình 3.10. Nối hai ty phân Hình 3.11. Ký hiệuphân cực. cực đối nhau dể tạo ra tụ tụ điện hoá không

điện hoá không phân cực. phân cực.

Tụ điện loại điện hoá - Tantal có lớp điện môi là oxyttantal đặc biệt bền vững chống đánh thủng. Hệ số điện môi của Tantal 8,. » 27 cho phép sản xuất tụ Tantal có điện dung lớn, tuy nhiên loại này có giá thành cao khi thay thế lóp màng nhôm bằng lớp màng Tantal và lớp oxyt nhôm sẽ là lốp oxyt Tantal có cấu tạo tương tự. Tụ Tantal cũng có hai loại phân cực và không phân cực.

Hình 3.12 trình bày cấu tạo của một tụ Tantal - điện hoá (loại S) và hình 3.13 là cấu tạo loại SF. Vói tụ điện hoá Tantal loại SF, chất điện hoá là mangandioxít (Mn02 ) có cấu trúc đặc biệt mang tính chất của chất bán dẫn tạp chất loại n dùng làm cực katot và anot là khôi Tantal thiêu kết. Đây là loại tụ có cấu tạo đặc biệt chắc chắn.

40

\Lớp điện mòl

Hình 3,12, Câu tạo một loại tụ điện hoá Tatal (loại S).

Lớp điện môi rắn

Hỉnh 3.13. Cấu tạo một loại tụ điện hoá Tantal (loại SF).

3.2.2.6, Các loại tụ thay đôi được trị số điện dungĐể thay đổi đưỢc giá trị điộn dung, các tụ xoay có cấu tạo gồm

nhiều phiên điện cực song song dôi diộn nhau từng cặp và chỉ 1 nhóm phiến điện cực có thổ di chuyển (qưay) cùng 1 trục (ví dụ nhóm phiến sc> lẻ). Còn nhóm sô" chẵn giữ cô" định (hình 3.14). về nguyên tắc, cấu tạo tụ xoay như thể hiện ở hình 3.lõ gồm 2 nhóm phiến phẩng song song đối diện nhau, như vậy diộn tích các bản cực của tụ là rất lón. Lõi điện môi trong trường hỢp này thường là không khí. Giá trị điện dung có thổ thay đổi từ vài pF (lúc phần roto và phần stato không đốì diện nhau) đến khoảng vài trăm pF (lúc hai phần tĩnh và động đối diện nhau toàn bộ).

Phần động

Phần động Phần tĩnh

Hình 3.14. Câu tạo tụ xoay 2 ngăn.

Hỉnh 3.15. Tụ xoay gổm 2 nhóm phiến song song vói nhau.

Để thay đổi điện dung của tụ trong 1 giới hạn nhỏ (vi điều chỉnh) nhóm tụ xoay dạng Trimơ hình 3.16 được sử dụng.

Phần tĩnh

RotoPhiến stato (không nhinthấy)

Roto

SÌQtO

Phần động

Hình 3.16. Một dạng của tụ bán chuẩn (Trlmơ).

41

3.3. TỤ ĐIỆN TRONG MẠCH ĐIỆN 1 CHIỂU • • • •

3.3.1. Nạp điện cho tụ

Tụ điện c trong mạch hình 3.17 chưa được nạp điện. Thoạt tiên, ngay sau khi nôl mạch khoá s, dòng điộn chỉ tác động tối R„ và R;.

Rv

Uh-*-

ĩ

Tụ chưa nạp điện có trỏ kháng bằng 0

Như vậy chưa có điện áp trên tụ (U = 0) hay không có điện tích trên các bản cực của tụ. Dòng điện trong mạch có giá trị;

“ (R = Rv’’’ Ri là điên trở chung của mach)R^+R. R '

Tụ c bắt đầu được nạp, Uc tăng, trở kháng của tụ tăng theo Uc-

Rc - —— , dòng điện trong mạch bị giảm dần. Hình 3.18 thể hiện

quan hệ dòng I và áp ưc theo thòi gian từ sau lúc s nối mạch (t = 0).Thời gian cần thiết cho việc nạp điện của tụ phụ thuộc vào dòng

điện, tức là phụ thuộc vào R và c. Tích sô" R .c quyết định tới tô"c độ nạp đ iện của tụ và được gọi là hằng sô" thòi g ian T.

t = R . c

63(chính xác 63,2*/,) 60 /•

37 •Ạ .xov.(chính xác 36,8*/.)

20V.

5r t

Hình 3.18. Đổ thị Uc(t) lc(t) khi 1 tụ nạp điện.

Theo đồ thị hình 3.18, sau thời gian t = X điện áp trên tu đạt tới 63% giá trị lốn nhất và sau t = 5t thì Uc = Ucmax- Như vậy tụ nạp đầy sau 5x. Lúc đó U c (5t) = Uo; 1 = 0.

42

Ktìì được naß đầy, trở kháng của tụ là vô cùng lớn. Tụ có tinh chất chặn dòng 1 chiều.

V í du: Khi cho c = 100f4.F và R = 2kQ (mạch hình 3.18)

Tính hằng sô" thòi gian X và thòi gian nạp cho tụ.T = RC = 2.10®fì . 100 . 10-"F = 200ms Thời gian nạp 5t: = 5.200ms = Is

3.3.2. Năng lượng của tụ

Khi được nạp đầy, tụ tích trữ năng lượng điện w đưỢc xác định bởi

w = - c . 2

ở đây W: điện năng trữ trong tụC: điện dung của tụ U: điện áp trên tụ

3.3.3. Sự phóng điện của tụ

Khi được nạp đầy, tụ như một nguồn điện áp có điện trở trong rất nhỏ. Nếu khi đưỢc nạp đầy, nốì ngắn mạch hai cực của tụ, tụ phóng điện với dòng điện phóng rất lớn và dễ phá hỏng tụ nên để thực hiện quá trình phóng điện cho tụ cần sử dụng điện trỏ phóng ỏ mạch ngoài để hạn chế dòng điện phóng (hình 3.19).

__0 -o--------

ưc HUc [i

Hỉnh 3.19. Đưòng phóng của tụ c.

Khi khoá s nốì mạch, tụ (nguồn điện áp) cấp dòng cho R (cấp năng lượng cho mạch ngoài), tụ phóng điện và điện áp trên tụ giảm

dần (hình 3.19). Tại mỗi thời điểm, do I = dòng điện giảm theoR

cùng quy luật vối điện áp Uc;.

43

Sau một khoảng T = RC điện áp trên tụ và dòng trong mạch giảmcòn 37% so với giá trị dỉnh và sau khoảng t = 5x, điện áp trôn tụU(> (t > 5 t) = 0; I = 0: Tụ đã phóng hết năng lượng.

3.4. TỤ ĐIỆN TRONG MẠCH XOAY CHIỀU

3.4.1. Dẩn dòng xoay chiểuu

u c4=

Q_03-

ơ)C'Q.cCL

V

Q-TO-

v yC

Q.

Hình 3.20. Nạp phóng cho tụ c VÓI một điện áp xoay chiểu.

Neư dặt điộn áp xoay chiổư lên tụ. nó sẽ được nạp và phóng điện liên tie"p. Ví dụ điện áp xoav chiều là hình sin, trong 1/4 chu kỳ đầu, tụ đưỢc nạp, ở phần tư tiôp sau nó phóng điện. Sang bán kỳ âm, tại phần tư thứ 3 tụ lại đưỢc nạp theo chiều ngược lại và phóng điện ỏ phần tư cuô"i cùng trong một chu kỳ điện áp tác động (hình 3.20).

Như vậy trong mạch xoay chiều các điện tử chuyển dộng kiểu dao động giữa hai điện cực của tụ diện (hình 3.21) và tụ điện có tính chất dẫn điện dôì vói dòng xoay chiều (nhò điện trường ghép giữa hai bản cực của tụ).

3.4.2. Điện kháng của tụ (dung kháng)

Trong mạch xoay chiều, điện trở của tụ càng nhỏ khi tần sô" càng cao và điộn dung của tụ càng lốn. Điện kháng của lụ được tính bởi:

Hình 3.21. Dao động của điện tử trong hộp dẫn khi có dòng xoay chiếu.

Xc =

Xc =

127i.f .c

1tó .c

X(’: dung kháng (điện kháng của tụ) C: diộn dung f; tần sô tín hiệu 03: tần s ố góc (o) = 27tf)

44

Chú ý trong điện kháng X(. không có tổn hao công suất nhiệt khi lý tưởng. Hình 3.22 thể hiện quan hệ Xc theo f, Ví dụ: Với tụ c = 2 ,2nF; ở tại f = lMHz điện kháng của tụ là:

x .=

liii Lut: IIIVU quíUi lit: yvc 1, VI uụ. vu,

[Hz điện kháng của tụ là:1 _________________________1_________________________ ^ 1000

271.f .c 6 ,2 8 .10“( - ) .2 ,2 .10“®(Ss) 6 >2 8 .2,2s

Q = 72,3Q

Hình 3.22. Quan hệ phụ thuộc điện kháng Xc vào tần số.

3.4.3. Sự dịch pha và đồ thị vectờ

Khi dược nạp đến trạng thái Uc lớn nhất, dòng 1 = 0 . Khi phóng điện hết J(. = 0 dòng I lớn nhất. Nghĩa là giữa dòng điện và điện áp trên tụ có sự dịch pha 90'X khi tụ không có tổn hao).

Khi không có tổn hao dòng điện trên tụ nhanh pha hơn điện áp 1 góc Qơ’.

Đồ th, thời gian Uc(t) và I{t) cho trên hình 3.23, đồ thị vectơ Uc, I cho trên lình 3.24.

Uç

/1 >\ X y * \ t Uc

HìnP 3.23. Đồ thị Uc (t) lc(t) của 1 tụ không tổn hao.

Hình 3.24. Quan hê vectd dòng và áp trên 1 tụ điện không có tổn hao.

3.4.4. Hệ số tốn hao và góc tổn hao

Các ti điện thực tế luôn có tổn hao. Nếu biểu thị qua điện trỏ tổn hao R troag mạch (hình 3.25), tụ không tổn hao (lý tưởng) c nối tiếp vổi R. Từ mạ;h hình 3.25 nhận đưỢc đồ thị véctđ hình 3.26. Góc dịch pha

45

giữa dòng và áp thực tế nhỏ hơn 90“, so với tụ lý tưởng bị dịch đi 1 lượng s đưỢc định nghĩa là góc tổn hao. Hệ sô" tổn hao theo định nghĩa là tang của 5.

/-------p

RÙ ^ t V'c== Uc Uc'

f ỉu

Hĩnh 3.25. Mạch tương dưdng thay thê' 1 tụ điện có tổn hao.

Hình 3.26. Đổ thị véc tơ dòng và áp trên 1 tụ diện có tổn hao.

tg 5: hệ số’ tổn hao.

. _ ư« I.RUc I.x^

Tụ càng tô"t khi tổn hao càng nhỏ hay tgS càng nhỏ, R « Xc. Hệ sô" phẩm chất của tụ điện Q dưỢc định nghĩa:

hay

3.5. MẮC NỐI TIẾP VÀ MẮC SONG SONG CÁC TỤ ĐIỆN

3.5.1. Mạch nối tiếp

Mạch điện hình 3.27 có 3 tụ Ci, C2 và C3 mắc nôl tiếp nhau. Trở kháng tổng cộng:

Ctd ~ ^C1 ^C2 C31 1 1 1— -— = — l _ + - _ l _ + _ l _

coC,J coC, coCt coC,

J_r 1 1 1 co

Hay:

1 1(0 c Id

+ -----h

Ci =ì :.,ơ C2-h)Cc2

C3=hxc3

Hình 3.27. Mắc nối tiếp 3 tụ điện.

Tổng quát khi nốì tiếp n tụ điện Ci, C2 •••Cn. Điện dung tương đương được xác định bởi:

46

Áp dụng cho trưòng hơp có 2 tu Ci và C2 nôl tiếp; - ^ = — + —'Id c , C,

Hay

Ví dụ; Hãy tính C(,a khi nốì tiếp c, = 47nF với C2 = lOnF (hình 3.28).

c , . c , 47nF.10nF 470

C,=47nF

C2=10nF

c ,+ c , 47nF + 10nF 57

3.5.2. Mạch song song

Mạch điện hình 3.29 có 3 tụ Ci, Cọ và C.3 mắc song song nhau. Khi đó:

1 I l 1

nF - 8,25nF 3 2 8 . Mắc nốitiếp 2; tụ điện.

X X,C,J Cj Cj

Hay co.C«! - co.(Ci + c <2 + C3)

Ctd ~ C1+C2 + C3

Trường hỢp có n tụ Ci, C2, c„ mắc song song:

Hình 3.29. Mắc song song 3 tụ điện.

C,u = C, + C2 + ... + C„=i=l

Ví dụ; Mắc song song 2 tụ Ci và C2, biết Ci = lOOf F (hình 3.30) va:

Ctd = 430 |.iF hãy tính C2

c l i - c . + c^hay C, = C a -C ,C2 = 430 | iF - IOO1.1F = 330 |.iF

3.6. CUỘN DÂY

3.6.1. Điện cảm

Khi trong cuộn dây hình 3.31 có một dòng điện xoay chiều chảy qua, xung quanh nó sẽ xuất hiện một từ trường biến thiên theo thời gian. Từ trường này cảm ứng lên cuộn dây một điện áp theo định luật tự cảm.

U 4Cg=

JL , ..lOOpF

C2--7

Hình 3.30. Mắc song song 2 tụ diện.

IHình 3.31. Ký hiệu

cuộn dây.

47

U q! điện áp cảm ứng N: sô" vòng dây của cuộn dây Aộ: Sự biến thiên của từ thông At: thời gian xảy ra biến thiên A(Ị)

a) Đồ thị dòng điện và điện áp cảm ứng trên cuộn dây khi nối mạch dòng điện

n

Uo

b) Đổ thị dòng điện và điện áp cảm ứng trên cuộn dây khi ngắt mạch dòng điện

Hinh 3.32.

Dấu trong hệ thức thể hiện điện áp cảm ứng có chiều ngược với tác động là nguyên nhân sinh ra nó (là biến thiên dòng diện trong cuộn dây) (hình 3.32a và hình 3.32b). Khi dòng I tăng thì Uo ngược chiều I, còn khi I giảm thì Uo cùng chiều vối I. Điện áp tự cảm có giá trị phụ thuộc cấu tạo của cuộn dây (vật liệu làm lõi, số vòng, chiều dài quấn dây) và phụ Ihuộc tốc độ biến ihiên của dòng điện trên cuộn dây.

Ul: Điện áp tự cảmAI: sự biên thiên của dòng điệnAt: thời gian biến thiên của dòng điệnL: điện cảm của cuộn dây

Đơn vị điện cảm đo bằng Henry [L] =Vs

= a s = H

48

Cuộn dây có điện cảm là 1 Henry khi với dòng điện biến thiên 1A trong 1s sẽ sinh ra sức điện động (điện áp) tự cảm trên nó là 1V.

Các đơn vị nhỏ hơn của H là;ImH (milihenry) = 10' H; InH (nano Henry) = 10~®H 1|aH (microHenry) = IpH (picoHenry) =

Các đơn vỊ lớn hơn là IkH (kiloHenry) = ít dùng.Điện cảm của cuộn dây xác định bởi;

L

L: điện cảm.N: sô" vòng dây í-Iq: hằng sô" từ trường

hệ số từ thẩm.A; thiết diện vòng dây.1,„: độ dài đưồng sức trung bình a : đ ộ dẫn t ừ .

Điện cảm của một cuộn dây luôn tỷ lệ với sô vòng dây bình phương (việc xác định hệ sô" từ thẩm )LI,, thường khó khăn với các vật liệu lõi sắt từ và chỉ tính gần đúng, giá trị 1„, thường phân bô" không rõ rệt để tính chính xác đưỢc).

3.6.2. Câu tạo cuộn dãy

3.6.2.1. Cuộn dây lõi không khíĩiOại cuộn dâv lõi không khí thường có dạng

trụ (hình 3.33) hay dạng thiôt diện chữ nhật (hình 3.34) dạng xuyến (hình 3.35) hay dạng xoắn Ốc (hình 3.36).

I

Hình 3.33. Cuộn dây dạng hỉnh trụ.

PHỉnh 3.34. Cuộn dây

dạng chữ nhật.Hình 3.35. Cuộn dây

dạng lõi xuyến.Hình 3.36. Cuộn dây

dạng xoắn ốc.

4-LK ĐIỆN ĩử49

3,6,2,2, Cuộn dây lõi sắtCuộn dây có lõi sắt làm từ vật liệu sắt từ mềm (hình 3.37) hay

vật liệu Ferit từ (hình 3.38).Các vật liệu sắt từ (hình 3.37) làm lõi đưỢc cách ly với dây quấn

nhò vật liệu cách điện và loại cuộn dây này chỉ làm việc với các tần sô" thấp (tới 20kHz) do tổn hao tăng nhanh khi tăng tần sô".

Nhóm lõi Ferit từ hình 3.38 có tính chất tôt hơn ỏ tần sô" cao do tổn hao thấp; cuộn dây loại này đưỢc dùng với tần so» cao tối vài chục MHz. Các dạng lõi sắt hay lõi Ferit khác nhau đưỢc cho trên hình 3.39.

Hình 3.37. Lõi cuộn dây xoắn từ. Hình 3.38. LÕI cuộn dây Ferit từ.

Lõi chữ u Lõi chữ E LÔI chữ M

s

Lõi chữ I Lõi tròn Lõi trụ xoay

Hình 3.39. Các lõi sắt hay sắt từ Ferit.

3.7. CUỘN DÂY TRONG MẠCH ĐIỆN 1 CHIỀU• II •

3.7.1. Quá trình nối mạch - tạo từ trường

Mạch hình 3.40 cho một cuộn dây chịu tác động của một nguồn 1 chiều.Điện trở R trong mạch có tính tổng quát bao gồm cả điện trở riêng của cuộn dây, tức là khi đó coi cuộn dây thuần kháng (không tổn hao).

Khi cho khoá s nối mạch, dòng trong mạch tăng dần. Ngay lúc nối mạch, điện áp

II

Hình 3.40. Cuộn dây trong mạch điện 1 chiểu (khi nối mạch).

50

tự cảm Ul trên cuộn dầy lớn tới giá trị u tác động. Sức điện động tự cảm chốíag lại sự tăng trưởng của dòng (hãm dòng) làm dòng trong mạch tăng chậm. Đồ thị hình 3.41 minh hoạ sự biến thiên của U l và I theo thời gian. Quá trình thiết lập tạo từ trường càng chậm khi giá trị L càng lớn và R càng nhỏ. Hằng s ố thời gian X được định nghĩa

Sau khoảng thời gian nôl mạch là T điện áp trên cuộn dây giảm

còn 37% giá trị u và dòng tăng tới 63% trị = — (hình 3.41) đếnR

thời gian 5 t thì U l (5 x) 0 và I(5t) =

\ \ .

-------I--- V-

©'I

IK

Hình 3.41. Đố thị U(t) l(t) trên cuộn dâykhi tạo từ trưòng (nối mạch). 3 ^2. Cuộn dây trong mạch

điện 1 chiểu (khi ngắt mạch).

Từ trường của cuộn dày sau khi nổi mạch một thời gian 5 r = 5 .— sẽ

được thiết lập hoàn toàn.

Vi du: Một cuộn dâv có điện cảm L = 0 ,2H, đặt vào nó điện áp một chiều lOOV với điện trở cửa mạch R = 50Q.

a) Tính thời gian thiết lập từ trường của cuộn dây.b) Tính dòng cực đại I,,,,,, khi từ trường đã được thiết lập hoàn toàn.

_ L 0 ,2H 0 ,2Q s_ a) X = — = -r-— = —;—— = 4m s

R 50Q 50Q

Như vậy thòi gian thiết lập từ trường là 5x = 5.4ms = 20ms (tức là sau 2 0 ms từ trường được thiết lập hoàn toàn).

, _ u lOOV ^ ,b) I,naK = = ----- - = 2A

R 50Q

51

3.7.2. Nằng lượng của cuộn dây

Năng lưỢng từ trường chứa trong cuộn dây khi được nạp xác định bởi;

W: năng lượng từ trường trong cuộn dây L: điện cảm của cuộn dây I; dòng điện chảy qua nó

Ví du: Cuộn dâ3' có L = 0.5H có dòng I = 3A chảy qua. Tính năng lượng của cuộn dây ở trạng thái này.

w = - L P = -0,Õ(H).3(A)"= 2,25Ws (Watt giây).2 2

3.7.3. Quá trình ngắt mạch - giải phóng năng lượng từ trường

Mạch hình 3.42 thể hiện quá trình ngắt mạch khi khoá s hở mạch. Do dột nhiên mất dòng cấp tại lúc s ngắt, năng lượng từ trường trong cuộn dây đưỢc tự do, xuất h iện điện áp tự cảm rấ t lớn có cực tính ngược với chiều u hay cùng chiều với hướng giảm của dòng điện trên cuộn dây.

Độ lớn của điện áp tự cảm phụ thuộc vào nảng lượng đã tích luỹ và vào tốc độ biến thiên của việc ngắt mạch (của dòng điện).

Giá trị điện áp tự cảm có thể đạt tói vài kV (đây cũng là nguyên lý khởi động mồi cho động cơ ô tô chỉ dùng bình ắc quy) khi nguồn cấp dòng cho cuộn dây (gọi là cuộn mồi) bị ngừng đột ngột.

Đồ thị hình 3.43 thổ hiện dòng và áp trôn cuộn dây khi có tác động dãy xung vuông góc vào mạch. Tronfí khi dòng I(t) chỉ thay dổi trong phần trên trục 0 thì U l thường xuyên bị đảo cực sau mỗi nhịp nối (cực tính dương) và ngắt (cực tính âm). Đồ thị hình 3.43 cũng tuân theo quy luật như vối một xung đột biên đơn trước đây, nghĩa là sau: X = L/R điện áp U l giảm 37% trị ƯL„,„X và I tăng 63% = U/R).

Hình 3.43. Quá trình nối và ngắt mạch ò cuộn dây khỉ tác động 1 xung điện áp dạng chữ nhật.

Sau õx = 5I7R năng lượng trong cuộn dây đưỢc giải phóng hoàn toàn.

52

3.8. CUỘN DÂY TRONG MẠCH ĐIỆN XOAY CHlỂU

3.8.1. Sựtkĩh luỹ và giải phóng năng lượng từ trường trên cuộn dây

Khi đãt diện áp xoay chiều lên cuộn dây, dòng xoay chiều chảy qua cuộn dây tạo nôn quá trình liên tục tạo và giải phóng năng lượng từ Irường (hình 3.44). Đồ thị hình 3.45 mô tả quá trình nạp và phóng năng lượnỉ cho cuộn dây trong một chu kỳ của dòng điện hình sin với4 nhịp làir. việc khác nhau trong mỗi phần tư chu kỳ.

s R I

ìu

±II ƯL

Hình 3.44. Cuộn dây trong mạch xoay chiều. Hình 3.45. Quá trình thiết lập và giải phóng

(năng lượng) từtrưòng trong cuộn dây.

3.8.2. Sự dịch pha và đồ thị vectơ

Điện áp ưị trên cuộn dầy dạt giá trị lón nhất khi dòng điện I trên nó qua giá trị 0 và ngược lại Uị, =0 lúc dòng I đạt cực đại. Như vậy U l và l dịch pha nhau 90” và điện áp nhanh pha hơn dòng điện 90 đối với cuộn dây lý tưởng.

ở cuộn dây không có tổn hao, điện àp sớm pha hơn dòng điện 90°.

Hình 3.46 là đồ thị thời gian của ư|, và I minh hoạ kết luận trên và đồ thị vectơ tương ứng thổ hiện trên hình 3.47.

Hình 3.46. Đồ thị U(t) và l(t) khi tác động điện áp xoay chiều hinh sin lên

cuộn dây không có tổn hao.

Ui /

Hỉnh 3.47. Quan hệ véc tơ ỏ cuộn dây không tổn hao.

53

3.8.3. Điện kháng thuẩn (cảm kháng) của cuộn dây

Thành phần điện kháng thuần của cuộn dây là thành phần không làm tổn hao năng lượng điện khi không biến đổi n ăn g lượng thành công su ấ t nh iệt trên cuộn dây và đưỢc xác định bởi tỷ sô" ư l /I.

IX l = 2nfL = coL

Xl; Cảm kháng f: Tần sô"L: điện cảm. co: 2nf tần số’ góc.

Hình 3.48. Sự phụ thuộc của điện kháng thuần của cuộn dây vào tần số.

Đồ thị hình 3.48 biểu diễn quan hệ Xl và tần sô" f,

Ví dụ: Hãy tính cảm kháng của cuộn dây có điện cảm L =10mH ỏ tần sỐf=2MHz.

27ifL = 6,28.2.10"l/s.10.10-'Qs 125600 Q = 125,6kQ

3.8.4. Hệ số tổn hao và phẩm chất

Thường cuộn dây thực tế có tôn hao và không thể bỏ qua đưỢc. Có thể đặc trưng cho tổn hao trên cuộn dây bằng điện trở R trong mạch hình 3.49 được mắc nổi tiếp vối cuộn dây lý tưởng không tổn hao, Với mạch hình 3.49 có đồ thị vectd hình 3.50. Khi có tổn hao điện áp u trên cuộn dây sớm pha hơn dòng điện 1 góc (90* -ô) nhỏ hơn 90* .

5 đưỢc định nghĩa là góc tổn hao, cuộn dây không tổn hao có s ~ 0. Hệ sô" tổn hao được định nghĩa là tg ô

Hình 3.49. Mạch thay thê cuộn dày

có ton hao.

Hỉnh 3.50. Đồ thị véc tơ của 1 cuộn dây có tôn hao khi có dòng

và áp qua nó.

Igô =u , IX,

Hệ sô" phẩm chất của cuộn dây được định nghĩa là nghịch đảo của tgS

54

Q =tgỗ R

Q: hệ số phẩm chất của cuộn dây Xị! cảm kháng của cuộn dây R: điện trở tổn hao của cuộn dây

3.8.5. Cách quấn cuộn dây

Khi sử dụng cuộn dây, do yêu cầu rất khác nhau nên phần lốn chúng đưỢc quấn trên các lõi khác nhau và không có sự chuẩn hoá như với các điện trở hoặc tụ điện.

Điển hình nhất là cuộn dây quấn trên lõi không khí nhờ một cuộn ÔTg hì.ih trụ híiy xuyến hình tròn (hìr.h 3.50a vè. lù.ih 3.õCbỳ. Điện cám của cuộn dây quấn trên các lõi này đưỢc xác định theo công thức gần đúng với lõi trụ hình 3.50a.

■I

-Xa) Cuộn dây dạng hình trụ b) Cuộn dây dạngvòng xuyến

Hình 3.50a, b, c.

ở đây:

c) Lõi terit từ mềm

hay N =L(3D + 9Í + 10W)

78 D-Với lõi hình 3.50b

hay

Vi dụ:

N = Ld7iD

L; điện cảm (nH)D: đường kính lõi (cm)L’: chiều dài lõi (cm)W: bề dầy cuộn (cm)N; aố vòng dây

ở đây:L: điộn cảm (nH)D: đưòng kính lớn (cm) d: đường kính nhỏ (cm) N; số vòng dây

Vổi lõi hình 3.õOa có chiều dài 1 = 2cm, đường kính D = l , 5cm và bổ dầy cuộn dây w = 4mm được quấn 100 vòng. Tính điện cảm L.

55

L = N \- 78D-= 100-

78(1,5)- 31,5 + 9.2 + 10.0,4

nH3D + 9.L’ + 10W

= 66226nH = 66,226nH Vối loại lõi sắt từ chủ yếu là lõi Ferit đưỢc sản xuất công nghiệp

vối nhiều loại mẫu mã hình dạng khác nhau. Tuy nhiên vật liệu làm lõi chủ yếu là loại Ferit từ mềm có hệ số’ điện cảm Al xác định.

Giá trị Aị_ của một lõi cuộn dày là giá trị độ dẫn từ của lõi.

Khi sử dụng lõi sắt từ, điện cảm của cuộn dây được tính theo:Al: hệ số điện cảm (nH)L: điện cảm (nH)

L = A,

hay N -L

V a ,

Ví dụ: Lõi dạng hình 3.50c được dùng phổ biến tối tần số 50MHz dùng để quấn một cuộn dây có L = 360)aH; biết Al = 60nH. Khi dó cần sô" vòng dây quấn trên lõi là:

N = E , V65Õ5V Al V 60(nH)

N = 77,5 vòng dây.

3.9. MẮC NỐI TIẾP VÀ MẮC SONG SONG CÁC CUỘN DÂY

3.9.1. Mạch nối tiếp

Trên hình 3.51 thực hiện mắc nô"i tiếp 3 cuộn dây Lj, L2 và L3. Khi đó điện cảm tương đường:

Ltci “ Xli + Xl2 H a y coLtj = co (Lj + L 2 +L3)Từ đó vối n cuộn dây có điện cảm Li, L2... L„

mắc nỐì tiếp nhau, điện cảm tương đưđng của chúng là:

u

Li I Xli

I-ĩỂxlĩ

L3I Xlỉ

Hình 3.51. Nối tiếp 3 cuộn dây.

(Chú ý hệ thức trên chỉ đúng khi các cuộn dây không ghép từ với nhau).

56

3.9.2. Mạch song song

Trên hình 3.52, 3 cuộn dây Li, Lj và L, mắc song song vổi nhau. Khi các cuộn dây này không ghép từ trường vối nhau (không ghép hỗ cảm) thì:

1 1 1 1

haỵ

Xud x „ x ,3 x ,3

1 1 1 1— :— = + +íoL,j coLj (oL, C0L3

J _ Ị_

Lịj L| Lt L,

u ¿'II x jr ¿ỉii’

Hỉnh 3 52. Nối song sonọi 3 cuộn dây.

Khi có n cuộn nốì song song nhau, không ghép từ với nhau thì:

Trưòng hỢp riêng khi chỉ có 2 cuộn dây Lj và m ắc song song

/ L,|1 M I_ LịLị" L, + L,

(

Vi dụ: Cho mạch hình 3.54 với 3 cuộn dây có điện cảm LIJ Lo và L3 tương ứng là Lj = SOOmH; L2 = lõOmH; L3 = lOOmH. Tính diện cảm tương đương.

L 300.150 (mH) 45.000mH“ L, +Lj ” 300+150 (mH) ” 450

Lu - Lj 2 + L3 = lOOmH + lOOMH = 2 0 0 mH

Hình 3.53. Nối song song 2 cuộn đây.

300 ờ«

lOOnH

| L2 = llléOmH

ỉL3=100mH

Hình 3.54. Mắc hỗn hđp 3 cuộn dây.

CÂU Hỏí ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

1. Hây giải thích khái niệm “điện dung”. Nêu rõ điện dung của dây dẫn đién, điện dung của cáp hay điện dung của một hộp thiết bị là gì?

2 . Hảy nêu môi liên hệ giữa điện tích Q, điện áp u và điện dung c?

57

3. Giá trị các tụ điện đưỢc thể hiện qua mã màu 5 vạch như thế nào? Ý nghĩa của các vạch màu quy ước?

4. Mỗi tụ điện có một thời gian hằng số tự phóng Tg, giá trị Ts phụ thuộc vào những đại lượng nào?

5. Một tụ điện có giá trị danh định là 2 ,2 nF ở 20°c và có hệ số nhiệtttc = - 2 ,Õ.10” 1/‘ K. Hãy tính giá trị điện dung của tụ ở nhiệt độ 95"c?

6 . Điện áp giới hạn lâu dài của tụ có ý nghĩa gì?7. Hãy giải thích đặc điểm cấu tạo của tụ mica và tụ giấy.8 . Phân biệt tụ MP và tụ mica. Khả năng hồi phục của tụ MP là gì?9. Cấu tạo của tụ MK?10 . Tụ điện hoá có điểm đặc biệt gì? Các điện cực 1 , điện cực 2 và lốp

điện môi của tụ làm từ loại vật liệu nào?1 1 . Tại sao tụ điện hoá có phân cực?12. Tại sao sử dụng các điện cực thô nhám đốì với tụ điện hoá?13. Các tụ điện hoá không phân cực có cấu tạo như thế nào?14. Tụ điện hoá T anta l dùng chất điện phân lỏng và ch ất điện phân

rắn. Hãy trình bày cấu tạo của hai loại tụ này.15. Tụ xoay và Trimơ có đặc điểm gì giông và khác nhau?16. Hằng sô" thời gian nạp cho tụ điện (trong một mạch điện một chiều)

là gì? Ý nghĩa?17. Một tụ diện có điện dung c = 2200).iF đưỢc nạp bởi diện áp một

chiều 450V. Tính năng lượng nạp cho tụ.18. Tụ có c = 6800)J,F làm nguồn điện áp cho điện trỏ tải R = lOMQ.

Tính thòi gian phóng điện của tụ (lúc bắt đầu phóng tụ đã được nạp đầy).

19. Tụ c = 4 7nF tại tần số f = 10kHz có hệ số tổn hao là 0 ,0 2 . Tính điện trở tổn hao nôi tiếp vói c? Tính phẩm chất Q của tụ.

20. 3 tụ điện c , = lOOnF; C2 = 22nF và C3 = 47nF được mắc nối tiô’p nhau. Tính Ctj.

21. Một tụ có Ci = l|.iF đưỢc nôì tiếp với tụ C2 để tạo ra Cia = 359nF. Tính C2.

2 2 . Giải thích ý nghĩa điện cảm của 1 cuộn dây? Khi nào 1 cuộn dây có giá trị điện cảm là 1 Henry.

23. Hằng số thời gian của cuộn dây trong mạch điện 1 chiều là gì?

58

24. Một cuộn dây không tổn hao có dòng xoay chiểu chảy qua. Góc dịch pha giữa diện áp trên cuộn dây ƯL và dòng I qua nó bằng bao nhiêu? Vẽ đồ thị véc tơ minh hoạ?

25. Sự phụ thuộc của cảm kháng X| của một cuộn dây vào tần sô" như thế nào? Vẽ đồ thị minh hoạ.

26. Hộ số tổn hao và phẩm chất của 1 cuộn dây thực là gì? ý nghĩa.27. 3 cuộn dây Lj = 20mH; Lg^lOOmH và Lj = IH đưỢc nối song song

nhau (không có ghép từ trưồng với nhau). Tính Li,).28. Hãy xác định giá trị của tụ Ct,i trong mạch hình 3.55.

C,= 2nF Ca^lOOnFC 3 = 2 |.iF C ,= 4^iF C5=6mF.

C32ụF'

2pF 100 nF

Ct= ì ỊjF

ci6 pF

Hình 3.55. Mắc hồn hợp 5 tụ điện.

59

Chưdng 4

M6NCĨ Mfĩl cực VA M6NQ 4 cực PHỤ THUỘC TẬN SỐ

4.1. TÍNH CHẤT CHUNG

4.1.1. Mạng hai cực

Một mạch điện có hai đầu nối ra ngoài được mô tả là 1 mạng 2 cực, có thể biểu diễn như một cái “hộp” ở hình 4.1. Cấu tạo bên trong “hộp” có thể rất khác nhau, ta chỉ chú ý đến một số trường hợp là các linh kiện đã để cập túi như điện trở, tụ điộn hay cuộn dây và chúng có ý nghĩa đặc biệt trong kỹ thuật điện tử.

4.1.2. Mạng 4 cực

Mạch điện có 2 đầu nối ỏ lối vào và hai đầu nốì ở lôi ra đưỢc định nghĩa là 1 mạng 4 cực và có thể mô tả chúng như một hộp dạng hình 4.2. Có nhiều dạng mạng 4 cực rất khác nhau về cấu tạo và tính chất. Trong phần này chỉ đề cập tới một vài dạng cơ bản nhất có cấu tạo từ các phần tử R, L, c thường gặp và quan trọng nhất trong kỹ thuật điện tử.

o — ■

ZP

Hình 4.1. Mạch điện có hai đầu nối ra ngoài

(mạch 2 cực).

Lối ra

Hình 4.2. Mạch 4 cực.

4.2. MẠCH RC Nốl TIẾP

Tác động một điện áp xoay chiều vào mạch RC nổi tiếp thể hiện ở hình 4.3 (có dạng 1 mạng 2 cực). Đồ thị véctđ các điện áp ƯR, U(J và dòng điện I trên mạch được cho trên hình 4.4; đồ thị véc tơ các thành phần trở kháng của mạch cho trên hình 4.5.

u ỉ Mạng hai cực

Hình 4.3. Mạch 2 cực nối tiếp R và c.

60

Hỉnh 4.4. Đổ thị véc tơ dòng và áp trẽn mạch RC nôi tiếp.

Hình 4.5. Đồ thị véc tơ trỏ kháng của mạch nối tiếp RC.

Do Uk cùng oha I và I nhanh pha h ơ D Uc 1 góc 90^(khônp tổn hao trôn tụ C). Ta có:

^ - Xc Vậy z =uI

Z=y] ì V+Xị

Ọ là góc dịch pha giữa u và I

4.3. MẠCH RL NỐI TIẾP

Tác động điện áp xoay chiều u vào mạch gồm R và L nốì tiếp hình4.6, Uk cùng pha với dòng điện I, U l nhanh pha 90” so với I (cuộn dây không có tốn hao). Đồ thị vectơ các điện áp cho trên hình 4.6 và quan hệ diện kháng cho trên hình 4.7. Từ các dồ thị này, ta có;

I I

Z = ^ R ' + x ị

_ 1, _ tg(p =

o đây (p là góc dịch pha giữa dòng điện I và điện áp u trong mạch.

61

L||

ỚR

î1 II

Mạng hai cực

Hình 4.6. Mạch nối tiếp R và L (mạng 2 cực).

Hình 4.7. Đồ thị véc tơ điện áp và trả kháng mạch RL nối tiếp.

4.4. KHÂU RC

Chuyển mạch nốì tiếp RC hai cực hình 4.3 theo cách biểu diễn của một mạch 4 cực hình 4.8 vối Uị là điện áp lốì vào, Ư2 là điện áp lôì ra. Hãy xét tính chất của khâu RC hình 4.8 khi Ui là điện áp có dạng hình sin và tần sô" của Ui thay đổi.

ở vùng tần sô" thấp, tụ c có trở kháng rất lốn, khi đó Ư2 - Uj. ờ vÙDg tần sỏ" cao, trở kháng của tụ c đủ nhỏ, khi đó Uo « 0 .

Trên hình 4.8 cho sự phụ thuộc của điện áp ra Ư2 vào tần sô" lôi vào. Tính chất cho qua tần thấp và nén tần sô"cao gọi là tính lọc tần thấp.

Mạch lọc tần thấp chỉ cho các tín hiệu vào có tần số thấp đi qua.

Tần số’ tại đó U2 giảm còn 0,707Ui (giảm y[2 lần) được định nghĩa là tần sò' giới hạn trên của dải tần cho qua và ký hiệu fg.

RỸ —' '—

Lối vào U]

i-

Ơ2 Lối ra

4 cực

Hình 4.8. Mắt RC như một mạng 4 cực đồ thị phụ thuộc điện áp ra U2 vào tần số f.

Từ đồ thị vectơ của mạch điện cho trên hình 4.9, có Ư2 = xảy

ra khi Uk= U c = Ư2 hay = ^2 J I

62

R = Xe, từ điểu kiện này 1R =

2ní.cUhay

27tRC 2 tit

Tích sô" X = RC được định nghĩa là hằng sô" thòi gian của khâu RC, tại tần số giới hạn fg, U2 dịch pha so với Ui 1 góc 45°.

Ví dụ: Khâu RC có R = lOkQ; c = lOOnF.Tính của bộ lọc thâ"p?

1 1í, = — — = ------------- r --------- ----° 2rtRC 6 .2 8 .10.10 \ 100.10'".s,

= 159Hz

Hình 4.9. ĐỒ thị véc td điện áp và điện trd của mắt RC ỏ tần sô' giói hạn.

4.5. KHÂU CR

Mạch CR (hình 4.10 với mô hình một mạng 4 cực) có được nhò đảo vỊ Lrí giữa 2 phần tử R và c trong mạch nối tiếp hình 4.3 hay hình 4.8 Các tính chất của khâu CR ngược lại rất khác so với khâu RC đã xét:

<> i ■ ' <

LỐI vào u- U c - ^

> u ì

4 cực /

Hình 4.10. Mắt CR như một mạng 4 cực.

ở các tần sô' thấp, do trở kháng của c rất lốn nên Ư2 » 0. ở các tần số cao, do trở kháng của c rất nhỏ nên Ư2 » U).Đồ thị Ư2 (f) được cho trên hình 4.11 và quan hệ vectơ giữa điện áp

và dòng điện trong mạch cho trên hình 4.12.

Khâu mạch CR chỉ cho qua các tín hiệu tần số cao và nén các tín hiệu tần số thấp, đây là tính chất của một bộ lọc tần số cao.

63

Bộ lọc tần số cao là một mạch chỉ cho qua các tần số cao.

Hình 4.11. Đồ thị phụ thuộc điện áp ra U2 vảo tần số f của mắt CR.

Hình 4.12. Đồ thị véc td tại tẩn số giói hạn của mắt CR.

Tương tự, tần số tại đó u., giảm giá trị còn được tính nghĩa làV2

tần m cắt (tần sô" giới han dưới fg) của dải tần cho qua.Tại ĩg U|í = Uo và do đó;

(C=72.3nF)

Tại fg u., dịch pha 45 so với U].Vi du: Một bộ lọc cao CR hình 4.13

có = 1kHz. Biết R = 2,2kQ hãy chọn tụ c thích hỢp.

R=2 kn

Hình 4.13. Bộ lọc cao vói tần số giói hạti là 1KHz.

c = --------------ỉ------ ^ - nF6 , 2 8 . 2 , 2 ( k Q ) . 1 0 - ( H z ) 6 , 2 8 . 2 , 2

c = 72,3 nF.

4.6. KHÂU RL

Một mạch điện gồm điện trở R mắc nối tiếp vói 1 cuộn dây L (hình 4.14) được mô tả dưới dạng một mạng 4 cực và đ ư ợ c gọi là một khâu RL. Cuộn dây có điện cảm L được coi là lý tưỏng (không có tổn hao).

Xét quan hệ Ư2 (f) tại lốì ra (hình 4.15), khâu RL đang xét có tính

64

chất của bộ lọc tần số cao: ỏ vùng tần số cao, điện kháng Xl giá trị lốn nên U l » Ur hay Uọ ~ u ,. ở vùng tần sô thấp, do Xl nhỏ nên U l « Ur hay Uị a 0. Tần số tại đó Ư2 giảm V2 lần so với trị lớn nhất (bằng Uj) được định nghĩa là tần sô" giới hạn dưới hay tần sô" cắt fg!

U,u , (L) =

Kbi đó: Ư2 = U l = Ur hay Xl = RTa có 27tf,.L = R.

Hay

Ư1ƯR

Hình 4.14. MắtRL. Hinh 4.15, Đồ thị quan hệ Uj lối ra của một mắt RL với tần số vảo f.

Đồ thị quan hệ vectơ giữa dòng điện và các điộn áp trong mạch cho trên hình 4.16. Tại tần sô" giối hạn, Uọ dịch pha 45” so với Ü,.

LHằìg sô" thòi gian của mạch T =

RVí du: mộL khâu RL có hằng sồ thời

gian T = 0,5ms, biết R = lOOQ (hình 4.17) hãy tính tần số giới hạn của bộ lọc và xác định gii trị điện cảm L của khâu RL.

f = _ L = 1 _ 1000' " 2tit " 6,28.0,5.10-\s ~ 6,28.0,5

fg=318Hz.L

Hình 4.16. Đổ thị véc tơ điện áp tại tần số giổi hạn

của mắt RL.

L 50mH

T = -> L = t.R

0 - wm .......... 0-----ƠL—^

Uy JR U2

100Q

R= 0,5.10-'s.l00Q = 50mH. Hình 4.17. Bộ lọc cao RL

vói tần sô giổi tiạn 318Hz.

S-tKĐlẠnr65

4.7. KHÂU LR

Đối vị trí giữa điện trở R và cuộn dây L trên hình 4.14 sõ có khâu LR hình 4.18. Mạch có tính chất của một bộ lọc tần số thấp.

ở vùng tần số thấp, do Xj, rất nhỏ nên U]Ị»ƯL hay Ư2 » Uj ở vùng tần sô" cao, do Xl rất lớn, ưj^»Ur hay ưc» 0.

Hình 4.19 đưa ra đặc tính U2(f) thể hiện tính chất lọc tần thấp của khâu LR. ở tần số giới hạn trên của dải tần số cho qua, U|Ị - Uị hay từ

đó suy ra với u, (fg) = tại fg, Ư2 dịch pha 45° so với Uj.V2

4.8. MẠCH CỘNG HƯỞNG

4.8.1. Mạch RLC nối tiếp

Xét mạch hình 4.20 gồm 3 phần tử R, L và c mắc nối tiếp nhau. Khi đặt lên mạch 1 điện áp u , xuất hiện dòng điện I trong mạch. Điện áp trên R là Ur cùng pha với I (Ur = IR). Điện áp trên cuộn dây L nhanh pha hơn dòng điện 1 góc 90° (Uj, = I . Xl). Điện áp trên tụ c chậm pha hơn dòng điện 1 góc 90” (Uc = I. Xc). Các quan hệ vể pha ở trên đưỢc thể hiện trên dồ thị vectơ hình 4.21.

R 1 Úr

1u

•-I1 1

c=í*

Hỉnh 4.20. Mạch nối tiếp R, L, c. Hình 4.21. Đồ thị véc tđ mạch nối tiếp R, L và c ỏ một tần sô xác định.

66

Tại một tần số nhất định, có thể tính toán theo quan hệ vectơ các điện áp trong mạch như hình 4.22 và quan hệ vectơ các điện kháng trong mạch như hình 4.23. Từ hình 4.22 suy ra:

Từ đồ thị hình 4.23 suy ra:

Hinh 4.22. Đồ thị điện áp của mạch nối tiếp RLC ồ một

tẩn số xác dinh.

Hình 4.23. Đồ thị tính trỏ kháng mạch RLC nôi tiếp tại

môt tần số xác định.

ở tần số' cao, do Xl lớn nên z khá lớn. ở tần số tha"p z cũng khá lốn do Xc lớn. Trở kháng nhỏ nhất xảy ra lúc Xl = Xc và có tính thuẳn trở z = R (hình 4.24). Tần sô" f,, tại đó các điện kháng bằng nhau và ngược dấu gọi là tần sô' cộng hưởng của mạch. Ta có Xj = Xç.

1(oL =

co =

0)C 1

VEc= 2nf

Hình 4.24. Quan hệ trỏ kháng theo tẩn số z(f) của mạch nối tiếp R, L và c.

Hệ thức trên cho xác định tần sô" cộng hưởng fr gọi là công thức Thomson.

67

4.8.2. Mạch cộng hưỏng nối tiếp

Mạch nôl tiếp RLC hình 4.20 khi chọn R đủ nhỏ được gọi là mạch cộng hưởng nôl tiếp, ở đây R được coi là điện trở tổng cộng của mạch nốì tiếp, nghĩa là tính cả các điện trỏ tổn hao của cuộn dây và tụ điện trong thực tế (trường hỢp thường gặp R chỉ là các điện trở tổn hao của L và C). Tại cộng hưởng z = R, hình 4.25 chỉ ra đồ thị tính điện trỏ tại cộng hưởng của mạch.

Mạch cộng hưởng nối tiếp có điện trỏ nhỏ nhất tại tần số cộng hưởng.

Do Xị = Xc nên Ui = Uc- Đồ thị vectơ tính các điện áp tại tần số f,, đưỢc cho trên hình 4.26. Các điện áp trên cuộn dây ƯL và trên tụ điện Uc là bằng nhau về biên độ và ngưỢc pha nhau (hình 4.27). Sự trao đổi năng lượng từ trường của cuộn dây và năng lượng điện trưòng của tụ điện là cân bằng nhau kiểu con lắc và khi đó ta nói rằng đã có sự cộng hưởng cùng nhau. Tại có cộng hưởng điện áp khi đó U l và U(- có giá trị lốn hơn điện áp u tác động vào mạch.

Ui

>cR

ỈHẼl

ụcUr

Hình 4.25. Đồ thị trỏ Hình 4.26. Tính điệnkháng mạch nối tiếp RLC áp trèn mạch RLC nối

tại tần số cộng hưỏng. tiếp tại cộng hưởng.

Hình 4.27. Đồ thị (t), Uc(t) trên mạch cộng hưỏng nối

tiếp (lúc cộng hưỏng).

(Xem dạng U l và U(; ở hình 4.27 và giá trị tương ứng ở hình 4.28) Để đặc trưng hiện tượng cộng hưởng, sử dụng hệ sô" phẩm chất Q.

Hệ số phẩm chất Q của một mạch cộng hưởng nối tiếp là tỷ số độ vượt trội của Ui hay U c so với điện àp đặt vào mạch tại tần số cộng hưởng.

/ ^

Rf

Liv Ị

c «

, 1 ƯR=1V

1

Ị ƯI*10V

= ƠC=10V t

Hình 4.28. Các điện áp phân bò trên các phần tử

của mạch R, L và c nối tiếp.

68

Nếu thay U l = IXl ; U c = IXc và u = IR (tại Q thì

Hệ số tổn hao (hệ sô' nén) được định nghĩa là nghịch đảo giá trị của Q.

<£>Khi giữ cho điện áp vào u không đổi,

quan sát dòng I trong mạch khi thay đổi tần sô" của u sẽ nhận được đặc tính cộng hưởng (hình 4.29) của mạch cộng hưởng nốì tiếp. Hình 4.30 thể hiện 3 đường đặc tính cộng hưởng ứng với 3 giá trị d (hay R) khác nhau.

Mạch cộng hưỏng nổì tiếp có bản chất là một mạch chọn lọc tần số (mạch lọc) ở tần sô" và lân cận đủ hẹp xung quanh f,„ Dải tần sô" bộ lọc cho qua (dải tần làm việc) được gọi là độ rộng băng tần ký hiệu là b. Hình 4.31 thể hiện cách xác định độ rộng băng tần nhò xác định 2 tần sô"

Rơ=hẳng số

f có thể biến đổiN-^ IỊc=|=

Hình 4.29. Mạch đo đặc tuyến cộng hưỏng của RLC nôì tiếp.

biên fgi và fg2 sao cho:Hình 4.30. Đặc tuyến cộng hưỏng của mạch RLC

nối tiếp VỚI các tổn hao khác nhau.

I ( f „ ) = I ( y maxI

V ỉ

b = fg2 - fgi = d .

Độ rộng bàng tần càng lớn khi d càng lớn

69

Hình 4.31. Xác dịnh độ rộng băng tần của mạch cộng hưỏng RLC.

Vi dụ: Cần chọn 1 mạch cộng hưỏng nốì tiếp có tần sô f,. = lMHz khi đã có tụ c = 20pF. Hãy tính giá trị L

X, = Xc1 , I

coL =cùC (ù \c

1

(27Ĩ.10'' i ) ' . 20 . 10’ " Ss 3 9 ,4 .1 0 " .2 0 .1 0\-12 H

100039,4.20

mH = l,27mH

4.8.3. Mạch song song R, L, c

Đặt một điện áp u vào mạch hình 4.32 gồm 3 phần tử R, L, c mắc song song nhau. Dòng ỉ do u gây ra gồm 3 thành phần 1l, Ir và Ic được biểu diễn trên đồ thị vectơ hình 4.33. Dòng Ir cùng pha u, Ic nhanh pha hơn 90° và II chậm pha hơn 90'* so với u (giả thiết cuộn dây và tụ điện là các phần tử không có tổn hao). Thực hiện tính trên đồ thị véctơ hình 4.34 có;

= Y

70

i Jc

u

I I

Hìiih 4.32. Mạch cộng hưỏng RLC mắc song song.

Hinli 4.33. Đổ thị ựéc lơ các dòng difri trên mạch cộng hưỏng song song.

Ta có đồ thị véc tơ các thành phần điện dẫn ở hình 4.35

Y = Ậ: độ dẫn điện của mạchz

R= G : độ dẫn thuần

1X,

1X c

= Bl : độ dẫn cảm kháng

= Bp : độ dẫn dung kháng

Khi Bọ ” thì Y có giá trị nhỏ nhất Y = G. Đồ thị biểu diễn Y(f) cho trên hình 4.36.

Hình 4.34. Biểu diễn đồ thị véc tơ dòng điện trên mạch RLC song song.

Hình 4.35. Đồ thị véc tơ độ dẫn đỉện của một

mạch RLC song song.

Hình 4.36. Quan hệ độ dẫn theo tần số Y(f) của mạch

RLC song song.

71

Tần sô" tại đó gọi là tần sô" cộng hưởng fr được tính theo:

Bl “ Bc 1

toL2 _ 1

CO =LC

( 2 0 ^

(công thức Thomson)

4.8.4. Mạch cộng hưởng song song

Mạch hình 4.32 với ba phần tử R, L, c mắc song song khi có R đủ lốn được gọi là mạch cộng hưỏng song song, ở đây R là điện ti’ở tổng cộng của mạch song song kể cả các điện trở tổn hao của cuộn dây và tụ điện, điện trở lắp ráp mạch... ỏ tần sô" cộng hưởng, mạch cộng hưởng song song có điện dẫn nhỏ nhất hay trở kháng là lón nhất và thuần trỏ. Hình 4.37 thể hiện đặc tính Z(f) của mạch cộng hưỗng song song.

Mạch cộng hưởng song song có điện trỏ lớn nhất tại cộng hưởng

u

Hình 4.37. Trỏ kháng của mạch song song phụ thuộc tần số.

Hình 4.38. Đồ thị véc td các dồng điện khi ỏ cộng hưỏng.

Tại do B l = Bc nên Ij = Ic và có giá trị lớn nhất. Đồ thị tính toán véctớ các quan hệ dòng tại f,, được cho trên hình 4.38. Dòng II và Ic là đối pha nhau và có biên độ vượt trội hơn dòng I. Khi cộng hưởng ta nhận được sự trao đổi kiểu con lắc dòng điện trên cuộn dây II và dòng trên tụ Ic với độ lớn vượt trội hơn nhiều so với dòng I cung cấp cho

72

mạch. Đã xảy ra cộng hưởng kiểu dòng điện trong mạch dao động song song (hình 4.39 và hình 4.40). Mức độ vượt trội của II và Ic so với I được định nghĩa là hệ sô" phẩm chất Q của mạch.

Rv <z>í không đổi f có thể thay đổi L|| r(Ị C U ®

Hình 4.39. Quá trình trao đổi năng lượng giữa cuộn dây và tụ điện trong mạch cộng hưởng song song.

Phẩm chất Q của một mạch dao động cộng hưởng song song là sổ lần vượt trội của dòng ¡c hay ¡L so với dòng I cung cấp cho mạch khi xảy ra cộng hưởng.

Thay thế bằng các độ dẫn tương ứng:

Q =

U.B, _U B cU.G “ U.G

Bl _ B c _

G G

Hệ sô tổn hao

Mạch dao động song song được biểu thị tính chất qua đường cong cộng hưởng cho quan hệ điện áp u trên mạch và tần số f: U(f) hình 4.40. Các dạng đường cong cộng hưởng với3 giá trị tổn hao khác nhau đ ư ợ c

cho trên hình 4.41. Khi d càng lớn thì đường cong càng rộng ra. Độ rộng băng tần b được xác định theo đồ thị hình 4.42.

Hình 4.4Ó. Điện áp trên mạch song song theo tần sô' f của tín hiệu vào.

73

u

Hình 4.41. Đặc tính cộng hưởng song song với các mức tổn hao d khác nhau.

Hình 4.42. Đồ thị xác định bề rộng băng tần của mạch cộng hưởng.

b = f,2 - fgi = d.ĩ. vói u (f,0 = U (U =u .— max

V ĩ

/, = 10 MHz b =00 kHz

Bề rộng băng tần càng lởn khi hệ số tổn hao càng lớn hay Q càng nhỏ

Ví du: Mạch cộng hưởng song song hình 4.43 chỉ gồm 2 phần tử cuộn dây L và tụ điện c có tần sô" cộng hưỏng là f,. = 10MHz. Hãy tính điện trở tổn hao R của khung dao động này biô"t độ rộng băng b = 100kHz.

L^IOOpHl

b = d.L -> d = — = ---- _ Qf 10MHz

Hình 4.43. Mạch cộng hưỏng song song (R thể hiện cả tổn

hao của L và c trong nó).

74

d 0,01= 100

RQ = ^ R = Q.X,=Q.co.L

= 100.6,28.10.1 O'' - . 1 0 0 . 1 = 628kQ

Hình 4.44 một dạng mạch cộng hưởng song song, nếu tách điện trở tổn hao của mạch R,. = Rri + R,-2 (Rri = Rra). ta cổ:

R = L _ L C.R ~ C(R,., +R^,)

ở đây R,. R,.J và R,2 là các điện trd nôl tiếf) trong mạch. Khi đó điện trở song song đưỢc tính bởi các hệ thức trên theo các giá trị R,. hoặc R,,1 và R,2 đã biết.

I — — r iR, | JRr 1JR,1 j R r 2

Í IK L !•- [JR 4kc

' .- 1

=c

Hình 4.44. Mạch cộng hưỏng song song có điện trỏ mắc nối tiếp.

4.9. KHÂU RC LÀM MẠCH TÍCH PHÂN

4.9.1, Vân đề chung

Tác động tói lổì vào của một mắt RC hình 4.45 điện áp ư, có dạng dãy xung vuông góc có độ rộng (t2~ tị) = tị

Tại lúc t = tj, c chưa được nạp điện nên điện áp ra có giá trị U2(ti) = 0. Ngay sau t|, c được nạp điện làm Uc = Ư2 tăng dần.' Tốc độ nạp của c (hay tô"c độ tăng của Uọ) phụ thuộc hằng số thồi gian X = RC. Sau

khoảng thòi gian t = 5x, c được nạp đầy Ư2 w U). Các hình 4.45a tới

4.45c cho quan hệ Ư2(t) ứng vối các giá trị X khác nhau (so với t ị ) . Lúc

75

t = t,, Ui = 0, tụ c bắt đầu phóng điện (hình 4.46) tốíc độ phóng do t = RC quyết định. Quá trình phóng điện của c càng chậm khi X càng

lớn. Sau khoảng 5 T thì kết thúc quá trình phóng điện U2(5x) « 0.

Hinh 4.45. Mạch RC tác động bồi điện áp vuông góc vòi các giá trị X khác nhau.

R

ị Uj

Hình 4.46. Dòng điện khi c phóng điện.

(a)

Hình 4.47. Đáp ứng ra ỏ mạch tích phân (b) khí tác đông vào có dạng vuông góc (a).

76

4.9.2. Quá trình tích phân

Có thể dùng mạch hình 4.48 thực hiện (mô tả) một phép tích phân theo thời gian đại lượng vào. Quan hệ tích phân, thể hiện là U2 tỷ lệ với jU](t)dt, càng chính xác khi chọn T = RC càng lớn so vối độ rộng tj của xung vào.

ư,Ri

Hình 4.48. Nội t r ồ nguồn nạp có ảnh hưỏng mạnh tới X của mạch nạp cho c .

Khâu RC thực hiện tich phân theo thời gian điện áp vuông góc tác động tại lối vào khi hằng sổ thời gian của nó T= RC khả lớn hơn độ rộng tị của xung vào.

4.9.3. Ảnh hưởng của nguồn cấp

Nguồn cấp cho mạch tích phân có ảnh hưởng tới khả năng tích phân của mạch RC do nguồn có nội trở Rị tham gia vào điện trở tíchphân và làm tăng X, khi đó T = (Rị + Rv)C.

4.10. KHÂU CR LÀM MẠCH VI PHÂN

4,10.1. Vấn để chung

Tác động tới lôi vào một mắt CR hình 4.49 điện áp U) có dạng dãy xung vuông góc có độ rộng tị = L, “ 1- Tại lúc t = tj, c chưa nạp điện, ngay lúc này X(; = 0 và Uọ = Uịị « u , (hình 4.49a). Sau đó Xc tăng dần do tụ nạp làm ƯK giảm dần cho tối khi c nạp đầy (khoảng thòi gian 5t = 5RC) U]i œ 0 = Ư2 (hình 4.50). Khi đó điện áp nạp đưỢc trên tụ bằng điện áp vào khoảng lOV (hình 4.51). Lúc t = Í2, Uiítọ) = 0, điện áp trên tụ đã nạp có vai trò như một nguồn điện áp, lúc đó U.p(t9) = -lOV (hình 4.51). Sau t, tụ phóng điện đến lúc Í20 tụ phóng hết điện tích làm Ư2(t2o) = 0.

Thòi gian nạp và thời gian phóng của tj do hằng sô" thời gian T = RC quyôt định, thường sau 5t quá trình nạp và phóng kê”t thúc. Các

hình 4.49a đôn 4.49d thể hiện quan hệ Uv(t) vối T khác nhau so với tị.

77

Hình 4.49. Mạch CR khi có tác động xung vuông góc, đồ thị VỚI các giá trị T = RC khác nhau.

Hình 4.50. Tụ điện của mắt CR phóng điện từ giá trị được nạp ià 10V.

Hình 4.51. Khi 3P ratại lúc này bằng -10V.

78

4.10.2. Quá trình vi phân

Xét quá trình thực hiện phép tính vi phân đôl vối hàm Z(t) hình 4.52. khi

đó kết quả Z' =dz

được

Hình 4.52. Đồ thị Z(t).

Hinh 4.53.dz

Quan hệ Z' = — dt

cho trên hình 4.53, Z' càng lớn khi tô"c độ biến thiên của z theo t càng nhanh, nếu z tăng thì Z' có giá trị dương, còn khi z giảm thì Z' có dấu âm.

Khâu mạch CR có thể thực hiện được chức nàng một phép vi phân (hình 4.49c).

Khâu CR thực hiện vi phân theo thời gian điện áp vào vuông góc

khi hằng số thời gian của mạch T = RC đủ nhỏ so với độ rộng xung vào

T « tị.

Mạch CR chỉ thực hiện được phép gần đúng và càng chính xác khi X càng nhỏ.

4.10.3. Ảnh hưỏng của nguồn cấp

Điện trở trong R, cũng như điện cảm, điện dung của nguồn nuôi có ảnh hưởng tới các kết quả vi phân của khâu CR do có sự tham gia của chúng vào làm tăng hằng số X

của mạch. Khi tính toán chi tiết cần để ý tới các tham sô" này.

R100 n

>'—■ .........<

Uy c10 V ¿.7nFì <

u.

Hình 4.54. Mắt RC.

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP• «

1. Định nghĩa mạng 2 cực và mạng 4 cực?2. Khâu mạch RC hình 4.54 có tần sô" giới hạn là fg. Hãy vẽ đồ thị

phác thảo UaCO của mạch.3. Giải thích khái niệm “lọc tần thấp” và “lọc tần cao”.4. Cần thực hiện 1 khâu lọc tần cao có tần số giới hạn fg = 8kHz và tụ

chọn là c = 20nF. Hãy xác định R?

79

ơ, R8fl Ü7

Hình 4.55. Mạch lọc tần thấp.

5. Một loa tần thấp (loa trầm) có R = 8Q _chĩ lọc thấp đến tần số giới hạn 300Hz.Hãy chọn cuộn dây có L thích hđp đểthực hiện đưỢc nhiệm vụ (mạch hình 4.55)bỏ qua điện cảm riêng của loa.

6. Mạch cộng hưởng nối tiếp có cấu tạo như thế nào? Hãy vẽ đồ thị cộng hưởng Z(í) của mạch.

7. Hãy giải thích hiện tượng cộng hưởng của mạch cộng hưởng nốì tiếp.8. Một mạch cộng hưởng nôi tiếp có f,. = 19kHz, dùng cuộn dây có

L = 2mH, tính giá trị c phù hỢp.9. G iải th ích ý n gh ĩa hệ SQ Q và d của m ạch cộng hưởng nôi tiếp.

10. Hãy võ đồ thị ĩ(f) của mạch cộng hương nối tiếp khi tác động một điện áp có giá trị không đổi và tần sô" thay đổi lên mạch.

11. Bề rộng băng tần là gì? cách xác định bề rộng băng tần b của mạch cộng hưỏng nôi tiếp.

12. Cấu tạo mạch cộng hưỏng song song như thế nào? Hãy vẽ một mạch cộng hưởng song song.

13. Hãy viết hệ thức Thomson cho xác định tần sô" cộng hưởng f,..

14. Cộng hưởng dòng điện xảy ra trong mạch dao động song song như thế nào?

15. Hãy xác định các tham sô": tần số cộng hưởng f,., hệ số phẩm chất Q, hệ sô" suy giảm d và độ rộng băng tần b của mạch dao động song song cho trên hình 4.56.

16. Sử dụng một mắt RC làm mạch tích phân.Điện áp vào là một xung vuông góc. cần chọn t = RC lớn hay nhỏ? Vì sao?

17. Ảnh hưởng của nội trở Rj của nguồn cấp tới T tích phân.

18. Khâu CR thực hiện phép vi phân như thế nào?19. Trên hình 4.57, Ui được vi phân. Hãy vẽ

phác thảo đồ thị điện áp ra của mạch vi phân Ư2 theo thời gian tại lối ra của mạch.

hon J22n

ị L cM O pH 47 pF

Hình 4.56. Vlạch cộng hưỏng scng song.

ư,

Hỉnh 4.57 Điện áp vuôriỊ góc.

80

Chương 5

DIOT BéN DáN

5.1. VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐIỆN

Các vật liệu bán dẫn điện có tính dẫn điện nằm trung gian giữa chất dẫn điện (nhóm kim loại) và chất cách điện (nhóm điện môi). Thông dụng và quan trọng nhất là Silic, tic"p sau là Gemani, Selen, Asenit Gali, phôphorit Indi, Antimonit Indi. Chúng đều có cấu trúc dạng tinh thể, trong khi Si va Ge và phẩn lón các loại vật liệu bán dẫn khác có cấu trúc dơn tinh thê thì có một số vật liệu có cấu trúc dạng đa tinh thể như Selen, các vật liệu thuộc nhóm A 3 B 5 có cấu trúc đơn tinh hỗn hỢp.

Vật liệu bán dẫn ban đầu đưỢc làm sạch ở mức độ tinh khiết (10*°: 1) tức là 10"’ nguyên tử Si mới lẫn 1 nguyên tử tạp chất chưa làm sạch đưỢc. Nếu so sánh với 1 phép đo lường thì đo khoảng cách lO.OOOkm mới phạm phải sai sô" là Imm. Đây là một đòi hỏi rất cao đốì với công nghệ làm sạch. Như vậy với các vật liệu bán dẫn điện để chuẩn bị cho việc chế tạo các linh kiện bán dẫn, có hai yêu cầu đặc biệt;

1. Độ thuần khiết (độ sạch) là cao nhất.2. Có cấu trúc đơn tinh thể.Trữ lượng Si và Ge trên trái đất là khá lớn cho yêu cầu công nghệ

bán dẫn.

5.2. CẤU TRÚC CHẤT BÁN DẪN t in h THỂ

Hình 5.1. Mô hình nguyên tửsilic.

Hãy phân tích cấu trúc tinh thể của Silic làm ví dụ (tinh thể Gemani hay một sô" vật liệu bán dẫn khác có cấu trúc tương tự). Nguyên tử Silic có 14 điện tử đưỢc phân bô ở 3 quỹ đạo (hình 5.1) tại

6-LK ĐIỆN TỬ81

lốp ngoài cùng (lớp M) có 4 điện tử gọi là các điện tử hoá trị (quyêt định Si thuộc nhóm 4 bảng tuần hoàn Mendeleep). Chúng có khả năng thực hiện các liên kết hoá trị ghép đôi điện tử với 4 điện tử hoá trị khác của 4 nguyên tử nằm kề 4 phía. Đây là kiểu cấu trúc mạng tinh thể điển hình của nhóm vật liêu bán dẫn quan trọng nhất (hình 5.2).

o< I

i I i 1I I i ỉII II

: i : i s i r : i z i sI1> 1

1 i: ; : í s

Hình 5.2. Cấu tạo tinh thể Si (trên một mặt phang).

Hình 5.3. Cấu tạo mạng tinh thế Si (1 đường nét đứt là 1 điện tửhoá trị).

Hình 5.4. Mạng tinh thể Si khối lãp phưdng.

Như vậy mỗi điện tử hoá trị được dùng cho 2 nguyên tử kề nhau trong mạng tinh thể và mỗi nguyên tử Silic có chung liên kết với 4 nguyên tử kề nó nhờ có 4 điện tử chung của chúng.

Các hình 5.3 và 5.4 mô tả cấu trúc tinh thể vói các nguyên tử Si ở nút mạng.

5.3. TÍNH CHẤT DẪN đ iệ n

Sô" điện tử (hay số hạt dẫn) tự do quyết định tính dẫn điện của vật liệu. Các điện tử tự do chính là các điện tử vành ngoài sau khi thoát khỏi liên kết với hạt nhân của nó (gọi là quá trình ion hoá nguyèn tử).

82

ở chất bán dẫn sạch, đổ có được điện tử tự do (trong mô hình vùng năng lượng) xuất hiện ở vùng dẫn cần tác dộng một năng lượng đủ lớn để điện tử từ vùng hoá trị (điện tử liên kết) nhảy mức năng lượng đến vùng dẫn trở thành điện tử tự do và để lại 1 ion dương (Si^). Như vậy ở 0“K các châ t này là không dẫn điện được.

Khả năng dẫn điện của vật liệu bán dẫn thuần khiết do 3 yếu tô" quyết định:

1. Dẫn điện nhờ tạp chất còn lại chưa làm sạch hết.2. Dẫn điện nhờ sai hỏng của mạng tinh thể (ví dụ do dao động

nhiệt) khi nhiệt độ tăng khả năng này tărig nhanh.3. Dẫn điện do các hiệu ứng xảy ra trên bề mặt tinh thể (khuyết

tật của mạng tại bề mặt).Các vật liệu bán dẫn thuần khiết có độ dẫn điện riêng (dẫn điện loại I).

Độ dẫn riêng của chất bàn dẫn tinh khiết phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ.

ở nhiệt độ phòng (20°C) độ dẫn điện riêng của các vật liệu bán dẫn điển hình là:

Silic là X; = --------------2 .1 0 -Q.cm

1Gemani là X, = - _ _

40.Q.cm

Độ dẫn điện riêng của tinh thể Si chỉ bằng

của tinh thể Ge.5000

độ dẫn điện riêng

5.4. CHẤT BÁN DẪN SILIC lo ạ i N

Pha tap chất loại thừa điện tử vào mạng tinh thề Si đã làm sạch. Ví dụ nguyên tử thuộc nhóm 5 bảng tuần hoàn Mendeleep có 5 điện tử vành ngoài (Photpho, Arsen hay Antimoan)4 diện tử hoá trị tham gia liên kết ghép đôi còn thừa một điện tử dễ có khả năng trở thành điện tử tự do do liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử tạp chất (gọi là tạp chất Donor - tạp chất cho). Quá trình ion hoá nguyên tử tạp chất xảy ra dễ dàng, tạo ra một ion dương tạp chất Donor và 1 điện tử tự do (hình 5.5).

Hình 5.5. Một nguyên tử phot pho (thừa điên tử) trong mạng tinh thể Si.

Mỗi nguyên tử tạp chất cho giải phóng 1 điện tử tự do khi bị ion hoà.

83

Hình 5.6. Dòng điện tử trong tinh the Si-n.

Khi pha càng nhiều tạp chất cho, độ dẫn điện của vật liệu càiig cao.

Càng pha nhiều tạp chất, tinh thể bàn dẫn càng có điện trỏ thấp.

Tinh thể Si khi pha tạp chất cho trở thành Silic loại n.

Si - n là vật liệu bán dẫn đơn tính thể có các hạt dẫn điện tự do là điện tửvà không tích điện. Tinh thể Siiic-n

Nếu đặt vào phiến Si-n một điện áp, các điện tử tự do chuyển động về phía cực dương của nguồn tác động tạo nên dòng điện như trong vật dẫn kim loại - Đây là quá trình dẫn điện bằng điện tử (hình 5.6).

5.5. CHẤT BÁN DẪN SILIC LOẠI p

Pha tạp chất loại Axeptor (loại nhận điện tử) vào mạng tinh thể Si (ví dụ nhôm hay các nguyên tô" nhóm 3 bảng Mendeleep với 3 điện tử vành ngoài). Xuất hiện 3 liên kết ghép đôi hoá trị và 1 liên kết bị khuyết (hay lă 1 lỗ trống). Mỗi nguyên tử tạp chất Axeptor dỗ dàng nhận điện tử để tạo thành một ion âm tạp chất nhận và 1 lỗ trông tự do trong vùng hoá trị (hình Õ.7). Các nguyên tô" thường dùng làm tạp chất là Galium (Ga) Indium (In), Nhôm (Al).

Mỗi nguyên tử tạp chất nhận giải phóng 1 lỗ trống khi bị iôn hoá.

Tinh thể Si khi pha tạp chất nhận trỏ thành Si-p.Các lỗ trống có khả năng dịch chuyển trong mạng tinh thể Si-p (hình 5.8

Một liên kết bị khuyết (lỗ trống)

Hình 5.7. Câu tạo mò hình nguyên tử AI trong mạng tinh the Si.

và 5.9) Tinh thể Si-P

LỖ trống<rv / o ¿lí

ốV o <f% o<rv<r%

uHình 5.8. Sự dịch chuyển của lỗ trống (liên kết khuyết) trong mạng tinh thê.

Hình 5.9. Sự dịch chuyển có hưòng của lỗ trống trong điện trường ngoài.

84

Tinh thể Si-p

«»o — 0

......'r

•-»-o4—0-«•-o

-*»-o -«-o -•“O

Dòng lỗ trống

Hình 5.10. Dòng lỗ trống trong tinh thể Sì-p.

Khi có điện áp ngoài, lỗ trông chuyển động về phía cực âm nguồn tạo thành dòng điện - Bán dẫn Si-p dẫn điện bằng lỗ trông là chii yếu (hình 5.10).

s/-p là loại vật liệu bàn dẫn đơn tinh thể có hạt dẫn điện tự do là lỗ trổng (điện tích dương) và không tích điện.

5.6. CHUYỂN TIẾP PN

Vùng ranh giới giữa bán dẫn loại p và bán dẫn loại n trong 1 tinh thế gọi là vùng chuyển tiôp pn (hình 5.11).

Tại vùng biên giới phía bôn n xuất hiộn các ion tạp chất dương (của nguyên tử tạp chấl cho), phía bên p xuất hiện các ion tạp châ't âm của nguyên tử (tạp chất nhận) các hạt dẫn tự do khuếch tán (điện tử từ vùng n sang vùng p).

Nguyên tử photpho X

Hinh 5.11. Điện tử trong vùng n do ảnh hưởng của dao động nhiệt dịch về

biên giới với vùng p.

Hai bẽn vùng tiôp xúc xuất hiện một vùng điện tích không gian (hình 5.13) hệ quả là xuất hiộn một điện trường tiôp xúc hưống lừ bẽn n sang bên p (hình 5.14). Khi tàng nhiột độ, vùng điện tích không gian mở rộng ra. Xuất hiện 1 điện áp do hiộn tượng khuếch tán sinh ra gọi là diộn áp khuếch tán (hình 5.15). Điộn áp khuôch tấn ở 20°c đôì với Silic có giá trị 0,6V đến 0,7V, đốì vói Geinani cỡ 0,3V.

Hình 5.12. Sự lon hoá nguyên tử photpho X và nguyên tử nhôm Y.

Vùng điện tích khòng gian

Ị Q = điện tíchkhông gian

I = khoảng cách tới biên giởi

Hình 5.13. Vùng điện tích khòng gian hai bên biên giới-

85

\

p

I -

♦♦ I♦ ♦

♦ I

♦ ♦ ♦ ♦

n

Vùng p trung hoà

Điện trường Vùng n trung hoà

[i i i1_ _ 111

l

Hình 5.14. Điện trường trong vùng đỉện tích không gian.

*Q6V-r

Hlnh 5.15. Khuếch tán hạt đẫn tàm xuất hiện điện áp khuếch tán.

Điện áp khuếch tán không đủ tạo dòng điện. Nếu nốì 2 điểm A và B trên hình 5.16 với nhau sẽ tạo ra hai vùng điện tích không gian mỏi. Có thể thể hiện như miếng tinh thể hình vành khăn như hình 5.17 không có dòng chảy qua vùng chuyển tiếp khi ở trạng thái cân bằng.

^ — u.

z~-p : :

4• n

-1♦ *

-1 ♦♦

' k h u ế c h t á n 1

B

u: Ị ị 1

1:1

Hỉnh 5.16. Vùng điện tích khòng gian của tinh thể Si xuâ't hiện 2 bên vùng p và N.

Hinh 5.17. Mô hình dạng vòng: 2 điện áp khuếch tán đối nhau và cân bằng.

5.6.2. Chuyên tiếp pn khi có điện áp ngoài tác động

5.6.2.1. Trường hỢp thứ nhất: điện áp ngoài có cực âm đặt vào vùng p và cực dương đặt vào vùng n (hình 5.18) - trưòng hỢp phân cực ngược.

Khi khoá s hở mạch, chuyển tiếp pn chưa có điện áp ngoài. Nhò quá trình khuếch tán các hạt đa sô", xuất hiện vùng điện tính không gian tại vùng tiếp xúc.

Khi s nôl mạch đưa cực âm của nguồn ngoài vào vùng p, vùng điện tích khốĩ mở rộng ra vê hai phía (hình 5.19) do điện trưòng gây ảnh hưởng trực tiếp tói vùng chuyển tiếp, xếp chồng lên điện trường nội bộ, kết quả là:

86

1. Điện áp ngoài đặt vào càng lốn, vùng điện tích khốỉ càng được mở rộng.

2. Trong vùng điện tích không gian không có hạt mang điện, do đó điện trở vùng này rất lớn,

3. Khi cực âm đặt tới vùng p, tiếp xúc pn bị khoá.4. Tồn tại các hạt thiểu sô" (điện tử bên p và lỗ trông bên n) đ ư ợ c

điện trường ngoài gia tô"c tạo thành dòng điộn ngưỢc có giá trị nhỏ chuyển qua tiếp xúc pn: điện tử từ p sang n và lỗ trống từ n sang p. Dòng các hạt thiểu sô có chiều từ n sang p và có giá trị nhỏ (hình 5.20).

5. Mỗi vùng điện tích không gian (hay còn gọi là một lớn chắn) hình thành 1 tụ điện có điện dung c (hình 5.21).-

- +

-

p_ “

n

-1

ỉ

- -p

: -♦ * ♦ ♦

n

* -l i .

♦ ♦ ♦ ♦ * * *

Hinh 5.18. Chuyển tiếp pn khi khoá s hỏ Hỉnh 5.19. Chuyển tiếp pn với điện áp xuất hiện vùng điện tích khối. ngoài phân cực ngược *'âm vào vùng P'

p•

© 0

n

thiểu số)điện trường

Hình 5.20. Hạt dẫn thỉểu số chuyển động gia tốc qua lóp chắn.

© ©-Q ♦Q

♦~o

Hinh 5.21. Hình thành tụ điện của tiếp xúc pn.

5.6.2.2. Trường hỢp thứ hai điện áp ngoài có cực d ư ơ n g đặt lên vùng p tiô"p xúc pn đ ư ợ c phân cực thuận (hình 5.22).

87

Khi s hở mạch, chuyển tiếp pn về lại trường hỢp không có điện áp ngoài, xuất hiện vùng đ iện tích khôi do quá trình khuôch tán các hạt dẫn đa sô". Khi s nôi mạch, nguồn ngoài có cực âm đặt tới vùng n.

1. Vùng điện tích khôi thu hẹp lại, các hạt dẫn phun qua vùng tiếp xúc pn với một cường độ lớn.

2. Điện trở vùng lớp chắn giảm nhỏ làm dòng điện qua chuyến tiếp pn rất lớn hơn trường hỢp phân áp ngược đã xót, cần dùng điộn trở R ở mạch ngoài hạn chế dòng này (hình 5.22).

3. Điện áp rơi trên vùng lóp chắn nhỏ.

Ị-------------------------------------

pDòng

I n♦ Dòng

lỗ trống 1 điện từ

1i , 1 i ị 1 i i

r i1iL- - ______

/ - .

Biên độ điện áp/

khuếch tán

Hinh 5.22. Tiếp xúc pn vối điện áp phân cực thuận "dương vào vùng p*'.

5.7. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DIOT BÁN DẪN

5.7.1. Diot bán dẫn đơn tinh thể

Bản chất câ'u tạo của một diot bán dẫn là một chuyển tiếp pn vối 2 tiếp xúc tuyến tính để có hai cực ra đưỢc gọi là anot (ký h iệu A) và katot (ký hiệu K) thể hiện trôn hình 5.23.

p n/

Anot

Ký hiéu quy ước

Katot

u /

A <ĩ>

^ .. .. Nguồn cấp thay đổi được điện áp

B

Hinh 5.23. Câu tạo và ký hièu của diot bán dẫn.

Nếu được phân cụ: thuận (đặt điện áp dương vìo anot) diot dẫn điện với dong lớn, điện áp trên diot nhỏ và điện trở của diot tkấp. Còn khi phân cực n g ư ợ c 'đặt âm vào anot) diot chắn dcng điện, điện áp trên diot lón và điện trở cao. Hiện tưmg trên

gọi là hiệu ứng van của diot đốì với dòng điện xoay chiều. Dcng điện thuận hướng từ anot tối katot. Quan hệ chính xác giữa u - I ;ủa diot đưỢc thể hiện qua đặc tính Von Ampe thu được qua mạch đo h.nh 5.24 vối kết quả thu được ở hình 5.25. Các kết luận và nhận xé', từ đặc tuyến Von Ampe hình 5.25 (chú ý chỉ xét với diot loại silic).

Hình 5.24. Mạch điện để đo đặc tuyến Von Ampe của diot.

88

50

mA80

70

6050

403020

10

Vùng khoá (không dẫn điện

Ge-Diode- S i ‘ Diode

Vùng dẫn điện

502 04 as 0.8 1.0 12ị 5 Vli2025i ịfjA

Hình 5.25. Đặc tuyến Von Ampe của diot Ge và Si.

ai 06 0.8 1,0 ư03

Hỉnh 5.26. Xác định điện áp ngưỡng.

• Trong vùng dẫn điện (đặt vào A điện áp dương), khi ư f còn nhỏ (cỡ 0,1V) dòng điện nhỏ, điện trở của diot còn lốn, chưa xảy ra quá trình khuếch tán hạt đa số,

• Khi tăng Up đến khoảng 0,6V, dòng lị., táng mạnh, diot có điện trở thấp. Giá trị Up = 0,7V được gọi là điện áp ngưỡng (điện áp mở) của diot.

• Đôì với diot Ge điện áp mở xảy ra sớm hơn ở giá trị 0,3V,

Khi làm việc ỏ vùng trên điện àp ngưỡng, diot bán dẫn có điện trỏ thấp.

• 1'rong vùng không dẫn điện (đảo cực điện áp, cho cực âm vào anot) dòng điện qua diot có chiều từ K tói A và nhỏ (10“®A với diot Silic và 10' ’A với diot Gemani).

• Khi tăng điện áp ngưỢc Uk quá lón (vượt qua điện áp ngược cho phép lớn nhất) diot bị đánh thủng vì nhiệt hay được đánh thủng

89

Diện tích lớp chắn Imm

200 1Ọ0

mA *

70

60

50

¿0 30

20

ÌO

SiCX2 OA Oí 0.8 1.0 12 u

10

20

30

hpA

Hình 5.28. Đặc tuyến 1 - u của diot chế tạo từ các loại vật liệu khác nhau.

vì điện theo hiệu ứng Zener (hình 5.27). Hiện tượng đánh thủng vì nhiệt gây hư hỏng cho diot làm m ất tính chất van, h iện tưỢng đánh thủng theo hiệu ứng Zener không làm diot mất đi tính chất van mà còn đưỢc sử dụng làm Z-diot có tác dụng ổn định điện áp 1 chiều.

ỉliện tượng đánh thủng vì nhiệt xảy ra khi nhiệt độ trên chuyển tiếp pn vượt quá giá trị cao nhất cho phóp.

(Vối diot Silic là khoảng 180^c, vói diot Ge là khoảng 80^C)Hình 5.28 đưa ra

đặc tuyến Von Ampe của một vài diot làm từ các loại vật liệu khác nhau.

Trẽn đặc tuyến Von Ampe, có thê phân biệt điện trở 1 chiều và điện trở xoay chiều (điộn trở vi phân) của diot,

Xét đặc tuyến hình 5.29 đối với 1 diot Gemani: Tại điện áp Uị có dòng Ii qua diot.Điện trở 1 chiều của diot được dịnh nghĩa (tại Pi)

u .

0,1 0.2 ư, 0,3 Ư2 0.4 0,5 0.6 ơpV

Hình 5.29. Điện trỏ thuận một chiều và điện trở vi phân.

RI,

Tại P.2 có

90

Hay tổng quát

Điện trỏ 1 chiều của diot phụ thuộc vào vị trí điểm làm việc của nó.

Điện trỏ vi phân thổ hiện độ dốc vi phân của đặc tuyến Von Ampe, theo định nghĩa:

Trên hình 5.30, khi đặ: Uf = 0.2V có I].- = 2mA; khi tăng Up lên một lượng AUi? sẽ nhận được tưđng ứng 1 gia sô' Alp.

Vi du: cho rp = lOQ vổi AUp = 0,02V hãy tính Alp?

AIp

4 Ị = ^AI,

0,02V>F

Hình 5.30. Giải thích ý nghĩa của điện trỏ vi phân.

lOQ0 , 0 0 2 A - > AI,- = 2 m A .

Bảng hình 5.31 đưa ra một vài tham sô" của diot

Ge Sj

Điện áp ngưỡng 0.3V 0,7V

R f 5Q -^ 100Q 2Q -> 50a

Rr 0,1[.t0— 10^0 1 i-iQ —> 3000|.iQ

u„g,max tới 200V tới 3000V

T°max 90°c 200°cHiệu suất van 98% 99,5%

Bảng hình 5.31. Một số tham số gần đúng của diot.

5.7.2. Dỉot đa tinh thể

Khi dùng Selen làm vật liệu chế tạo diot sẽ nhận đ ư ợ c diot đa tinh thể. Cấu tạo một diot Selen cho trên hình 5.32 và diot Oxyt đồng cho trên hình 5.33.

ở hình 5.32, trên một đế làm điện cực anot bằng sắt (Fe) hoặc nhôm (Al), một lớp Solen (Se) dẫn điện loại p pha tạp mạnh đ ư ợ c phủ lên bằng

91

phương pháp bôc bay trong chân không sau đó gia công nhiệit đổ tạo dạng tinh thể cho Se. Tiếp tục tạo lớp kadimi ~ kẽm (Sn - Cd) Ị:.)hía trôn hình thành cực katot. Lớp chắn hình thành giữa Se và Sn - Cd. Diot Sclen có khả năng chịu quá dòng trong thời gian ngắn (chế độ xung) lôt hơn loại diot Si ha} Ge. Chúng đặc biệt phù hỢp cho các bộ nắn điộn từ xoay chiều sang 1 chiều có công suất lớn, dòng lớn nhưng áp ra thấp.

Trên hình 5,33a: Diot oxyt đồng có cấu tạo gồm 1 đế bằng đồng làm cực anot, trên đó tạo lớp Oxyt đồng Cu^o, tiếp sau đó là 1 lóp graphit, sau đó tạo điện cực thứ hai katot- Diot Cu - CU2O có điện áp chịu đựng thấp (6V) và điộn áp mở nhỏ (0,2\0 vói đặc tính Von Ampc gần như tuyến tính (hình 5.33b). Loại diot này rất phù hỢp với các bỗ chỉnh lưu cho điện áp ra nhỏ.

Lớp katot

Lớp niken

Seỉen - p

Để làm anot (miếng đế ỉà p8)

K Lớp katot Graphit

- -CU2O CuCực đế làm anot bằng đổng

Hình 5.32. cấu tạo dỉot Selen. Hình 5.33a. cấu tạo diot oxyde đồng.

Bảng hình 5.33b dưa ra một số tham sô" của diot đa tinh thểSelen Đồng - Oxyt

Điện áp mở 0,6V 0,2VRp (điện trỏ thuận) 5Q -> 100Q 10Q -> 50QRr (điện trở ngược) 0.1MQ -»• 1MQ 50kíì -> 500kQĐiện áp ngược Tới 40V Khoảng 6VNhiệt độ cho phép 85“c 50°cHiệu suất 90% 75%

Hình 5.33b. Một số tham sô' của diot đa tinh thể.

5.8. TÍNH CHẤT KHOÁ CHUYỂN m ạ c h c ủ a DIOT b á n DẪN

Khi hoạt động ở chế độ lật từ trạng thái điện trở cao (không dẫn - ngắt mạch) sang trạng thái điện trỏ thấp (dẫn — nối mạch) hoặc n g ư ợ c

lại trong một thòi gian đủ ngắn, diot bán dẫn ở chế độ làm việc như một khoá điện tử.

ở trạng thái điện trở thấp, vùng ch u yển tiếp pn bị tràn ngập các hạt dẫn, khi chuyển sang trạng thái đ iện trở cao, lớp chắn trỏ v ể trạng thái phân cực ngưỢc đưỢc mở rộng và đưỢc nạp đ iện tích.

92

ĨR

Ui

RiV R?

2

Khi diol trên hình 5.34 ngắt mạch (chuyển mạch s ở vị trí bên phải), xuỉìí hiộn dòng .1 . Nếu chuyển mạch lật sang vị trí bôn trái, dòng Ip qua diot tăng theo hình 5.35, khoảng thời gian t|-, được định nghĩa là thời gian nôi mạch. Khi chưyổn s về lại vỊ trí bên phải, diot chuyển về trạng thái ngắt, thời gian đưỢc định nghĩa là thời gian ngắt mạch (hình 5.36). Các giá trị tị-,, và tj., phụ thuộc độ lớn của dòng Ip, ỈỊI vào điện áp tác động và vào các điện trở hạn chế Ri R2-

Các giá trị điển hình là:= 0,5 tới õOnis “ 2 đến 200ms

Hình 5.34.

If

n

111

tfr^ t

Hỉnh 5.35. Nối mạch dlot (từ khoá sang dẫn).

Hình 5.36. Ngắt mạch diot (từ dẫn sang khoá).

5.9. TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA DIOT BÁN DẪN

Khi tăng dần nhiệt độ, do sô" lượng hạt dẫn tăng, độ dẫn điện của tinh thể bán dẫn tăng theo.

Dòng điện ngược của diot tăng (từ 7% đến 10%/^C) khi nhiệt độ làm việc của diot tăng.

Hình 5.37 cho giá trị dòng ngược của diot Si ỏ 25^c và 125^c. Độ linh dộng của hạl dẫn cũng phụ thuộc nhiột dộ và táng khi nhiệt độ tăng.

Hình 5.37. Sự phụ thuộc dòng ngược vào nhiệt đò của diot khí T = 25®c và T = 125°c. Hình 5.38. Quan hệ nhiệt độ tác động

tới Up của diot.

93

Khi nhiệt độ tăng tinh thể dẫn điện tô"t hdn. Hình 5.38 chỉ ra hai đặc tuyến của diot Si ở vùng mỏ với nhiệt độ 25®c và 125°c.

Điện trỏ thuận của diot giảm (làm điện áp thuận trên diot giảm cd 2mV/’C) khi nhiệt độ tăng.

5.10. BỘ CHỈNH LƯU DÙNG DIOT BÁN DẪN

5.10.1. Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ (Mi)

Sử dụng tính chất van của diot bán dẫn đốì với dòng điện xoay chiều, có thể thực hiện nắn điện từ xoay chiều sang điện 1 chiều nhò các mạch chỉnh lưu.

Hình 5.39 là một mạch chỉnh lưu đơn giản nhất. Điện áp xoay chiều Uị = 220V (hiệu dụng) đưa tới 2 điểm A và B có dạng thể hiện trên hình 5.40. Trong khoảng tj < t < t,, Ua dương hơn, diot dẫn điện cho dòng I chảy qua tải Rj . Trên diot trong khoảng thòi gian này có điện áp thuận cỡ 0,75V đến 0,9V, nếu coi là nhỏ có thể bỏ qua trong khoảng này Ui = Ui)+ U2 hay Ui « Ư2.

Hình 5.39. Mạch chỉnh lưu 1/2 chu kỳ tải điện trở.

- • I — I

Hình 5.40. Điện áp trong mạch chỉnh lưu.

94

Mạch chỉnh lưu dẫn nửa chu kỳ dương của điện ắp xoay chiều ra tải.

Trong khoảng tg < t < tg điện thế A âm hơn B, diot bị khoá. Điện trở diot rất lớn mạch thực tế không có dòng.

u , =u„ u , * 0Mạch chỉnh lưu chắn nửa chu kỳ âm của điện áp xoay chiều.

Trong khoảng thòi gian này nếu đo điện áp trên diot ta có Uak = Ui có giá trị âm (hình 5.40).

Điện áp trên tải U[ có dạng sóng 1 nửa hình sin (chỉ còn nửa.dương) đây là dạng hỗn hỢp, nếu triển khai phân tích Ui nó sẽ chứa ngoài thành phần 1 chiểu (không phụ thuộc thòi gian) còn các thành phần tần số í'i, trong đó í'( là tần số của điện áp vào Ui, n là số nguyên.Muốn chỉ nhận thành phần 1 chiều trên tải, phải dùng các mạch lọc tần sô" thấp để loại bỏ các thành phần xoay chiều trong Ul (hình 5.41).

R=220n

I

Hình 5.41. Mắt lọc hình 7t và đố thị diện áp.

Khi U[ > 0 Cl được nạp tới trị đỉnh của UlI khi khoá s nôl mạch U l được chia áp qua khâu R = 220Q và Cg = 100)aF (hình 5.42). Đây là bộ chia có hệ sô" chia phụ thuộc tần sô". Đốí với phần xoay chiểu trong U l, X(S đủ nhỏ nên được coi là phần tử ngắn mạch. Đối vối thành phần1 chiều của Ul, Xes đủ lốn và do vậy Cs ehặn dòng 1 chiều (hỏ mạch). Điện áp ra lấy trên tụ Cs chỉ còn lại thành phần một chiều. Tuy nhiên do tính chất không lý tưởng của các linh kiện, còn 1 lượng vài % xoay chiều còn sót lại trong thành phần điện áp lấy trên Cs chúng được gọi là điện áp gỢn sóng (hay điộn áp đập mạch) thể hiện chất l ư ợ n g mạch lọc (hình 5.43). Việc xác định điện áp đập mạch hay độ gỢn sóng cho phép đánh giá chất lượng mạch lọc.

Khi chọn các giá trị Ci và Cs càng lớn, dòng điện tải qua tụ lọc càng nhỏ và do đó độ gợn sóng càng nhỏ.

Hình 5.44 cho mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ (Mi) hoàn chỉnh, dùng điện áp 1 chiều nắn từ điện 220V/50Hz với mạch lọc đã xét trên.

95

1ÌR = 220a

ủ LCs=100^F ị

Hình 5.42. Mắt lọc tần thấp RCs (như một bộ chia áp phụ thuộc tẩn số).

Hình 5.43. Đổ thị thòi gia n của điện áp ra.

R=220nC----------------- N ----------

ơl =220V^ U-,

(>-------------------------------

CL=100fjF Cs=íOOpF

> — .. < \

Hình 5.44. Mạch chỉnh lưu 1/2 chu kỳ có mắt lọc hình 71.

5.10.2. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (M2)

Ơ=220V.

Hình 5.45. Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ và đồ thị mô tả nguyên lý hoạt động.

Hình 5.45 là một mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ sử dụng 2 diot van D), D2. Đặc điểm của mạch là biến áp có hai cuộn thứ cấp đốĩ xứng với điểm giữa ov và như vậy điện áp Ui tác động lên 2 diot có hai pha đôl nhau (U| và -Ui). Hai diot D) và D9 làm việc như hai mạch chỉnh lưu Ml đã xét trên và làm việc ở chế độ luân phiên nhau: Khi u,>0 thì D] dẫn lúc đó —Ui<0 Dỵ khoá; khi Ui<0 thì Di khoá, khi đó - U ,>0 và D, dẫn.

96

Đồ thị điện áp và dòng điện trong mạch cho trên hình 5.45 thể hiện nguyên lý hoạt động của mạch M2.

5.10.3. Mạch chỉnh lưu cầu (B2 )

Mạch chỉnh lưu cầu (hình 5.46) dùng 4 diot có thể nắn trực tiếp từ điện lưới 220V/50Hz nià không cần dùng biến áp như mạch M2. Mạch hình 5.46 có nguyên lý làm việc giống như mạch M2, ở đây trong mỗi nửa chu kỳ của Ư1 luôn có 1 cặp diot làm việc và cho dòng 1 chiều q u a t ả i R ^ : k h i u , > 0 . D j

và D3 đồng thòi dẫn điện, Dy và D4 bị khoá. Trên R|, xuất hiện dòng I, = I3. Còn k h i u , < 0 D 9 v à D 4 d ẫ n

điện, Dj và D3 khoá; có dòng I2 = I.| qua (hình 5.47). Hình 5.48 đưa ra một mạch chỉnh lưu cầu có dùng mạch lọc để nâng cao chất lượng điện áp 1 chiều trên tải. Hình 5.47. Đổ thị minh hoạ hoạt động của

mạch chỉnh lưu Bj.

7-LK ĐIỆHĩừ97

5.11. KHOÁ DIOT TRONG KỸ THUẬT sốHình Õ.49 là một cổng logic OR dùng khoá diot (công nghệ DTL)

các lổi vào A và B được tác động bởi các xung dương (trạng thái 1) hay không có xung (trạng thái 0). Điện áp ra tại z cũng chỉ có hai trạng thái tương tự. z = 1 khi chỉ cần ít nhất một trong hai lôì vào A = 1 hay B = 1, z = 0 chỉ khi A = B = 0. Bảng trạng thái hoạt động của mạch 5.49 cho trên bảng 5.50 (gọi là bảng chân lý).

*5VAo-

1A o- Bo------- y Kv hiêu Trường hợp A Đ z

1 0 0 0Ao------- 2:1 2 0 1 1

Ị-O ------oZ 3 1 0 18«------- Ký hiệu 4 \ 1 1

chuẩn hoáHình 5.50. Bảng chân

Hình 5.49. Mạch OR dùng diot làm phần tử hoá. lý của mạch logic OR.

Hình 5.51 điía ra một cổng logic x\ND dùng công nghệ DTL với bảng chân lý mô tả hoạt động của rnạch cho trên hình 5.52. z ở điện thế thấp (Z = 0) khi có ít nhất 1 lốì vào ỏ điện thế thấp (A, B = 0). Còn khi các lốì vào đồng thời ở điện thế cao (A = B = 1) thì z ở mức cao (Z = 1).

*sv

I■44-

Ao-

Qo-

T

0-----o2Ký hiệu Trường hợp A B z

1 0 0 0& 2 0 1 0

------oZ 3 1 0 0Ký hlêu ì 1 1chuẩn hoá

Hinh 5.51. Mạch AND dùng diot (công nghệ DTL).Hình 5.52. Bảng chân lý

của mạch AND.

5.12. CÁC DẠNG CẤU TẠO CỦA DỈOT BÁN DẪNThực tế phân biệt 2 nhóm diot van là; diot thưòng và diot nắn

điện. Diot nắn điện thưồng dùng cấp dòng lớn từ điện lưới, có điện áp chịu đựng (điện áp ngưỢc) lốn, do đó có công suất lớn. Chúng đưỢc gọi chung là loại diot công suất lớn.

Nhóm diot thứ hai có công suất nhỏ thường dùng trong các mạch điện gia công biến đổi dạng tín hiệu trong kỹ thuật thông tin và xử lý tin.

98

p nA K

Dioí tiếp mặt Diotplana

5.12.1. Các diot tiếp mặt

Các diot tiếp xúc mặt có diện tích chuyển tiếp pn lớn được chế tạo theo nhiều công nghệ khác nhau, điển hình là cồng nghệ khuếch tán nóng chảy hay công nghệkhuêch tán plana (hình 5.53). Hình 5.53. cấu tạo của diot bán đẵn.

Phần lớn các diot tiếp xúc mặt chế tạo từ Si có dỏng lớn va áp ngưỢc lớn. Diot thuộc nhóm này có điện dung tiếp xúc lớn (còn gọi là điện dung lớp chắn mắc song song với diot như hình 5.54) và hoàn toàn không phù hỢp khi làm việc ở tần sô" cao. Khi hoạt động ở chế độ chuyển mạch, điện dung này làm tăng thòi gian trễ của khoá diot khi lật trạng thái.

5.12.2. Các diot tiếp điểm

Diot với tiếp xúc pn có diện tích rất nhỏ gọi là các diot tiếp điểm (hình 5.55). Trên đế làm từ phiến tinh thể Ge-n cấy 1 giọt (bán kính cỡ 50|j.m) loại bán dẫn tạp chất p (thường dùng là sỢi vàng). Diot loại này có tụ cấu tạo của lớp khoá cõ 0,2pF = 2.10'’®F có thể làm việc rất tốt ở tần số cao hoặc ở chế độ chuyển mạch nhanh.

-'hàng rảo

Hình 5.54. Tụ hàng rào nốỉ song song ảnh hưỏng tói diot.

> • J < >

Vùng p

Hình 5.55. cấu tạo diot tiếp điểm.

5.12.3. Các diot công suất

Các diot công suất chủ yếu làm từ Silic, một vài trường hỢp đặc biệt còn dùng diot Selen. Đặc tuyến Von Ampe của diot Si tại vùng điện áp ngưỡng rất dốc, chúng có điện trở dẫn điện rất nhỏ (khoảng 30mfì ở điện áp 220V). Điện áp ngược cho phép có thể đạt tới 3000V nhiệt độ làm việc cho phép lên tới 200* 0. Các diot Si công suất có khả năng cấp dòng 500A đến lOOOA với kích thước tương đối nhỏ (hình 5.57) được chế tạo dưói dạng viên Si.

99

Hình 5.56. Tụ hàng rào nối song song ảnh hưởng tới diot

Hình 5.57. cấu íạo dlot Si công suấí lớn.

Hình 5.58. Điện tuyến Ip (Up) thửdiot.

5.13. ĐO THỬ KIỂM TRA DIOT

Việc kiểm tra diot còn tôt hay không luôn là công việc cần thiết của kỹ thuật viên. Đơn giản nhâ t là dùng cầu đo điện trở, cố"p nguồn 4,5V. NỐì diot vào một nhánh cầu, coi điện trở của diot là Rx cần đo khi đã biết 3 điện trở khác của cầu đo. Theo chiều thuận Rx = Rf của diot có giá trị nhỏ, theo chiều ngược (khi đảo đầu diot) Rx = Rr của diot nếu có giá trị lớn hơn nhiều lần thì diot còn tốt.

Việc xác định điện áp ngưỡng của diot (hình 5.58) có thể thực hiện thông qua việc đođiện trở khi tăng dần điện áp thuận trên diot (trong khoảng giá trị vài phần Volt) cho tới khi giá trị Rp thay đổi (giảm rất nhanh).

Nếu đo điện trỏ của dìot theo cả hai chiều đều có trị sổ nhỏ thì diot đã bị hỏng.

Nếu đo điện trở của ơiot theo cả hai chiều đều rất lớn thi diot đã bị đứt.

5.14. THAM SỐ ĐỊNH MỨC VÀ THAM số GIỚI HẠNTham số giói hạn định ra các giá trị tôl đa cho phép mà người sử

dụng linh kiện không được dùng vượt quá, dẫn tối làm hỏng (phá huỷ) linh kiện về dòng điện, điện áp, công suất, nhiệt độ hay tần sô'

Thain số định mức chỉ ra trạng thái đang hoạt động bình thường của linh kiện. Nhóm tham số giới hạn quan trọng nhất gồm:

Điện áp ngưỢc đỉnh: điện áp ngược lổn nhất cho phép đặt trong một thời gian ngắn lên diot. Dòng 1 chiều lo; giá trị dòng trung bình số học qua diot.

100

Dòng điện thuận qua diot Ip dòng lớn nhất qua diot theo chiều thuận.

Công suất cho phép tôì đa Piot Nhiệt độ cho phép tối đa Tj Nhóm các tham sô" định mức;Điện áp thuận Up ( với 1 dòng thuận xác định)Dòng điện ngược Ir (với 1 điệOn áp ngược và nhiệt độ xác định). Điện dung lốn chắn c (với một điện áp ngưỢc xác định)Điện trở nhiệt (giữa lÓ D chắn và môi trường không khí) Rthu-

n10*

5

s

? 10* 1 ‘

«ỉ

---- r—*—1---1—ĩ ị »25

s f *1 kHz

\ L_

sL\

ks\

s N

1.1

1.0

CtotlỡS i 09

08

0.7

mA

5

r

r

10ii !

mox #2.7

^ K ý hiệu cực katot

¿03K)

2

IHTOO.inTT?—1—*—1—I~n

rj=250Cf - z

D 2 (ỉ 1» ĩ

ITT 700Ị

f/ Ị/,

-Kí'Ci

ĩ\25

B«c — —

Ị

j

nA

s

»ỉs

IHTOO

ỈR ịì K)2

52

K)’5 /

PuAỉ

2V

mW500

400

300

200

100

0

ĩ

zI

L =1SVKX) 200®c

in700.ITT777

\ V.\

\

\\

\\

100--►ru

200®c

Hình 5.59. Các đặc tính điển hình của díot bán dẫn.

101

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP1. Hãy nêu một sô" vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo diot2. Cấu trúc đơn tinh thể là gì?3. Độ sạch (thuần khiêt) của tinh thể bán dẫn dùng để chế tạo diot ở

mức độ nào?4. Cấu tạo đơn tinh thề Silic, vai trò các diện tử hoá trị.5. Độ dẫn điện riêng của chất bán dẫn là gì? Nguồn gốic dẫn điện riêng? tí. Pha tạp chất và mức pha tạp chất có đặc điểm gì?7. Làm thế nào tạo ra đơn tinh Si-n?8. Hạt dẫn tự do trong tinh thể Si-n là loại nào? Có thể nạp điện cho

tinh thể S i-n không? nếu đưỢc dương hay âm?9. Tạo tinh thể Si-p như thế nào?10. Nguyên tử tạp chất cho, tạp chất nhận là gì?11. Loại hạt dẫn tự do trong Si-p? Tinh thể Si-p nạp điện như thế nào?12. Hãy giải thích sai hỏng điện tử hay sai hỏng lỗ trông là gì?13. Phân biệt độ dẫn điện lỗ trông và độ dẫn điện điện tử.14. Tiếp xúc pn khi chưa có điện áp ngoài có hiện tưỢng gì?15. Vùng điện tích không gian là gì?16. Trong vùng điện tích không gian có nhiều hay ít hạt dẫn?17. Tại sao xuất hiện điện trường trong miền điện tích không gian?18. Sự khuếch tán hạt dẫn là gì? Điện áp khuếch tán xuất hiện như

thế nào?19. Tiếp xúc pn sẽ như thế nào khi có điện áp ngoài (dưdng đặt vào

vùng n, âm vào vùng p).20. Hạt dẫn thiểu số là gì?21. Tiếp xúc pn được phân cực thuận bằng cách nào?22. Hiện tượng xảy ra khi tiếp xúc pn phân cực thuận.23. Tại sao xuất hiện điện dung ở vùng điện tích không gian?24. Đặc tuyến I-U của Si-diot có dạng như thế nào?25. Điện áp mỏ (ngưõng) của diot là gì? Giá trị điện áp mỏ với diot Si

và diot Ge?26. Vì sao có dòng điện ngược của diot27. Xác định giá trị Rp và rp của diot có đặc tính cho trên hình 5.60.

Tính tại điểm p.

102

Hỉnh 5.60. Đặc tuyến Von Ampe của diot.

28. Mô tả cấu tạo diot đa tinh thể?29. L ật trạng thái diot từ ngắt sang nôl mạch và ngược lại. Giải thích

ý nghĩa của các tham số tfr và t,,,..30. Tính chất nhiệt của diot bán dẫn khi mở và khi khoá?31. Hình 5.61 là một mạch chỉnh lưu đơn giản dùng diot. Hãy vẽ đồ thị

I(t) và Uo(t) khi Ui(t) có dạng hình sin.32. Hình 5.62 là một mạch chỉnh lưu cầu dùng 4 diot. Giải thích hoạt động

của mạch? Hãy vẽ đồ thị I(t) và Ư2(t) khi ƯỊ (t) có dạng hình sin.

220 VR 02

Hình 5.61. Mạch chỉnh lưu 1/2 chu kỳ.

33. Hãy nêu 1 ví dụ sử dụng diot như một khoá điện tử.34. Sự khác nhau giữa diot công suất (tiếp mặt) và diot cao tần (tiếp điểm).35. Làm thế nào để xác định một díot còn tốt hay đã bị hỏng?

103

Chương 6

cổc DÌOT CÓ TÍNH CHẤT Đẻc BIỆT

6.1.Z-D I0T

6.1.1. VâVì đề chung

z Diot là loại diot silic được pha tạp đặc biệt để ở 1 điện áp Rgược Uzo nhất định, điện trở của nó rất thấp và dẫn điện tôt như nhánh thuận (hình 6.1). Giá trị Uzo được gọi là điện áp Zener.

b)Hình 6.1. Đặc tuyến Von Ampe của diot z và kỷ hiệu chuẩn (a), kỷ hiệu thưòng dùng (b).

Diot Zener đạt điện trở thấp tại 1 điện áp Zener trong vùng ngược.

Trạng thái điện trở thấp đạt được trong vùng ngược do hai hiệu ứng vật lý; hiệu ứng Zener và hiệu ứng thác.

6.1.2. Hiệu ứng Zener

Khi điện áp ngược tăng dần, cưòng dộ điện trường tại lốp khoá đủ mạnh gia tổc cho điện tử (cường độ c5 20V/|im) phá vỡ liên kết ghép đôi điện tử và trở thành hạt dẫn tự do tham gia vào dòng điện, do có một sô lượng lốn hạt dẫn được tạo ra nên lớp chắn có điện trở giảm thấp và khả năng dẫn điện trở nên tốt. Ta chú ý ỏ đây cường độ trường cõ 20V/|jm nghĩa là 200kV/cm ồ tại giá trị Uzo- Giá trị Uzo phụ thuộc mức độ pha tạp châ't và tính chất của tạp chất pha, thay đổi trong 1 khoảng rộng từ cỡ 2V đến 600V. Hiệu ứng Zener là sự phát xạ điện tử trong điện trường mạnh.

Điện tử trong mạng tinh thể nhờ điện trường tác động mạnh được giải phóng khỏi liên kết và trỏ thành hạt dẫn tự do và tham gia vào dòng điện, đồng thời xuất hiện các lỗ trống tự do.

104

mox

6.1.3. Hiệu ứng thác

Nhờ hiệu ứng Zener, các hạt dẫn do phát xạ sinh ra được chuyển động gia tốc mạnh trong điện trường lớn gây va chạm với các nguyên tử khác do vậy tiếp tục sinh hạt (hiện tưỢng ion hoá do va chạm). Các hạt dẫn tự do tăng mạnh theo hiệu ứng thác; ion hoá do va chạm có tính chất dây chuyền kiểu hiệu ứng thác lũ.

Các điện tử tự do có sẵn trong mạng tinh thể đưỢc gia tốc trong điện trường mạnh va chạm với các điện tử liên kết và giải phóng chúng theo hiệu ứng thác lũ vì ion hoá do va chạm.

6.1.4. Tính chất dẫn điện loại Zener

Do tại U o điện trở diot giảm đột ngột, cần thiết sử dụng một điện trở hạn chế dòng điện ở mạch ngoài để chổng quá dòng l à m h ỏ n g Z - d i o t . M ỗ i z d i o t c ó 2

tham sô" giới hạn là công suất tổn hao cực đại cho phép Piôt và dòng cực đại cho phép Izn,ox (hình 6.2).CtlU y Ixmax tot ZO*

6.1.5. Sự tái sinh lớp chắn

Khi giảm dần điện áp ngưỢc đến giá trị thấp hơn u o, quá trình sinh hạt do hai hiệu ứng Zener và hiệu ứng thác kết thúc. Sau một thòi gian hồi phục đủ ngắn, lôp chắn được phục hồi và giải phóng khỏi các hạt dẫn tự do, điện trở tăng cao và diot về trạng thái không dẫn điện.

6.1.6. Đặc tuyến và tham số của Z-diot

Đặc tuyến I-ư của Z—diot cho trên hình 6.3 gồm 3 vùng khác nhau (tính với chiều điện áp Uak 0).

Trong vùng chắn từ Pi tới P2 dòng điện ngược vô cùng bé (vùng chắn ngược). Trong vùng quá độ P2 đến P3 bắt đầu xảy ra hiệu ứng Zener, sau đó xảy ra tiếp hiệu ứng thác, diot, __ ' „ 1 __Hình 6.3. Các vùng đặc tuyếnchuyên sang vùng dân ngưỢc. ’ z d t

Hình 6.2. Tại đoạn đánh thủng z. Diot cần đước hạn chế dòng điện.

Uz— Vùng chắn

Vùng quá độ

105

vài Z-diot cho trên hình 6.4, vối điện áp Uzo càng cao, đoạn P2-P3 càng hẹp.

Trên đặc tuyến hình 6.5a có đưa ra điện áp Zener danh định UzK và dòng danh định IzK (phần lón cỡ 5mA) iTiang ý nghĩa là điện áp Uzo nhỏ nhất để xảy ra hiệu ứng Zener.Dòng lón nhất cho phép qua z diot là dòng nhỏ nhất ỏvùng dẫn ngược là lznừn'

Điện tx'ở vi phân của diot z trong vùng làm việc được định nghĩa theo từng vị trí của điểm làm việc p trên đặc tuyến trong vùng làm việc.

*zmaxDải làm việc của Z-diot là dòng điện lz có giá trị

Điện trở vi phân rz xác định độ dốc vi phân của đặc tuyến Von Ampe trong dải làm việc của Z“diot (độ dốc càng lốn thì rz càng nhỏ).

^ Uzo

[mo»

5(/7 k)■2 min !

Ị p50 ịZma* ịh (27)

’ mA

510

50

inA

a) Đặc tuyến của Z-diot với U K = 5V b) Xác định điện trỏ vi phản tại điểm p trên đặc tuyến của Z-diot

Hình 6.5.

106

Vi dụ: Một diot z có dòng Izi = 20mA trong vùng làm việc và Uzi = 8,2V khi dòng qua diot tăng tới - 70mA nhận được Uz2 - 8,3V, khi đó điện trở vi phần của diot tại vùng làm việc này là:

AUũ “ U72 ~ = 0, IVAlz = Iz2 — Izi ~ 50mA

rz =AUZ _ o ,ivAL, 50mA

Trong vùng U K = 6V -ỉ- 8V đặc tuyến I — u của Z-Diot đặc biệt dốc, điện trở vi phân Xz có giá trị trong dải IQ đến lOOQ. Các diot z có UzK trên 8V hay dưới 6V có I'z lón hơn. Hình 6.6 chỉ ra quan hệ Vi (ưz).

Z-dìot có tính chất phụ thuộc nhiệt độ.

Hinh 6.6. Quan hệ phụ thuộc và UzK ứng vối lj cố định.

Hỉnh 6.7. Sự thay đổi đặc tính của z diot khi nhiệt độ tăng từ 25“c đến 125®c.

Hình 6.7 đưa ra các đặc tuyến I-U của Z-diot khác nhau do ảnh hưởng của nhiệt độ (nhóm tưong ứng 25°c và nhóm ứng với 125°C). Giá trị Uzo dịch theo nhiệt độ khoảng 1 đến 2%0 v /’c. Tại vùng UzK » 6V ta có ô U z k / ô t ° ~ o .

UzK > 6V >0 và có giá trị khoảng 1 đến 2%ÒV/°KÄ I

Khi

U z K < 6 V

ÔTÔUZKÔT'

<0

107

Tỷ số được gọi là hệ số nhiệt Oz của Z-diot (tính hay )

Mức dịch của UzK khi đó được tính:= UzK .«z-ATj

AUzk: lượng dịch của ƯZK Uzk: tính tại 25°C, Iz= 5mA az- hệ số nhiệt của Uz ATji chênh lệch nhiệt độ so vối 25°c

Hệ số ơz cho biết già trị điện áp Zener dịch đi bao nhiêu khi nhiệt độ thayđổi đì 1°c.

Vi dụ: ò 2 5 ° c m ộ t d i o t z c ó U z = 3 0 V . H ệ số n h i ệ t c ủ a d i o t l à ;

10. m v ^ h . Tính Uz tại Yö' c.^UzK —UzK.az.ATj

= 30V. 10-YC. 50°c= 1,5V

Vậy tại 75“C điện áp Z-diot là UzK + AUzk = 31,5V Công suất tổn hao trên Z-diot xác định bỏi;

p tot “ U z . Iz

Các tham số quan trọng của Z-diot:Tham số’ giối hạn:

Dòng làm việc lớn nhất cho phép IzmaxCông suất tổn hao lớn nhất cho phép PtotNhiệt độ cực đại tại Idp chắn TjDải nhiệt độ hoạt động Ts

Tham sô" định mức;Điện trỗ vi phân rzĐiện áp làm việc UzHệ sô' nhiệt độ azĐ iện trở n h iệt Rthu(lớp khoá - không khO

6.1.7. Các ứng dụng

ứng dụng quan trọng nhất của Z-diot là dùng để ổn định điện ápmột chiều hay hạn chế biên độ điện áp ở 1 mức ngưỡng xác định, tạo

108

điện áp chuẩn cho các mạch điện khác trong kỹ thuật đo lường, điều khiển hay điểu chỉnh.

Hình 6.8 cho ví dụ mạch ổn áp dùng Z-diot.—ơv=K)V—

3 .Rv=ioon

=18V í/z=

1____________ j

8V 2

'

1 2 maxJ =1ỎOmA h i ''l ị

'

/l =0/Ru

1—ưv=10V-*-j

Rv*ioon Ị Ư=18V $

1------------------- !L

-oẲib.-.sBOmA /L=50mA

ịVỤRL=160n

Hình 6.8. Mạch ổn áp đơn giản dùng z diot.

Điện áp vào u = 18V, muôn điện áp trên tải ổn định ở mức Uz = 8V1 8 V _ g V

khi khoá s hơ mach = Irv = — — = lOOmAlOOQ

U -ư ^Iz.nax = ( — — — ^) dòng I 2 = 0

Khi s nôl mạch:u = Uv + Uz 1 = 1. + 1.,

U -U -,Rv -

Nếu tải càng lớn, dòng càng lớn và n g ư ợ c lại. Giá trị tải nhỏ nhất cần chọn để hiệu ứng ổn áp còn xảy ra:

lOOmA= 80Q

Vi du: với mạch hình 6.8, cho Rl = 50Q. Tìm Uv và Ul-u 18V

1 =Ry + R l

= 120mA100Q + 50Q

Uv= I.Rv = 120mA.100Q =12V ui, = I.Rl= 120mA. 50Q = 6V

Vậy khi tải III = 50ÍÌ < = 80Q mạeh không^còn tính ehất ổn áp.

109

6.1.8. Bù nhiệt

Hệ sô" nhiệt í* 0 là nhược điểm của Z-diot, tuy nhiên nếu kết hỢp được với một phần tử như diot Si thông thường có ao ngược dấu thì ảnh hưởng của n h iệt độ được bù trừ đáng kể. Hoặc như trường hỢp hình6.9. Nốì tiếp 2 diot có Ujg- 8V và Uz4 = 4V, do hệ số nhiệt của chúng có dấu khác nhau, hệ sô" nhiệt chung của mạch ổn áp mức 12V

(ưz= Uzs + Uz4 = 12V) được bù đến một giá trị vô cùng bé.Hình 6.10 sử dụng cách bù giữa các phần tử có hệ số nhiệt ngược

dấu nhau là Z-diot có ttz > 0 và diot Si thông thường có aj) <0.Z--diot có az>0

Z-diot có az>0 ^ 7 2 8 '

Z-diot có a^<0ZÌ2

\7

Dioỉ Siíic co ao<0

Hình 6.9. On nhiệt nhờ mác nối tiếp 2 diot z có hệ số

nhiệt đối nhau.

Hình 6.10. Ổn nhiệt nhờ mắc nối tiếp 2 dlot z (với hệ số nhiệt dương)

và diot (vỏi hệ số nhiệt âm).

6.2. DIOT VARICAP (DIOT BIẾN DUNG)

6.2.1. Cấu tạo và hoạt động

Khi một diot bán dẫn thông thường làm việc trong miền phân cực ngược, lớp khoá là 1 vùng điện tích không gian có điện trở rất cao tưđng đương như một tụ điện có điện dung c, giá trị điện dung phụ thuộc vào điện áp ngưỢc đặt lên Idp khoá (hình 6.11).

p I I I ♦ • ♦ « ♦ «é * * • ♦ •

n

: : ị:♦ ♦ ♦ ♦ ♦ *

: Ký hiệu

Hình 6.11. Diot biến dung.

Diot biến dung là dạng diot có cấu tạo điện dung lớp ktìoá thay đổi được trong một giới hạn rộng theo điện áp khoá đặt vào.

Lớp khoá hình thành không chứa hạt dẫn tự do, chỉ gồm các ion dương và âm;

Các hạt nhắn tạp chất cho điện tử tích điện dương Các hạt nhân tạp chất nhận điện tử tích điện âm.

110

— &

-

-ư -

Hinh 6.12. Mạch tưong đưdng mô tả điện dung diot tại vùng điện tích khố'.

Hình 6.13. Mô hình tụ phẳng.

Giữa 2 vùng tích điện trên xuất hiện điện trưòng tiếp xúc (hình 6.12) giữa 2 ion tích điện trái dấu hình thành 1 tụ điện vô cùng bé. Khi đó toàn bộ lớp khoá (vùng điện tích không gian) có thể biểu diễn tưđng đương như hình 6.13 vôi điện dung được tính bởi;

£ ,.S..Ac =

am

ở đây e„ là hằng sô' điện môi8 ; hệ sô" điện môiA: diện tích mặt điện cực phẳnga,n: khoảng cách 2 mặt điện cực C: điện dung của tụ.

Trong diot biến dung, chỉ xác định được khoảng cách là trị trung bình nếu biết được phân bô" điện thế và cường độ trường tác động. Theo cách tính điện dung trên, áp dụng cho hình 6.14 với 1 diot phân cực ngược:

ama„ là bề dầy lớp chắn phụ thuộc trực tiếp vào cưồng độ điện áp

ngược đặt lên lớp chắn. Trên hình 6.15 khi đặt vào 2 mức Ui= 2V và U2= lOV ta nhận được 2 giá trị a„,i và a,„2- Do các tụ vô cùng bé (hình thành giữa 2 ion trái dấu) được coi là song song nhau nên có thể tính tụ tưđng đương Cd bằng tổng các tụ vô cùng bé này. Như vậy khi điện áp phân cực tăng lên, khoảng cách rộng ra và Cd giảm đi.

Điện áp ngược càng lởn, lớp khoá càng rộng ra và khoảng cách tàng lên làm già trị Co giảm.

111

p - - - n

- - -

ưt= 2V Ơ2=10V

Vùng p trung hoà Ơm1Om2

Vùng n trung hoà

Hình 6.14. So sánh tụ diot với tụ phẳng. Hinh 6.15. Sự phụ thuộc khoảng cách (bểrộng láp khoá) vào điện áp phãn cực.

Các vùng trung hoà điện 2 bên vùng p và n không ảnh hưởng tới quá trình trên.

Diot biến dung có thể điều khiển được Cjj qua điện áp ngược đặt vào.

6.2.2. Đặc tuyến và tham sô của diot biến dung

20 18 16 14 12 10 8 5 i 2V

a) Đặc tuyến c = f (Uị,) của diot biến dung

Hình 6.16.

100

80IR b ^

60

¿0U c

20

i>c"_

b) Mạch thay thế diot biến đung và đổ thị véc tơ

Đặc tuyến quan trọng nhất của diot varicap là quan hệ c phụIhuộc vào diện áp ưịị (hình 6.16a). ở dây c tính bằng pF và Ur tính bằng Volt. Quan hệ c (Ur) là một quan hộ phi tuyến tính. Có thể thay thế diot varicap bằng mạch tương đương hình 6.16b vối điện trỏ Ri, (điện trở tinh thể) nốì tiếp với c. Từ mạch thay thế, hệ sô" tổn hao của diot biến dung xác định bởi:

tgô = và hệ sô" phẩm chất Q =X, • ^ tgô

ở đây Q là hệ số phẩm chấtRß điện trỏ khối tinh thể c điện dung lớp chắn rtần sô" của tín hiệu.

112

Do c phụ thuộc vào điện áp và nhiệt độ nên Q cũng có tính chất này và yêu cầu chất lượng càng cao khi Q của 'diot càng lớn. Hệ số Q của diot biến dung giảm khi nhiệt độ tăng và Q tăng khi điện áp Ur tăng (hình 6.17).

7Hình 6.17. Sự phụ thuộc của hệ sô phẩm châ't Q và diện trỏ nối tiếp của khối tinh thể

Rg vào nhiệt độ: Q(Tj) và vào điện áp khoá Rb(Ur).

Các giá trị thưòng gặp của diot biến dung là:Rq a 0,5Q đến 2Q Iu= lOOmA (dòng ngược)Q =100 đến 500 U bh = 50V (áp ngược cho phép)Ut' = 0,8V đến 0,9V (điện áp thuận)c » 200pF đến 50pF; 50pF đên 20 pF và 10pF đến 3pF (các dải giá

trị biến đổi của C).

6.2.3. ứng dụng

Diot biến dung sử dụng làm tụ biến đổi theo điện áp tác động trong các mạch tạo dao động do đó có thể làm biến đổi tần sô" của dao động theo điện áp tác động (gọi là VFC-voltage to Frequency Converter). Hình 6.18 là mạch điện nguyên lý bộ chọn kênh trong máy thu truyền hình. Các ch iết áp để đ iều chỉnh mức điện áp phân cực ngưỢc cho các diot Varicap, qua đó làm biến đổi điện dung của m ạch cộng hưởng LC chọn lọc tần số vào phù hỢp với sóng muôn có.

R

ị Ị Ị Ị Phím chọn kênh

/ - 7 - / - / -

21 ù.

Hình 6,18. Mạch chọn kênh đẩu vào trong mảy thu hình dùng diot biến dung.

8-LK OIỆNTỬ113

6.3. DIOT TUNEN (DIOT ESAKI)

6.3.1. Cấu tạo và hoạt động

Diot Tunen là loại diot Gemani pha tạp chất rất cao. Vùng bán dẫn loại p và loại n pha tạp tới mức suy biến dạng như2 mạng tinh thể Gcmani và tinh thể tạp châ"! “lồng vào nhau”. Lớp chuyển tiếp pn trong trường hỢp này đặc biệt mỏng. Đặc tuyến Von Ampe của diot cho trên hình 6.20. Cấu tạo của diot Tunen và ký hiệu quy ước cho trôn hình 6.19.

Vùng n Vùng p

Ký hiệu

Hỉnh 6.19. Câu tạo và ký hiệt* của diot Tunen.

Hỉnh 6.20, Dòng Tunen và dòng diot phụ thuộc vào điện áp Up.

Hình 6.21. Đặc tuyến của diot Tunen.

I - U

Khi có điện trường ngoài tác động, các điện tử nhận được năng lượng đủ cao với một giá trị điện áp Up đủ nhỏ (cõ lOmV) và làm xuất hiện dòng điện có bản chất là dòng xuyên hầm (hạt dẫn chui qua hàng rào điện thế). Cơ chế xuyên hầm đạt cực đại khi xác suâ t xuyên hầm lón nhất (điểm p xảy ra lúc miền nhiều hạt bên n đôi diện trực tiêp với miền bỏ trông (miền dẫn) bên p. Sau đó dòng Tunen giảm dần cho đến giá trị Up= 300 đến 400mV thì kết thúc hiệu ứng Tunen, bắt đầu xuất hiện dòng điện của cơ chế diot thông thường. Tổng hỢp 2 kết quả phân tích sẽ nhận đưỢc đặc tuyến Von Ampe dạng hình 6.21 với cặp điểm cần chú ý là điểm đỉnh p (Ip, Up) và điểm đáy V(Iy, Uv). Vói mỗi điểm làm việc bất kỳ, diot Tunen có một điện trở vi phân đặc trưng và trong

114

miền từ điểm p tới điểm V diot Tunen có điện trở vi phân “âm” (điện áp tăng trong khi dòng điện giảm).

Diot Tunen có vùng làm việc với điện trỏ vi phân âm (từ p tới V)

Khi phân cực ngược diot Tunen, do hiệu ứng Tunen ngược, dòng đi qua diot tăng mạnh (hưóng từ K tới A) ngay khi điện áp ngưỢc còn nhỏ (vài chục mV) hình 6.22. Hình 6.23 là mạch tương đương thay thế của diot Tunen.

Diot Tunen không có trạng thái chắn (trạng thái khoà).

Hình 6.22. Đặc tuyên của diot Tunen theo hướng phân cực ngược.

Hình 6.23. Mạch tương dương thay thế của diot Tunen.

6.3.2. Các tham số định mức và tham số giới hạn

Nhóm tham số giới hạn:Dòng cực đại:Công suất: Pt„Nhiệt dộ max: Tj

Nhóm các tham sô định mức Dòng và áp đỉnh ]|„ Uj,Dòng và áp đáy Iv, UvĐiện dung c Điện trở nôì tiêp Rs Điện trở tại vùng P-V: Rm

Các giá ti'ị Rh- Rn và c có mặt trong mạch tương đương hình 6.23 (điện cảm Ls có thố bỏ qua).

il5

Một số giá trị điển hình của các tham số: u„ » 65mV đến llOmVIp = 0,9mA đến 22mA

Rn 120Q đến lOQ

C|) » l,5pF đến 20pF

Rs « 4Q đến 1,5Í2

6.3.3. ứng dụng của diot Tunen

Khi sử dụng diot Tunen vói vùng điện trỏ âm, diot hoạt động như một phần tử khuếch đại hay tạo dao động. Mạch đ ư ợ c sử dụng ở tần sô" cỡ 10®Hz =lGHz. Hình 6.24 là một mạch dao động dùng diot Tunen. L và c tạo thành mạch cộng hưởng song song LC; R] Rọ để chia áp chọn điểm làm việc cho diot ỏ đúng vùng điện trỗ âm trên đặc tuyến. Diện áp dao động lấy ra trên tải Rl, tụ Cp nén điện áp dao dộng trên R, Ổn định điểm làm việc 1 chiều cho diot. Diot Tunen cũng đ ư ợ c dùng làm một phần tử chuyển mạch vối thòi gian nốì và ngắt mạch rất nhanh (cõ Ins đến lOns).

Hình 6.24. Mạch dao động dùng diot Tunen.

Hình 6.25. Đặc tuyến của diot ngược mô tả kiểu diot Tunen.

6.4. DIOT NGƯỢC (BACKWARD)

Diot Backward thuộc nhóm diot Tunen-Gemani đặc biệt. Nhò biện pháp công nghệ đặc biệt đỉnh p của đặc tuyến Von Ampe rất thấp (đồ thị hình 6.25). Dòng điện tại đỉnh (điểm p) có giá trị chỉ khoảng IOOm-A và tại đáy (điểm V) Iv khoảng 60|iA. Đoạn đặc tuyến Von Ampe từ p tới V khá phẳng, điện trở vi phân ở phần này cõ IkQ không đoi và không thể dùng đoạn này ở chế độ tạo dao động như một

116

diot Tunen bình thường khác. Vùng đặc tuyến này kéo dài tới giá trị 500mV sử dụng như điện áp khoá. Nếu đẩo cực điện áp và dòng điện trên diot Tunen đã có, đặc tuyến của diot Backward có dạng hình 6.26 và vùng dẫn đảo được sử dụng như chế độ làm việc thuận của diot thường. Ký hiệu diot đảo cho trên hình 6.27.

Diot đảo có khả năng chỉnh lưu các điện áp xoay chiều có biên độ rất nhỏ ỏ tần số làm việc rất cao.

-------K ------Hình 6.27. Kỷ hiệu diot đảo.

6.5. DIOT PIN

6.5.1. Câu tạo và hoạt động

Diot PIN có cấu tạo cho trên hình 6.28 bao gồm 2 vùng bán dẫn đơn tinh thể loại p (làm anot) và loại n (làm katot) pha tạp chất mạnh và giữa 2 vùng này là 1 vùng dẫn điện, loại I (dẫn điện như bán dẫn chưa pha tạp gọi là dẫn điện riêng). Thực tế vùng I không hoàn toàn dẫn điện loại I mà có pha tạp yếu loại n nhưng điện trỏ vùng I rất lớn.

Vùng I trong diot PIN không có hạt dẫn tự do.Khi hoạt động, lốp chắn hình thành giữa vùng p và vùng I (hình

6.29) và có bề rộng chủ yếu bên vùng I và điện tích dương bên I cân bằng với điện tích âm bên p, hình thành một điện dung. Khi làm việc theo hướng thuận lỗ trông từ vùng p và điện tử từ vùng n phun vào vùng I (hình 6.30).

Vùng I trỏ nên có điện trỏ thấp khi phân cực thuận cho dìot, sổ hạt dẫn phun vào càng nhiều thì điện trỏ vùng I càng thấp.

117

I M

Ký hiệu

♦ ♦ ♦♦ ♦♦ ♦ ♦♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦♦

/(n)’ Lỗ trống ' Điện tử

u

Hinh 6.28. Cã'u tao và ký hiệu của diot PIN.

Hình 6.29. Diot PIN khi khoá.

P-.4-

ooooooOQOCtOO«^OOOOOCiứODO *í(ãr7

n

«BOOOOO

oo gn oo

u

Hình 6.30. Vùng I bi tràn ngâp điện tích khi phân cực thuận.

Khi phân cực ngược diot không dẫn dòng và diot PIN hoạt dộng như mọt diot thông thường (với tiếp xúc pn) khi tần số’ làm việc dưới 10'Hz (10MHz).

ở tần sô" cao hơn 10MHz diot PIN dẫn dòng xoay chiều. Độ lớn dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào điện trở lốp I và do điện trở vùng I rất Lhấp vì khi hoạt động các hạt dẫn dược phun liên tục vào vùng í.Muôn vậy cần phân cực một chiều cho diot bằng cách đặt một điện ápmột chiều kết hỢp với tín hiệu tần số cao hơn 10MHz này.

Điện trỏ vùng I của diot PIN có thể điều khiển được nhờ điện àp một chiều phân cực thuận cho diot.

Điện trở của diot PIN chủ yếu do điện trở vùng I quyết định, ĩiịỊoài ra cần bổ sung các giá trị nhỏ điện trỏ vùng p và n (pha tạp mạnh) và điện trở tiếp xúc lấy ra các cực anot và katot cũng như điện trở dây dẫn cực ra. Đồ thị hình 6.31 cho xác định quan hệ điện trỏ cao tần R||ir của diot PIN ở cao tần phụ thuộc vào dòng điện phân cực th u ận Ip.

6.5.2. Tham số định mức và tham số giới hạn

Các tham sô" giói hạn quan trọng:

Điện áp ngưỢc Dòng điện thuận Công suất tổn hao Nhiệt độ lóp chắn Dải nhiệt độ bảo quản

Hình 6.31. Điện trỏ ở tần số cao của diot PIN phụ thuộc dòng điện Ip.

ƯR « 30V đến 150V Ip » 20mA đến lOOmA

« 1W đến 6W T,« 125°cTs « -55°c đến +125°c

118

Các tham số địnVi mức quan trọng:Dòng điện ngưỢc Ỉ|( * 200nAĐiện trỏ thuận vi phân ~ õíi(vối If = lOmA, f = 100MHz)Điện trồ thuận vi phân(với Ip= 1(jA, f = 100MHz) Tị ~ 6kí2

6.5.3. ứng dụng

Diot PIN đưỢc dùng trong các bộ suy f'iam tín hiệu, điều khiển dưỢc hệ số suy giảin bằng điện áp 1 chiều và không làm méo tín hiệu cao tần, nhờ đó điều khiển được biên độ của điện áp tần sô" cao. Trong các bộ chọn kênh của máy thu truyền hình hay máy thu UKW chất lưỢng cao, bộ điều chỉnh biên độ tín hiệu cao tần dùng diot PIN có khả năng thay đổi mức tín hiệu (ở tẩn số 100MHz) từ hệ sô" 1 đến 1/300.

6.6. DIOT ĐIỆN TỬ NÓNG (DIOT SCHOTTKY-DIOT S)

6.6.1. Cấu tạo và hoạt động

Diot s có cấu tạo là tiếp xúc kim loại-tinh thể bán dẫn đưỢc mô tả trên hình 6.32. Vùng kim loại (làm anot) được tiếp xúc công nghệ với vùng bán dẫn Si loại n (làm katot). Nếu đạt đưỢc trạng thái các diện tử bên bán dẫn Si-n có trạng thái năng lượng cao hơn (các điện tử “nóng”) so với các trạng thái năng lượng của điện tử bên kim loại thì xuất hiện hàng rào điện thế hay vùng điện tích không gian (lốp khoá) sau khi xảy ra sự khuếch tán các hạt dẫn từ vùng bán dẫnsang vùng kim loại. Kết quả là xuất hiện 1 điện trường nội bộ hướngtừ bên vùng S i-n sang bên kim loại ngăn cản quá trình khuếch tán tiếp tục cho tới khi cân bằng. Chỉ có rnột lượng nhỏ điện tử có năng lượng đủ lớn bên kim loại có thể sang bên vùng n, phía bên kim loại tích điện âm. Khi phân cực cho diot s theo hình 6.33, vùng điện tích không gian mở rộng ra và diot bị khoá. Nếu đảo ngược cực tính nguồn phân cực ngoài (hình 6.34) các điện tử phun từ vùng S i-n sang kim loại tạo ra dòng điện thuận của diot.

Dòng điện qua Dìot s là dòng các hạt đa sổ (điện tử) của Si-n.

119

Các điện tử trong vùng Si-n là các điện tử “nóng” có trạng thái năng lượng cao fun vào vùng kim loại khi diot s ở trạng thái nối mạch. Khi đảo cực nguồn ngoài, diot s về trạng thái ngắt rất nhanh do không có các hạt thiểu sô' cản trỏ.

Diot s có thời gian chuyển trạng thái rất nhanh hay thời gian trễ rất nhỏ.

Giá trị thời gian trễ khi chuyển mạch của diot s khoảng vài chục đến vài trăm ps (Ips = 10 " "s), khi làm việc có Riức tạp âm và nhiễu rất thấp.

Kim loại Si-n

. . . ì 1

♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦

Điện trường

— ---------------------------------------------

Ký hiệu

Hình 6.32. Câu tạo và kỷ hiệu của dỉot Shotky

(diot S).

Hình 6.33. Phân cực ngược cho diot s.

Hình 6.34. Phân cực thuận cho diot s.

6.6.2. Các tham sô định mức và tham số giới hạn

Tham số giối hạn quan trọngUr « từ 5V đến 20V

Ip » lOmA đến lOOmA

Ptất » lOOmW đến 2 0 0 mW

Điện áp ngược

Dòng điện thuận

Công suất tổn hao

Tham số định mức:

Thòi gian nối mạch

Thòi gian ngắt mạch

Điện dung của diot Dòng điện ngược

6.6.3. ứng dụng

Diot s là loại diot chuyển mạch tốíc độ nhanh, được sử cựìng hầu hết trong các mạch khoá tần sô cao, đặc biệt trong dải sóng cực ngắn. Dùng trong bộ điều chế, bộ trộn hay bộ nắn dải sóng cực ngắn.

ttr » 50ps ts « lOOps

Cj » 0 ,2pF Ir œ 25nA

120

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1. Mô tả hiệu ứng Zener xảy ra trong diot z.2 . Cưòng độ trưòng bắt đầu xảy ra đánh thủng Zener là bao nhiêu?3. Phân biệt 2 dạng đánh thủng diot vì nhiệt và vì hiệu ứng Zener.4. Vì sao các diot chỉnh lưu để nắn điện không có hiệu ứng Zener?5. Mô tả hiệu ứng thác gặp trong Z-diot.6 . Tính chất của diot z trong vùng dẫn thuận.7. Vẽ đặc tuyến I - u của diot z với 3 vùng khác nhau: dẫn, chắn và

đánh thủng.8 . T ạ i s a o t r o n g v ù n g đ á n h t h ủ n g d i o t z đ ò i h ỏ i m ộ t g i ố i h ạ n d ò n g

điộn xác định?9. Hãy vẽ đặc tính của diot z điển hình trong vùng làm việc ở chế độ

Zener.10. Điện trở vi phân rỵ của diot z xác định như thế nào?11 . Hệ số nhiệt của diot z cho biết điều gì?12 . Hãy giải thích tại sao az > 0 với z diot có UzK >6V và Ơ2 < 0 vói

nhóm z diot có UzK < 6V.13. Cách bù nhiệt dùng các diot z? Có thể bù nhiệt bằng cách nào?14. Trên hình 6.35, hãy chọn Ri,min và Rtniax khi điện áp vào thay đổi

±10% giá trị (20V ± 10%) biết Rv = 10Q; Zg có UzK = 8V; Ptot = 8W và Izmin = 5mA.

Ry

10 a

2Óvnov, $ Z 8 R,

Hình 6.35. Mạch ổn áp dùng diot z mắc song song với tải.

15. So sánh điện dung của diot biến dung vối 1 tụ điện phẳng. Độ lớn của điện dung lớp khoá phụ thuộc vào yếu tố nào?

16. Vẽ phác thảo đặc tuyến c (Ur) của diot biến dung.

121

17. Hệ sô" tổn hao và độ phẩm chất của diot varicap (diot biô"n dung) là gì?

18. Diot biến dung đưỢc dùng để làm gì?19. Hãy mô tả hiệu ứng Tunen.2 0 . Hãy vẽ đặc tuyến I - u điển hình của diot Tunen.2 1 . Diot Tunen làm việc ỏ trạng thái khoá như thế nào?22. Diot ngưỢc là loại diot gì? Nêu các đặc điểm để phân biệt diot Tunen

với diot ngược.23. Mô tả hoạt động của diot PIN? Điều gì xảv ra trong vùng I của diol

PIN.24. Điện trỏ' cao tần của diot PIN phụ thuộc dòng phân cực thuận L-

như thế nào?25. Hãy giải thích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diot s. ưu điểm

quan trọng của diot s.

122

Chương 7

TRfiNSITO iưỠNQ cục (B)T)

p n p

<►

n p n

i»Hình 7.1. cấu tạo

cơ bản của transito.

7.1. KHÁI NIỆM CHUNG

Cấu kiện điện tử có 3 lớp bán dẫn đơn tinh thổ dạng npn hay pnp ghép xcn kẽ nhau tạo Lhành 2 tiếp xúc pn rất gần nhau đưỢc gọi là transito lưỡng cực (BJT) để phân biệt với một loỊÌ transito chỉ có một tiếp xúc pn gọi lí. nhóm transito đơn cực hay transito hiệu ứng trường (FET) sẽ được xét tới ở chương 8 . Loại BJT làm từ đơn tinh thê Gemani có nhiều nhưỢc điểm nên ngày nay chỉ còn dùng ở những trường hỢp đặc biệt, còn chủ yếu là loại transito làm từ đơn tinh thổ Silic. Loại transito đa tinh thê (ví dụ từ AsGa) còn đang ở giai doạn nghiên cứu thử nghiệm và có tương lai hứa hẹn. Như vậy có 2 nhóm transito lưỡng cực là loại pnp và loại npn (hình 7.1).

7.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSITO LOẠI PNP

Transito loại pnp có cấu tạo như thổ hiện ỏ hình 7.2 có thổ mô tả như 2 diot mắc đôi đầu nhau, gồm 3 điện cực ra là emitđ (E), bazơ (B) và colectơ (C) và được ký hiệu quy ước như ở hình 7.3. Tương ứng có 3 vùng bán dẫn tinh thể là vùng emitơ, vùng bazơ và vùng coleotri. v ề nguyên tắc 2 vùng emitơ và colectđ có thể đổi lẫn cho nhau, nhưng do mức độ pha tạp chất khác nhau (vùng E thường rất giàu tạp chất-pha tạp mạnh), còn vùng c pha tạp yếu nhất nên có điện trở lớn nhất, tổn hao nhiệt trên colectó là lớn nhất và thường cần làm nguội (làm mát) bằng biện pháp tự nhiên (diện tích vỏ kim loại rộng) hay biện pháp cưỡng bức (phiến toả nhiệt hay quạt làm mát...).

<Ị

p

o-n

p

<>

của transito pnp.Colectơ

\ Q c\

Bazơ

Đ E |EKý hiệu quy ước

/ Ẳ E Emittơ

hình 7.3. Ký hiệu transito và các cực của nó.

123

ở chế độ hoạt động bình thường (còn gọi là chế độ khuếch đại) cần đặt các điện áp phân cực 1 chiều;

U be= -0,7V (có th ể từ - 0 ,6V đến -0,9V) cho loại tran sito SilicUcE- -7V (có thể từ -2V đến -300V) tuỳ loại transito

Bazơ và colecto luôn có già trị điện áp àm so vói emitơ (hình 7.4)

Ơ 8e«-0,7V

ũfcE*-7V

ov

r0.7VB

p n p7V

linh 7.4. Điện áp một chiều cấp cho transito pnp.Hình

Như vậy Diot bazơ-emitơ dẫn điện thuận (mở) còn diot bazơ- colectơ khoá.

Tiếp xúc pn giữa bazơ và emitơ được phân cực thuận, tiếp xúc pn giữa bazơ và colecta được phân cực ngược.

Nhò U be niở diot BE, dòng hạt dẫn đa số phun qua tiếp xúc pn (lỗ trống phun từ vùng E sang vùng B) và tiếp tục khuếch tán sâu vào B tới vùng pn thứ hai giữa B-C. Dòng hạt này được điện trưòng ở đây gia tốc cuô"n sang vùng colectơ (hình 7.5). ở đây colectơ có vai trò như một bẫy thu gom các hạt dẫn từ E tói. Như vậy dòng điện trong transito pnp chủ yếu là dòng lỗ trống xuất phát từ vùng E và tập kết về vùng C; phần hao hụt trong vùng bazơ khoảng từ vài % đến vài %0 tạo nên dòng Ib (hình 7.6). Các thành phần dòng điện trong transito đưỢc minh hoạ

Lỗtrống

u

n*ò o‘

Đ

ụ

Đổ thị điện thế tổng cộng

Hình 7.5. Đồ thị điện thế trong transito pnp.

124

trên hình 7.7 (ỏ đây ImA = 6,24.10'® hạt dẫn chuyển động qua mặt cắt vuông góc trong 1 giây). Trong transito có hiệu ứng khuếch đại dòng 1 chiểu vối hệ sô" khuếch đại dòng điện 1 chiều B đưỢc định nghĩa (hình 7.7). '

I-

n

Hình 7.6. Dòng điện trong transito pnp.

Dòng điện ‘bazơ 1% B

Ví đụ 1mA

UbeI

1 Dòng điện colecto 99%

Ví dụ 99mA

'Dòng gđiện ầ emitơ I 99%Vi dụ 100nr\A

Hình 7.7. Dòng điện qua transito pnp.

B =dòng điện colectơ _ 99%

dòng điện bazơ 1 %= 99

Sự thay đổi nhỏ dòng bazơ tại lối vào đã tạo ra sự thay đổi lớn của dòng colectó tại lối ra và qua 1 điện trỏ tại mạch colecta nhận được sự biến đổi điện áp tương ứng.Như vậy sự thay đổi nhỏ của điện ấp bazơ dẫn tới sự thay đổi lớn của điện áp colectó.

Các hiệu ứng phụ liên quan tới các hạt dẫn thiểu sô" trong transito đã được bỏ qua ở phần vừa phân tích.

Tuy nhiên tại vùng diot bazơ-colectơ, điện trường ngược tạo ra dòng các hạt thiểu số (lỗ trông từ B sang c và điện tử từ c sang B). Dòng điện này không phải dòng phun và sau đó khuếch tán từ cực E tới và được gọi là dòng nhiệt tại colectơ có vai trò tương đôl quan trọng gây mất ổn định (trôi) do nhiệt đôì với dòng colectó tổng thổ (khoảng +7%/°C). Tại vùng bazơ (dẫn điện loại n) các hạt dẫn tự do là electrón có khả năng tái hỢp với lỗ trống tự do từ E phun sang và từng cặp tái hỢp sẽ mất đi 1 cặp hạt dẫn tự do. Muốn hiện tượng tái hỢp yếu cần pha tạp vùng B yếu và kích thước vùng B hẹp để quãng đường khuếch tán của lỗ trống trong vùng B ngắn lại. Hiện tưỢng tái hỢp làm dòng I|3 tăng chút ít.

7.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSITO NPN

Hình 7.8 mô tả cấu tạo của một transito npn và ký hiệu quy ưóc của loại này. ớ đây vùng E (pha tạp mạnh) và vùng c (pha tạp yếu) là các tinh thể bán dẫn loại n và xen giữa chúng là vùng bazơ dẫn điện loại p.

125

Để transito hoạt động bình thường yêu cầu diot B-E mở và diot B-C khoá hay với transito npn loại Silic (hình 7.9), cần có các giá trị điện áp ngoài đặt vào sao cho:

U ịje= +0,7V (có thể từ +0 ,6V đến 0,9V)UcE ~ +7V (có thể từ +2V đến +300V

do loại transito quyết định).

Bazơ và colectó có điện thê' phải dương hơn emitơ

Vê nguyên tắc hoạt động, transito loại npn có nguyên lý tương tự như transito loại pnp và tóm tắt như sau:

B

Ký hiệu quy ước

<' < í

n

o ■ ■ p

n

(

Hỉnh 7.8. Các chuyển tiếp npn của transito và ký hiệu quy ưỏc.

►0.7 V

ovi

B

n np

-- - . . .

-- - . . .

♦7V BE* 0.7V[

Hình 7.9. Phân cực cho các chuyển tiếp pn của transito npn.

Dòng điện tử từ vùng E đưỢc phun qua diot BE mở và tiẽp tục khuếch tán qua vùng B được gia tô"c tại diot BC khoá và tuyệt đại đa sô" hạt tới được vùng c tạo thành các dòng diện I|.;, Ih và Ic trong transito. Do vùng B được chế tạo sao cho đủ mỏng (^rn) nén có thổ đạt đưỢc một hiệu suất truyền đạt dông điện từ E tới dưỢc c ìà 99,9% hay transito có hệ số khuếch đại dòng điện 1 chiểu B là:

B = = 999Ib 1%

Cơ chế dòng các hạt thiểu sô" xảy ra tại diot B—c khoá tương tự như transito loại pnp đã xét và cần chú ý ảnh hưởng của nhiệt độ tói dòng điện này.

7.4. ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN TRÊN TRANSITO

Nêu chọn điộn thế cực emitơ làm gốíc, gọi Ucu là điộn thê giữa colectơ và bazơ thì

126

UcE - Upu + uCB

Chiều dòng điện tính theo hưống chu3 'n động của lỗ trông (hạt tích điện dương)

I e = I c + Io

♦7V

Ube

jLlOrnA?

Hình 7.10. Các dòng điện và điện áp trên transito pnp.

Hình 7.11. Các dòng điện và điện áp trên transito npn.

J.OV

Hình 7.12. Chiểu dòng emitơ.

ở đây chú ý đến cách quv ước chiều điện áp tính từ cực này tới cực kia (hay quy ước chiều dòng điện) sao cho thông nhất vói trị sô" giá trị dương hay âm của ^húng. Ví dụ khi Vc >Vk thi UcK - Vc " Vr > 0 hay

-Vc = Uec < 0 . Nếu UcK = -7V thì Uị,:c ~ +7V. Nếu chiều dòng điện cùng chiều điện thế thì dòng có giá trị dương hoặc ngược nhau thì dòng có giá trị âm. Ví dụ hình 7.11: I|,:“ lOmA nôn ípc= — - l OmA (xem ví dụ hình 7,13).

-7V *7V

J q

t

éU b6 = - 0 .7 V

/ eỉ

J-ov

Lối vào

Lối ra Lối vào Lối ra

Mạch nguyên iý EC Mạch nguyên lý BC

Hình 7.13. Ví dụ cho các điện áp trên transito pnp và npn.

127

7.5. CÁC ĐẶC TUYẾN VÀ THAM số CỦA TRANSITO MẮC EMiTƠ CHUNG

Có 3 cách mắc transito theo cách phân tích của 1 m ạ n g 4 cực gồm 1 cửa vào và 1 cửa ra (hình 7.14). Các cách mắc tuỳ thuộc chọn cực nào c ủ a t r a n s i t o l à m đ i ể m c ự c c h u n g c h o c ả l ố ì v à o v à l ố i r a : k i ể u m ắ c e m i t ơ

c h u n g ( E C ) , k i ể u m ắ c b a z ơ c h u n g ( B C ) h a y k i ể u m ắ c c o l e c t đ c h u n g ( C C ) .

Tương ứng có 4 họ đặc tuyến Von Ampe đưỢc quan tâm, trưốc tiên x é t t r o n g c á c h m ắ c E C .

7.5.1. Họ đặc tuyến vào

©- - ( 7 ) C ) 4 = hằng số

Ị_ i

Hinh 7.14. Mạch mắc colectd chung.

Hình 7.15. Mạch lấy đặc tuyến vào của transito.

Trong cách mắc EC (hình 7.15), các đại lượng dòng và áp tại đầu vào là Ijj và UniỊ. Đặc tuyến vào theo định nghĩa là đường biểu diễn quan hệ I v à o - U v à o v à v ớ i c á c h m ắ c E C l à I f Ị - UfjE, p h é p đ o n à y đ ư ợ c l ấ y t r o n g đ i ề u

kiện luôn giữ cho điện áp ra UcE = hằng số. Vôi các giá trị hằng số khác nhau của UcE sẽ nhận được một họ đường đặc tuyến vào (hình 7.17). Mạch đo đặc tuyến vào của cách mắc EC cho trên hình 7.15 và dạng thu được ở hình 7.16. Dạng đặc tuyến Ib- Ube thực ra là dạng nhánh mở của diot B-E vối loại Si có điện áp ngưỡng khoảng 0,7V và với loại Ge là 0,3V.

Hình 7.16. Cách xác định điện trở Hình 7.17. Họ đặc tuyến vàovào vi phân rgg của mạch EC vói các giá trị UcE khác nhau,

trên đặc tuyến vào Ib-U be-

Điện trỗ vào vi phân ÍBS là độ dốc đường đặc tuyến vào xác định tại điểm (A) đang xét- điểm A gọi là điểm làm việc tĩnh của iransito.

128

Việc xác định giá trị của rijE tại A, thực hiện trên hình 7.16 bằng cách kẻ tiếp tuyến với đưòng đặc tuyến tại A dựng tam giác vuông có 2 cạ n h là AI|J và A U ịịk, k h i đó theo đ ịn h nghĩa (ch ú ý dUcE= 0).

ở đây AUbiì và AlịỊ là sự biến thiên nhỏ của điện áp và dòng điện tại bazơ. Nô"u xét transito như 1 mạng 4 cực khi chọn hai đại lượng U v à o vàI,,, làm hàm số’ (vcii mạch rrắc EC là U ịuVÙ Ic) và chọn hai đại lưỢng còn lại là dòng vào và áp ra làm biến sô" (với EC là I[J và U c e ) , sẽ nhận đưỢc hệ 4 tham sô"hỗn hỢp h,j của transito gồm hj2e, hjie và h22e, khi đó:

=h„c

7.5,2. Họ đặc tuyến ra

Đặc tuyến ra theo định nghĩa là đường biểu diễn quan hệ (trong cách mắc EC là Ic“Uci.:). Đặc tu3'ến được lấy khi giữ cho dòng vào I[Ị giá trị không đổ i. Khi chọn các giá t r ị I[Ị khác n h a u sỗ n h ậ n đưỢc họ đặc tuyến ra gồm nhiều đưòng, mỗi đưòng ứng với 1 giá trị cố định của I„ (hình 7,18).

Hình 7.18. Họ đặc tuyến ra của transito.

Điện trỏ vi phân lối ra CcE tại điểm làm việc A là độ dốc vi phân của đường đặc tuyến ra xét tại điểm A với mạch EC là lc-UcE-

9-LKĐIỆN TỬ129

r 2. A U , ,^CE

A I c

ở đây A ư c e và A l c là lượng biến thiên của điện áp và dòng điện tại lốì ra.

Tương tự như đã xét với mạng 4 cực theo tham số hịj, có:

Với h22e là điện dẫn vi phân tại lối ra.

7.5.3. Họ đặc tuyến truyền đạt (đặc tuyến điều khiển dòng điện)

Đặc tuyến truyền đạt dòng điện theo định nghĩa là đường biểu diễn quan h ệ I,.„ - - (trong mạch Ec l à I c - I b)-

Hình 7.19 cho họ 2 đường Ic - I[J ứng với Uc:ei = 16V và UcE2 = 7V. Với các transito theo công nghệ hiện nay quan hệ đường hình 7.19 gần tuyến tính. Tại1 điểm A trèn đặc tuyến, hệ sô" khuếch đại dòng điện B (1 chiều) đưỢc định nghĩa (hình 7.20).

Hệ số khuếch đại dòng điện 1 chiều của transito cho biết độ lón của dòng colectơ Ic so với dòng bazơ /g là bao nhiêu lần (B lần).

Do thực tế đường le — In có hơi cong (hình 7.20) nêu định nghĩa độ dốc vi phân của đường đặc tuyến gọi là hệ sô" khuếch đại dòng xoay chiểu.

3: hệ sô" khuếch đại dòng điện xoay chiều

A lc , Aly: lượng biến thiên tương ứng của dòng điện ra và dòng điện vào (khi UcE = hằng)

Hình 7.20. Xác định hệ sô khuếch dại dòng điện1 chiều B và hệ số khuếch đại dòng xoay chiểu p tại điểm làm việc A.

130

Theo lý thuyêt mạng 4 cực vói các tham sô" hịj, có

2 l e

\Â1.21.0

asae0.4

a2

UCQ

JL UcE

7.5.4. Họ đặc tuyến hồi tiếp (ghép ngược)

Việc tăng UcE sẽ làm tăng UcB và U|JE (do U c E = UcB + Ube hình 7.21). Việc nâng cao điện áp UcE cũng làm giảm ảnh hưởng của nó tới Ube- Nhìn chung việc liên hệ (ghép) ngược giữa đầu ra với đầu vào là điều không mong muôn (khi chỉ xét nêng transito) nên nhà sản xuẩt tìm mọi cách hạn chê ảnh hưởng của UcE tối UuE- Đưòng biểu diễn quan hệ Ure - UcE được gọi là đặc tuyến ghép (đặc tuyến hồi tiếp) được cho trên hình 7.22.

Đốì với các transito có chất lượng tốt, đặc tuyến ghép ngưỢc tương đôi bằng phẳng, ngliĩa là ảnh hưởng của UpE tối ƯRỊị; rất hạn chế. Mức độ ảnh hưỏng đưỢc xác định qua hệ sô" ghép ngưỢc vi phân D.

UaE

JL.

Hình 7.21.

,/B=120pAỵ ìOOịiẠỉ^eoĩiẠ

^ 20pA/ b » 0

10 2 0 / ơ c e /

V

Với hệ tham sô" hịj thì Hình 7.22, Đặc tuyến hồi tỉếp (ghép ngưđc).

D = hI2c

7.5.5. Bốn nhóm đặc tuyến của transito

Khi xây dựng cả bô"n họ đặc tuyến đã xét trên trong một hệ thống đồ thị (mỗi đồ thị chỉ dùng góc phần tư thứ nhất trong toạ độ đề các), sẽ nhận đưỢc bức tranh tổng quát vể các họ đặc tuyến quan trọng của transito như thể hiện ở trên hình 7.23 với các thông tin chi tiết và đầy đủ về một transito.

131

Hình 7.23. Họ 4 đặc tuyến của transito mắc EC.

7.6. CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CHO TRANSITO

Chế độ làm việc 1 chiều của transito được lựa chọn thông qua việc xác định điểm làm việc nhờ 2 trong 4 tham sô" U c E , UuE, It: hay I ị ị .

Thường chọn cặp giá trị UcE và Iu hay Ic- Các bước tiến hành chọn điểm làm việc A trên hình 7.24 như sau:

»uv— o

♦ 0.72V/

Rt=2kn

6V€ ) •

-LOV

Hình 7.24. Xác định điểm làm việc 1 chiều A.

132

• Chọn nguồn 1 chiều cấp cho transito ƯB (ví dụ Ujj= +12V)

• Chọn điện trở tải colectơ Rl ( v í dụ R] = 2kfì)

Giá trị R] quyết định độ nghiêng (độ dốc) tga của đường tải 1 chiều nôl giữa 2 điểm cắt của đường tải với hai trục toạ độ ở chế độ ngắn mạch UcE = 0 và ở chế độ hỏ mạch (Ic = 0) (Ico là dòng ngắn mạch và U |5 là áp ở mạch trên transito).

12V

Chọn

Ico R, 2kQ= 6 mA

'4^m A

Hình 7.25. Xác định điểm A trên 4 đặc tuyến.

Trên nhóm hệ thông 4 đồ thị điểm làm việc 1 chiều A được xác dịnh ở đ iểm A (Ic = 3mA; Ijj = 30f.iA) trên đặc tu yến truyền đạt Ic - Ib', Nếu liên kết với đặc tu y ến Uu(.;-UcE sẽ tìm đưỢc hệ số ghép ngược vi phân D.

Từ giá trị Ijj = 30|aA, xác định trên đặc tuyến vào Ib — UịjE sẽ nhận đưỢc giá trị tương ứng U be= 0,72V và A có toạ độ Ib= 30|iA; U be= 0,72V.

133

Giá trị U[JK nhận được nhò chọn điện trở phân cực Rv (hình 7.26).

ư BEn,28V

02V —Õ

R(.

C )0.72V

„ 12V -0 ,72V _11,28VRv = -----------------= - - — = 376kQ

30|^A 30ịiAMuôn có được giá trị Ry đúng như tính

toán, cần chọn Rv gồm 1 phần cố định và1 phần tha}’’ đổi: Rv = 330kí2 + 68kQ, trong đó điện trở 68kfì là biến trỏ.

Cách khác để nhận được U ịịe = 0,72V là dùng bộ chia áp gồm 2 điện trở Rj và R2 Ohình7.27). ở cách này cần chọn dòng Iq qua bộ chia khoảng 2 đến 3 lần Iij. Nếu chọn Iq lớn thì Ri R.2 phải nhỏ và làm giảm điện trở vào của mạch, còn nếu chọn Iq < I|3 thì điện áp Ube không ổn định. Chọn !(,» 2Ijj, từ đó;

- ------ o-L ov

Hình 7.26.

Hình 7.27. Đặt điện áp cực B nhờ bô chia áp R 1R2 .

R. =

R2 = ^ BE2 I

ở ví dụ đã cho L = 2 ljj = 60|iA

R , l ‘f - ° - ” Ỵ = i i g X , i 2 5 k n' 30|iA + 60nA 90^A

60|^ATuỳ theo mục đích ngưòi sử dụng muốh hệ sổ khuếch đại lón nhất;

méo phi tuyến nhỏ nhất; công suất tổn hao nhỏ, hay nhiễu thấp nhất: điểm làm việc được chọn theo một nhóm mục tiêu ưu tiên và thường phải dung hoà vì tại điểm làm việc tham sô" này có thể sẽ gây thiệt cho tham số khác.

134

7.7. ĐIỀU KHIỂN TRAblSITO

Sau khi xác định điểm làm việc, các giá trị dòng và áp 1 chiều trên transito đưỢc xác định ký hiệu là U ' c E , I'c) I'b và U'be.

I/hI -----^ ------'-------1------ 1-------i----Itfccl^ 70 60 50 io 30 20 10 2 í é 8 10 ^pA — I— I I — I— — , ,-------- 1-------1-------1-------1------- -------V

/b=ỊỌmẠ gÕpẠ-3ÕmA — 40mẠÌỏMẠ 60 pA

Hình 7.28. Chế độ xoay chiều xung quanh A trên 4 đặc tuyến.

Trên ví dụ hình 7.28 có U'cE = 6V U ' n E = 0,72VI'c = 3mA I’b = 30ụA

Đặc tuyến Ic - In và U[ịE - In là các đặc tuyến động (được xây dựng từ các đặc tuyến tĩnh và đường tải trên hệ thốhg 4 đồ thị hình 7.25). Từ sau khi xác định điểm làm việc, có thể điều khiển transito nhờ một

dòng điện xoay chiều hình sin i|ị có biôn độ ví dụ Ìb = IOịiA

Như vậy, dòng bazơ tổng cộng gồm hai phần: dòng 1 chiều /'e = 30/^ và dòng xoay chiều hình Sìn ¡B có biên độ 10/.ư\.

I'c + sẽ thay đổi trong phạm vi 20 )aA đến 40|0,A (thể hiện trên hình 7.28) dẫn đến sự thay đổi dòng coỉectơ I'c + ic từ 2mA đến 4mA.

Dòng colectơ gồm 2 phần hợp thành: thành phần 1 chiều (l'c = 3mA) và thành phần xoay chiều ¡C (có biên độ 1 mA).

Dòng colectó tạo trên tải Rl một điện áp tưdng ứng. Điện áp tổng cộng trên colecto của transito thay đổỉ từ 8V đến 4V.

135

Điện áp colectơ gồm hai phần hợp thành: thành phần 1 chiều U'cE= 6V và thành phần xoay chiều UcE (có biên độ 2V).

Điện áp bazơ gồm hai phần: 1 chiều U'be~ 0,72V và phần xoay chiều i7g£ (có biên độ gần đúng bằng 0,05V).

Các hệ sô" khuếch đại nhận được từ đặc tuyến tổng hỢp (4 đặc tuyến k ết hỢp)

Hệ số khuếch đại điện áp

(ở đây ũp|j,ùpp và L, ĩ„ là các trị biên độ tương ứng)

Hệ số khuếch đại dòng điện

Hệ số khuếch đại công suất Vp = Vy. Vị

Nếu ký hiệu công suất xoay chiểu lôl ra là Pí,, ở lôl vào là Pi thì:

7 2 ‘n/2 2

uBE.Ĩ,

Với mạch ví dụ đã tính có:

2Vủ 3, 0,05V

= 40A

y = =i T Ĩb

ImAlOị^A

= 100

Vp = Vu.Vị = 40 . 100 = 40 0 0

Chú ý quan hệ pha giữa 2 điện áp xoay chiều UcE và U»E là ngược pha nhau và đây là đặc điểm khác biệt của mạch mắc transito kiểu EC.

Khi transito mắc kiểu mạch EC, điện áp xoay chiều lối ra dịch pha 18QP (ngược pha) với điện àp xoay chiều ỏ lối vào.

Quá trình điều khiển bằng dòng điện hay điều khiển bằng điện áp thể hiện trên hình 7.29 và 7.30. Do đặc tuyến Ib-U}3e c ó độ cong nên:

136

Khi điều khiển bằng 1 dòng điện bazơ hình sin, điện àp U be có dạng không sin hoặc nếu điều khiển bằng 1 điện áp U be hình sin (hình 7.30) thì dòng bazơ có dạng không sin.

IIbI

L

ỈIqỊ1

/ A ,. y . _ _ u

VUbeI 1 /ơbe/

Hình 7.29. Điểu khiển kiểu dòng điện (bằng dòng điện).

Hình 7.30. Điều khiển bằng điện áp.

Rz

Điều này tương tự cho dạng dòng điện colectơ. Như vậy:Nếu điều khiển transito bằng 1 dòng bazơ dạng hình sin thì dòng

và áp xoay chiều trên colectơ cũng có dạrig hình sin (xem đồ thị hình7.28). Trong khi nếu điều khiển transito bằng 1 điện áp U|JK xoay chiều hình sin thì dòng bazơ xoay chiểu, dòng và áp xoay chiều trên colectơ có dạng không sin hay quá trình điều khiển đã bị méo tín hiệu.

Điện áp và dòng điện xoay chiều trên colectơ có dạng tương tự như quá trình biến thiên theo thời gian của dòng điện bazơ.

Quá trình điều khiển trong transito I

do đó đưỢc gọi là điều khiển bằng dòng điện. Muôn méo phi tuyến nhỏ cần chú ý quy luật biến thiên của dòng điện bazơ chứ không phải quy luật biến thiên của điện áp bazơ. Việc điều khiển bằng dòng điện xảy ra khi nguồn áp điều khiển có nội trở đủ lớn so với điện trở vào của transito, khi đó quá trình biến thiên của dòng điện vào hầu như không bị ảnh hưởng bỏi điện trở vào của transito.

Điều khiển bằng dòng điện yêu cầu nội trỏ của nguồn điện áp điều khiển đủ lôn hơn điện trỏ vào của transito (gọi là kiểu phối hợp dưới hay phối hợp dòng điện).

Hình 7.31. Điểu khiển transito với dòng không đổi

(điểu khiển bằng dòng).

137

Khi nội trở của nguồn tín hiệu vào không đủ lớn, có thể bổ sung thêm Rz tại lối vào như hình 7.31 để tăng nội trở của nguồn. Tuy nhiên Rz làm giảm Vu và qua đó làm giảm Vp của mạch.

Nếu dùng điện áp xoay chiều trên bazơ để điều khiể i dòng điện và điện áp xoay chiểu trên colectơ của transito thì đây là quá trình điều khiển bằng điện áp.

Điều khiển bằng điện áp xảy ra khi nội trỏ nguồn tín hiệu vào nhỏ hơn điện trỏ vào của transito (gọi là kiểu phổi hợp trên hay phối hợp điện àp).

Phần lớn các bộ khuếch đại dùng transito sử dụng cách điều khiển bằng dòng' điện để giảm méo phi tuyến.

7.8. DÒNG ĐIỆN Dư, ĐIỆN ÁP NGƯỢC VÀ ĐIỆN ÁP ĐÁNH THỦNG

7.8.1. Dòng điện dư

Dòng các hạt thiểu số qua diot khi nó phân cực ngưỢc gọi là dòng điện dư. Trường hỢp tổng quát dòng dư là dòng đặc trưng của transito lúc các diot của nó bị khoá và chúng có giá trị nhỏ vì là dòng của các hạt thiểu sô". Để đo dòng diện dư giữa 2 cực của transito cần để hỏ điện cực thứ ba hay nốì nó qua 1 điện trở tối một trong hai cực kia. Các chỉ sô" ký hiệu của các dòng điện dư gồm 3 chữ cái sau ký hiệu dòng điện I.

Chữ cái đầu: điện cực của transito được nốì tối cực dương của nguồn cấp.

Chữ cái sau: điện cực của transito nối tới cực âm của nguồn cấp.Chữ cái thứ 3: Cách nối điện cực thứ 3 (không nêu tên điện cực này) O; Điện cực thứ 3 để hở (hình 7.32 và hình 7.34)S; điện cực thứ 3 nối ngắn mạch (hình 7.33)R: Có điện trỏ nôl giữa điện cực thứ 3 và điện cực thứ 2 (hình 7.37) V: có nguồn phân cực phụ giữa điện cực thứ 3 và điện cực thứ 2

(hình 7.35).Các dòng điện dư quan trọng nhất và cách đo được cho trên các

hình từ 7.32 đến hình 7.37, đó là:D òng dư colectơ—em itơ khi hở mạch bazờ: IcEo (h ìn h 7.32)D òng dư colectơ -em itơ khi ngắn m ạch bazơ: IcEs (h ìn h 7.33)D òng dư em itơ-bazơ khi hở m ạch colectơ: Iebo (h ình 7.34)

138

Dòng dư colectơ—emitơ khi khoá diot emitơ: IcE v (hình 7.35) Dòng dư colectơ—emitơ vối điện trỏ giữa P]B: IcER (hình 7.36) Dòng dư colectơ—bazơ khi hở mạch emitơ: IcBo (hình 7.37)

Ices

Hở bazơ

feo

Uc£0

Hình 7.32. Xác định dòng dưlcEo-

-ÍCEVr S -

ƠCEV

Hlnh 7.35. Xác định dòng dư IcEv

o ©UCES

Hình 7.33. Xác định dòng dư Ices-

Rb£

Hình 7.36. Xác địnhdòng dưicER.

Hởcolectơ

Hình 7.34. Xác định dòng dư Iebo-

•CBO

ụcBo

Hở emitơ

Hình 7.37. Xác định dòng dư IcBo-

7.8.2. Các điện áp ngược

Để đo dòng điện dư cần đặt các điện áp ngưỢc và chúng có cùng ký hiệu 3 chữ cái như vói dòng điện dư. Ví dụ khi đo I c E v (hình 7.35) điện áp cần thiết đặt vào để đo dòng này trong điều kiện khoá diot emitd được ký hiệu là ƯCEV’- điện áp ngược giữa colectđ -emitơ khi diot emitơ khoá. Mỗi điện áp khoá đểu có giá trị giới hạn cho phép (xem phần 7.12.2.1).

7.8.3. Các điện áp đánh thủng

Khi điện áp ngược vượt quá giá trị lớn nhất cho phép, tiếp xúc pn trong transito bị đánh thủng kiểu ion hoá vì va chạm (đánh thủng thác), dòng điện ngược tăng mạnh. Nê”u không hạn chế được dòng điện này, transitó sẽ bị phá hỏng. Điện áp đánh thủng luôn được cho với một giá trị dòng điện nhất định.' Đó là giá trị dòng mà tới đó transito chưa bị hỏng.

139

Có nhiều điện áp đánh thủng khác nhau tương tự như định nghĩa đôl với dòng điện dư ở trên. Cách ký hiệu có bổ sung thêm chữ cái “BR” có nghĩa là “đánh thủng” trước 3 chữ cái ký hiệu. Ví dụ: Điện áp đánh thủng colectơ- emitơ khi hở mạch bazơ ký hiệu là U(UH)ci;o- Hình 7.38 đưa ra mạch đo giá trị ư j5R)ceo với dòng IcEo = 2mA.

HỞ mạch bazơ

z. B. /cE0” 2rnA

U[BR)CEo(m

Hình 7.38. Xác định áp đánh thủng colectơ-emitò u,'(BR)CEO*

7.9. TRẠNG THÁI ĐIỂU KHIEN QUÁ MỨC VÀ CÁC ĐIỆN ÁP BÃO HOÀ

V iệc tăng điện áp U„K làm dòng bazơ táng và transito bị điều khiổn mạnh hơn, điện trở đoạn colectơ-emitơ thấp xuống làm dòng colectơ tăng, điện áp UcE xuôVig thấp cho đến 1 giới hạn. Điện trở colectơ- emitơ nhỏ nhất ứng với khi đó điện áp UcE nhỏ nhất cỡ 0,2V (hình 7.39) gọi là điện áp bão hoà (giữa colectơ và emitơ; UcE bão hoà). Tương ứng lúc đó điện áf:> bazơ-emitơ cũng đạt bão hoà. Trạng thái bão hoà của transitơ đạt đưỢc khi UcE = U|3E dẫn tới UcB = 0 (hình 7.40). Diot colecLđ-bazơ không còn bị khoá. Khi tiếp tục tăng dòng ljị (tăng Uị5h), UcK giảm nhỏ hơn Ui3£ làm Uen < 0 và diot B-C bắt đầu dẫn điện.

UcB~ 0

ơ c e = 0 , 8 V

ưbe=0.8V

Hình 7.39. Tầng khoá transito với trạng thái nối mạch.

Hìtíh 7.40. Chuyển tiếp pn bazơ- colccto không có diện áp phân cực.

Trạng thái điều khiển quá mức đối với transito xảy ra khi cả hai diot colectơ-bazơ và emitơ- bazơ đều dẫn điện (mỏ) (hình 7.41).

ở trạng thái này, trong transito bị tràn ngập hạt dẫn và dòng bazơ vượt quá một giátrị ngưởng gọi là i B b ã o h o à -

oy0V

»õãv

n p n—o♦7Va2v

Hình 7.41. Transỉto ỏ trạng tháỉ bão hoà (nối mạch).

140

I,Ị _ Cngíin mạchBbỹo lioà

ư ,R, .B

với Un: nguồn cấp 1 chiềuR i,: điện trở tải trên colectơ (hình 7.42)B; hệ sô" khuếch đại dòng điện (1 chiều)Khi ở trạng thái bão hoà điện trở đoạn colectd-emitơ của transito

có giá trị nhỏ nhất gọi là điện trở bão hoà.

10 20 30 40

Hình 7.42. Hyperbol tổn hao công suất.

7.10. CÔNG SUẤT TỔN HAO TRÊN TRANSITO

7.10.1. Công suất tổn hao và Hyperbol tổn hao

Khi transito làm việc, năng lượng điện đưỢc biến đổi thành năng l ư ợ n g nhiệt làm nó nóng lên. c ầ n phân biệt công suất tổn hao giữa colectơ -em itđ PcE và giữa bazơ-em itơ P|J|.;:

PcK= UcE.Ic P i!k“ U uk . Iij

Công suất tổn hao chung:

lot

Do Ic » In và UcE > UtjE nên PcE » PnE, hay:

p lo t ~ U c E - I c

Tham số giới hạn đối với transito là công suất tổn hao cực đại cho phép trong điều kiện được làm mát. Vối mỗi giá trị UcE có thể tính được một giá trị dòng colectó lớn nhất: Icmox> cặp giá trị đã có xác định

141

đưỢc 1 điểm trên đặc tuyến Ic - UcE và kết quả sẽ thu được một đường cong dạng Hyperbol gọi là Hyperbol công suất tổn hao (hình 7.42).

Ví dụ: Một transito có công suất tổn hao cực đại cho phép là Plot = 5W trong điểu kiện được toả nhiệt. Vối một sô" giá trị UcK, có giá trị Icmax tương ứng trên bảng sau:

tot CE* Cmax

CiTiax'.ot

Ư C B

U ce(V) Icmax(rnA) Ptot (W)10 500 520 250 530 167 540 125 5

Khi đó Hyperbol tổn bao có dạng hình 7.43.

Điểm làm việc của 1 transito trong suốt thời gian làm việc luôn phải nằm dưới Hyperbol tổn hao. Nếu nằm trên transito sẽ bị quá nhiệt và bị phá huỷ.

//q l ị rrÌA' t

500500

400300200100

10 20 30 (0 50 IUceI V

Hình 7.43. Xác định Hyperbol công suất tổn hao.

7.10.2. Làm mát cho transito

Công suất tổn hao cực đại cho phép Ptot phụ thuộc vào nhiệt độ lớp khoá, nghĩa là nhiệt lượng (tính trên 1 đđn vị diện tích) trong 1 đơn vỊ thời gian.

Hệ số dẫn nhiệt G,h là nhiệt lượng toả ra trong 1 đơn vị thời giai trong điều kiện có chênh lệch nhiệt độ nhất định giữa lớp khoá và môi trường làm mát.

Nghịch đảo của hệ số’ dẫn nhiệt được định nghĩa là điện trở nhiệt Rth- Gia số nhiệt độ giữa lớp chắn và môi trường làm mát

R„. = Nhiệt lượng toả ra trong 1 đơn vị thòi gian

142

Khi nhiệt lượng toả ra trong 1 đơn vị thời gian cân bằng vối nhiệt lượng sinh ra trong thời gian ấy thì nhiệt độ của transito không tăng nữa. Nhiệt lượng sinh ra do Ptot quyết định.

(đơn vỊ đo của điện trở nhiệt °C/W)

Tj: nhiệt độ cao nhâ't cho phép của lồp khoá T : nhiệt độ của môi trường làm mátMôi trường làm mát có thể là vỏ của transito, không khí bao quanh

transito hay các phiến làm mát gắn cùng vỏ transito. Từ đó có các loại điện trở nhiệt khác nhau:

Điện trở nhiệt giữa lớp khoá và vỏ transito RthGK Điện trở nhiệt giữa vỏ transito và các phiến làm mát.Rihk: Điện trỏ nhiệt giữa phiến làm mát và không khí bao quanh. Trong điều kiện có hệ thống toả nhiệt đầy đủ thì điện trở nhiệt

tổng cộng;

r^thg “ I^thG RthG K + f^ th K

Riho thường xác định từ dữ liệu có sẵn của transito sử dụng RihK là giá trị định mức của các phiến làm mát.KthciK phụ thuộc điều kiện kết cấu lắp ráp và thường dùng loại vật

liệu dẫn nhiệt tô"t để có giá trị RthGK hỢp lý.

Transito càng được làm mát tốt thì công suất Plol càng lớn.

Vi du: Với transito công suất BD107 nhiệt độ cao nhất của lớp k h o á l à 1 7 5 ° c . Đ i ệ n t r ở n h i ệ t R th G = 1 2 ° c / w .

Phiến toả nhiệt được sử dụng có Rti,K = 1,5°CAV được cách điện với vỏ transito bằng các tấm mica. R t h G K ~ 0,5°c/w xác định công suất tổn hao lớn nhất khi nhiệt độ môi trường tối đa là 35°c.

RthG ~ RthC RlhK RthGK= 12“C/W + 1 ,5 “C/W + 0 ,5 “C/W = 1 4 °c/w

143

p _ j “ lol R.1 7 5 " c - 3 5 "c 1 4 0

1 4w

14'’C /W

P,„,= 10WNếu transito không đưỢc làm mát nhò lắp các phiến toả nhiệt, tức

là vỏ transito tiếp xúc trực tiếp vối không khí, sử dụng điện trờ nhiệt Rthu sẽ tính được Ptot có giá trị thấp hơn:

Rthu = Điện trỏ nhiệt ỉớp khoá và môi trường không khíVới BD107 có R,h„ = 40°c/w

1 7 5 " c - 3 5 '’c 1 4 0T . - T „p _ _J____1!toi R.thu

Ptot=3,5W4 0 " c /w 40

w

7.11. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ổN ĐỊNH NHIỆT ĐlEM LẢM VIỆC

Phần lốn các tham số của transito bị phụ thuộc nhiệt độ. Các dường đặc tuyến bị dịch theo nhiệt độ, đặc biệt đặc tuj'ến vào Ib-U be; (hình 7.44).

Với cùng 1 giá trị điện áp U be khi nhiệt độ tăng dòng bazơ tâng.

Nghĩa là khi bị nóng lên, dòng colectơ tăng và điểm làm việc A bị trôi lên theo đường thang (đường tải 1 chiều - xem hình 7.24). Nhờ sử dụng điện trở Re (hình 7.45) điểm làm việc đưỢc ổn định xung quanh A.

-<>♦12 V

Hình 7.44. Đồ thị của đặc tuyến vào do ảnh hưởng của nhiệt độ.

Hình 7.45. ổn định điểm làm việc nhờ điện trở Rg.

U ,= U„, + UeU,5K = Ư2- Uk = 1,7V - IV = 0,7V

Do bị nóng Ie tăng tới 10,5mA. Khi đó Ure = 1,05VU r , ; = I k . R,.; = 10,5mA.100Q = 1,050V

144

Thực tế Ư9 khồng đổi khi đó ƯUE còn lại:

ƯB E = Ư 2 - U e = 1,7V - 1,05V = 0,65V Việc nhiệt độ tăng điều chỉnh lại (làm giảm) Ube nhò có Rg, do đó

ổn định được điểm làm việc của transito. Để tránh gây tác động ở chế độ xoay chiều, cần nôl Ce có giá trị đủ lớn song song Rg để nén tín hiệu xoay chiều trên Re (hình 7.46). Một cách khác để ổn định nhiệt là dùng bộ chia áp phụ thuộc nhiệt độ (hình 7.47). Khi đó một điện trở nhiệt loại NTC được nối song song với R2. Điện trở nhiệt NTC phải có cùng nhiệt độ của vỏ transito tức là được gắn trực tiếp với colectơ của transito. Khi nhiệt độ tăng lên, giá trị NTC giảm làm điện trở tương đương Ro// Rntc giảm , dẫn tới U|3E giảm .

€ )

Re 4=C e

Hình 7.46, Chống hổi tiếp xoay chiều trên Rg nhờ tụ thoát Cg.

RiRi

R2

C)5Í,Í/b£

Hình 7.47. ổn định điểm làm việc dùng nhiệt điện trỏ nóng (NTC).

7.12. TẠP ÂM CỦA TRANSITO

7.12.1. Nguyên nhân phát sinh tạp âm

Chuyển động của hạt dẫn điện trong mạng tinh thể chịu ảnh hưỏng của dao động nhiệt của mạng tinh thể nên không ổn định. Nghĩa là dòng đ iện luôn có m ột độ thăng giáng nhỏ do nguyên nh ân này và đưỢc gọi là dòng tạp âm,

Mọi dòng điện đều có 1 phần là dòng tạp âm.

Phần dòng tạp âm chảy qua 1 điện trở R gây ra điện áp tạp âm. Từ đó công su ấ t tạp âm đưỢc xác định bởi tích sô" hai giá trị h iệu dụng của dòng và áp tạp âm:

10'LKĐIỆNTử145

p, = u, .1,

p ; công suất tạp âm.Uri điện áp tạp âm hiệu dụng.1 : dòng điện tạp ầm hiệu dụng.

7.12.2. Điện trở tạp âm

Công suâ"t tạp âm trên 1 điện trỏ R luôn được tính trong 1 dải tần số b cần quan tâm:

PrK - 4.k.T.b

P,.jị: công suất tạp âm của 1 điện trở.

k': hằng sô' Boltzmann k = 1,38.10'^'

T; nhiệt độ tuyệt đôi (Kelvin), b: dải tần số đang xét.____________

_Ws_Kelvin

WsK

ở nhiệt độ phòng w 20°c 4kT=l,6.10 -20

Điện áp tap ầm (lúc h-ỏ mạch) đưỢc xác định trên điện trở Rị (nội trđ của nguồn tín hiệu);

U , . = , / V Ĩ ^ = V4kT.b.R,

7,12.3. Hệ sô tạp âm và mút: tạp âmĐiện áp tạp âm xuất hiện trong nguồn tín hiệu được transito đón

nhận và khuếch đại lên bên cạnh công suất tạp âm của tinh thể làm transito.

Nếu ký hiệu Pri là phần công suất tạp âm của nguồn tín hiệu.Vp là hệ sô» khuếch đại công suất của transito Prt là công suất tạp âm do transito gây ra,

th ì công su ấ t tạp âm tại lối ra của tran sito đưỢc xác đ ịn h bởi:

Prt2 “ P ri-Vp + P rx Nếu ký hiệu Pr2= Pri Vp (là công suất tạp âm ở lôi ra không phải do

transito gây ra) thì hệ sô" tạp âm F đưỢc định nghĩa:

p p V -l-Pp _ ^ RT2 _ p ^ RT

R2

146

Hệ số tạp âm F là tỷ số công suất tạp âm tổng cộng ở lối ra transito với công suâ t tạp âm có nguồn gôc không phải của transito

P,n-2 = F.Pr, = F. Pk,.VR2 Rl- '' 1>

F = 1 + RT

Nếu 1 transito lý tưởng không có tạp âm Prx = 0 ; F = 1 Transito thực tế luôn có F >1 (thường F = 1,4 tói 10). F có thể dùng

trong thang logarit:

(dB)

F* đưỢc định nghĩa là mức tạp âm tính theo đđn vị dexibel, giá trị thường gặp F* = l,5dB đến lOdB.

Tạp âm của một transito càng nhỏ khi hệ số tạp âm F và mức tạp âm F* của nó càng bé.

F và F* có giá trị phụ thuộc loại transito, vào điểm làm việc đã chọn của transito. Với dòng ĩc nhỏ, F và F* nhỏ và tăng lên khi Ic tăng. Khi tín hiệu tác động vào transito có cưồng độ nhỏ, tạp âm có vai trò quan trọng tói mức có thể lấn át tín hiệu.

Giá trị của điện áp tạp âm xấc định mức tín hiệu có nghĩa nhỏ nhất (độ nhậy) tại đầu vào của transito.

Giá trị của điện áp tạp âm có thể tính được từ công suất tạp âm. Thường giả thiết transito là lý tưởng không có tạp âm, công suất tạp âm của nguồn tín hiệu Pj{| đã biết (do nội trở của nguồn tín hiệu tạo ra từ dòng tạp âm của nguồn) được thay thế thành Perj.

R2

p„ p RT2 _ p '■ R2

V. ■ v„|) ’ [>

(Pru, là công suất tạp âm lốì vào tương đương khi coi transito là lý tưởng tức là bỏ qua P|ỈT và thay Pki bằng Peri)-

Công suất tạp âm thay thế bằng tích sổ công suất tạp âm của nguồn tín hiệu tác động transito với hệ số tạp âm.

147

Ví dụ: Với transito BSY 52 có mức tạp âm 6dB và hệ số tạp âm F = 4 điện trở trong (nội trở) của nguồn tín hiệu là lOkQ. Transito làm việc ở dải tần sô' OHz đến 20kHz với hệ số khuếch đại công suất Vp = 4000.

a) Tính công suất tạp âm và điện áp tạp âm hở mạch (tại nhiệt độ phòng) của điện trở trong của nguồn tín hiệu.

b) Tính công suất tạp âm lôl vào biết điện trỏ vào rj3E= lOkQ.c) Tính công suất tạp âm tại lối ra?

G iả i:

a) P,R = 4.kT.b = l ,6 .10-"“(Ws).20 .10'-s

= 32.10-"W = 320.10"'«w

U..K = VP,r .R; - -J320.10-'*.

U , R = 17,89. IO.7V = l,789|aV ■ ' b) Đ iện áp tạp âm tại lốỉ vào của transito khi có phối hỢp trở kháng

(Ri= rtiE =10kn) Uri = 1/2U,r.u .

u rRRI 0,8445|aV

1Công suất tap âm tai lôi vào của trangto Pri bằng — P,.R

4

1 1 _ Ị 1,789.10'M

K ^ J l 2 j

c) p RT2

Pr, = [ ^ J •— = - - ^ w

Pri = 0 ,8 .10"’®w = 80 .10-'»w F.Pni-Vp = 4.80.10-'«w. 4000

= 1.280.000 .10-'®w= 1,28.10-‘"W

Prt2 ~ l,28pW.

7.13. CÁC THÔNG số CỦA TRANSITO

7.13.1. Các tham số định mức

Tham số định mức thể hiện các tính chất khi làm việc của transito.

7.13.1.1. Tham số định múc tín hiệu (xoay chiều)(ở đây chỉ đưa ra các tham sổ xoay chiều trong cách mắc EC).

148

Điện trở vào vi phân

Điện trở ra vi phân 1CE

‘ 22c

Hộ sô' khuếch đại dòng điện vi phân: p = hgieHệ số ghép ngưỢc (hệ số’ hồi tiếp) vi sai: D = hi2e.Các tham số xoay chiều chỉ xét ở lân cận 1 điểm làm việc xác định

của transito.

7.13.1.2. Quan hệ 1 chiểuHệ sô" khuếch đại dòng điện 1 chiều là tỷ sô" dòng điện 1 chịều

' Icolectơ và bazơ B - ---

-Ln

Giá trị của B do điểm làm việc 1 chiểu của transito (tức là do UcE, !(■) Quyết định và thay đổi theo vỊ trí điểm làm việc của transito.

7.13.1.3. Các dòng điện dư và các điện áp đánh thủngNhóm tham số dòng điện dư và điện áp đánh thủng đã được định

ngh ĩa chi t iế t trong phần 7.8 và được cho trong các dữ liệu về transito do nhà sản xuất cung cấp.

7.13.1.4. Điện dung lớp khoáĐiện dung lớp khoá được xác định tại 1 điện áp khoá nhất định. Ví

dụ: Điện dung colectơ-bazơ (khi E hở mạch, UcB= lOV).

CcBO“Điện dung emitơ -bazơ(Colectơ hở mạch, ƯEB= 0,5V) Cebo~ 25pF

7.13.1.5. Các tẩn sô'giói hạnCác điện dung lóp khoá ảnh hưởng tói giới hạn tần số cao. Khi

transito làm việc, tần số tín hiệu vào tăng làm các hệ số (3 và a giảmAI,

)AIp ' Alg

• Tần số khuếch đại đơn vị là t ầ n sô" tại đó p = 1f(p - 1)

• Tần sô" quy đổi fp là một đại lượng dùng cho việc tính toán là tích số của hệ số p và tần sô" tại đó đo p (tại fx đo được Px):

f.ị' = fx'. Px

149

• Tần số giới hạn trôn: Theo định nghĩa các giá trị a„, p„ được đo tại = 1kHz

p(fo = 10-^Hz) = a(fo = 10'^Hz) = p„

Khi đó

í'(, và fp là các tần sô’ giới hạn cao nhất khi làm việc vối tín hiệu xoay chiều đói vói transito

Chú ý rằng: |f„ = pf[Ị.

7.13.1.6. Các điện trở nhiệt (xem phần 7.10.2)Rthu: điện trỏ nhiệt giữa lớp khoá - môi trưòng không khí Rt„r.: điện trở n h iệt giữa lớp khoá - vỏ transito .

7.13.1.7. Mức tạp âm (xem phần 7.12)Tạp âm của 1 transito được đánh giá qua mức tạp âm F* = lOlgF

và càng nhỏ càng tô"t.

7.13.1.8. Thời gian chuyển mạch của transitoKhi điều khiển transito từ trạng thái ngắt mạch sang nô: mạch,

cần có một thòi gian để hoàn thành (được xác định từ lúc giá trị tham sô" ra - như điện áp ra chẳng hạn - thay đổi từ 90% đến 10% giá trị tốì đa). Tương tự khi điểu khiển transito từ trạng thái nôl mạch đến trạng thái ngắt mạch, thòi gian cần thiết để hoàn thành công việc lật là tngát (tính từ lúc điện áp ra đạt 10% đến lúc đạt 90% giá trị cực đại).

Thời gian chuyển mạch của transito chính là thời gian trễ lúc được điểu khiển để thay đổi trạng thái luôn gồm hai giá trị và tngáf Do tính chất vật lý của chất bán dẫn tinh thể, thưồng tngít lớn hơn tng- vài lần. Thời gian trễ đưỢc xác định là trung bình cộng của hai giá trị trên:

150

7.13.2. Các tham số giới hạn của transitoCác tham số giới hạn là càc giá trị tối đa cho phép và không được vượt quà trong mọi tình huống làm việc của transito.

• Đ i ệ n á p n g ư ợ c c ự c đ ạ i c h o p h é p : U c B 0> UcEO) Uebo> U ces -

• Dòng cực đại cho phép:Icmax- dòng colectơ cực đại cho phép ở chế độ làm việc lầu dài. Icm: dòng đỉnh cho phép ở chế độ làm việc xung (thời gian làm việc ngắn < lOms).

dòng bazơ lớn nhất cho phép ờ chế độ làm việc lâu dài.• Cồng suất tổn hao cực đại cho phép:

PcE (giữa colectơ-em itơ)

• Pbe (giữa bazơ-emitơ)

P t o t “ p C E + P b e ~ p C F , -

Chú ý P(ó', phụ thuộc vào điều kiện làm mát (điều kiện toả nhiệt).• Nhiệt độ lớn nhất cho phépVối loại transito có nguồn gốc Ge (còn ký hiệu Tj) ~ 90°c.Với loại có nguồn gốc Si * 200°c.D ả i n h i ệ t đ ộ b ả o q u ả n - 6 0 ”c - 2 0 0 ° c v ớ i t r a n s i t o S i v à - 3 0 ° c đ ế n

+75°c vói transito Ge.

7.13.3. Dữ liệu của transito

Các thông sô", đặc tính của transito thường được cho dưới dạng các bảng và đồ thị để người sử dụng tra cứu, tính toán hoặc truy cập thông tin một cách tổng hỢp và đầy đủ.

R,

7.14. MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA TRANSITO

7.14.1. Tầng khoá chuyển mạch dùng transito (hình 7.48)

Transito trong hình 7.48 chỉ có thể ở một trong 2 trạng thái;

Khi không có tín hiệu tác động tại lốì vào: Transito ở trạng thái ngắt mạch (trạng thái 1):

Ijj = 0; U[JE = 0; 0Rce « lOOMQ; UcE= Uj3= +12V

r 12V

RL=2A0n

/*0. /c *50 mA

ưserOV ƠCE =Ư8E s 0.9 V

Hình 7.48. Tầng khoá dùng transito.

151

Khi có 1 xung điện áp dương khoảng vài V tác động tại lối vào transito ở trạng thái 2 là trạng thái nối mạch.

Vói Uvlo - 3,9V ; Rv = 3kQ thì:ImA U|5E = 0,9V ; RcE

12V4Q UcE » 0,2V

IRl 240Q

ở chế độ khoá chuyển mạch, diểm làm việc của transito trên đồ thị đặc tuyến Ic - UcE chỉ có thể ở vị trí Pi (cho trạng thái 1) hoặc vị trí Pọ (cho trạng thái 2) thể hiện trên hình 7.49. Thời gian Pi -> ?2 là tng', và P2 -> Pi là tngắt từ vài |.IS đến vài phần ns. Cần chọn Rl sao cho Rị, > RLmin-

Khi đó Ụ = < L để đảmí- Lmax

= 50mA

RHình 7.49. Đặc tuyến ra của 1 transito khoá.

Các điểm làm việc đặc trưng p, hoặc p .Lmin

bảo an toàn về dòng điện cho transito lúc nốì mạch.Hình 7.50 là một mạch hạn chế ánh sáng dùng một khoá transito.

Điện trở quang Rp= l O M Q lúc không đ ư ợ c chiếu sáng (còn gọi là giá trị điện trở lúc tốì) và bằng IkQ lúc đưỢc chiếu sáng vối cường độ thích hỢp. Điện trở n h á n h trên như vậy có 2 trạ n g th á i: lú c tô l có g iá tr ị Rj + Rf- = 47kQ + lOMQ rất lốn làm điện áp bazơ-emitơ U be *= 0 , transito ngắt mạch (không có dòng điện qua rơle).

Lúc được chiếu sáng:

Rj + Rị, = 48kQ, điện áp cực bazơ- 18V

«♦18V

emitơ U, = 0,9V làm(R,+Rp)+R, ^

transito nối mạch, có dòng điện qua rơle điều khiển công tắc chuyển mạch.

Rt»47kn

Rp

R2=4.7l<n

Hình 7.50. Tầng khoá transito điểu khiển nhờ ánh sáng.7.14.2. Bộ khuếch đại dùng transito

Bộ khuếch đại có nhiệm vụ làm tăng tín hiệu vào (điện áp, dòng điện hay công suất) đưỢc thực hiện nhồ một hoặc vài transito mắc liên tiếp nhau (gọi là bộ khuếch đại 1 tầng hay khuếch đại nhiều tầng).

152

7.14.2.1. Hình 7.51 là mạch nguyên lý 1 bộ khuếch đại mắc EC gồm 1 tầng. Rj và Rl giúp việc chọn điểm làm việc 1 chiều cho transito, ớ chế có tín hiệu (chế độ xoay chiều) Rj tham gia vào điện trỏ vào xoay chiều và Rl tham gia vào tải xoay chiều của bộ khuếch đại. Một sự thay đổi nhỏ của dòng bazơ dẫn tới việc điều khiển và tạo ra một sự thay đổi lón của dòng colectơ tạo ra hiệu ứng khuếch đại dòng điện của transito. Tương ứng là các quan hệ điện áp xoay chiều bazơ và colectơ. Trong khi sự biến thiên các dòng điện là đồng pha thì sự biến thiên các điện áp ở colectó và ở bazđ là ngược pha nhau (hình 7.52). Điện trỏ vào vi phân của mạch khuếch đại;

R|

►12V

Rl

Đẩu vào)(J^Đầu ra U2 R

.ov

Hình 7.51. Tầng khuếch đại dùng translto (mắt EC).

ở đây ủ|Và ĩ|là biên độ điện áp và

dòng điện tại lối vào. Ù2và ijlá biên độ điện áp và dòng điện xoay chiều tại lối ra.

Điện trở ra vi phân của mạch khuếch đại:

Coi tầng khuếch đại như 1 mạng 4 cực hình 7.53, các thông số quan trọng của mạng là;

Hình 7.52. Đồ thị thòi gian điện áp ra của tầng khuếch đại EC.

153

Hình 7.53. Transito như một mạng 4 cực.

Hệ số khuếch đại dòng điện Vj

Hệ sô" khuếch đại điện áp Vu Điện trở vào xoay chiều Điện trở ra xoay chiều r,,Góc dịch pha (giữa Ư2 và Ui) (p

7.14,2.2, Bộ khuếch đại nhiều tầngKhi cần inửc tín hiệu ra lớn, cần dùng nhiều transito mắc liên tiếp

nhau, khi đó; v„ = V„i.Vu2.V„3..........V - v ñ . V . 2.V i3. . .......................

(Hình 7,54 và 7.55)

iJjV 100 hV lOmV IV

Hình 7.54. Mạch khuếch đại transito dùng 3 tầng.

Tầng 1 Tầng 2 Tầng 3

Hình 7.55. Bộ khuếch đại 3 tầng dùng transỉto.

Các tầng khuếch đạiđ ư ợ c g h é p v ớ i n h a u q u a t ụ

(hình 7.55) hay ghép trực tiếp (hình 7.56). Khi ghép theo hình 7.56 bộ khuếch đại có thể làm việc với tín hiệu vào có tần sô" bằng OHz (gọi là bộ khuếch đại 1 chiều). Còn cách ghép dùng tụ hình 7.55 hay dùng biến

Hình 7.56. 3 tầng khuếch đại transito ghép đặc tuyến.

áp, tần sô" làm việc không xuông đến OHz gọi chung là các bộ khuếch đại xoay chiều.

154

7.14.3. Các cách mắc Tr trong bộ khuếch đại

Tồn tại 3 kiểu mắc transito trong mạch khuếch đại và do đó có 3 dạng mạch khuếch đại thường gặp là: ỊJ

• Mạch khuếch đại mắc emitơ chung (mạch EC) như thể hiện ở hình 7.57. Khi đó cực E được dùng chung cho lổì vào và lôl ra.

• Mạch khuếch đại mắc bazơ chung (mạch BC) - hình 7.58.

• Mạch khuếch đại mắc colectơ chung (mạch CC) — hình 7.59.

Đẩu vào

C2

Re C3

RiíCi

n II i ( Y

RlCí

r ii 0 ii ^

)Đầu ra

® 11 ^

Đầu vào ) r2

Hình 7.57. u

c,

lạch khuếizh đại mắt EC.

iỉil

Ic.

Đầu ra

Đầu vào ^2

2

Đầu ra— — — o

Hình 7.58. Mạch khuếch đại mắt BC. Hình 7.59. Mạch khuếch đại mắt c c .

Chú ý rằng các quan hệ dòng điện vào, dòng điện ra, điện áp vào và liộn áp ra với mỗi kiểu mắc là khác nhau. Ví dụ trong kiểu mắc EC:

v5oI..a = I c

Còn trong kiểu mắc J3C thì:

I v à o = I e

ra

UvAo - U be

u , . „ H UcE

Uvằo - ư e b

u..„ ^ ƯCB

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1 . Vẽ cấu tạo transito pnp. Nêu tên các cực và vùng bán dẫn tương ứng.2. Vẽ cấu tạo transito npn - Vẽ chiều phân cực cho các tiếp xúc pn của

transito.3. Giải thích nhiệm vụ lớp chắn giữa B và c trong transito npn?

155

4. Nêu tên các dòng điện và điện áp trên transito loại npn và loại pnp, vẽ chiểu các dòng điện.

5. Giải thích nguyên lý hoạt động của transito npn. Việc khuếch đại dòng điện và khuếch đại điện áp của transito thể hiện như thế nào?

6 . Các mốì liên hệ giữa 3 dòng điện và mối liên hệ giữa 3 điện áp của transito.

7. Vẽ dạng đặc tuyến vào của transito npn (mắc EC), điện trở vào vi phân Tqe tại 1 điểm làm việc A đưỢc xác định như thế nào?

8. Đặc tuyến ra Ic — U(JE của 1 transito npn? Cách xác đ ịnh đ iện trô ra vi phân r E tại một điểm làm việc A trên đặc tuyến?

9. Hệ số khuếch đại dòng điện vi phân p là gì?10. Khi cho 1 transito có B = 120 tại 1 điểm làm việc nào đó có ý nghĩa gì?

11. Hệ số hồi tiếp (ghép ngược) vi sai D là gì? Ý nghĩa?12. Hệ thông 4 đặc tuyến điển hình của 1 transito có dạng như thế nào?13. Mạng 4 cực theo các tham số li là gì? p tương thích vối tham số h nào?14. Điểm làm việc của 1 bộ khuếch đại transito được xác định như thế nào?15. Cho mạch hình 7.60. Hãy tính Rj và R2 biết:

Ic = 6mA; 6Ib; B = 20; Ube= 0.72V16. Vói mạch hình 7.61. Hãy tìm Rj, R2 và UcE khi biết:

U be~ 0,75V; Iq= 3Iq; B = 60Re = 200Q; R c = I k Q ; C i = € 2 = 10^F ; C3 = lOOfiF.

17. Các dòng điện dư của 1 transito xác định như thế nào?Các chỉ sô" ký hiệu bằng chữ cái có ý nghĩa gì?

ỹ»ơb = 18V^ s 12V

R,

|RJ i k n

1^2]R i (

iịCí

0 r ĩ

' lO ụP 11 ^

ì 7 hF J 1 ’t

JR í rIR ej2 2 0 n H

Ce^ 7 0 ụ F

J r j JRe =

Ca

Hình 7.60. Mạch khuếch đại dùng transito.

Hình 7.61. Mạch khuếch đại dùng transito.

156

18. Phân biệt điện áp ngưỢc và điện áp đánh thủng?19. Trạng thái quá tải của transito xảy ra từ lúc nào?2 0 . Một transito không có phiến toả nhiệt có điện trở nhiệt Rthu = 80°CAV.

Nhiệt độ lớp khoá cao nhất là 170®c. Nhiệt độ môi trường là 50“c. Hãy tính công suất tổn hao cho phép Pt„i.

21. Hãy nêu nguyên nhân gây tạp âm của transito tại đầu ra.2 2 . Các biện pháp để ổn định điểm làm việc theo nhiệt độ đôi với

transito npn.23. Hãy vẽ 3 mạch mắc transito cơ bản và nêu tên các dòng điện và

điện áp lối vào, lối ra của mỗi mạch.24. Mạch hình 7.62 là kiểu mắc gì của transito?

♦ư«

Rc

R ĩ= r C j

Hình 7.62. Mạch khuếch đại dùng transito.

25. Một tầng khoá chuyển mạch dùng transito hoạt động như thế nào? Hãy vẽ một transito npn ở chế độ của 1 tầng khoá chuyển mạch và chỉ ra điểm làm việc có thể của transito trên đặc tuyến Iq— ư c e -

157

Chương 8

TRANSITO ĐƠN cụcNhóm transito đơn cực có đặc trưng cơ bản là dẫn điện chỉ bằng một

loại hạt dẫn là điện tử tự do (nhóm kênh dẫn điện loại n) hay bằng lỗ trôVig (nhóm kênh dẫn điện loại p). về cấu tạo đặc điểm quan trọng là loại transito đơn cực chỉ có 1 chuyển tiếp pn và được chia thành nhiều nhóm nhỏ.

8.1. TRANSITO HIỆU ỨNG TRƯỜNG có cực CỬA

8.1.1. Câu tạo và nguyên lý hoạt động

Về cấu tạo JFET có hai dạng là loại kênh n (JP^ETn) và loại kênh p (JFETp). Do tính đối xứng và có nguyên lý giông nhau nên chỉ xét loại kênh n có cấu tạo đưỢc cho trên bình 8.1 gồm một kênh có tính dẫn điện loại n nôi giữa2 cực m á n g (Drain - D) và nguồn (Source - S) được cách ly vối cực thứ 3 là cực cửa (Gate - G) nhờ một chuyển tiếp pn. Nếu đặt giữa cực D và s một điện áp u ví dụ +12V, sẽ xuất hiện dòng điện tử chuyển động trên kênh dẫn từ s tới D (chiều dòng điện từ D tới S) với độ lớn do giá trị của điện áp u và điện trở, kích thước của kênh quyết định. Việc phân bô" điện áp 12V trên kênh vẽ mô phỏng ở hình 8 .2 . Nếu cực G (hình 8.3) dưỢc nôi ngắn mạch tới cực s ( U g s = 0). tiếp xúc pn giữa GS và GD dểu bị khoá (vùng kênh dẫn n nhìn chung đều có điện thế dương so với vùng p). Đã hình thành2 vùng tiếp xúc pn (liên thông nhau) hay hai vùng điện tích không gian theo chiều từ s tới D càng rộng dần ra do ảnh hưởng khác nhau của điện áp u . Vùng p luôn có điện thế ov và do đó không có dòng điện chảy trong đó.

Giữa vùng tinh thể loại n và hai phía loại p hình

LÀ 1 LỚP KHOÁ (JFET)

Hình 8.1. Câu tạo của JFET kênh n.

D >---------------

nP]

y

ẹk

1

p

q

i

s »-------------- ov

Hình 8.2. Phân bố điện áp trên kênh n dọc theo

hướng từ D tói s.

thành hai lớp khoá.

158

Trên hình 8 .3 , tại vùng A điện thế. phân cực ngược là lOV nhưng tại B điện thế này còn 6V. Khi lấy 1 đoạn nhỏ của vùng tiếp xúc pn phóng to lên ta được hình 8.4 mô tả cơ che" dẫn điện của kênh dẫn loại n. Do điện trường nội bộ của lốp điện tích không gian hướng từ vùng n sang vùng p nên lực của điện trường tác động ngưỢc chiều với điện tử và đẩy các electron tách ra khỏi vùng lớp chắn.

Hình 8.3. Lỏp chắn của JFET,

Chiều điện trường nội bộ của lớp khoá

Hình 8.4. Tiết diện lóp chắn thay đổi theo trục S-D.

Lớp chắn là vùng bị cấm vói các điện tử trên kênh dẫn vùng n

Các điện tử chỉ chuyển động dọc theo hướng từ s tới D trên 1 vùng n trưng hoà điện được gọi là kênh dãn bằng điện tử - kênh dẫn n (hình 8.5).

o^12V

<0V

Hình 8.5. Phản bố (kích thước) kênh phụ thuộc lớp chắn.

Hình 8.6. Phân cưc của điện áp điều khiển Ugs-

159

Nếu phân cực sao cho Uo < ưs hay U qs < 0 (tiếp xúc pn phân cực ngược mạnh hơn, thiết diện của kênh dẫn sẽ hẹp lại. Khi kênh dẫn hẹp nhất, điện trở kênh sẽ lốn nhất. Nếu vói cùng 1 điện áp đặt tới giữa D và s , điện trở của kênh tăng khi Ucs âm hơn làm dòng cực máng Id giảm. Sự biến thiên điện áp trên cực G dẫn tối sự thay đổi dòng điện trên kênh (hình 8 .6).

Khi điện àp Ucs càng àm, vùng lớp chắn càng mỏ rộng và thiết diện kênh dẫn càng hẹp lại, điện trỏ của kênh càng tăng lên và do đó dòng Ip càng giảm nhỏ.

Dòng cực màng lo được điều khiển "không dây dẫn" nhờ Uas-

Tiếp tục cho điện thế cực G âm, đến một giá trị nào đó, hai miền lớp chắn gặp nhau (hình 8.7), thiết diện kênh lúc này bằng 0.Dòng điện không còn trên kênh (Id = 0).Transito bị khoá.

Ký hiệu và tên các điện cực của JFET cho trên hình 8 .8 . ở đây cực cửa (G) ỉà cực điều khiển tương đương với cực bazơ (B) của BJT. Như vậy điều kiện làm việc thông thường của JFETn là U|5S> 0 và Ugs 0 còn vối JFETp là Uns < 0 và U gs ^ 0 (ký h iệu cho trên hình 8 .10).

Hình 8.7. Lớp chắn ả trạng thái transito khoá

(khỉ Uds = 0).

90: Drain

G=Gateo—

♦ 12V-

■Qs

Udg

-ƠGS

¿S=Source

Hình 8.8. Cấu tạo, ký hiệu của JFETn.

9 0

G-------

OV'

02V

•ov

Hình 8.9. Điện áp phân bố cho JFETn.

-12V-|-------------------------- -

-Ùdo .2 V -ị----------

Uos

ov>

-12V

•ơos

— Lov

Hình 8.10. Câu tạo, ký hiệu của JFETp (kênh p).

Hình 8.11. Điện áp phân bố cho JFETp

160

¡0mẴ

12108

6

í,2

8.1.2. Đặc tuyến và tham số của JFETn

Họ đặc tuyến ra In-U|xs (hình 8.12) đưỢc lấy trong điều kiện giữ U(;s ở các giá trị khác nhau (ƯQS á 0) khi U qs 0,kênh dẫn là rộng nhất và I])đạt giá trị lớn nhất, đường lo - Uds cao nhất. Chú ý tới điểm p tại đó có Uos (P) gọi là điện áp bão hoà, khi Uos > Ut)s(P) th ì việc tă n g Uos k hông làm tăng dòng Ii3 nữa. Tại giá trị Ui).s = ƯDa(P), vùng pn hai phía gặp nhau, kênh dẫn bị thắt lại, đặc tuyến bằng phẳngtrong đoạn p - Q tại Q do Uus quá lớn, lốpchắn bị đánh thủng ở vùng sát cực D (cường dộ trường ngiíỢc lớn nhất) và JFFT bị phá huý ở vùng sau Q. Khi cho Ucs < 0 đặc tuyến Ii) - U|XS thấp xuông, điểm p xảy ra sớm hơn Oiình 8.14).

i p ƯM=OV .

/

----- ---------------------- Q

__________ __________ _____ IV

r

3V

r /w^ " 1

K) 20 Ư|t OS(P)

Hình 8.12. Đặc tuyên I d - U d s của JFETn.

Hình 8.13. Cấu tạo của JFET kênh n.

Hình 8.14. Đặc tuyến đầy đủ của \q - Uqs vói JFETn.

Hình 8.15. Đặc tuyến ỈD “ * U p s

của JFETn.

• Đặc tuyến Ij) - U g s xét với các giá trị U,)S > Ư0s(P) khác nhau là họ đặc tuyến truyền đạt I|) - Uc,s (hình 8.15).

Khi Ucs = ưc.s(P) dòng lo = 0, JFET bị khoá.

11-LK ĐIỆN TỬ161

Độ dô"c của đặc tuyến truyền đạt Iu - Ucs trên hình 8.16 thể hiện tính chất điển hình của FET, độ dốc (còn gọi là hỗ dẫn) s tại lân cận điểm làm việc A được định nghĩa.

(giữ U d s = hằng số)

Alo: lượng biến thiên dòng cực máng.AUgs: lượng biến thiên điện áp giữa các cực cửa - nguồn (giá trị

thương từ 3mA/V đến lOmA/V).Hỗ dẫn s cho biết vổi A U g s = 1(V) thì A l o sẽ bằng S(mA).• Điện trở ra vi phân:

(khi cho U g s = hằng số)

Cách xác định đưỢc cho trên hinh 8.17; giá trị thường gặp rps ~ 80kQ đến khoảng 200kQ.

Hinh 8.16. Xác định độ dốc vi phân của đặc tuyến truyền đạt.

Hình 8.17. Xác định điện trỏ ra vi phân của FET.

• Điện trở vào vi phân là điện trở lốp khoá nằm giữa các cực G và sdo dòng điện ngược Is là vô cùng bé nên r s » đến 10 ‘‘*Q.

Dòng điện vào là dòng các hạt thiểu sô" của diot khoá Is ~ 5nA đến 2 0 nA.

• Các tham sô" giới hạn của JFETĐiện áp máng - nguồn lớn nhất ƯDSmaxĐiện áp cửa - nguồn lốn nhất ƯGSmax

162

Dòng cực máng lớn nhất Công suâ”l tổn hao lớn nhất Nhiệt độ cao nhất khi làm việc

‘ Dmax

tot

9 20V

0/ g

iUos

Hình 8.18. JFETn mắc cực nguổn chung.

Ư G S --2 V

Hình 8.19. Tầng khuếch đại mắc cực nguồn chung.

Các giá trị cụ thổ làm ví dụ cho một JFETn công suất nhỏ

Unsmax ~ 30V = —8VId.u.x = 20mA Pt„t = 200mWTj =

Công suâ t tổn hao

11 oi — ^DS ■ Id

8.1.3. ứng dụngưu điểm đặc biệt của JFET là có điện trỏ vào lởn nên việc điều khiển hầu như không làm tổn hao công suất của tin hiệu tại lối vào.

Mạch khuếch đại rnếc cực nguồn chung (SC) được cho trên hình 8.19 với U g s - - 2V và K| = IkQ, U o i) = + 12V, Điểm làm việc được xác định tại điểm A (hình 8 .20 ) trôn các đặc tuyến Ỉ 0 - U d s và Id - U g s - Giả thiết điện áp tại lôi vào có biên độ IV, quá trình khuếch đại điện áp được minh hoạ trên đồ thị hình 8 .2 0 .

Hệ số’khuếch đại điện áp:

ở đây s là hỗ dẫn (độ dốc) của JFET xét tại A

163

(Với I|3 — I|50

ta CÓ s = s .

U o s(P )và theo dinh nghĩa s =

au GS

U g s (p );So =

21 DO

GS(P)

So là hỗ dẫn của JFET tính tại điểm U g s = 0

s là hỗ dẫn của JFET tại điểm làm việc Ugs

Điện trở vào của mạch;

-2 V )

Te là điện trở vi phân lối vào mạch.Tqs điện trở vi phân lôl vào của JFET. Rq điện trở cực Gate.

Điện trở ra vi phân:

Hinh 8.20. Giải thích quá trình khuếch dại trên các dặc tuyến của transito JFET.

Ví dụ: Mạch khuếch đại hình 8 .21 dùng JFET có r^s = lOOkQ; s = 8 mA/V. Tính hệ sô" khuếch đại điện áp của mạch.

164

V u - S .R , . r , DS 8 mA

~ vl O k Q . l O O k Q

l O k Q + l O O k Q= 72,7

Hỉnh 8.21. Tẩng khuếch đại điện áp xoay chiều mắc s c .

8.2. TRANSITO HIỆU ỨNG TRƯỜNG có cực CỬA CÁCH LY (IGFET HAY MOSFET)

8.2.1. Câu tạo và nguyên lý hoạt động

8.2.1.1. Vấn đê ChungPhần tích cực của transito là 1 đế tinh

Lhể dẫn điện ví dụ loại p (cho MOS kônh dẫn điộn bằng điện tử). Trên đế tạo hai vùng dẫn điện tốt loại n được phủ trên bề mặt hai vùng này một lớp điện môi mỏng SÌO2 có hai cửa sổ làm 2 điện cực ra là cực máng (cực D) và cực nguồn (S). Trên bề mặt lớp SiO.) ở giữa hai cửa sổ phủ một lớp nhôm tạo điện cực thứ 3 là cực cửa (cực G) như thổ hiện trôn hình 8 .2 2 .

Nếu đặt một điện áp dương vào giữa 2 cực m áng và nguồn Up.s» transito không dẫn điện; khi đảo cực nguồn cấp ngoài tình hình không thay đổi. Transito (’■( trạng thái khoá (ngắt mạch). Nếu đặt tiếp một điện áp dương giữa hai cực cửa và nguồn U g s

(khoảng 4V), trong đó xuất hiện 1 điện trường giữa cực nguồn và đế. Điện trưòng này cảm ứng lôi kéo điện tử (là các hạt thiểu số của đế) tụ tập về vùng đôl diện với cực

Hỉnh 8.22. cấu tạo MOS^ kênh có sau (EMOS^).

Cầu dẫn điện loại n

Hình 8.23. Sự xuất hiện kênh dẫn loại n.

165

cửa hình thành 1 kênh dẫn điện bằng điện tử nốì liền vùng s và D; đã xuất hiện 1 kênh cảm ứng dẫn điện loại n nằm cách ly vối cực G qua 1 lớp điện môi SiOo.

Nhờ nguồn điện thế dương đặt vào cực cửa so với cực nguồn và đế, xuất hiện 1 cầu dẫn điện bằng điện tử giữa cực máng và cực nguồn.

Độ dẫn điện của cầu electron tăng lên khi tăng điện áp dương tớicực cửa hoặc giảm đi nếu giảm điện áp này.

Độ dẫn diện của kênh dẫn có thể điều khiển được nhờ điện áp U q s-

Qua đó dòng cực màng được điều khiển nhò điện áp Uas f<iểu không cần dây dẫn.

8.2.1.2. EMOSFET (ENHANCEMENT METAL OXIDE SEMICONDỤTER FIELD EFFECT TRANSITO hay normally - o ff - type dạng MOS chê độ giẩu)

Cấu tạo và hoạt động loại MOS vừa kể trên được gọi là loại kênhcảm ứng, cầu dẫn điện bằng điện tử chỉ xuất hiện sau khi có điện ápcực cửa thích hỢp tác động. Như vậy, transito là thường khoá (thườngngắt mạch) - kiểu Enhancement - type.

8.2.1.3. DMOSFET (DEPLETION MOSFET- dạng MOS chế độ nghèo)Nếu khi chế tạo đã tạo sẵn 1 cầu (kênh)

dẫn loại n (hay p) nốì trước thông từ cực s sang cực D - sỗ nhận dược transito trường loại MOS kênh có trưóc. Transito tự dẫn điện trước khi có điện áp cực cửa tác động - loại Depeletion - type (hình 8.24).

r Ể í T

0

— / -------------

cầu nô'j

SÌO2

4 -Đé

DMOSFET có thể được điện áp Ucs dương hoặc âm điều khiển. Nếu là kênh n khi U g s > 0 DMOS ỏ chế độ giẩu dòng lũ tàng, khi Ues < p DMOS ỏ chế độ nghèo dòng lo giảm (chế độ nghèo thường dùng hơn).

8.2.1.4. Hình thành lóp khoá và kênh dẩn điệnDòng điện chảy trên cầu dẫn điện n tạo ra

các sụt áp (hình 8.25). Đê" có điện thế ov, do cực máng có điện thế lOV, cực nguồn ov nên phân bô" điện thế tăng dần từ s tới D làm lớp tiếp xúc p - n giữa kênh - đế có điện áp khoá tăng dần hình thành lớp điện tích không gian (lôp khoá) có

Hình 8.24. cấu tạo MOS^ loại kênh có trước (DMOSn).

ov?s

2V »10V ?D

0V i =*2V

O-

«♦9VS4 6V

Hình 8.25. Phân bố điện thế trên kênh dẫn n.

166

thiết diện thay đổi, hẹp dần lại từ D tói s (hình 8.26). Thiết diện kênh dẫn do đó hẹp dần từ s tới D, Kênh dẫn bằng điện tử nằm cách ly với đế qua 1 lớp chắn và có thể thay đổi điện trỏ của nó nhò âiện áp điều khiển đặt vào cực G qua đó làm thay đổi dòng điện cực máng Ii). Do tính đốì xứng, cấu tạo loại DMOSFET kênh p được cho trên hình 8.28.

ov ♦2V ♦lav

Hình 8.26. Tạo lốp chắn vói MOS^.

Hình 8.27. Chú ý nếu trở của đặc tuyến thay đổi theo U d s -

ov -3V -Ipy s 96 ?D

Kénh p

Đế

Hình 8.28. Câu tạo MOSPETp có sẵn.

Như vậy có 4 loại MOSPET với các ký hiệu quy ưóc tương ứng như sau: MOSFET kênh n cần U d s » ; U q s 0 (hình 8.29)MOSFET kênh p cẩn Uos ^<0 ; Ucs< 0 (hình 8.30)MOSFET kênh n cần ; Ugs^^ 0 (hình 8.31)MOSFET kênh p cần Uds« 0 ; Ugs^^ 0 (hình 8.32)

Ds

Hình 8,29. Ký hiệu EMOS^. Hình 8.30. Ký hiệu EMOSp.

Hỉnh 8.31. Ký hiệu DMOS^ (cực đế để hở).

Hình 8.32. Ký hiệu DMOSp (cực đế nôì VÓI S).

167

8.2.2. Đặc tuyến và tham số

Hai họ đặc tuyến quan trọng nhất của MOSFET là: Họ đặc tuyến ra I0 - Uds với các giá trị U cs cô" định.Họ đặc tuyến truyền đạt Id - U g s vối U qs - hằng số.

ở đây ta chỉ quan tâm tới các họ đặc tuyến loại MOS kênh n, đốì với loại kênh p cần đổi cực tính nguồn cấp (đổi chiều trục toạ độ).

Hình 8.33 thể hiện đặc tuyến Ij, - U d s của EMOS kênh n. Việc tạo kênh dẫn cần 1 điện áp ngưõng tôi thiểu (cỡ IV đến 2V gọi là điện áp mở kênh Up). Điện áp Ug càng thấp thì dòng In càng nhỏ.

Uos*6V

Hình 8.33. Đặc tuyến ra - U q s

của EMOSki

Khi U d s dủ lớn (vài V trở lên) dòng I ß ít phụ thuộc Ư Q S mà chỉ phụ thuộc mạnh vào U g s thể hiện tác dụng điều khiển của Ư G S tới Ij)).

Uos- 5V

20 Ựị ^

VHình 8.34. Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của EMOS^.

Điện trỏ ra vi phân ÍDS là độ dốc của đường ¡ D - Uũs xét ỏ điểm làm việc Của MOS.

AU DS‘ D S AI

(khi giũ Uqs = hằng số)D

Giá trị thông thường ros » lOkQ đến 50kQ.Độ dốc của đặc tính Ij) - U g s tại điểm làm vịệc A gọi là hỗ dẫn s

của MOSFET thể hiện khả năng điều khiển dòng Id của điện áp Ucs-

168

( U d s = hằng số).

Giá trị thường gặp của s«5-^^^đếnV V

Hỉnh 8.35. Đặc tuyến của DMOSn-

Đặc tuyến của DMOS kênh n cho trên hình 8.35. Chú ý ở đây khi U g s = 0 đã có kênh dẫn nên đường đặc tính nằm giữa. Khi U g s > 0 kênh đưỢc làm gi ầu, lượng h ạt dẫn tăng lên và do vậy kênh dẫn điện tô"t hơn, dòng Id tăng (các đường nằm phía trên - ứng vối chế độ làm giầu). Khi U c s < 0 MOS ở chế độ làm nghèo vói nhóm đường nằm thấp hơn ỏ phía dưới. Hai tham sô quan trọng là r]3s và s đưỢc định nghĩa tương tự như với loại EMOS.

Điện trở vào vi phân của MOS đặc biệt lớn Tqs * 1 0 ’*Q. Do tại lôl vào cực G có lóp cách điện, cấu trúc MOS luôn có điện đung vào C(ÌS 2 pF đến 5pF. Điều này làm MOS nhạy cảm với việc nạp tĩnh điện qua tụ C(;s hay giữa cực G với đế: Giả thiết tụ được nạp 1 lượng điện tích nhỏ Q = 10"®As

_ 10“"Asc ~

Q = c .u = 500V2 .10 '''F

Điện áp nạp trên tụ lớn đủ để đánh thủng lôp điện môi SiO, và phá huỷ transito. Để tránh hiệu ứng này, các lôi vào của MOS ngay sau khi sản xuất các cực đưỢc nốì ngắn m ạch vối nhau cho an

HÍnh 8.36. Vòng ngắn mach bảo vệ MOS.

169

toàn và khi sử dụng MOS cần thực hiện nốì chân G, s, D vào mạch trước khi bỏ dây nốì ngắn mạch của nhà sản xuất (hình 8.36). Trong mạch điện MOS được bảo vệ nhò các z diot ở lôi vào (hình 8.37).

Một vài thông số điển hình của MOSFET được cho dưới đây ; Hình 8.37. Bảo vệ MOS

* Nhóm các tham số giối hạn: ^

Điện áp máng - nguồn lớn nhất ƯDSmax ví dụ » 3õV Đ iệ n áp m á n g - đ ế lổ n n h ấ t Unnmax * 3 5 V

Điện áp cửa - nguồn lốn nhất Ucsmax ® + 10VDòng điện cực máng lớn nhất Inmox * 50mACông suất tổn hao lớn nhất P,otmax ** lõOmWNhiệt độ iốp khoá cao nhất Tj,n„x 1Õ0°C* D òng cực cửa đ ịnh mức (với U gs, U ds và T^xác định): Igss

giá trị điển hình Icss 0 ,lpA đến lOpA (IpA = 10“’'A).Dòng ngược Ĩd (ofí) ở trạng thái ngắt mạch (Ugs< Ü, ở xác định). I „ ( o f O « l O p A đ ế n 5 0 0 p A ở T , = 2 5 ° c ( h a y T , = 1 2 5 ° C ) .

Đ iện trỏ R ds(ũh) lúc nôi m ạch và Rosíofo n gắt m ạch.

Ví dụ: « 200Q (đo khi ƯGS = 0; ƯDS = 0; Tj = 25°c với DM OSn)RDS(of0= 10 ^ (đo khi Ugs = -lOV; ƯDS - +1V với DMOSn).

8.2.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ

Nhìn chung loại MOSFET có các tham số ít phụ thuộc nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của hạt dẫn giảm làm dòng Ijjgiam nhẹ, điện áp chắn đối với dòng Id tại cực cửa tăng. Với cùng 1 giá trị điện áp cực cửa, khi nhiệt dộ Lăng dộ dẫn điện của kênh giảm nhẹ. Thường có thể bỏ qua các ảnh hưởng trên trong các điều kiện bình thường.

8.2.4. Công suât tổn haoCó quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng khi dòng I0 chảy

trên kênh dẫn. Nhiệt độ transito tăng lên làm độ ổn định kém đi.Công suất nhiệt tổn hao được định nghĩa:

Ptot ~ Uj)s • Id

Tính chất làm mát transito được đặc trưng bỏi điện trở nhiệt (xác định hệ số dẫn nhiệt từ vật liệu nóng sang vật liệu nguội, đo bằng °CfW).

170

Rthu là điện trở nhiệt kênh dẫn - môi trưòng không khí; giá trị điển hình R « 35(fC/W tới 600"C/W.

Khi đó

Tj; nhiột độ tối đa cho phép tại kênh dẫn.T„; nhiệt độ môi trường.Pt„t: công suất tổn hao lổn nhất cho phép,

ớ nhiệt độ T bất kỳ, công suất tổn hao được xác định là Pv

tot

Điều kiện toả nhiệt kém, môi trường oó nhiệt độ cao luôn làm Pv và thấp.

8.2.5. ứng dụng

Hai ứng dụng quan trọng của MOSFET là dùng trong mạch khuếch đại điện áp và các mạch khoá chuyển mạch trạng thái, ưu thế quan trọng của MOS là có khả năng điều khiển với tổn hao công suất rất thấp, thời gian lật trạng thái khi chuyển mạch nhỏ, tạp âm của MOS nhỏ, đặc biệt ở vùng tần sô" cao và vùng tần số âm thanh (10 Hz đến 10’Hz).

Tương tự như BJT, vổi MOSPET cũng có 3 kiểu mắc: cực nguồn chung (SC) cực máy chung (DC) và cực cửa chung (GC) thể hiện trên hình 8.38.

M,3ch EC Mạch sc

©

M;ạch BC Mạch GC

Mach cc Mạch DC

Hình 8.38. cổng vào và cổng ra VỚI 3 kiểu mắc transíto trong mạch khuếch đại.

171

8.2.5.1. Mạch mắc cực nguồn chung (SC)

Khi dùng cực nguồn (S) làm điểm chung cho lôi vào và lối ra, ta có cách mắc s c . Việc cung cấp 1 chiều cho MOS kênh n dùng điện áp dương ví dụ Ui3= +18V qua Rl cấp cho D, qua R] và Rg cấp cho G (hình 8.39) điểm làm việc một chiều A được xác định theo các giá trị Ucs = - 2V và In = 7,5mA (hình 8.40). Khi điện áp cực cửa biến thiên vối biên độ = 0 , 5V, điện áp và dòng cực máng

biến thiên tương ứng và ìp.

«*18V

Lối vào

Hình 8.39. Một tầng khuếch đại dùng MOSn mắc sc.

ẨSik^mA mA30 30

25 25

20 2015

10 10

15 18 20

Hinh 8.40. Biểu thị quá trình khuếch dại trên đặc tuyến.

Hệ sô" khuếch đại điện áp của mạch được định nghĩa

ở đây s là hỗ dẫn của đặc tuyến truyền đạt I]J — U c stạ i A.Rl là tải mắc tại cực DTds là điện trở ra vi phân của MOS xác định tại lân cận A.

172

Đ iện trở vào vi phân tính tạ i lân cận điểm làm việc A:

r. =

ở đây R ’ o là diện trở tương đương của bộ chia gồm Rj và R g (nếu

chỉ dùng R g, không có Rj, theo phương pháp tự cấp với việc có thêm

điện trở Rg ỏ tại cực s thì R*G = Rg)-

Điện trở ra vi phân:

8.2.5.2. Mạch mắc cực máng chung (DC)Khi sử dụng cực D làm điểm chung cho lôl vào và lổì ra (về xoay

chiều) sẽ nhận dược cách mắc DC (hình 8.41). Mạch DC hình 8.41 dùng DMOS kênh n dưỢc cấp nguồn +18V giữa hai điểm A và B; về xoay chiều do có tụ diện dung lớn nôl mạch nên Umj« 0 . Cực cửa được phân cực nhò bộ chia R, Re. và điện trở tải Rl mắc ở cực s sao cho Ucs = - 2V. Ban đầu Us = +3V; ƯQ = + 1V; U|J = +18V (hình 8.42) mạch DC không khuếch đại điện áp v„ « 1.

Lốí vào

Hỉnh 8.41. Mạch mắc DC.

Riưb=18V

Rg

17V

IV

Hinh 8.42. Mạch chia điện áp cực G.

173

Mạch DC đưỢc dùng để biến đổi trở kháng (khuếch đại đệm), điện trở vào của mạch lốn hơn mạch s c cỡ 10 lần.

Điện trở ra của mạch DC khá nhỏ.

ở đây r : điện trớ vào vi phân cúa mạch. R(;a; diộn trở vào vi phân của MOS. R(ji diện trở bộ chia tại cực G. r,,: điện trở vi phân của mạch.Rị/ điện trở tải.

Ví dụ: một bộ khuếch đại dùng DMOS kênh n mắc DC (hình 8.43) co tải R] = Ikíì. tại điểm làm việc MOSFET có s = 8 mA/V Rg = 4,7MQ và rcs = 5.10‘ Q.

Hãy tính điện trở T;, và r„ của mạch đã cho.

o . _ JL _ ,

jR,=80Mn

........ ............o

o - ^1 1 VJ:7

jRG= .7Mn [jRL=1kn

-o»18V

-oOV

Hình 8.43. Mạch khuếch đại mắc DC.

(1 + 8 mA

V= 42,3MQ

• IkQ5.10'^Q.4.7.10*^Q

5.10"Q + 4,7.10"Q= 9.47MQ

1IkQ.

ỉkfí +

1 V

I V 1,125 8 mA

174

8.2.S.3. Mạch mắc cục của chung (GC)Mạch hình 8.44 chọn cực G chung cho lô"i

vào v à lốì ra nên được gọi là cách mắc GC. Mạch GC có điện trở vào tưong đối nhỏ và điện trở ra tương đôl lớn. Nhìn chung mạch không có nhiều ưu điểm đáng kể và lại hạn chế các ư u thế của MOS nên ít đ ư ợ c dùng.

s 0

©

Hình 8.44. Mạch mắc GC.

8.3. MOSFET có HAI cực CỬA

Một dạng đặc biệt của MOSFET là loại có hai cực cửa (hình 8.45). MOS loại này có cấu tạo gồm 2 cực cửa với một kênh dẫn loại n gồm 2 phần đặt dưối 2 lớp kim loại khác nhau làm các cực Gi và G2. Mỗi cực cửa điều khiển dòng cực máng độc lập nhau. Như vậy có thể sử dụng loại MOS có hai cực cửa dưới dạng EMOS (kênh có sau) hay loại DMOS (kênh có trước). Xét ở chế độ DMOS kênh n, dạng đặc tuyến và các tham sô" được cho với 1 cực cửa tương tự như đã xét. Hình 8.46 cho ký hiệu quy ước của loại MOS 2 cực cửa. Loại MOS 2 cực cửa đ ư ợ c dùng trong các mạch trộn tần, mạch nhân hoặc một sô"ứng dụng khác.

s Q] G2 D<»ov ‘LIV ‘L2V?

Hinh 8.45. cấu tạo MOs hai cực cửa.

DMOSn DM OS.

EM OSn EMOSp

Hình 8.46. Kỷ hiệu MOS hai cực cửa.

8.4. TRANSITO 1 CHUYỂN TIẾP PN (UJT)

Cấu tạo transito 1 tiếp xúc pn đưỢc thể hiện trên hình 8.47. Trên một thỏi bán dẫn tinh thể loại n pha tạp yê’u (điện trở lớn) lấy 2 điện cực ra'là bazơ 1 (Bị) và bazơ 2 (B2) và cấy lên một vùng bán dẫn loại p pha tạp cao tạo diện cực emito (E). Vì có cấu tạo như trên UJT còn được gọi là diot hai cực bazơ. Khi cung cấp hai điện áp tới UJT: Ub2bi dương khoảng lOV đến 20V; U ebi khoảng vài V (hình 8.48). Mô hình tương đương cấu tạo của UJT cho trên hình 8.49. Cố’ định ƯB2B1 và tăng

175

dần giá trị của Ư E 1 3 1 từ ov đến vài V sẽ nhận đưỢc đặc tuyến Ie - Ư K 1 3 ]

dạng hình 8.50 của UJT. Có thể giải thích đặc tuyến như sau;Dưới tác động của U[52B1 điện thế tại điểm Q (hình 8.49) là:

u,U q =

B.B,

được gọi là hệ sô" chia của UJT (có giá trị khoảng 0,3 đến 0,9 tuỳ cấu tạo của UJT).

r r ^

p\\

-----\ ------

e ------;

Đế

QBÌ

Ký hiệu

>02

bí ■■y|Q i p1

3V

Hình 8.47. cấu tạo UJT kênh N và ký hiệu.

Hình 8.48. Giải thích hoạt động của UJT.

ov■ 82 B I----

E<?h

lOV82

t

Rbi Rb2

Hình 8.49. Mạch thay thế của UJT.

Nếu r| = 0,3; =10V thì Ucị = 3V. Nghĩa là khi u,: còn thấp

hơn U q + U b = U z (Ud là điện áp ngưỡng mở diot ví dụ Un = 0,7V) diot không dẫn điện, UJT ở trạng thái dòng thấp khi Uq+ ƯD = Ug + 0,7V < Uy,. Giá trị U z gọi là điện áp mồi của UJT.

Uz — Uq + 0,7V — t|U[52b i 0,7V

Khi Ue > Uy , diot dẫn điện, các lỗ trông phun từ miền bán dẫn p (cực E) vào vùng đê và hướng vê B, làm Rui giảm, quan hệ R|J2 , Rm hay hệ sô"

chia r| thay đổi theo hướng giảm làm diot dẫn điện mạnh hơn và theo đó R |Ị 1

176

càng giảm... Trên đặc tuyến xuất hiện 1 vùng “(ỉiộn trở phân âm” từ H(p) tói T(v) trên đồ thị hình 8.50. Hình 8.51 chỉ ra họ đặc tuyến Iu - U|.;ni ứĩig với các giá trị khác nhau của Ư|i9[,i> U7, càng thấp khi U,ị2Bi (hay U q ) càng thấp.

Trên đặc tuyến hình 8.50, cần chú ý cặp tham số dòng điện và điện áp tại điểm mồi H(p) là Ư2, I|.;ii và tại điểm tắt T(v) là Ut, Ĩ e t phân ra ranh giới Hình 8.50. Đặc tuyến Von Ampe của UJT.

giữa vùng khoá và vùng dẫn của ƯJT cách nhau bởi 1 vùng đệm có điện trở vi phân “âm” có tính không ổn định (đột biến).

Hình 8.51. Họ đặc tuyến của UJT vối các giá trị U b 2 b i khác nhau.

Ngoài ra cần chú ý dòng giới hạn ĨK.nnx (có giá trị từ 2 tới 2,5 lần Ict) ứng vối ta nhận được U eiị, bão hoà.

UJT đưỢc sử dụng trong mạch tự dao động tạo xung răng cưa hoặc xung nhọn đặc biệt thuận lợi.

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

1 . Giải thích cấu tạo và sự hình thành lớp chắn trong JFET kênh n?2. Tại sao lốp chắn lại là vùng cấm với các điện tử dẫn trên kênh dẫn?3. Giải thích phương thức điều khiển điện trở kênh dẫn (hay thiết

diện của kênh dẫn) trong hoạt động của JFET?

12-LK ĐIỆN TỬ177

4.

5 .

6.

Hãy vẽ và giải thích ý nghĩa đặc tuyến Iq - U [)s của JFETi?

Ý nghĩa của tham số s của JFET?Giải thích hoạt động của mạch hình 8.52.

12VhIkíl

. J l^ _ ^ .......---- ---------- 0

•22nF'lOnF

J‘i Rgli íư i

U2

6-2V

Hinh 8.52. Mạch mắc JFET kiểu sc.

7.' Mô tả cấu tạo của EMOSPET kênh n.8 . Cấu tạo kênh dẫn điện trong EMOSPET kênh p được hhh thành

như thế nào?9. Phân biệt hai loại EMOSFET và DMOSFET.10. Hãy vẽ và mô tả đặc tuyến Id - Ucscủa DMOS kênh n.11. MOSFET tại sao lại đặc biệt nhạy cảm (dễ bị đánh thủnf) với việc

nạp tĩnh điện?12 . Biện pháp bảo vệ chống đánh thủng tĩnh điện cho MOS?13. Mạch điện hình 8.53 hoạt động như thế nào?

9ưb-12 V

Rr

1 ^ 0II '1

Rg Í

Hình 8.53. Mạch mắc DMOS .

178

14. Hãy nêu 3 kiểu mắc MOSFET.15. Mô tả cấu tạo và hoạt động của MOS có 2 cực cửa kênh p.16. UJT hoạt động như thế nào?17. Giải thích ý nghĩa tham sô" Ptot của MOSFET.18. Cách xác định điện trở ra vi phân rns của MOSFET tại 1 điểm làm

việc A?19. Nêu ý nghĩa của các chữ cái trong cụm từ MOSFET và IGFET?

20. Ý nghĩa của tham sô" s của một transito MOS?21. Hãy nêu đặc điểm cấu tạo của UJT? Định nghĩa hệ sô" chia T| của UJT?22. Vẽ đặc tuyến Ie-U(.;ri UJT và chỉ ra các tham số quan trọng tại hai

điểm H(P) và T(V) trên đặc tuyến. Nêu ý nghĩa của các tham số này.23. Giải thích hoạt động của mạch điện hình 8.54 và vẽ dạng điện áp

biến thiên theo thời gian tại các điểm E và Q của mạch. Khi cho Ri tăng hay giảm thì dạng điện áp đã vẽ có gì thay đổi?

t

+ Ư0 -- 0 o-

■ Q

Hình 8.54. Mạch tự dao động tạo xung tam giác Ue và xung hàm mũ ƯQ dùng UJT.

179

Chương 9

CÁC t16CH VI ĐIỆN Tử (IC)

9.1. KHẢI NIỆM CHUNGTrên 1 phiến bán dẫn

đơn tinh thể có đường kính cỡ lOcm có khả năng cấy đưỢc 10 đến 6.10® các nhóm transito sau khi đã chia nhỏ phiến bán dẫn thành từng modun (chip) riêng lẻ. Tuy nhiên chi phí lao động và do đó giá thành cho việc hoàn thiện rất cao. Thực hiện chế Lạo tất cả các linh kiện transito, diot, điện trở đồngloạt theo một quy trình công nghệ xác định đã được chuẩn hoá, đồng thời thực hiện ngay các liên kết giữa các linh kiện này để tạo ra một hay nhiều mạch điện có chức năng xử lý gia công tín hiệu và được đóng gói trong 1 vỏ duy nhất sẽ mang lại ý nghĩa kinh tế kỹ thuật to lớn, đặc biệt là giá thành hạ và độ tin cậy cao. Một mạch điện được chế tạo như vậy được gọi là một mạch vi điện tử (Integrated C ircuit: IC). Hình 9.1 và 9.2 chỉ ra một IC đơn giản gồm 1 bộ khuếch đại tần thấp có 3 tầng khuếch đại với lôì vào giữa 2 chân 1-4, lổi ra 3-4 và cấp nguồn 2-4; IC đã xét được ký hiệu như hình 9.3.

<?2

Hình 9.1. Bộ khuếch đai tầng thã'p 3 tầng dùng transito.

lo-

ữo3

Hình 9.2. Mạch tích hợp bộ khuếch đại 3 tầng.

Hình 9.3. Ký hiệu mạch vi điện tử thuật toán (OPV).

180

9.2. KỸ THUẬT TÍCH HỢP CÁC LINH KIỆN

9.2.1. Kỹ thuật đơn khối

Kỹ thuật đơn khôi lẻi công nghệ hiện đại chế tạo IC. Toàn bộ mạch điện đưỢc chè lạo trên 1 khen đơn tinh thể Silic duy nhất. Nhiều IC đưỢc ch ế tạo đồng loạt trên phiến đđn tính sau khi đã chia nhỏ th àn h từ ng đơn khôi có kích thưốc vài mm'“.

Trên 1 đê bán dẫn loại p, dùng phương pháp nuôi cấy hoá học (gọi là phương pháp Epitaxi) tạo lên một lốp bán dẫn loại n. Sau đó thực hiện phủ lên bề mặt 1 lớp cách điện s ,02 nhò phương pháp thổi hơi nước HaO (phương pháp ướt) hay khí oxy 0^ (phương pháp khô) trên bề mặt lớp n vừa tạo ra trong môi trường nhiệt độ cao của 1 lò khuếch tán (1100 'C đến 1200''C). Sau vài giò sẽ có lớp S1O2 mỏng cỡ vài i-tm. Tiếp sau đó dùng phương pháp quang khắc tạo các cửa sổ (hình 9.4) nhò sử dụng mặt nạ có hình dạng xác định.

Phủ SiO, Tạo cửa sổ

Lớp Epitaxi --------V--------

Đế n ^ n

p p

Hình 9.4. Chế tạo OPV, các bước thực hiện.

Một lớp bán dẫn ỉoại p được khuếch tán qua cửa sổ (hình 9.5) sau đó lớp S1O2 đưỢc khép kín (hình 9.6). Việc lạo cửa sổ tiếp theo (hình 9.7) đã tạo ra các vùng "bán đảo" dẫn điện loại n, các bán đảo này cách ly nhau nhờ một tiếp xúc p-n.

Hình 9.5.

________ /SiỌa

p

Các bán đảo dẫn điện loại n

Hình 9.6. Sau khi khuếch tán vùng p phủ láp SiOj đóng lại.

Hình 9.7. Tạo lại cửa sổ trên lỏp SìO ị mới.

Mỗi bán đảo vừa hình thành sẽ được dùng để chế tạo một linh kiện.

Tại mỗi bán đảo sẽ xuất hiện ví dụ 1 transito npn sau khi hoàn thành việc chế tạo (hình 9.8), tức là sau khi lần thứ 3 tạo cửa sổ hẹp clio khuêch tán tạp chất, loại p V(3i nồng độ vừa phải và tiếp tục tạo cửa sổ, khuôch tán một ló'p tạp chất loại n lên trên lớp vừa tạo ra (hình 9.9).

181

Chú ý lốp tạp chất n cuối cùng nằm trên cùng, hình khối nhỏ nhất và có độ dẫn điện cao nhất (nồng độ tạp chất cao - điện trở thấp nhâ;). Lần thứ 5 thực hiện phủ lớp SÌO2 sau đó tạo các cửa sổ đưa ra 3 cực tưíng ứng B, E, c như trên hình 9.10. Diot bán dẫn được chế tạo theo cùig một quy trình vừa mô tả nhưng kết thúc sớm hơn ở giai đoạn đã có lổp bán dẫn loại p (hình 9.11). Điện trở (khuếch tán) cũng đưỢc chế tạo theí cùng một phương pháp công nghệ như trên, giá trị điện trỏ do nồng độ típ chất loại p quyết định (sẽ lớn khi nồng độ tạp chất thấp) như thể hiệr trên hình 9.12. Tụ điện trong IC cũng được chế tạo theo cách tạo tiếp XT.C pn và sử dụng điện dung của vùng pn khi phân cực ngưỢc (hình 9.13). Tất nhiên là các điện dung loại này có giá trị tương đối nhỏ. Hình 9.14 mô tả cấu trúc của một DMOSFET kênh p đưỢc chế tạo theo cùng quy trình công nghệ đã mô tả. Hình 9.15 là cấu tạo của một DMOSFET kênhn.

1

'M'

1

l ịpn

p

11«ỉtlllịlItltlHJ n \

Hlnh 9.8. Khuếch tán lớp p vào các đảo n đã có qua cửa sổ.

Hình 9.9. Tạo vùng n trong vùng p của một bán đảo.

B E

\ l f ILvùng emitơ

Vùng bazơ Vùng colectơ

Hình 9.10. Tạo cửa sổ cho các cực E, B và c .

Hình 9.11, Đảotinh thể cho diot.

i

J r'* Vp

s G D

Hình 9,12. Đảo tinh thể cho điện trỏ.

s G D

________________ !_____________________ __________ __________

Hình 9.13. Đảo tinh Hình 9.14. Đảo tinh thể Hình 9.15. Đảo tinh thểthể cho tụ điện. cho DMOSp. cho DMOSn-

Công nghệ đơn khối không chế tạo đưỢc các tụ có điện dưng lớn và^ 1 ^các cuộn'dây.

182

Công đoạn tiếp sau là việc nôi liên kê"t giữa các “bán đảo” linh kiện riêng lẻ đã chế tạo thành 1 mạch hay nhiều mạch vối các chức năng khác nhau theo 1 dự tính (thiết kể) đã có trưóc. Các đoạn nôl mạch thưòng là các dây bán dẫn có điện trở rất thấp hay dây kim loại có dạng màng nhờ phương pháp bô"c bay kim loại.

Quá trình phát triển công nghệ IC luôn hướng tối mục tiêu thu gọn kích thước các linh kiện riêng lẻ (kích thước các bán đảo) và nâng cao m ật độ tích hỢp các linh k iện và do đó làm giảm kích thước và giảm chi phí sản xuất.

BẢNG SAU CHO s ố LIỆU ĐỘ LỚN DIỆN TÍCH CÁC LINH KIỆNCHiỂm CHỖ TRÊN CHÍP

Linh kiện Diện tích tối thiểu của bán đảoTransito BJT 0,01mm^Transito MOS 0,002mm^Điện trở 100Q 0,015mm^

Điện trd 10kQ 0,2mm^

IC đơn phiến thường có cấu hình vỏ dạng hình 9.16 hay hình 9.17.o

k

u 13 12 I I 10 9 e

1 2 3 í s 6 7

1

Hình 9.16. Cấu hình vỏ hai hàng chân của IC.

183

Hình 9.17. IC loại vỏ tròn.

9.2.2. Kỹ thuật lai

Kỹ thuật lai gồm hai công nghệ cơ bản: công nghệ màng mỏng và công nghệ lớp.

9.2.2.1. Công nghệ màng mỏngCông aghệ màng mỏng có nguồn gốc từ công nghệ màng dẫn khi

tiến hành thu gọn dần kích thưốc mạch điện tử. Các m ạch điện đưỢc kết cấu trên một phiến gô"m có kích thước cõ từ 20mm đến 30mm. Các đường dẫn bằng kim loại được làm trong chân không theo phương pháp bô"c bay và thưòng dùng vàng hay bạc. Các điện trỏ cũng được chế tạo theo phương pháp này: bề dài, chiều rộng, độ dầy và vật liệu làm lớp quyết định giá trị của điện trở. Việc tạo ra giá trị phù hỢp vổi yêu cầu được thực hiện nhờ tia laze cắt hay đô"t sau khi đã tạo lớp. Tụ điện giá trị điện dung nhỏ hay vừa được tạo ra trên mặt phiến gô"m theo đường dẫn hình xoắn ô’c (hình 9.18) và như vậy chúng chiếm khá nhiều diện tích. Hình 9.19 cho hình ảnh của một modun đưỢc chê tạo hoàn thiện theo công nghệ m àng m ỏng với lớp vỏ ngoài dày được bảo vệ bỏi hỢp chất nhân tao.

Hình 9.18. Cuộn dây phẳng đưỢc chế tạo trên mặt phẳng của phiến gốm. Hình 9.19. Modun màng mỏng.

9.2.2.2. Công nghệ lớp dẩyCông nghệ này thường sử dụng đế là tấm nhôm có lốp oxyt nhôm

hay các tấm gôm có kích thước khác nhau.Dây dẫn là các đường được tạo ra theo phương pháp mài nhẫn từ

184

loại bột nhão có tính dẫn điện tô t ban đầu sau khi được thiêu kết về thể rắn (hình 9.20). Điện trỏ được tạo ra cũng theo phương pháp này với loại bột nhão có độ dẫn khác nhau. Kích thưốc khối và loại vật liệu quyết định giá trị của điện trở và hiệu chỉnh giá trị nhờ mài bằng các tia cát. Tụ có điện dung nhỏ được tạo ra từ nhiều lớp kim loại hay vật liệu dẫn điện tô"t đưỢc ngăn cách nhờ các lớp cách điện được sản xuâ't đồng thời. Công nghệ lớp dầy không chế tạo được các cuộn dây. Diot, transito và các cấu kiện bán dẫn điện khác được đưa vào như 1 chip tinh thể được chế tạo đơn khốỉ đã thực hiện và được ghép nốí trực tiếp vào mạch, trên các đường bột nhão dẫn điện, để gắn kết chặt cũng theo phướng pháp thiêu kết.

Hình 9.20 cho hình ảnh một mạch cấu tạo theo công nghệ lai. Công nghệ lai là sự phôi hỢp hai loại công nghệ màng dẫn và công nghệ bán dẫn để chế tạo vi điện tử.

Hình 9.20.

9.3. VI ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI ĐIỆN TỬ TƯƠNG Tự

9.3.1. ÍC số

Mạch điện chỉ có hai trạng thái điện áp ở lôl vào và lốì ra là có (giá trị 1) hay không có điện áp (giá trị 0) đưỢc định nghĩa là mạch số. Kỹ thuật sô là lĩnh vực bao gồm các mạch số sử dụng trong kỹ thuật tính toán, kỹ thuật điều chỉnh hay kỹ thuật đo lường số. Một IC số có thể chứa 10.000 mạch sô" cùng một chức năng, thưòng được chế tạo theo công nghệ đơn khôi và được chia thành 2 nhóm; công nghệ lưỡng cực và

185

công nghệ MOS. Công nghệ MOS cho phép tập trung linh kiện ở mức độ cao. Các chip được chế tạo đơn giản hơn, cần khoảng 40 công đoạn chế tạo so với 140 công đoạn khi dùng công nghệ lưỡng cực.

IC MOS có điện trỏ cao do đó nó chỉ cần một công suất hoạt động cỡ 10% so vối IC lưõng cực cùng chức năng.

IC lưõng cực cho ra công suất lốn, điện trở vào và điện trở ra nhỏ và có khả năng làm việc ở tần số cao hơn so với IC MOS.

Có thể chia IC sô" trong công nghệ đơn khối theo mô hình sau:

• Công nghệ DTL đưỢc xây dựng trên cấu t r ú c diot - transito - logic. Loại này đặc biệt nhạy cảm vối các loại nhiễu.

• Công nghệ TTL (transito - transito - logic) cho phép dòng vào và dòng ra lớn, vê cơ bản không bị nóng khi làm việc.

• Công nghệ ECL (logic ghép emitơ-emitơ coupled logic) ở đây các emitơ của các transito (BJT) ghép vối nhau và có điện trở emitơ chống bão hoà, IC được câ'u tạo từ các đảo transito và đảo điện trỏ kết hỢp lại có tổc độ hoạt động cao do thòi gian chuyển mạch nhỏ.

9.3.2.1C tương tự

Khi IC được chế tạo để làm việc vối các tín hiệu vào biến thiên liên tục theo thời gian (gọi là tín hiệu tương tự) ta có nhóm IC tương tự (IC anolog). IC tường tự giải quyết các nhiệm vụ gia công xử lý tín hiệu tướng tự như khuếch đại, tạo sóng, trộn tín hiệu, lọc tín hiệu.

Các cuộn dây và tụ điện lớn có thể được tạo ra nhò kỹ thuật ghép

186

nôl mạch theo tính chất Lạo thành mạch tương đương từ nhiều transito và điện trở theo nguyên tắc;

Một mạch điện sẽ tương đương như 1 cuộn dây khi nó tạo ra điện áp nhanh pha hơn dòng điện 1 góc xấp xỉ 90°.

H ay

Một mạch điện sẽ tương đương như 1 tụ điện khi nó tạo ra 1 dòng điệnnhanh pha hơn điện áp 1 góc xấp xỉ 90°.

IC tương tự được dùng rộng khắp trong nh iều lĩnh vực với giá th àn h chi phí ngày càng giảm và chất lượng ngày càng đưỢc nâng cao có nhiều hứa hẹn cùng với IC sô phát triển rất m ạnh ỏ hiện tại và trong tương lai gần.

9.4. MỨC ĐỘ TÍCH HỢP VÀ MẬT ĐỘ ĐÓNG GÓI

* Mật độ đóng gói cho xác định có bao nhiêu linh kiện hay có chứcnăng là linh kiện trên một diện tích chíp là Imm^. Ví dụ trong côngnghệ lưõng cực thưòng khoảng 200 phần tử trên Im m “, công nghệMOS có 10' đến 10' phần tử trên linm".

* Mức độ tích hỢp là sô" lưỢng các phần tử chức năng tính trên 1 chíp. Hiện tại, mức độ tích hỢp với loại IC MOS là 4.10'* transito MOS được chế tạo trên 1 chíp. Theo mức độ tích hỢp có thể phán loại IC như sau:

IC SSI tích hỢp cỡ nhỏ (vài trăm phần tử chức năng).IC MSI tích hỢp cỡ vừa (cỡ 10 phần tử chức năng).IC LSI tích hợp cỡ lớn (khoảng 10 đến Õ.IO“* phần tử chức năng).IC VLSI mật độ tích hỢp cõ cực lớn (50.000 đến 80.000 phần tử

chức năng đưỢc chế tạo trên 1 con chíp).

9.5. CÁC ƯU NHƯỢC ĐIỂm c ủ a IC

Các ưu điểm cơ bản của linh kiện vi điện tử: Các quá trình công nghệ ch ế tạo IC ngày càng hoàn thiện và tốĩ ưu, giá th àn h IC ngày càng thấp. Việc sử dụng IC đdn giản m ang lại k ết cấu gọn nhẹ dễ dàng lắp ráp và thay th ế với số lượng lớn. Chi phí n ăng lượng cho 1 chíp thấp; có thể phôi kết hỢp để xử lý nhiều chức năng, đa nh iệm vụ; hoạt động với độ tin cậy cao và dải tần được mở rộng.

Các nhược điểm gặp phải là việc tìm hiểu và làm chủ kỹ thuật cho việc sử dụng IC đòi hỏi kỹ thuật viên phải được đào tạo lại hoặc đào tạo nâng cao. Đ iều nàv đặc b iệt khó khăn khi gặp các loại IC LSI hay IC

187

VLSI. Việc nôi lắp các IC với vài chục, hay vài trăm chân là kỹ thuật đòi hỏi công nghệ đặc biệt cao. Để đo lường kiểm tra chức năng IC cũng đòi hỏi kỹ thuật cao và các thiết bị chuyên dụng có giá thành cao.

9.6. 1C KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OPV)

9.6.1. Mở đầu

OPV là dạng bộ khuếch đại 1 chiều chất lượng cao được sử dụng đa năng khá rộng rãi và phổ biến trong kỹ thuật mạch analog, đặc biột trong các phép tính analog. Ban đầu OPV có giá thành khá cao vì đòi hỏi chất lượng cao. Do công nghệ tiến bộ nhanh giá thành IC nói chung và OPV nói riêng giảm nhanh. OPV lúc đầu được chế tạo theo công nghệ lai, sau này chủ yếu là công nghệ đơn khối.

9.6.2. Cấu tạo nguyên lý hoạt động

OPV còn có tên gọi bộ là khuếch đại vi sai do cấu tạo có nguồn gcc từ một mạch khuếch đại vi sai, thực chất là hai mạch khuếch đại có chung một lôl ra (hình 9.21). Mỗi mạch khuếch đại có mộL lôi vào riêng. Chỉ hiệu sô" điện áp giữa hai lối vào được mạch khuếch đại nên được gọi là mạch khuếch đại vi sai. Ký hiệu quy ước OPV cho trên hình 9.22 và 9.23. Hai đầu vào của OPV ký hiệu trên hình 9.24 vối đầu vào p (đánh dấu +) thể hiện tính chất không đảo pha tín hiệu ( Ư A cùng dấu Up) và đầu vào N (đánh dấu -) thể hiện tính chất có đảo pha tín hiệu (Ua ngược dấu Un), Hình 9.25 mô tả trưòng hỢp hoạt động của OPV khi dùng lối vào N và dạng điện áp Un Ua tương ứng tại lốì vào và lối ra.

188

Hỉnh 9.22. Ký hiệu quy ước của OPV.

Đầu vào p

Hình 9.24. OPV vói các điện áp và các cực của nó.

Hình 9.23. Ký hiệu OPV

Hình 9.25. Đổ thị và theo t.

Trong khi lối vào p khuếch đại tín hiệu, không làm đảo pha tín hiệu thì lối vào N khuếch đại nhưng làm đảo pha (đổi dấu) tín hiệu.

1(9>180°)

Hình 9.26. Các khả năng dùng lối vào của OPV.

Thưòng OPV đưỢc cấp nguồn 1 chiều đôí xứng (ví dụ ± 15V hay ±12V...) có thể sử dụng cả hai lối vào p và N của OPV hay chỉ dùng 1 trong chúng, khi đó lốì vào còn lại không dùng được nốì với 1 điện áp cô" định (thường là OV) như thể hiện ở hình 9.26 (gọi là dùng lốì vào không đối xứng) hoặc hình 9.27 (dùng lôi vào vi sai). Khi dùng lôl vào kiểu vi sai có:

Hỉnh 9.27. OPV dùng cả hai lối vào (vào vi sai).

189

u „ = V (Up - U h)

PN

UpN = U p- Un là điện áp vi saiV là hệ sô" khuếch đại của OPV Ua là điện áp tại lốì ra

Nếu chọn Un = 0

OPV chỉ khuếch đại điện áp Up (hình 9.28)

Khi đó

Khi chọn Up = 0

(dấu trừ ở đây thể hiện tính chất đảo pha của cách dùng lô"i vào N)

Hình 9.28. Khuếch đại không đảo pha khi = 0.

Hình 9.29. Khuếch đại có đảo pha khi Up = 0.

9.6.3. OPV lý tưởng

OPV lý tưởng là dạng OPV không thể có đưỢc khi sản xuất mà chỉ là IC có các thông số nhà sản xuất muốn đạt tối. Tức là tiêu chuẩn mẫu để đánh giá chất lượng một IC thực.

Các yêu cầu lý tưởng của một OPV là;• Có hệ số khuếch đại V vô cùng lớn Y = oc• Có điện trỏ vào Re = oc (hay dòng vào In = Ip = 0)• Có điện trở ra R„ = 0

190

• Dải tần số’ làm việc í'„„„ = 0 = oc

• Điện áp vi sai là vô cùng bé UpN = U|. - Uk = 0• Hệ sô" truyền đạt đồng pha Vjf„ = 0Từ chối không khuếch đại thành phần diện áp đồng pha Up = Un

(về biên độ và pha đều như nhau gọi là các điện áp đồng pha).

• Hệ sô" nén đồng pha G = cc (đưỢc định nghĩa là tỷ sô" V và Vđfa).

• Điện áp tạp âm là vô cùng bé u pâm = 0

9.6.4. OPV thực tế

So với tham số lý tưởng, OPV thực có các giá trị càng gần vói lý tưởng thì có chất lượng càng cao và chế tạo càng công phu khó khăn và do đó giá thành càng cao.

Một số các tham sô" của IC OPV thực tế điển hình (thuộc nhóm chất lượng cao).

• Hệ sô" khuếch đại V = 10®

• Re = IkQ tới lO'^Mß

• R = lOQ

• Van. = 0.2 G = 5.10'

• UtạpAn, « 3 |lV

9.6.5. ứng dụng OPV

Hình 9.30 là một bộ khuếch đại đường tiếng dùng OPV có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại và bù tần số’. Hình 9.31 là một bộ khuếch đại trừ dùng OPV, với tín hiệu ra ưa = kiU, - kgUa hệ sô' ki kg phụ thuộc vào tỷ sô' giữa các điện trở nôi tới lối vào p và tỷ số giữa các điện trở nối tói lốì vào N tương ứng. Hình 9.32 là một bộ khuếch đại đảo pha dùng

OPV, u„ ngưỢc pha vói Ug và hệ số’ V = . Hệ sô" V có được nhò viếtR2

191

phương trình các dòng điện tại nút N với giả thiết In = Ip = 0. Khi đó

U s - U n U n - U h

Ro R.I r 2 = I r i hay

Hình 9.30. Ví dụ bộ khuếch đại âm thanh có điều chỉnh tần số (âm sắc).

ở hình 9.31 và 9.32:

Rov =

Với OPV lý tưởng Un = ưp = 0 (do p nối tới ov nên Up = 0)

u , u.. u,, R,T ừ đ ó - ^ = —^ hay v=- “ - '

R2 R. u . R,

192

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1. Hãy mô tả công nghệ đơn khôi để chế tạo IC?2. Loại vỏ IC kiểu hai rãnh là gì?3. IC theo công nghệ lốp dầy đưỢc chế tạo như thế nào?4. Công nghệ chô" tạo IC lai có đặc điểm gì?5. Phân loại 2 nhóm IC tuyến tính và IC sô?6. Phân biệt IC theo công nghệ lưỡng cực và IC theo công nghệ MOS

vê đặc điểm cấu tạo?7. Mức độ tính hỢp và nhiệt độ đóng gói khác gì nhau?8. Việc xây dựng OPV có đặc điểm gì? Hãy vẽ ký hiệu thông thường

của OPV?9. OPV lý tưởng có các tính chất và các tham số như thế nào?10. Hãy vẽ một mạch khuếch đại không đảo pha dùng OPV cho tín

hiêu âm thanh có điều chỉnh âm sắc.

19313-LKĐIỆN TỬ

ỹA

pn

pn

THYRISTOR

10.1. DIOT 4 LỚP (THYRISTOR DỈOT)

10.1.1. Câu tạo và hoạt động

Diot 4 lốp là linh kiện bán dẫn đơn tinh thể Si vói 4 vùng bán dẫn tạp chất loại n và p xen kẽ nhau (hình 10.1). Diot 4 lớp có tên gọi khác là thyristor diot hay trigờ diot gồm 2 điện cực là anot (nỐl tới vùng p đầu tiên) và katot (nốì tói vùng n cuối cùng). Như vậy diot 4 lớp có 3 chuyển tiêp pn mỗi chuyển tiếp được mô tả coi là một diot ký hiệu là Dj, Du và Diii (hình 10.2), Nếu đặt điện áp ngoài phân cực sao cho anot âm hơn katot (hình 10.3) Di và Dji bị khoá mặc dù D]1 dẫn dòng điện qua diot chỉ là dòng ngược nhỏ. Khi đảo chiều phân cực U a k > 0 D ị và D||| được mỏ nhưng Dii khoá (hình 10.4) nên dòng chung là dòng ngược của Du nhỏ. Tăng dần Uak theo chiều dương, đến 1 giá trị điện áp ngưỡng nhất định (ký hiệu là Us), diot đột ngột chuyển sang dẫn điện với điện trở thấp đang từ trị sô” MQ trước khi Uak đạt tới Us giảm chỉ còn vài Q sau khi Uak đạt tới Ug.

Diot 4 lớp là linh kiện có đặc tính chuyển mạch. Chúng có hai trạng thải rõ rệt là 1 trạng thái điện trỏ cao và một trạng thái điện trở thấp.

Chưđng10

iK

Hình 10.1. D iot4 lớp.

?A ?A

K

-D , Di-D „ Dii— Om Dni

Hình 10.2. Cấu tạo mô phỏng của diot 4 lớp.

pn

p» ♦ • ♦ n

«

• AK

Hình 10.3. Phân cực ngược cho dỉot 4 lớp.

D i

Dii

0 | I I

Aọ-

p

n

pn

AK

Hình 10.4. Phân cực thuận cho dỉot 4 lớp.

Ký hiệu quy ưốc diot 4 lóp được cho trên hình 10.5 và đặc tuyến Von Ampe của diot được cho trên hình 10.6.

194

5?Đặc tuyến Von Ampe của diot 4 lớp trên

hình 10.6 có thể chia nhỏ thành 4 vùng khácnhau: vùng chắn ngược - vùng chắn thuận - 5 J ý I ịệy ^¿3vùng quá độ - vùng dẫn điện thuận. dìot 4 lớp.

Trong vùng chắn ngược, dòng có chiều đi từ K tôi A và nhỏ cho tới giá trị ƯRab thì diot bị phá huỷ do đánh thủng.

ở vùng chắn thuận, dòng nhỏ do diot cổ điện trở cao khi điện áp Ư,\K Us, cho tới ngưỡng U, K = ưs thì diot lật sang vùng có điện trở thấp với dòng điện hưóng từ A tới K có giá trị lớn được gọi là vùng dẫn điện.

Đặc tuyến I - u hình 10.6 nhận được nhò mạch đo hình 10.7. Nếu điện trở của diot lúc dẫn điện rất nhỏ, phần chủ yếu của điện áp đặt vào u đã rơi trên điện trở Ry. Điện áp trên diot giảm xuông còn giá trị ƯH được gọi là điện áp duy trì, tương ứng lúc đó có dòng duy trì I||. N ếu giảm giá trị dòng hay áp trên diot tới giá trị Uh hay Ih diot lật về trạng thái điện trở cao. Trong vùng dẫn điện, diot 4 lớp có điện trỏ rất thấp nên điện áp trên diot rất nhỏ và tăng khi dòng tăng, cần hạn chế dòng điện này nhò việc dùng thêm điện trỏ mạch ngoài nổi tiếp với diot.

/ < 7 3 = "Vùng chân ngược

'Vùng dẫn

Vùng quá độ

I1

<I>Rv

u (u

UhVùng chắn thuận

I5 2 U a k 0

Hình 10.6. Đặc tuyên Von Ampe của diot 4 lớp.

Hình 10.7. Mạch đo đặc tuyến Von Ampe của diot 4 lổp.

Trong mạch sử dụng diot 4 lởp cần có 1 điện trở R đủ lớn mắc nối tiếp vôi diot để hạn chế dòng điện lúc ơiot dẫn điện để tránh cho dìot không bị phá huỷ về ơòng.

Để giải thích nguyên nhân có đoạn lật trạng thái đột biến của diot có thể sử dụng mô hình cấu tạo hình 10.8 và mạch điện tương đưdng hình 10.9. Tuy nhiên ngắn gọn có thể hiểu là U a k = U s > 0 diot D u bị đánh thủng Zener làm toàn bộ hệ thông 3 diot đều dẫn điện theo chiều từ A tôi K. Mô hình (10.9) thể hiện diot 4 lớp có cấu tạo gồm hai

195

transito Tj loại pnp nối vối T2 loại npn. Trong mô hình này, bazơ của Tj nôl liền với colectơ của T2 và colectơ của Tj nốì với bazơ của T2, nghĩa làIin “ Ic2 và I|32 — Ici-

p

n

pn

<•K

?A ỹA

<¿K

Hình 10.8. Mô tả diot 4 lớp có cấu tạo gồm 2 transito.

Hình 10.9. Mạch tưđng đương của diot 4 lớp dùng 2 transito.

Tại lân cận Us dòng điện khoá của T2 đủ lớn để điều khiển Ti làm dòng khoá Tị tăng và dòng này quay lại điều khiển T2 tăng nữa.,, quá trình có tính chất thúc đẩy Ti và Tọ tới trạng thái cùng dẫn điện và điện trở của hệ chuyển về trạng thái thấp.

10.1.2. Tham số định mức và tham số giới hạn

Các tham sô" định mức của diot 4 lớp gồm:• Điện áp chuyển mạch Us với dung sai ±10%.• Dòng điện duy trì Ii( và điện áp duy trì U h.• Dòng điện nôi mạch Is-• Dòng điện khoá lii cho với 1 điện áp khoá nhất định.• Điện trở vi phân ở trạng thái dẫn ở 1 điểm làm việc xác định ở

vùng dãn (hình 10.10).

• Thời gian nôi mạch từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái điện trở thấp.

• Thời gian ngắt mạchtừ trạng thái điện trở thấp vể lại trạng thái điện trở cao. Hình 11.10. Xác định điện trờ vi phân của

diot 4 lóp đang dẫn tíìuận.

196

Lot-

U m a x *

• Rthir điện trở nhiệt giữa lớp chắn - môi trưòng thế hiện độ dẫn nhiệt khi làm mát.

Các giá trị điển hình thường gặp của các tham số định mức trên là: Us « 50V ± 4VI|I « 14 đến 45mA Uu « 0,8V Is ~ 125|iAIg « 15|.iA « 0,2)aS

« 2Q « 5|aSCác tham sô" giới hạn của diot 4 lớp gồm có:• Dòng cho phép lớn nhất Ip.• Dòng xung cho phép lổn nhất Ifm-• Công suất cho phép lớn nhất• Nhiệt độ môi trưòng lớn nhất

và nhiệt độ môi trường nhỏ nhất• Điện áp ngược cho phép lốn nhất ƯRmax-Các giá trị điển hình của nhóm tham sô" giới hạn;

I p « 1 5 0 m A I j ' M S5 1 0 A

P„„*150mW T,„,„=.+65°CT,„„„ = - 40«c u,, « 60V

10.1.3. ứng dụng

Diot 4 lốp được sử dụng làm khoá chuyển mạch và thường để điều khiển thyristo (xem phần 10.2). Có thể dùng diot 4 lốp trong mạch đếm và mạch tạo dao dộnịỊ xung với vai trò là phần tử khoá và thường chỉ dùng vối các mạch có công suất nhỏ.

10.2. THYRISTOR (SCR)

10.2.1. Câu tạo và hoạt động

Thyristo có cấu t.ạo gồm 4 lốp bán dẫn loại p và n xen kẽ liên tiếp nhau, phần lớn có cấu tạo cơ bản giông diot 4 lớp với hai trạng thái làm việc là trạng thái điện trở cao và trạng thái điện trỏ thấp. Như vậy thyristo là một phần tử có tính chất chuyển mạch. Khi muôVi thyristo lật từ trạng thái này sang trạng thái kia cần có tín hiệu điều khiển nó.

Thyrìsto là phần tử có tính chất chuyển mạch khi được điều khiển.

197

Hình 10.11 và 10.12 thể hiện cấu tạo của thyristo gồm 3 điện cực anot (A) katot (K) và cực điều khiển (G). Phần lớn thyristo có cực G nối ở vùng p (hình 10.11) gọi là loại điều khiển phía katot. Một số ít trường hỢp có cực G nôì ở vùng n (hình 10.12) gọi là loại điều khiển phía anot. Ký hiệu quy ước tương ứng trong các mạch điện của thyristo được cho trên hình 10.13.

?A

ỹA

0o-

n

àKHình 10.11. Câu tạo của

SCR điều khiển p (thyristo điểu khiển katot).

G—o

Ký hiệu chung loại sc R điều ỉoại SCR điềukhiển katot khiển anot

Hình 10.12. Cảu tạo của SCR điểu khiển N Hình 10.13. Ký hiệu quy ưóc của SCR. (thyristo điều khiển anot).

Do thường làm việc với dòng lớn (công suất lớn) nên vùng p được bô" trí nằm ngoài (cực anot làm vỏ) và bị nóng, đặc biệt có nhiệt độ cao, cần có vỏ gắn trực tiếp với các phiến hoặc hệ thông làm mát, vùng n phía ngoài dùng làm katot và đưỢc nốì trực tiếp với dây dẫn (hình 10.14).

Chân nối katot

Chân nối cực cửa

ọK

"Đĩa thyristo"Chân nốl anốt

Hình 10.14. Mặt cắt vỏ SCR công suât iớn.

198

Như vậy, cấu tạo của thyristo gồm 3 tiếp xúc pn hay mô tả như có 3 diot mắc nôl tiô"p xen kẽ nhau. D[ Dji và Diii khi phân cực Uak < 0, t h y r i s t o ở t r ạ n g t h á i k h o á ( h ư ớ n g ngưỢc). C ò n k h i c h o U a k*> 0 t h y r i s t o

ở hưống chuyển mạch (hướng thuận).Hình 10. lõ mô tả trạng thái phân cực ngược và hình 10.16 mô tả

trạng thái phân cực thuận của thyristo.

AỌ'

Ọo-

OiD|| -ƯAK

Dui

Hình 10.15. Phân cực ngược cho SCR.

A<?

Go-

p

n

pn

Di

0|I

Ont

Ki

Hình 10.16. Phân cực thuân cho SCR.

Khi Uak < 0 D, và Dji bị khoá Djj tuy dẫn nhưng tình hình chung SCR bị khoá tạo ra vùng chắn ngược với điện trở cao cỡ MD cho đến k h i U ak v ư ợ t q u á m ộ t g i á t r ị n g ư ỡ n g ( đ i ệ n á p n g ư ợ c t ố ì đ a c h o p h é p )

S C R b ị đ á n h t h ủ n g v ì n h i ệ t v à b ị p h á h ỏ n g .

K h i > 0 b a n đ ầ u D i v à D j j d ẫ n đ i ệ n n h ư n g b ị n g ă n b ỗ i D j j k h o á ,

S C R ở v ù n g c h ắ n t h u ậ n v ớ i t r ạ n g t h á i đ i ệ n t r ở c a o ( v à i M í ỉ ) d ò n g đ i ệ n

từ A tới K là dòng ngược của D |1 nhỏ. Tăng Uak cho tdi một giá trị gọi là điện áp mồi Uko (ngưỡng lật 0 ), SCR đột ngột lật sang trạng thái dẫn đ i ệ n v ớ i đ i ệ n t r ở t h ấ p . L ư u ý t r o n g s u ô t q u á t r ì n h n à y l u ô n g i ữ c h o

điện áp cực điều khiển Uc; = 0.

Điện áp ngưỡng lật o (điện áp mồi U kq) là giả trị điện àp tại đó SCR lật từ trạng thái điện trỏ cao sang trạng thái điện trỏ thấp theo hướng thuận trong điều kiện giữ Uq = 0.

Như vậy Uko chính là tham số Ug của diot 4 lớp.Hình 10.17 thể hiện đặc tuyến I - u của SCR khi hở mạch cực G có

dạng như của diot 4 lớp với 4 vùng phân biệt: vùng chắn ngược, vùng chắn thuận, vùng dẫn thuận và vùng quá độ.

Cần chú ý đặc tuyến I - ư phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ theo cả hai hướng ngược (hình 10.17a) và hướng thuận (hình 10.17b). Khi nhiệt độ tăng các đường I - u có xu hướng cao hơn vói cùng điện áp phân cực.

199

Như vậy dòng điện chắn tăng nhanh theo nhiệt độ (ví dụ ở 130°c đã có giá trị vài mA) và với U ak vài trăm V thì đã có một công suất tổn haò đáng kể, công suất tổn hao này tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.

Pvs = Ư,\K • Is công suất tổn hao ỏ vùng chắn ngược.PvB = U K • Ib công suất tổn hao ỏ vùng chắn thuận.

I»Vùng chắn ngược

..Vùnq dẫn

Vùng quá độ

ƠH.... —... y

uVùng chắn thuận

Uvo Uak

Hình 10.17. Đặc tuyến I của SCR.

_/J ^-2500 -2000 -1500 -1000 -600

H------1----—-t—rrt—=dt

4_LmA

50-

25

Hình 10.17a. Sự phụ thuộc nhiệt độ tại vùng chắn ngược.

-I— I— >-500 1000 1500 2000 2500 LỊ

Hình 10.17b. Sự phụ thuộc nhiệt độ tại vùng chắn thuận.

Hình 10.18 mô tả cấu tạo SCR như hai transito Tj (pnp) và T2 (npn) nôl theo cách I | J 1 = I c 2 và I c i = Ib'j (khi Ig = 0).

ọA

iK

Hình 10.18. Mô hinh tương đương SCR như 2 transito npn và pnp đâu xen nhau.

200

Ti và T, với cách mắc như vậy điều khiển lẫn nhau theo mạch vòng kín (gọi là vòng hồi tiếp dương) dẫn tới đoạn quá độ đột biến trên đồ thị I - u của SCR. Trong đoạn này điện trở của SCR có giá trị "âm" nghĩa là trong khi dòng điện tăng thì điện áp trên SCR lại giảm.

Quá trình điều khiển SCR nếu được hỗ trỢ từ một dòng điện đủ nhỏ tại cực G sẽ xẩy ra nhanh và sốm hơn với điện áp ngưõng thấp hơn Uko- Hình 8.18a

chỉ ra sự phụ thuộc của U |<0 vào n h iệt độ và khi T ’>130'’c thì Uko giảm mạnh tức là SCR lật sang trạng thái dẫn thuận sớm hơn.Xung điều khiển tác động vào cực G cần có cực tính dương so vói katot.

Ho ^V

2500 ĩ2000 1

11500 * 1

11000 1

1500

0 “

I1

— 1—ó 20 % 60 100 140 180

Hình 10.18a. Sự trôi nhiệt độ của diện áp mồi Uko-

±“C

SCR sẽ lật (theo hưởng thuận) từ trạng thái điện trở cao đến trạng thái điện trỏ thấp khi có xung điều khiển biên độ đủ lớn và độ rộng (thời gian xung) đủ dài tác động vào cực điều khiển ngay khi Uak Uno-

Hình lO.lSb chỉ ra dải điềukhiển chắc chắn (vùng đậm) tương ứng với dải nhiệt độ làm việc giả thiết từ 20°c đôn 130”c. Việc mỗi SCR sẽ chắc chắn khi giá trị dòng Iq và điện áp UcK càng lớn. Từ đồ thị hình lO.lSb vùng I là vùng không mồi dưỢc, vùng II là vùng mồi có thố đưỢc, vùng III là vùng mồi chắc chắn lật trạng thái cho SCR. Tức là xung mồi tương ứng với biôn độ dòng Ig phải nằm trong vùng III mới chắc chắn lật được SCR.

Dòng mổi cưc cửa

Dòng điện không mồi được

Điện áp cực cửa Điện áp cực cửa Vkhông mổỉ được chắc chẩn nhỏ

nhất mồi được

Hỉnh 10.18b. Dải điểu khiển của đặc tuyến vào Vùng I không mồi được Vùng il có thể mồi Vùng III chắc chắn mồi

Khi đã ở trạng thái điện trỏ thấp, một lượng rất lớn hạt dẫn tràn ngập SCR, cực G lúc này mất tác tác dụng điều khiển. Tức là không thể dùng xung điều khiển để đưa SCR từ trạng thái điện trở thấp về lại trạng

201

thái điện trở cao. SCR ỏ lại trạng thái điện trỏ thấp cho tới khi dòng điện qua nó giảm nhỏ hơn dòng duy trì. Khi đó tiếp xúc pn ở giữa được thiết lập lại lớp chắn và SCR chuyển về vùng chắn thuận hay chắn ngược. Quá trình này cần một thòi gian gọi là thòi gian hồi phục (thồi gian quay về trạng thái tự do).

Do khi ở trạng thái dẫn điện, điện trở SCR thấp (tới cõ mQ) nên SCR ìuôn cần một điện trỏ hạn chế dòng thuận mắc ỏ ngoài (hình 10.19).

Đặc tính cho mối quan hệ Uak •• Ig ểọi là đặc tính lật của SCR, (hình 10.20). Đặc tính này cho biết với giá trị dòng điều khiển Ig là bao nhiêu (giá trị nhỏ nhất yêu cầu) ứng với giá trị đã có của Uak) SCR lật chắc chắn sang trạng thái điện trở thấp. Từ đó xây dựng được đặc tính mồi hình (10.21) chỉ rõ quan hệ I — u theo hướng thuận vối các giá trị Ig khác nhau.

SCR ỏ lại trạng thái điện trở thấp cho tội khi dòng điện dẫn qua nó giảm xuống dưới già trị dòng điện duy trì. Khi ỏ trạng thài điện trở thấp, SCR luõn cần có điện trỏ hạn chế dòng.

1000

Ù1 500

ƠGK

Hình 10.19. Hạn chê' dòng nhò diện trả tải R. Hình 10.20. Đặc tính lật của SCR.

1A

100 I

10

t

0.1

- 0,1

t811 ể

T

íề

7500 1Ọ00 ^

Um

Hình 10.21. Đặc tuyến I - u của SCR với dòng mồi cực tiểu.

202

10.2.2. Các tính chất chuyển mạch của SCR

Hình 10.21a giải thích quá trình nôl mạch của một SCR, Hãy chú ý trước khi nối mạch giá trị điện áp trên SCR là Uak, còn sau khi nốì mạch là giá trị Ut- Các khoảng thòi gian trên đồ thị hình 10.2.1 cần quan tâm đến, đưỢc định nghĩa là:

t j: thòi gian U ak giảm từ 100% đến 90% giá trị đỉnh, được gọi là thời gian khởi động mồi

tg,.: thời gian U a k giảm từ 90% đến 10% giá trị đỉnh gọi là thời gian nối mạch (vài Jis).thời gian U a k giảm từ 10% giá trị đỉnh đến trị Ut gọi là thòi gian kết thúc mồi (khoảng Ivài chục đến lOOịis).

P v : c ô n g s u ấ t t ổ n h a o t r ê n S C R .

tnếi; thời gian nối mạch (t„s5 = tgd + tgr) để dòng qua SCR tăng từ trị0 đến trị đỉnh I(.

Hình 10.21.

203

Đ ồ t h ị h ì n h 1 0 . 2 1 a c h ỉ r a q u a n h ệ c ô n g s u ấ t t ổ n h a o Pv t r ê n S C R s ẽ

t ă n g n h a n h k h i d ò n g q u a S C R t ă n g v à t ỷ l ệ v ố i đ ộ d ố c c ủ a I ( t ) . Đ ể h ạ n

chê độ lớn của Al/At cần dùng các phần tử bảo vệ để ngăn tốc độ tăng d ò n g c ủ a S C R ( h ì n h 1 0 . 2 1 c ) . V í d ụ m ắ c n ố ì t i ế p 1 c u ộ n đ i ệ n c ả m L v ó i

SCR để cuộn L nén tốc độ Al/At ở dưới một độ dốc dòng điện cho phép, tránh phá huỷ SCR về công suất tổn hao ở dạng nhiệt trên nó. Như vậy, s a u m ỗ i l ầ n n ố ĩ m ạ c h , t r ê n S C R x u ấ t h i ệ n m ộ t c ô n g s u ấ t t ổ n h a o P v ,

c ô n g s u ấ t n à y l à m n ó n g S C R v à n ế u đ i ề u k h i ể n S C R n ố i m ạ c h t h ư ồ n g

x u y ê n t h e o 1 n h ị p t ầ n sô" n h ấ t đ ị n h s ẽ d ẫ n t ó i n g u y c ơ p h á h ỏ n g S C R d o

quá trình tích luỹ nhiệt.

Tần sổ nổi mạch của SCR có một già trị giới hạn cho phép. Nếu nối mạch SCR quá nhanh vượt qua ngưõng này SCR sẽ có nguy cơ bị phả hỏng.

N hư đã mô tả ỏ hình 10.3, kh i U ak 0 Du bị khoá, điện dung của

nó được dòng điện qua SCR nạp i = C -^-■ dt At

Tô"c độ tăng của dòng điện lốn làm tốc độ tăng của điện áp trên S C R c ũ n g l ó n t h e o h a y n g ư ợ c l ạ i . Đ ố ì v ớ i S C R c ầ n q u a n t â m t ớ i t h a m

sô" tốc độ biến đổi giối hạn của điện áp, ký hiệu là SukHi. để tránh mồi q u á m ứ c g â y n g u y h i ể m c h o S C R .

H ìn h l0 .2 1 b chỉ rõ đồ th ị thay đổi của dòng I và đ iện áp U ak theo t h ờ i g i a n t r o n g q u á t r ì n h n g ắ t S C R .

Quá trình ngắt SCR xảy ra khi Uak < 0 tức là làm đảo chiều dòng điện qua SCR. Dòng I giảm xuông dưối giá trị dòng duy trì và bắt đầu xảy ra quá trình lật từ nối sang ngắt. Sau khi dảo chiều qua 0, dòng I bắt đầu thời gian hồi phục về giá trị dòng ngưỢc (t,.,,), bắt đầu bằng khoảng thời gian nạp rất nhanh do điện cảni ký sinh của SCR phát sinh sức điện động tự cảm khi dòng qua nó thay đổi nhanh. Các tham số t h ờ i g i a n c ầ n c h ú ý t r o n g q u á t r ì n h n g ắ t c ủ a S C R l à :

thòi g ian để dòng thuận It giảm đến 0.

stg'. thời gian xuất hiện dòng tự cảm trên điện cảm ký sinh của SCR. thòi g ian hồi phục dòng ngược,

thời g ian hồi phục điện áp U ak về 0.

t h ò i g i a n h ồ i p h ụ c h o à n t h à n h .

C á c d ạ n g t ổ n h a o t r o n g S C R

204

g*

c*

Có 5 dạng tổn hao là:1. Tổn hao ở trạng thái dẫn điện.2. Tổn hao ở trạng thái chắn.3. Tổn hao lúc nối mạch.4. Tổn hao lúc ngắt mạch.5. Tổn hao do mồi.

Khi ở tần sô" cao tổn hao lúc nốĩ và lúc ngắt đặc biệt quan trọng vìlúc đó giá trị này không còn nhỏ so với tổn hao ở trạng thái dẫn. NếuSCR làm việc vôi điện áp có tần số 50Hz khó xác định đưỢc chính xác cáctổn hao này, giá trị của chúng khoảng 10% tổn hao ở trạng thái dẫn.

10.2.3. Các thông số định mức là tham sô giới hạn

10.2.3.1. Nhóm các tham sô định mức gồm có:• Dòng danh định I]s¡; là trị trung bình sô" học của dòng thuận trong

diều kiện tải và điều kiện làm mát xác định).• Điện áp thông Ut là điện áp giữa A và K lúc dẫn dòng (với 1 giá

trị dòng thuận).• Dòng điện duy trì I|j: giá trị dòng dẫn nhỏ nhất để còn khả năng

duy trì trạng thái điện trở thấp của SCR.• Dòng mồi ỉ(;|. ịỊÌá trị nhỏ nhất yêu cầu đốì với dòng điều khiển để

dưa SCR tới trạng thái dẫn.• Điện áp mồi U(iT điện áp đảm bảo dòng chảy giữa G và K.• Thời gian mồi t„<Yi vthời gian nôl mạch).

• Thồi gian ngắt mạch tq (hồi phục về trạng thái ngắt).

• Dòng điện khoá lu(theo chiều chắn tluĩận có lị), theo chiều chắn ngược có I|i).• Đ i ệ n t r ở n h i ệ t v à Rtiiu x á c đ ị n h đ ộ d ẫ n n h i ệ t g i ữ a l ớ p c h ắ n -

vỏ RthO; hay giữa lớp chắn - môi trường không khí Rthu)-• Điện áp mồi 0; diện áp Uak giữa anot và katot để bắt đầu xảy ra

lật SCR từ ngắt sang nối (ƯKo) xác định lúc UcK = 0

10.2.3.2. Nhóm các tham số giới hạn gồm có:• G i á t r ị t ứ c t h ờ i c a o n h ấ t c ủ a đ i ệ n á p c h ắ n đ ặ t l ê n S C R 1 c á c h

tuần hoàn.

205

(theo chiều dương (vùng chắn thuận) U drmi theo chiều àm (vùng chắn ngược) U rrm).

• Giá trị điện áp xung tức thời cao nhất cho phép U rsm-• Dòng thuận lớn nhất cho phép trong thòi gian hoạt động lâu dài It-av (mạch một nửa chu kỳ, tải xác định và thuần trở, trong điều kiện

làm mát xác định, tính theo giá trị trung bình số học).D òng đỉnh tuần hoàn cao n h ất cho phép Itrm- Dòng một chiều I-r- Dòng hiệu dụng giới hạn Ite(T.Giá trị đỉnh của công suất điều khiển PoM- Điện áp ngược cao nhất cho phép đặt vào cực điều khiến Ugrm- Độ dốc điện áp tối hạn Đ ộ d ố c d ò n g đ i ệ n t ớ i h ạ n Sịknit-

là các giá trị tốc độ biến đổi cao nhất của dòng và áp trên SCR.• Nhiệt độ cao nhất cho phép Tj.

10.2.4. Một vài ứng dụng

10.2.4.1. SCR trong mạch xoay chiềuSCR trong mạch xoay chiều có vai trò như 1 công tắc không tiếp

điểm và thực hiện nắn điện thành 1 chiều có điều khiển được dòng điện hay công suất trên tải 1 chiều.

Mạch hình 10.22 dùng 1 điện áp vào UcK dạng xung mồi 1 chiều điều khiển SCR từ trạng thái ngắt mạch (điện trở cao) sang trạng thái nối mạch (điện trở thấp) trong bán kỳ dương của nguồn xoay chiểu ƯJ. Đến bán kỳ âm do U K 0 nên SCR lật từ trạng thái điện trở thấp về lại trạng thái điện trỏ cao (ngay khi Uak chuyển từ pha dưdng qua OV). Nếu xung mồi Ugk cùng chu kỳ vói Ui nhưng chậm pha hơn Uj góc a nào đó thì SCR chỉ dẫn điện từ a tổi n, không dẫn trong khoảng 0 -> a và 7t đến 2 71.

Hình 10.23 là 1 bộ chỉnh lưu có điềukhiển, SCR đươc mồi sau thời gian ứng với 10.23. Mạch Chĩnh lưu có

điểu khiến dùng SCR.

. . ° ----- rĐấu vào Uqđiều khiển i

o------- *.

R.àiA<

i ' Ủ2

K

Hình 10.22. Mạch vào điều khiển và mạch tải.

206

góc chậm pha (p¡, (gọi là góc chậm pha mồi). Như vậy SCR dẫn điện trong khoảng đến 180“. Hình 10.24 cho các đồ thị điện áp và dòng điện minh hoạ hoạt động của mạch hình 10.23.

Hinh 10.24. Đồ thị thdi gian cho mạch hình 10.23

Sự thay đổi góc pha đầu của Ugk làm thay đổi góc pha mồi (pz và sẽ nhận đưỢc các dạng khác nhau của dòng điện. Hình 10.25 là dạng dòng điện bị cắt pha theo các góc mồi khác nhau ((Pz3 > (Pz2 ^ 9zi)-

i/t

Độ góc

il N :/1“ 922

' ị ! i i rU - Ị i j ị Độ góc

!

Z3 U-t

Độ góc

Hỉnh 10.25. Sóng dòng điện bị cắt pha với các góc mồi khác nhau.

Góc dịch pha mồi càng lởn thì sóng dòng điện bị cắt còn lại càng nhỏ.

207

Kết quả là điện áp ra một chiều cũng bị điều khiển theo góc cắt pha và phương pháp này gọi là điều khiển kiểu cắt pha. Dạng điện áp và dòng điện trên tải bị cắt nhỏ nên năng lượng cấp cho tải không đều và xuất hiện các sóng bậc cao (méo phi tuyến hay nhiễu hài bậc cao). Khi cần các công suất lớn trên tải, phương pháp này thường không được sử dụng.

Hình 10.26 đưa ra 1 cách điều khiển khác là thay đổi tần số của xung nhờ chọn bán kỳ dương 1 cách có quy luật (sau khi đã chặn một nhóm nhất định). Trên thực tế có thể chọn 1 trong 100 bán kỳ dương xuất hiện hay ít hơn là 1/10, 1/8, 1/5 hoặc 1/2 gọi chung là phương pháp điều khiển kiểu nửa sóng.

u k

í11í11

ỉ .... L.. _

il

t

Liiv,' T

Hình 10.26. Điều khiển kiểu nửa sóng.

ở phương pháp nửa sống, SCR không được mồi trong một sổ bán kỳ dương nhất định.

Số lượng bán kỳ bị chặn càng nhiều thì điện áp và công suất racàng nhỏ, phương pháp này ít gây nhiễu hơn và đưỢc dùng nhiều chocác mạch chỉnh lưu có điều khiển với công suất ra tải lớn.

10.2.4.2. Thyrísto trong mạch điện 1 chiểuSCR hoạt động trong mạch 1 chiều như một

công tắc chuyển mạch không tiếp điểm, với 1 dòng điều khiển nhỏ có thể nôl mạch 1 dòng tải lớn.

Việc ngắt mạch cho dòng tải không đơn giản, cần giảm dòng trên SCR qua ngưỡng dòng duy trì, muốh vậy dòng tải phải giảm trong 1 thòi gian ngắn nhòmột công tắc làm ngắt mạch dòng tải (hình 10.27). Hình 10.27. Mạch 1

chiêu dùng SCR. ■

------- .ịMI

ù“T"

’ i

208

Khi đó cần dùng các phân tử cơ điện như rơle hay các loại công tắc không tiếp điểm kKác.

Hình 10.28 sử dụng SCIl Thi làm thyristo chính để ^iều khiển nối mạch công suất lốn theo yêu cầu. SCR Tha làm nhiệm vụ chuyển mạch phụ để đạt được mục đích ngắt dòng cho SCR chính Thi trong một thời gian đủ ngắn để đưa nó về trạng thái có điện trở cao. Công suất tiêu hao của Th., yêu cầu không lớn. Trong thời gian Th] dẫn điện, tụ c đưỢc nạp, Th, bị khoá (hình 10.29).

Nếu Thị đưỢc mồi điện áp, điện áp trên anot của Thg bất ngò giảm xuôVig cỡ +2V, tụ (lúc này có điện áp cỡ 98V) phóng điện. Điện thế — 98V trên tụ c làm ngắt dòng Th] và đưa nó về trạng thái điện trở cao, mạch ví dụ đưỢc dùng để điêu khiến nguồn điện cấp cho ôtô.

♦lOOV

2 ^ - 0Thỵristo phụ (điêu khien ngắt Tbi)

ỷA.QS

r

t

98V

u ^27,♦

(-96V) 1ZTh, 5

ov

«2♦looyÍ 2V)

Hình 10.28. Mạch mổi dùng SCR phụ.

Hình 10.29. Giải thích hoat động mạch điều khiển vói SCR chính và SCR phụ.

10.3. THYRIST0 4CỰC

Cấu tạo và hoạt độngHình 10.30 là cấu tạo cơ bản của một Thyristo 4 cực. Điểm khác

biệt cơ bản về cấu tạo là có 2 cực điều khiển Gi và Gg. Việc mồi SCR có thể thực hiện bằng xung mồi dương đưa vào G] hay xung mồi âm đưa vào Ga-

Để điều khiển SCR 4 cực lật sang trạng thái dẫn (điện trỏ thấp) có 3 cách tàc động: mồi vào Gi hoặc vào G2 hoặc tác động vào cả hai cực điều khiển Gi và G2.

Trong khi loại SCR 3 cực chỉ dùng cực điều khiển lật trạng thái đưỢc theo 1 hướng từ trạng thái ngắt (điện trở cao) sang trạng thái nổi (điện trở thấp) thì SCR 4 cực có khả năng dùng cực điều khiển lật nó theo cả hai hướng từ trạng thái điện trở cao về trạng thái điện trở thấp và ngược lạ i.

U-LKĐIỆNTỬ 209

Khi lật SCR từ ngắt sang nốì mạch có thể dùng 1 trong 3 cách điều khiển hoặc dùng đồng thời cả 3 cách.

Khi lật SCR từ nôì sang ngắt mạch cần phải đảo cực dòng điều khiển và cũng có thể dùng 1 trong 3 cách hay cả 3 cách điều khiển về lại trạng thái điện trở cao. Ký hiệu quy ước SCR 4 cực cho trên hình 10.31. Do tồn tại một sô" khố khăn về công nghệ, SCR 4 cực hiện chỉ dùng cho các mạch có dòng không lớn hơn 5A.

vA

G,0— Oi0—

—o

l /

Hình 10.30. Câu tạo và mạch tương đướng SCR 4 cực {thyristo tetrot).

- j r

K

szHình 10.31. Ký hiệu

thyristo tetrot.

10.4. GTO THYRISTO

SCR 4 cực khắc phục được nhược điểm của loại SCR 3 cực là nó đã có thể sử dụng được 1 hoặc cả hai cực điều khiển đưa SCR đang ở trạng thái dẫn với điện trở thấp về lại trạng thái điện trỗ cao, khả năng này ở loại SCR 3 cực không có. Tuy nhiên loại SCR 4 cực chỉ dùng được khi yêu cầu công suất hay dòng tải tường đốì nhỏ.

GTO - SCR có chức năng bổ sung là có thể dập tắt nó (đưa về trạng thái điện trở cao) nhồ dòng cực tính âm tác động lên cực điều khiển.

Cụm chữ cái viết gọn GTO xuất phát từ gốc cụm từ Gate Turn Off.

GTO - SCR có thể đưa SCR từ trạng thải dẫn về trạng thài ngắt nhờ dùng cực G điều khiển.

10.4.1. Cấu tạo và hoạt động

GTO - SCR có cấu tạo tướng tự như SCR 3 cực (hình 10.32) và có mạch tương đương tướng tự. Việc pha tạp rất không đô"i xứng dẫn tới transito pnp có hệ sô" B nhỏ trong khi transito npn có hệ số B lớn nhờ đó biện pháp điểu khiển lật ngược dùng cực G là có thể thực hiên đươc.

210

Anot ỹa

pnp ^nhỏ

a.npnl/^ lớn

< K

xzĩ

Mạch thay thế tứơng đương

K

Ký hiệu

Hình 10.32. Cảu tạo và mạch tương đương của GTO thyrỉsto.

Khi điều khiển lật ngược từ trạng thái điện trở cao về trạng thái điện trở thấp, cần xung điều khiển âm và có giá trị tương đôl lớn.

Để ngắt mạch GTO - SCR cần dòng điều khiển ngắt có già trị cd 20% đến 30% giá trị dòng tải lúc dẫn và có chiều ngược lại.

Hệ sô" khuôch đại ngắt mạch Ggq được định nghĩa:

IxQH là dòng tải ở trạng thái đang nốì mạch trước khi điều khiển ngắt.

1(;q dòng điều khiển ngắt mạch.Hộ sô" khuếch đại ngắt mạch Gqq càng lổn thì dòng diều khiển ngắt Igcj càng thấp.

Giá tin thực tế G<;q là từ 3 tới 5. Nghĩa là GTO - SCR có dòng tải lúc dẫn là lOOOA thì dòng điều khiển tại cực G cho nó ngắt là khoảng 250A tức là dòng điện điều khiển ngắt phải có tốc độ biến đổi khoảng ÕOA/ S dây là một đòi hỏi cao.

Để điều khiển ngắt GTO - SCR cần mạch điều khiển có cõng suất lớn.

Nếu chế tạo được GTO - SCR có G g q lớn t h ì k h i đ ó yêu cầu I g q

thấp hơn do đó dễ thực hiện hơn với chi phí thấp cho mạch điều khiểndập SCR.

D ò n g đ i ề u k h i ể n m ồ i G T O - S C R c ó g i á t r ị y ê u c ầ u n h ỏ , t h ư ờ n g

khoảng 0,5% đôn 1% dòng tải. Thời gian nốĩ mạch và thòi gian ngắt mạch phụ thuộc nhiều vào độ lớn dòng điều khiển và tốc độ biến thiên của chúng.

Thời gian lật SCR càng nhỏ khi dòng điều khiển càng lớn và độ dốc (tốc độ biến thiên) của chúng càng lòn.

211

Khi tần sô" làm việc của GTO SCR ở 2kHz các thời giaì này có giá trị trong khoảng từ 2 Ị s (1|J.S = 10"“s) Lới 6|.IS.

10.4.2. Tham sô của GTO - SCR

Tương tự như SCR 3 cực, GTO - SCR có các tham sô chím như sau:* Nhóm tham số giới hạn- Dòng ngắt mạch cao nhất I t q s m

ItI'M

l)KM

- Dòng dẫn đỉnh Điện áp ngược cực dại* Nhóm tham sô định mức.- Dòng tải danh định- Dòng mồi (nôì mạch)

- Dòng dập (ngắt mạch)- Hệ số khuếch đại đập* Một số tham sô" hoạt động của GTO- Điện áp đặt giữa anot và katot- Điện áp khoá- Điện áp dẫn- Dòng dẫn

- Dòng dư

I'rcjsIcTI, :< í

Goc,

VÍ dụ 500A 800A 1800V

ví dụ 400A 2A lOOA 4

SCRƯ A K

Ut

Itq

tail

212

Các tham sô" về thòi gian quá độ (hình 10.34)- Thời gian nôi mạch nốì- Thời gian trễ t(i

- Thồi gian tăng t,-- Thồi gian ngắt ngăt- Thòi gian nạp ts- Thời gian giảm tf- Thời gian dòng dư tailGTO — SCR đưỢc dùng làm phần tử cơ bản để xây dựng các mạch

biến đổi từ điện một chiều thành điện xoay chiều (các bộ rung hay đổi điện) đưỢc dùng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp giao thông, hàng không... đặc biệt trong phần điện của đầu máy xe lửa là một ví dụ.

213

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1. Giải thích cấu tạo và hoạt động của một diot 4 lớp.2. Mạch thay thế diot 4 lốp có dạng như thế nào? hãy vẽ dạng mạch

t ư ơ n g đ ư ơ n g ?

3. Vẽ dạng I - ƯAK của 1 diot 4 lốp và nêu đặc điểm của dạng đặc tuyến.4. Hãy phân biệt thyrsto 3 cực (SCR) và diot 4 lớp về cấu tạo và

nguyên lý hoạt động?5. Hãy vẽ mạch tương đương thay thế SCR bằng 2 transito sau khi

biến đổi mô hình cấu tạo của SCR?6. SCR 3 cực hoạt động như thế nào trong vùng ƯAK < 0?

Nêu điều kiện để SCR có điện trỏ thấp (mồi) và làm thế nào đểSCR về trạng thái điện trỏ cao (dập) ?

7. Hãy nêu tham số định mức của SCR?8. Hãy nêu 6 tham sô" giới hạn của SCR 3 cực. Điều gì xẩy ra khi quá

giới hạn cho phép?

9. Đặc tuyến lật của một SCR có dạng như thế nào? Ý nghĩa?

10. Vẽ đặc tuyến I - ƯAK của 1 SCR 3 cực?11. Hình 10.35 là 1 mạch chỉnh

lưu 1/2 chu kỳ có điểu khiển.Giải thích hoạt động?

12. Mạch chỉnh lưu có điều khiển hình 10.35 làm việc với 1 dòng điện mồi dịch pha ipx = 90” so với điện áp vào; Ui có dạng hình sin. Hãy vẽ dạng điện áp Ư2(t) tại lốì ra?

13. Điều khiển SCR bằng phương pháp điều khiển nửa sóng là gi?14. Mạch hình 10.36 làm việc như thế nào?15. GTO - SCR là gì? điểm khác biệt giữa SCR 3 cực và GTO - SCR?16. Hệ sô" khuếch đại ngắt mạch của GTO - SCR là gì?

Y nghĩa của tham sô" này?

Hinh 10.35. Mach chỉnh lưu 1/2 chu * % kỷ có diếu khiên.

214

17. Công suất xoay chiều nhận đưỢc trên một điện trở tải có thể điều khiển đưỢc nhò một SCR mắc nôi tiôp với tải, hãy giải thích nguyên lý điổu khiển này?

18. Hãy giải thích hoạt động của mạch điện hình 10.37?

Hỉnh 10.36. Mạch dùng cặp SCR chính - phụ.

Hình 10.37. Mạch dùng SCR và dlot kết hợp.

215

Chương 11

DlfiC VỒ TRIfiC

11.1. DIAC

Diac là thuật ngữ viết tắt của cụm từ "Diode alternating current switch" mang ý nghĩa là diot khoá chuyển mạch dòng xoay chiều. Như vậy diac có 2 tính chất quan trọng nhất.

1. Là 1 khoá chuyển mạch, có hai trạng thái: điện trở cao khi bị ngắt mạch hay bị khoá và điện trở thấp khi nốì mạch hay dẫn điện.

2. Hoạt động trong mạch điện xoay chiều tức là có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều: hoặc chiều này hoặc chiều kia.

Do tính chất này diac còn được gọi là diot hai hướng.Tại một điện áp ngưỡng Uịjo (gọi là điện áp dẫn - điện áp mở), diac

lật từ trạng thái có điện trở cao sang trạng thái có điện trở thấp. Quá trình lật sang trạng thái điện trở thấp xảy ra theo cả hai hướng phán cực của điện áp đặt vào ở cùng một giá trị điện áp mở khi tính đối xứng là lý tưởng.

Diac có cấu tạo từ 3 lớp bán dẫn (hình 11.1) đưỢc gọi là diot hai hướng hay từ 5 lớp bán dẫn xen kẽ (hình 11.7) đưỢc gọi là diot thyristo hai hướng.

11.1.1. Dỉot hai hưóng

11.1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt độngDiot hai hướng có cấu tạo tưđng tự như một transisto (hình 11.1)

gồm 3 lớp bán dẫn xen kẽ nhau dạng pnp hoặc npn. Hình 11.2 thể hiện việc phân cực dioL 2 hướng theo hai cách và luôn nhận đưỢc 1 vùng pn khoá và 1 vùng pn mỏ. Tại điện áp mở U [50 tiếp xúc pn đang khoá bị đánh thủng dạng tương tự như Zener - Diot và sau đó hệ thông dẫn điện với điện trở thấp. Giá trị U bo phụ thuộc vào cấu tạo và đặc biệt vào nồng độ pha tạp chất của các vùng bán dẫn.

Hình 11.1. Cấu tạo của diot 2 hướng. Hình 11.2. Phân cực cho diot 2 hướng.

216

Khi điện áp trên diot giảm qua một mức điện áp nào đó gọi là điện áp duy trì, diot lật về trạng thái điện trở cao. Độ lớn của điện áp duy trì do nồng độ pha tạp chất quyết định.

Khi điện áp trên diot vượt qua điện ấp duy trì, diot hai hưởng lật về trạng thái điện trở cao.

11.1.1.2. Tham số định mức và tham sô giới hạn* Đặc tuyến Von Ampe của diot hai hướng được cho trên hình 11.3

và ký hiệu diot hai hướng cho trên hình 11.4Các thông số định mức (danh định)

của diot là; điện áp mở Ubo và điện áp duy trì Uịi, dòng mở Iro-

Dòng Iro là dòng dẫn của diot ngay khi về trạng thái điện trỏ thấp. (Ibo có giá trị nhỏ nhất bằng dòng ngược qua diot).

Thực ra do tính đốì xứng không lý tưởng, hai giá trị điện áp mở theo hai hướng càng lệch nhau ít thì chất lượng của diot hai hướng càng tốt. Khi chúng khác nhau về mô đun ta có tham số độ lệch đốì xứng s (tính bằng Volt).

* Giá trị cụ thể của các tham số danh định:. Điện áp mỏ U bo = 32V• Dòng điện mở I[J0 = 50fiA• Điện áp duy trì Uii = 20V• Độ lệch đổí xứng s = ± 3V

* Các tham ẵố giới hạn gồm; Công suất tổn hao cho phép lớn nhất.• Ptot ví dụ = 0,5W

/mAJ

10

- U bo / b o

..........._A

\

\

10 20 30 (Jfeo ^

'10\

Hỉnh 11.3. Đặc tuyến I - u của diot 2 hướng.

• Dòng xung cho phép lớn nhất Ip,„ax = 2A• Nhiệt độ vỏ cao nhất T,„„x = + 100”C• Nhiệt độ vỏ thấp nhất T„,in = -4 0 ‘’c

Z S Z

Hình 11.4. Ký hiệu của diot 2 hưóng.11.1.2. Thyristo - diot hai hướng

11.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt độngThyristo diot hai hướng có cấu tạo là hai thyristo diot mắc song

song và đối đầu nhau như đưỢc thể hiện trên hình 11.5. Thyristo diot có cấu tạo gồm 4 lổp bán dẫn p và n xen kẽ nhau, như vậy kết cấu của

217

thyristo diot hai hướng sẽ có dạng hình 11.6 và nếu hỢp nhất lại trong 1 cấu hình sẽ nhận được hệ thông gồm 5 lóp bán dẫn trên 1 phiến đơn tinh thể (hình 11.7). Tính chất của thyristo diot hai hưông rõ ràng do tính chất của hai thyristo diot quyết định. Nghĩa là tại 1 điện áp Ugo nó sẽ lật từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái có điện trở thấp và ngược lại khi điện áp trên nó giảm thấp hơn điện áp duy trì, dụng cụ sẽ lật lại từ trạng thái điện trở thấp về trạng thái điện trở cao. Điều này xảy ra theo cả hai hướng cho hai thyristo diot.

X

XPn?nT

T

p rìpf p

Hình 11.5, Nõì song song 2 thyristo diot.

Hình 11.6. Biểu diễn 2thyristo dỉot đấu song

song đối đầu nhau.

Hình 11.7. Hợp nhất 2 thyrỉsto đối song song vào một chip tính thể.

11.1.2.2. Tham sô danh định và tham sô giói hạnCác tham số’ danh định của thyristo diot hai hướng giông như của

thyristo diot đã được cho ở phần 10.1.2. Cần chú ý ở đây tham số lệch đỐì xứng giữa 2 điện áp ngưỡng Ujto và U(7o (thực tế có giá trị s = 4V đến 6V).

I,

-u,BO /u-

Hình 11.8. Đặc tuyến I - u của một thyristo diot 2 hướng.

Hình 11.8 đưa ra dạng đặc tuyến Von Ampe của một thyristo diot hai hướng. Các tham số giối hạn cũng được cho tưđng tự như thyristo diot. Ký hiệu quy ước của cấu Riện loại này cho trên hình 11.9.

S3

Hình 11.9. Ký hiệu thyrlsto diot 2 hướng.

218

Diac dược sử dụng trong các mạch dòng xoay chiều nhỏ (tới khoảng 3A) dùng làm khoá chuyển mạch thường để điều khiển triac.

11.2. TRIAC

11.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Về nguyên lý, việc điều khiển công suất trên 1 tải theo các chỉ tiêu mong muốn tuỳ theo nhu cầu tiêu thụ của tải sỗ mang lại hiệu quả kinh tế cao và cơ sỏ kỹ thuật này dựa trên việc dùng th5TÌsto.Tuy nhiên thyristo có hiệu ứng chỉnh lưu nôn chỉ dùng cho các mạch dòng 1 chiều (chỉ điều khiển SCR ở bán kỳ dương, trong bán kỳ âm SCR luôn khoá). Khi cần điều khiển trong mạch dòng xoay chiều, có thể dùng 2SCR Thl và Th2 mắcsong song đốĩ đầu nhau như trên hình 11.10. Việc điều khiển chúng thực hiện nhò các điện áp xung điểu khiển Usti và Usi2 và cần các mạch tạo ra các xung này. Các điện áp u,t, và Usi2 cần có liên hệ pha chặt chẽ vối nhau nhưng độc lập nhau. Thường cấu hình 11.10 được chế tạo trên 1 miếng đơn tinh thể với mô hình 5 lớp xen kẽ như thể hiện trên hình 11.11. Và neu hỢp nhất hai SCR lại ta có cấu tạo hình 11.12. Các điện áp điều khiển Gj và G2 đưỢc kôL hỢp lại thành 1 cực điều khiển chung là cực G. Khi lấy G| ở hình 11.12 làm cực G chúng ta có cấu tạo hệ hình 11.13.

11.1.3. ứng dụng

{.... ■ ■» ------------------- p

Mstiì

7 ĩh i 2

■

ÍT h2 ^

i> "

Hinh 11.10. Mạch đấu đối song song 2 thyristo.

np pn np p

n

Hinh 11.11. HỢp nhất cách đấu song song đôi đầu hai SCR vào một miếng tinh thể.

Thl

in 1 I

pp Ị__1n I» _ ...n

___ 1

1 pL L .

Th2

-0G2

Hình 11.12. C ấutrủc2S C R trên một tinh the.

Như vậy đô1 với SCR Thl việc điều khiển dùng cực G là bình iuíờng như mọi ihyristo khác, tức là khi điện áp đặt vào G so với Aj

219

dương, xuất hiện dòng điều khiển Igf Tuy nhiên đôi với SCR Th2 đây không phải là cách điều khiển mồi nó hoạt động. Đe thực hiện việc mồi Th2 một vùng dẫn điện loại n nhỏ được cấy thêm ở ngay trong cực điều khiển (hình 11.14) và một vùng tưđng tự được tạo ra bên điện cực Ảọ. Khi đó về cấu tạo đã xuất hiện hai thyristo phụ được gọi là các thyristo mồi. Nhờ các thyristo mồi, các thyristo chính có thể lật sang trạng thái điện trở thấp vói các xung điều khiển dương và xung điều khiển âm. Linh kiện có cấu tạo vừa đưỢc mô tả chi tiết được gọi là TRIAC (viết tắt từ cụm từ "triode alternating current switch") nghĩa là khoá chuyển mạch dòng xoay chiểu có 3 cực hay tên gọi theo cấu tạo là thyristo 3 cực hai hướng. Cấu tạo của triac theo mặt cắt dọc được cho trên hình 11.15 và ký hiệu quy ước cho trên hình 11.16. Đặc tuyôn Von Ampe I - ư cho trên hình 11.17.

Anot 1

AiCực cửa

11P 1 pn 1 n

p ! p__LL

n Ịliĩl " P Pipl pn 1 n !n| n

l ị

Thl àẢ2 Th2

Hình 11.13. Câu tạo với cực điểu khiển G.

Miền tạo SCR ÌA 2 Miền tạo SCR phụ 1 phụ 2

Anot 2Hình 11.14. Cấu tạo vối

thyristo hỗ trờ mồi. Hình 11.15. Mặt cắt tinh thể của triac.

Triac làm việc như hai thyristo 3 cực nối đối song song nhau. Nó có khả năng điều khiển cả hai nửa sóng dòng xoay chiều với một cực điều khiển duy nhất.

Như vậy triac có 2 anot ký hiệu là Aj và Aỵ, gọi là anotl (enot trên) còn anot2 (anot vỏ) và có 1 cực điều khiển gọi là cực cửa (G) (hình 11.16).

A)2SZ

Aizsf

Hình 11.16. Ký hiệu triac.

Đặc tuyến Von Ampe của triac ở góc phần tư I và góc phần tư III mỗi vùng này gồm 3 vùng nhỏ: vùng khoá, vùng quá độ và vùng dẫn (hình 11.17).

220

-t/KO Vùng khoá

L--- ___________Vùng quá độ

(m)Vùng dẫn

J

Vùng dẫn

©

Vùng quá độ

/ h Vùng khoáUm u

Hình 11.17. Đặc tuyến Von Ampe của triac.

11.2.2. Các chê độ lật của triac

Việc điều khiển triac từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái điện trở thấp có thể có 4 cách khác nhau gọi là các dạng chế độ điều khiển lật.

* Điều khiển kiểu T: As dương hơn Aj, sử dụng góc phần tư I. Điện áp điều khiển Ư G A I là xung dương so với A, (thể hiện ỏ dấu +). Các điện áp dặt vào triac đưỢc cho trên hình 11.18.

* Điểu khiển kiểu III“: Ag âm hơn Aj, cho triac làm việc ỏ góc phần tư III trên đặc tuyến, UoAi là xung âm so với A) (hình 11.19).

* Điểu khiển kiểu r : Triac làm việc trong góc I (Aị dương hơn Aj) Điện áp xung diều khiển UcAi âm so với A| (hình 11.20).

* Điều khiển kiổu IIF: Triac làm việc trong góc III (A2 âm hđn A)) Xung điều khiển UcAi cực tính dưđng so vói A, (hình 11.21).

Az

u

ƯỌA1X A,

Aa A2

uT

(-IM sai Ai

u

1.UọAÌ

x Ai

u

Hình 11.18. Điểu Hỉnh 11.19. Điểu Hình 11.20. Điểu Hlnh 11.21. Điểu^ | f l _ I - • í ' 1114khiển kiểu r . khiển kiểu III". khiển kiêu khiển kiểu lir.

Tuy nhiên phần lớn các triac làm việc theo 2 kiểu r* và I i r vì độ nhậy điểu khiển của 2 loại này là đặc biệt lón. Hai loại còn lại (I~ và Iir) đòi hỏi biên độ xung điểu khiển lớn hơn cõ hai lần.

Điện cực điều khiển của triac cũng như cực điều khiển của thyristo

221

sau khi mồi sẽ không còn tác dụng điều khiển nữa. Triac sẽ lưu lại ỏ trạng thái điện trở thấp chừng nào dòng điện qua nó còn lỗn hơn dòng duy trì I||. Khi dòng điện thuận I ở trạng thái dẫn hạ xuống thấp hơn Iiị, triac sẽ lật về trạng thái điện trở cao.

Khi sử dụng triac để điều khiển trong mạch dòng xoay chiều, trong mỗi bán kỳ, triac được mồi mới một lần. Với chế độ hoạt động giống như SCR, triac làm biến dạng sóng điện áp và dòng điện xoay chiều do đó làm xuất hiện các sóng tần số cao gây nhiễu cho các thiết bị viễn thông, mạch sử dụng triac cần được lọc kỹ nhờ các tụ điện và cuộn dây để không gây nhiễu.

11.2.3. Các tham số

• Tham sô" danh định quan trọng nhất gồm có:• D òng ngược đỉnh Idrom (<Ì0 khi hỏ cực G và đ ặt đ iện áp ngùỢc

đỉnh tới A l - A2) Idrom càng nhỏ càng tốt.• Điện áp thuận cực đại Utm (xác định với 1 dòng thuận nhất định,

thường là dòng thuận cực đại).• Dòng duy trì lịị (giá trị ngưõng để triac lật về trạng thái điện trỏ

cao khi đang ở trạng thái điện trở thấp).• Dòng lật cực cửa Iqt; Giá trị dòng cực cửa nhỏ nhất để triac lật từ

trạng thái điện trở cao đến trạng thái điện trở thấp (được xác định với 1 điện áp chắn nhất định đặt giữa Ai và Aa-

• Điện áp lật cực cửa Ugt: điện áp cần thiết đặt vào cực G để tạo ra d ò n g Igt-

• Thời gian nôì mạch tgt: là thòi gian tính từ lúc tác động xung điều khiển vào cực cửa tới lúc dòng dẫn của Triac đạt tởi mức 90% giá trị lớn nhất của nó.

• Độ dốc điện áp tiêu chuẩn.Nếu điện áp trên Triac tăng nhanh, việc mồi có thể xảy ra vào lúc

không mong muôn. Độ dốc điện áp tiêu chuẩn cho biết tốc độ tăng lớn nhất của điện áp đặt lên triac mà với tốic độ biến thiên này việc mồi không mong muốn chưa xảy ra (được đo khi cực G để hở).

• Điện trở nhiệt Rthu. RthG-Xác định các hệ số’ dẫn nhiệt khi làm mát cho triac bằng các phiến

toả nhiệt.Rtho; xác định giữa lớp chắn - vỏ triac.Rthu: xác định giữa lớp chắn - môi trường không khí.

222

Các giá trị ví dụ:Idrom ~ 0,5mAUtm “ 1,8VIn = 15mAIgx = 20mAU g t ~ 1,2Vtgi = 2 fj,s

Các tham sô" thường được đo trong những điều kiện nhất định và thường phụ thuộc nhiệt độ.

• Nhóm các tham sô" giới hạn quan trọng của triac:• Điện áp chắn tuần hoàn (giá trị đỉnh) U drom

Giá trị điện áp tuần hoàn cao nhất ở trạng thái chắn khi cực G đểhở mà triac chưa bị lật sang trạng thái điện trở thấp.

• Dòng dẫn Ix: giá trị lớn nhất cho phép (trị hiệu dụng) xét ở chế độlàm việc lâu (liên tục).

• D òng Itsm' dòng xung lớn n hất triac còn chịu được.

• Dòng đỉnh tại cực cửa Iqtm xác định trị dòng xung điều khiển lớn nhất.

• Dải nhiệt độ làm việc đến T m i n -

(nhiệt độ vỏ hoặc nhiệt độ môi trường)Các số liệu ví dụ:

ƯOROM = 400VL,- = 15AI t s m “ l O O A

Igtm “ 4A= 100°c = -eo^c

11.3. ĐIỀU KHIỂN DÒNG TẢI DÙNG DIAC VÀ TRIACCông suất xoay chiều trên tải có thể được điều khiển và qua đó

điều chỉnh nhờ triac. Muôn điều khiển triac, cần có một .khối quan trọng là mạch tạo ra xung điều khiển nó.

Việc điểu khiển yêu cầu công suất rất bé (vài mW) và thường dùng các mạch bán dẫn và IC thực hiện. Một ứng dụng phổ biến ví dụ là điều khiển độ sáng của các thiết bị điện chiếu sáng trong nhà hay điều khiển động cơ xoay chiều, điều khiển máy khoan, máy làm lạnh, các

223

thiết bị nhiệt trong công nghiệp và dân dụng... Các loại rơ le vè cầu chì bảo vệ có thể được thay thế hoàn hảo nhờ diac hay triac và các loại công tắc không tiếp điểm (công tắc điện tử) có nhiều ưu điểm hờn nhóm rơle. ưu điểm quan trọng của nhóm công tắc điện tử là hcạt động nhanh và nhậy hơn, loại trừ hiện tượng đánh lửa hay tiếp xúc cơ khí kém do bị bám bẩn, thòi gian phục vụ lâu gần như không hạn chế và ít xảy ra quá tải.

Dòng tải lớn nhất cho phép là một giá trị giối hạn (dòng It) cầnđược đặc biệt quan tâm khi sử dụng diac và triac.

Khi sử dụng mạch có tríac, cần dùng điện trỏ hạn chế dòng qua tả hay qua tríac không vượt quá dòng lớn nhất cho phép ỏ chế độ dẫn (điện trỏ thấp).

Khi nôì mạch, điện trở của triacrất thấp (vài Q). Triac trên hình 11.22có dòng tải lớn nhất cho phép là lOA.Điện trở tải nhỏ nhất được phép mắc vào mạch (Rti.) là;

Ư=220V

G

R.0«=22n

_ u _ 220V It 10 a

22QHình 11.22. Mạch vòngdòng

điện dùng triac

Hình 11.23 là 1 mạch điều chỉnh độ sáng dùng triac. Mạ:h triac nằm giữa điểm c và D. Khi triac ngắt, Ci được nạp. Điện thế giữa c và D gần bằng điện thế nguồn 220V (cực tính ở bán kỳ dương).

Ơ=220V Trioc

MạchtriacBộ điều chỉnh

độ sóng

Hình 11.23.

Tốc độ nạp của Ci phụ thuộc hằng sô" thời gian T = RgCi (Rj -* R2).Ci

( t càng lớn thì C] nạp càng lâu). Triac duy trì ở trạng thái tit (điện trở cao) cho đến khi Uci đủ lốn và đạt điện áp ngưõng mở của diac (ví dụ 30V). Khi ƯCI = 30V thì diac lật về trạng thái điện trở t h ấ Ị . Tụ Ci

224

phóng điện tạo ra 1 xung điều khiển đủ lớn đặt vào cực G của triac dưa nó về trạng thái nổì mạch có điện trở thấp. Từ lúc này dòng tải chảy qua Riãi lớn. Triac trong mạch hình 11.23 đước điều khiển trong bán kỳ dương của dòng xoay chiều, kiểu r .

Trong khoảng nửa sóng âm, lúc triac ỏ trạng thái tắt, tụ Ci đảo cực tính nạp. Nếu Uc đủ lớn đạt tới ngưỡng thứ hai (chiều âm), diac lật sang trạng thái dẫn theo hưổng ngưỢc làm tụ Ci phóng điện tạo ra 1 xung âm mồi triac. Trong nhịp này triac dược điều khiển dạng III".

Với biến trở Ra, tốc độ nạp cho Ci có thể thay đổi và do đó quyết định đến thời điểm mồi triac trong mỗi nửa sóng. Tức là nhò việc thay dổi giá trị của Rv dã điều chỉnh góc trễ pha (Pz mồi triac.

Đồ thị thòi gian dòng và áp khi (p, = 90° đưỢc cho trên hình 11.24 Irong cả hai nửa sóng dưđng và âm. Khi (Pz tăng, dòng I giảm, có thể thay đổi (p trong dải từ 5“ đến 180° hay từ 185° đến 360°. Khi đó công suất trên tải sỗ biến dổi từ giá trị lớn nhâ t đến bằng 0. Nếu Rtải là 1 dồn thắp sáng thì độ sáng tôl sẽ được điều chỉnh nhò Rọ. Tụ Cọ và L ở dáy dùng để lọc nhiễu. Phần mạch hình 11.23 giữa 2 điểm A và B đưỢc gọi là bộ điều chỉnh độ sáng (Dimmer). Khi phần này không làm việc, dùng công tắc s ngắt hơ mạch phần điều khiển.

Độ góc

Hình 11.24. Đố t h ị điện áp tác động u và dòng tải I khi < P j = 90° (minh hoạ hình 11.22).

Bộ điều chỉnh độ sảng chỉ có thể nổi tiếp với 1 điện trỏ tải đủ lớn mới làm việc tốt.

Khi nôl trực tiếp doạn A và B tới lưới diện, triac sẽ bị phá huỷ.

1S-LK OIỆN TỬ225

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1. Giải thích câ”u tạo và hoạt động của diot 2 hướng và của thyristo diot hai hưống.

2. Giải thích cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của triac theo mô hình hai thyristo mắc song đốì nhau.

3. Hãy vẽ đặc tuyến I-U của triac và giải thích.4. Hãy phân biệt 4 phương thức điều khiển triac F 1“ III và III“5. Hãy nêu 5 tham sô" danh định và 5 tham sô" giói hạn của triac.6. Hãy vẽ mạch điện của 1 bộ điều chỉnh độ sáng.7. Mạch điện bộ điều chỉnh độ sáng hoạt động như thế nào? Cách mồi

triac chực hiện như thế nào?8. Mạch điện hình 11.25 làm việc như thế nào? Hãy nêu nhiệm vụ

của diac và triac trong mạch.

2SZu220 V

V

No-

ưp

Hình 11.25. Mạch điểu khiển động cd dùng triac và diac.

226

Hình 12.1. Giải phóng quang đỉện tử khỏi các liên kết hoá trị khỉ chiếu sáng châ't bán dẫn điện (hiệu ứng quang điện trong).

Cfi'a KIỆN QUfiNa B(ịN DẪN

12.1. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRONG

Mỗi chất bán dẫn (chưa pha tạp), có tính dẫn điện riêng. Dưới tác động của một nguồn năng lượng kích thích (ví dụ quá trình làm nóng tinh thể bán dẫn) có khả năng sinh ra các hạt dẫn là điện tử tự do và liên kết hoá trị bị khuyết (lỗ trống). Hiện tượng này làm tăng độ dẫn điện riêng của vật liệu bán dẫn, Quá trình sinh hạt như trên là do nhiệt. Nếu được một chùm tia sáng chiếu vào, sự va chạm của photon (các hạt ánh sáng) với mạng tinh thể sẽ giải phóng năng lượng và qua đó tạo ra các hạt dẫn là các quang diện tử và quang lỗ. Đây là các hạt dẫn tự do được sinh ra do đưỢc tiếp nhận (hiện tưỢng hấp thụ) năng lượng quang nên gọi là các quang hạt. Chúng làm độ dẫn của vật liệu tăng lên theocường độ của tia sáng. Phần tăng lên này do các quang hạt đóng gópnên được gọi là độ dẫn quang. Đây là bản chất của hiệu ứng quang điện trong xảy ra trong các vật liệu bán dẫn đơn tinh thể và cả đa tinh thể. Thường khi không mong muốn hiệu ứng này, các vỏ bọc linh kiện bán dẫn thường đưỢc che kín ánh sáng. Trong một số vật liệu bán dẫn, hiệu ứng quang điện trong thể hiện mạnh và chúng được sử dụng làm các cấu kiện quang và luôn có cửa sổ để tiếp nhận hoặc phát đi ánh sáng. Các cấu kiện quang bán dẫn gồrủ 2 nhóm quan trọng; Nhóm cấu kiện quang sử dụng hiệu ứng quang diện trong thực hiện quá trình biến đổi năng lượng quang sang năng lượng điện nhờ hiện tượng hấp thụ photon. Còn khi xảy ra hiện tượng J ) h á t xạ photon, linh kiện lại biến đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng.

12.2. QUANG ĐIỆN TRỞ

12.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Trên một đế bằng gôm, sứ cách điện, một lớp vật liệu nhậy quang (có hiệu ứng quang điện mạnh) thường là tinh thể hỢp chất bán dẫn như Sunfit Cadimi (CdS) hay Sunfit Chì (PbS), PbSe, PeTe... được gắn

Chương 12

227

lên vối một kích thưóc h ình học đưỢc định sẵn (bề dài, bề rộng, bề dầy, hình dạng...) Cấu tạo trên đưỢc bảo vệ cơ học và có cửa sổ tiếp nhận ánh sáng tạo th àn h một quang điện trở (ví dụ h ìn h 12.2) kh i được chiếu sáng, giá trị điộn trở của quang trở giảm.

Cường độ ánh sáng chiếu vào càng mạnh, giá trị quang trỏ càng giảm.

Mỗi loại vật liệu dùng làm quang điện trỏ nhạy cảm vói 1 bưốc sóng nhâ't định của ánh sáng (được gọi là độ nhậy phổ của quang trở) thể hiện trên đồ thị hình 12.3 và 12.4. Các đồ thị phổ thường có dạng hình chuông và đạt cực đại tại một bưốc sóng nhất định. Ví dụ đồ thị hình 12.3 cho biết tại bước sóng ánh sáng X - 0,65 |.im độ nhạy quang của quang trở là lốn nhât (loại ánh sáng màu hồng tươi). Một số loại quang trở khác nhạy ở bước sóng màu xanh lục, màu xanh da trời hoặc màu da cam (hình 12.4).

Hình 12.2. Quang điện trở (câu tạo và ký hiệu

quy ước).

của quang trở. Hình 12.4. Độ nhậy phổ của môt số loại quang trỏ.

' Thường khi cường độ sáng thay đổi, giá trị quang trỏ thay đổi theo chỉ sau 1 thời gian trễ tương đôl lớn (cỡ mili giây — ms).

Giá trị của quang trở còn phụ thuộc nhiệt độ, tuy nhiên cần chọn loại vật liệu có hệ sô" nhiệt nhỏ và thường khi chiếu sáng mạnh thì hiệu ứng nhiệt giảm.

228

12.2.2. Tham sô định mức và tham số giới hạn

• Các tham sô" danh định của quang trở là• Điện trở tôì Ro là giá trị của quang điện trở khi tôi (sau khi

ngừng chiếu sáng 1 phút).• Điện trở sáng Riooo giá trị của quang trở khi cường độ chiếu sáng

là 1000 lux.• Bước sóng có độ nhạy quang cực đại Ằ.KS là bưóc sóng xảy ra hiệu

ứng quang điện mạnh nhíít.• Thời gian bám t,.: quang trở (đang tốì) đưỢc chiếu sáng vói cưòng

độ 1000 lux. t,, là thời gian để dòng điện trên quang trở đạt được 65% giá trị dòng ứng với R,ooo-

Các số liệu ví dụ:Ro ~ IMQ đến lOOMQ Riooo * lOOQ đến 2kQ t,.~ Ims đôn 3ms

• Các tham số’ giới hạn:• Công suất tiêu hao cực đại cho phép Ptoi,• Điện áp làm việc cực đại cho phép Ua• Nhiệt độ môi trường lớn nhất cho phépVí dụ giá trị cụ thể:

Pk,, = 50mW đến 2W U, = lOOV đến 250V T n . . x = 7 0 " C

12.2.3. ứng dụng

Quang điện Lrở được sử dụng rất phổ biến trong các mạch íiiồn khiển, điểu chỉnh tự động nhờ ánh sáng, mạch đo ánh sáng hay các t-hiết bị tự dộng dùng cảm biến ánh sáng. Có thể sử dụng quang trở trong các mạch khoá chuyên mạch quang hoặc làm bia trong các hệ thống biến đôi hình ảnh quang thành hình ảnh tĩnh điện ở camera... Nhược điểm lớn nhất của quang điện trở là việc hoạt động có quán tính lớn.

10° 10'

Hình 12.5. Sự phụ thuộc của điện trỏ quang vào cường độ sáng Ey.

229

12.3. TẾ BÀO QUANG ĐIỆN VÀ PIN MẶT TRỜI

12.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Tế bào quang điện và pin mặt tròi là các bộ biến đổi năng lượng từ quang sang điện. Các phần tử này có tính chất của một nguồn sức điện động được đặc trưng bởi 2 tham số điện áp hỏ mạch và điện trỏ trong, về cấu tạo, có phân biệt hai loại tế bào quang điện Selen và tế bào quang điện Silic. Về nguyên lý, pin mặt tròi thuộc dạng tế bào quang điện Silic tạo ra năng lượng không có khí thải CO2 nên được gọi là nguồn năng lượng sạch có nhiều ứng dụng trong hiện tại và tương lai, hoạt động tin cậy trong môi trường nhiệt độ tương đối cao và làm việc dài hạn tốt.

Tế bào quang điện là phần tử quang biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

12.3.1.1. Tê bào quang điện SìlicCấu tạo của một tế bào quang điện Silic gồm 1 phiến đớn tinh thể

Si loại p được phủ 1 lớp mỏng ( l Ị n m đến 2|j.m) lớp bán dẫn loại n (hình 12.6). Do hiện tượng khuếch tán hạt đa số, xuất hiện một vùng điện tích không gian (do các ion tạp chất cho bên n và tạp chất nhận bên p tạo ra) và trong vùng này xuất hiện một điện trường (12.7).

Tia ánh sáng chiếu tới

f I I T ,f" T ........f\"...

p

Đế đơn tinh Si loại p

Hình 12.6. Câu tạo tế bào quang điện.

11i

11ì1

: t

Đ

♦ ♦

Ỗ

• • 4

en

" 4

e - •..

i

, cD 0 p €

r

)

-

f f l ---------- ■;

... Điện tử tự do

_ Lỗ trống tự do

Hình 12.7. Sự giải phóng quang hạt do ánh sáng chiếu vào tình thể.

Do vùng n rất mỏng, được phủ một lớp trong suô"t bảo vệ, khi được chiếu ánh sáng, các điện tử được hấp thụ năng lượng của photon nên được giải phóng khỏi liên kết hoá trị trở thành điện tử tự do và nhò tác động của điện trưồng tiếp xúc, chúng tụ tập tại vùng n (hình 12.8).

Điện tử tự do (thừa điện tử)

Vùng trung hoà điện

/ 1 ismĐiện trường

ị# •Lỗ trống tự do (thiếu điện tử)

Hình 12.8. Sức điện động quang đỉện xuất hỉện trên bể mặt tinh thể.

Vùng lớp chắn bên n là cực âm của tế bào quang điện

230

Các lô trông xuất+iiện (do điện tử được giải phóng khỏi liên kết tạo ra liên kết bị khuyết) chuyển dịch về vùng bán dẫn p.

Vùng lớp chắn bên p là cực dương của tế bào quang điện

Tế bào quang điện loại đưỢc mô tả như trên đưỢc gọi là tế bàoquang điện loại N trên p (hình 12.9). Loại tế bào quang điện p trên Ncó cấu tạo mô tả trên hình 12.10 ít gặp hờn do có một vài nhược điểm.

Hình 12.9. Ký hiệu tê bào quang điện loại N/P.

Hinh 12.10. Câu tạo tế bào quang diện Silic loại P/N.

Một tế bào quang điện thường có hiệu suất biến đổi năng lượng từ quang sang điện thấp (do hiện tưỢng hấp thụ năng lượng quang gây tổn hao lớn). Theo mô hình lý thuyết vùng năng l ư ợ n g trong vật lý l ư ợ n g tử, chỉ những photôn (quang lượng tử) có bước sóng xác định mới có tác động gây ra nhảy mức cho điện tử chuyển chúng từ vùng hoá trị lên vùng dẫn tạo ra các điện tử tự do (gọi là quang điện tử) trong vùng dẫn. Các vật liệu bán dẫn thường có bề rộng phổ năng lượng hẹp và chỉ nhậy cảm quang trong vùng ánh sáng màu nhất định. Bên cạnh tổn hao do hiện tưỢng hấp thụ còn xuất hiện nhiều dạng tổn hao khác do kết cấu vật liệu làm điện cực, do hiệu ứng phản xạ hay khúc xạ ánh sáng tới...

Tế bào quang điện là một nguồn dòng điện vổi dòng ngắn mạch i|( hay Đồ thị biểu diễn quan hệ điệp áp - dòng điện của 1 tế bào quang điện được cho trên hình 12.1 la.

Dòng ngắn mạch, phụ thuộc mạnh vào cường độ tia sáng [W/m^]

Do vậy, điện áp hở mạch gần như ít phụ thuộc vào cường độ tia sáng và tăng khi nhiệt độ của tế bào tăng. Khi làm việc với một điện trở tải xác định, tế bào quang điện cung cấp một công suất p = U.I cho tải (ở đây u , I là các điện áp và dòng làm việc trên tải. Đơn vỊ Watt đỉnh trên (Wp/m^) là công suất danh định của tế bào quang điện ỏ 25®c với cường độ tia sáng chiếu vào bằng lOOOW/m . Công suất đỉnh đạt tới 1 giá trị lớn nhất (Maximum Power Point - MPP) tại 1 điểm làm việc lý tưởng, phụ thuộc vào cường độ tia sáng (hình 12.1 la). Tỷ sô" công suất MPP với tích số Ui,„ và I n g n , có giá trị từ 0 đến 1 và được gọi

231

là hệ so> sử dụng (hộ sô" lấp đầy) của tế bào quang điện, cầ n chọn giá trị tải tối ưu khi sử dụng tô" bào quang điện để nó luôn làm việc ở chế độ có công suâ"t đạt tới giá Irị MPP.

J_4 .50A

4.00

3.50

3.00

2.50

2.00

1.50

1,00

0,50

0,00 0,00

^ M P P

1000W/m2

. /750 \/V/m2 /

// 500W/míí

/

---------------- 4------1

250 W/m2/ ■ "N \ \ \

\ \ \\/ \ \ 1___ ___ 1

10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

V

Hình 12.11a. Đặc tuyến VA của modun pin mặt tròi và đồ thị còng suất.

Tê" bào quang điện (pin mặt trời) có 3 dạng cơ bản được phân loại theo công nghệ che" tạo:

• Dạng theo công nghệ màngmỏng sử dụng 1 lớp Si rất mỏng làm đô" cấu ti úc loại nàythưòng có hiệu suất quang điện thấp (cỡ 7%) mặc dù trong phòng thí nghiệm với những điều kiện tô"i ưu có thể đạt tối 13%, giá thành loại này tương dốì cao.

• Dạng pin mặt tròi theo công nghệ đa tinh thể, đưỢc hình thành từquá trình thiêu kết Silic thổ lỏng, có Hinh 12.11b. Modun M110/24 của Siemens.thể đạt hiệu suất năng lượng tổi 18%.

• Dạng pin mặt tròi theo công nghệ đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất năng lượng tới 23%.

Điện áp ra của một tế bào pin mặt trời khoảng 0,6V nên thực tế nếu chỉ sử dụng đơn lẻ sẽ kém hiệu quả. Thực tế cấu tạo là các modun gồm nhiều tế bào riông lẻ ghép nốì tiếp nhau, ví dụ vối 40 tế bào sẽ nhận đưỢc mức điện áp ra 40 X 0,6V = 24V. Dòng điện ra đưực nâng cao nhờ mắc song song nhiều modun như trên (hình 12.11b và hình

232

12.11c). Các chỉ tiêu thông số kỹ thuật của pin mặt trời dạng modun M110L/24V của tập đoàn Siemens đưỢc cho trên hình 12.11c.

Công suất cực đại (±10%) 110Dòng làm việc \f^pp A 3,15Điện áp làm việc U|^pp V 35Dòng ngắn mạch lsc(**) A 3,45Áp hở mạch Uq V 43,5

Nhiệt độ danh định °c 45

Hệ số nhiệt của dòng ngắn mạch 1/K +4.10-''Hệ số nhiệt của áp hở mạch 1/K -3,4.10-^

Tham số giới hạn

Nhiệt độ bảo quản -40 + 85Nhiệt độ môi trường °c -40 + 50Áp lực bề mặt N/m^ 2400

Điểu kiện làm việc lâu dài

Dải nhiệt độ -40 + 85Độ ẩm 85 tương đối

Thông số cơ khí

Chiểu dài X rộng mm 1307x652Chiều cao mm 5Độ cao các mối nối mm 42Trong lương kg 9,5

(*) Công suất đỉnh ở điều kiện chuẩn Tc = 25°c và E = 1000W/m^

(•*) ở nhiệt độ T = 25“C và E = 1000W/m^

Hinh 12.11c. Sô' liệu kỹ thuật của modun pin mặt tròi Siemen M110/24V

12.3.1.2. Tế bào quang điện SelenTô' bào quang điện Selen có cấu tạo

là một lốp chắn hình thành giữa lớp Sclen đa tinh thể với lớp Oxyt Cadimi (CdO) (hình 12.11).

Khi được chiếu sáng, một sức điện động quang xuất hiện do hình thành quang

CdO. Seien -

Ánh sáng tới

/ / /Lớp chan Ni

FeHình 12.11, Câu tạo pin

quang điện Selen.

233

điện tử tại lớp CdO và quang lỗ trốhg tại lớp Selen. 'iYong khi các tếbào quang điện loại Silic có hiệu suất khoảng 10% và có thể cung cấp một công suất 10mW/cm^ dưới ánh sáng mặt trời thì tế bào quang điện Selen cho hiệu suất 10% với công suất chỉ khoảng lmW/cm^ trong cùng điều kiện chiếu sáng. Tế bào Selen cho mức điện áp ra hờ mạch khoảng 0,3V. Đồ thị hình 12.12 cho quan hệ điện áp hở mạch và cường độ sáng của hai loại tê bào quang điện Silic và Selen. Quan hệ giữa dòng ngắn mạch Ik và cường độ chiếu sáng được cho trên hình 12.13. Độ nhậy phổ của hai loại tế bào quang điện Silic và Selen cho trên hình 12.14 thể hiện loại Selen nhậy cảm ở vùng ánh sáng nhìn thấy và loại Silic ở vùng ánh sáng hồng ngoại.

Hình 12.12. Sự phụ thuộc của điện áp hở mạch của tế bào Silic và tê' bào Selen

vào cường độ sáng.

Hình 12.13. Sự phụ thuộc dòng ngắn mạch vào

cưdng độ sáng.

100

50

10

Khoảng nhậy sáng của mắt ngưòì

/ / \ '•x Ánh sáng đèn sợi nung

\ \\.^Si

\V .

02 04 0.6 0.8 10 V2 1,4 \6 w r4:|jm

Hình 12.14. Độ nhậy phổ của tê' bào Si và Se.Độ nhậy của mắt và phân bế phổ của đèn sợi nung.

12.3.2. Các tham số định mức và tham số giới hạn của tế bào quang điện

Nhóm tham số’ danh định (định mức) của tế bào Silic bao gồm:Al mặt phẳng nhậy quang (cõ « 3,72cm'^).

234

Uomax điện áp hỏ mạch cực đại (ví dụ 0,58V)

iKmax dòng diện ngắn mạch lốn nhất (130inA)

Xác định khi độ chiếu sáng lOOklx.

công suất cực đại (« 60mW)E độ nhậy quang (mức tăng dòng ngắn rnạch khi tăng cưòng độ

sáng lên llx) («l,3|aA/lx).Ầks bưốc sóng tại đó độ nhậy đạt cực đại (a 0,7|im).Nhóm các tham số giới hạn:Nhiệt độ môi trường làm việc: - 40°c đến +125°c (trường hỢp đặc

biệt có thể tới 200°C).Điện áp nguỢc (thưòng chỉ từ IV đến ‘zV).

Ánh sáng,Lớp khoá

- á —Ký hiệu

Hình 12,15. Nguyên lý cấu tạo và ký hiệu của photodiot vói cưởng độ sáng

là tham số.

12.4. PHOTO DIOT

12.4,1. Câu tạo và hoạt động

Photo diot là 1 tiếp xúc pn (dạng hình 12.15) làm từ loại vật liệu bán dẫn Silic hay Gemani nhậy cảm với tác động quang. Câ'u tạo của photo diot thường có một vùng tương đô"i rộng trong suôt với ánh sáng chiếu vào (trực tiếp tại vùng chuyển tiếp pn). Photo diot luôn làm việc ở chế độ phân cực ngược và hoạt động gần như không có quán tính. Khi chưa đưỢc chiếu sáng, dòng qua diot là dòng điện ngược của tiếp xúc pn nên có giá trị nhỏ (đưỢc gọi là dòng điện tỗì). Khi điícic chiếu sáng, xuất hiện các quang hại, tụ' do (điện tử và lỗ trông) đưỢc điện trường phân cực ngưỢc gia tốíc (điện tử xuất hiện trong vùng p, lỗ trông trong vùng n), làm dòng điện ngưỢc tăng mạnh theo cường độ chiếu sáng và theo mức độ giá trị điện áp phân cực ngược. Quan hệ giữa dòng ngưỢc I[{và cưòng độ sáng Ev là tương dối tuyến tính (hình 12.16). Điều này đặc biệt tốt khi dùng photo diot để đo cường độ ánh sáng.

Cường độ dòng điện quang qua photo diot tăng tỷ lệ với cường độ ánhsáng tác động vào photo diot.

Hình 12.16. Sự phụ thuộc của dòng điện ngược Ir vào cưòng độ sáng Ey.

235

Hình 12.17 biểu diễn quan hệ giữa dòng quang điện với điện áp ngưỢc đặt lên photo diot khi được chiếu sáng với các mức (cường độ) khác nhau. Mỗi loại vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photo diot nhậy cảm với một bước sóng ánh sáng nhất định được thể hiện trôn đồ thị quan hệ độ nhậy phổ ỏ hình 12.18. ở đây loại photo diot làm từ Silic nhậy ở vùng bước sóng 0,85|.im còn từ Gemani ở vùng bước sóng l,5|im .

Hinh 12.17. Họ đặc tuyến Ir-Ur của photo diot vói cưòng độ

sáng là tham số.

Hinh 12.18. Độ nhậy phổ của photo diot Silic và photo diot

Gemani.

12.4.2. Tham số của photo diot

Độ nhậy quang E (nA/lx) thể hiện mức tăng của dòng quang điện khi tăng độ sáng lên 1 lux.

Bước sóng nhậy quang Ầp;s (^m).Tần sô" làm việc giối hạn fj,; điện dung lớp chắn Cs- Dòng điện tổi Ij (với 1 điện áp khoá nhất định).Diện tích làm việc Al (diện tích đưỢc chiếu sáng)Ví dụ E = 120nA/lx

Ằ,ES = 0,85f.im

= 1MHZ Cs= 150pF (với Uij= OV)20pF (với Ur= 20V, ƯR là điện áp khoá đặt lên photo diot)1,1 = 500nA

Điện áp khoá cho phép (20V đến 30V)Nhiệt độ làm việc (-50“c đến +100°C)

236

12.5. PHOTOTRANSITO

12.5.1. Cấu tạo và hoạt động

Phototransito là một loại transito silic đặc biệt có cấu tạo trong suô"t với ánh sáng ở phần bazơ. Hình 12.19 đưa I’a ký hiệu một số loại phototransito. Có thể biểu diễn một phototransito như cách kết hỢp một tế bào quang điện hay một photo diot với mộttransito như hình 12.20. Ánh sáng tác động tạo điện áp tương tự như điện áp phân cực cho transito và cường độ ánh sáng thay đổi sẽ điều khiển dòng phân cực thay đổi. Độ nhậy củaphototransito rõ ràng là cao hơn so với photodiot hay tế bào quang điệndo hiệu ứng khuếch đại dòng điện của transito (tăng lên B lần). Hình12.21 cho đặc tuyến Ip - U K của phototransito ứng với các trường hđp cliiếu sáng có cưòng độ khác nhau. Bưốc sóng ánh sáng thích hỢp vối loại phototransito (tương tự như photodiot từ vật liệu Silic) trong khoảng 0,8|.im đến 0,85 |.im).

— c E

— c E- V

— c E~—

B

— c E -

B

BPNP-

transito quang

ĐNPN-

transito quang (phototransito)

Hình 12.19. Ký hiệu photo transito.

‘Í/b

€ )

-ƠB

Hinh 12.20. Tương đưđng của phototransito.

AụA

10

10

\Ó

10

— — m f w iu^ ■

*ỉrYYìiw

1 nnniw

300 Ik

inn i«

301»

10 15

Hình 12.21. Họ đặc tuyến Ic - UcE của phototransiỉo.

237

12.5.2. Tham sô của photo transito

Dòng colectó (vối E = 1000 Ix, U c E = 5V) lúc chiếu sáng I c h ( v í dụ 0,3niA).

D òng colectơ lúc tối led (0,2|iA).

Bước sóng nhậy quang A,ES (0,85|.im).

Độ nhậy quang E (0,15|iA /lx).

(các sô liệu cho trong ngoặc là giá trị ví dụ).

?A ?A

p )n n —§ 5p 13n r"i

»K AK

12.6. PHOTOTHYRISTO12.6.1. Câu tạo và hoạt động

Cấu tạo photo thyristo tương tự như thyristo gồm 4 lớp xen kẽ pnpn vối 3 cực ra anot, katot và

cực điều khiển G (hình 12.22). ở G

vùng chắn thuận, chuyển tiếp pn nằm giíia bị khoá. Qua cửa sổ trong suô"t, khi có ánh sáng chiếu vào vùng này, năng lượng photon làm giải phóng các quang h ạt nên lớp ch u yển tiếp giữa ch u yển sangdẫn điện làm tăng dòng quang (là dòng ngược của lớp chắn nằm giữa). Việc mô tả cấu tạo photothyristo như trên hình (12.23) gồm 2 transito sẽ giải thích được quá trình điều khiển nhò xung ánh sá n g tác động mồi photonthyristo (hình 12.24). V iệc chọn trị sô" điện trở Rgk (trên hình 12.24) càng lón thì giới hạn yêu cầu cường độ ánh sá n g tốì th iểu của xung ánh sáng mồi SCR càng thấp. Sau khi đưỢc m ồi, SCR hoạt động như một thyristo thông thường ở trạng thái đ iện trở thấp chừng nào dòng điện làm việc còn cao hơn mức dòng điện duy trì.

Hình 12.22. Câu tạo và kỷ hiệu của photothyristo.

>5Go- <

Rl-04

K

Hình 12.23. Mạch thay thế của photothyristo. Hình 12.24. Mạch sử dụng photothyristo.

238

ỹA

Ga--o

G ần đây, loại thyristo có 4 cực (thêm 1 cực đ iều kh iển Ga bên cạnh Gk, A và K) được gọi là S ilicon Controlled Sm ith (SCS). s c s được ch ếtạo với m ục đích có thể điều khiển ngược SCR từ trạng thái đ iện trởthấp về lạ i đ iện trở cao với các phương thức hoạt động.

a) N hò 1 xu n g âm vào Gk ( s o với K).b) N hờ 1 xu n g dương vào Ga ( s o với K).c) N hò giảm dòng làm việc xuống thấp hơn

dòng duy trì.T rên cơ sở đó photothyristo 4 cực được ch ế

tạo với phương thức điều khiển tương tự nhưng nhờ xu n g ánh sá n g theo hai chiều lậ t từ trạng thái đ iện trở cao sa n g trạng thái điện trồ thấp (mồi) hay ngược lại từ trạng thái điện trở thấp về lại trạng th á i đ iện trở cao (dập).

12.6.2, Tham số của photothyrlsto

Các tham số của photothyristo tương tự như của th yristo đã xét ở chương 10. N goài ra cần chú ý các tham số và đặc tính sau:

Cường độ án h sán g mồi E,\T phụ thuộc vào độ lớn của điện trở Rgkvới dòng tả i là lOOmA thể h iện trên đồ thị h ình 12.26.

Độ dài bước sóng cho độ nhậy quang cực đại (0,8õ^im) (hình 12.27).

iK

Hình 12.25. cấu tạo của photothyristo 4 cực.

Hình 12.26. Quan hệ cưòng độ sáng mồi phụ thuộc vào độ làn của điện trỏ Rq .

fjmHình 12.27. Độ nhậy phô của một photothyristo.

12.7. DIOT PHÁT QUANG LED

D iot phát quang (Licht Em itierende Dioden - LED) thưòng có cấu tạo từ nhóm vật liệu đa tinh thể: hỢp chất Gali A senit, Gali A senphotphorit (Ga As) (Ga AsP) hay GaP thực hiện quá trình biến đổi năng lượng kiểu điện - quang. Cấu tạo của m ột LED gồm 1 đế bán dẫn loại n trên có phủ1 lóp bán dẫn loại p nồng độ cao dầy cỡ l(am - H ình 12.28.

239

LED hoạt động khi được phân cực thuận.Ánh sáng

u

Hình 12.28. Câu tạo của LED

Theo lý th u y é t vùng n ăn g lượng, đ iện tử tự do trong vù n g dẫn của bán dẫn pha tạp loại n nằm ở mức n ăn g lượng cao Eọ (h ình 12.29) so với các điộn tử hoá trị (nằm ở mức n ăn g lượng thấp Ej). V iệc ch u yển ròi điện Lử từ E.2 dến E| g iải phóng ra năng lượng AE - E2 - Ej ở dạng 1

E - Exung ánh sán g . Với 1 bước sóng xác đinh Ằ = c/f. H ay f = —=------- . Ánh

hsán g LED p h át ra là đơn sắc (có 1 tần số) và h iện tượng đưỢc gọi là sự phát xạ q u an g (phát xạ tự n h iên hoặc phát xạ k ết hỢp, xem h ìn h 12.29 và h ình 12.30). Tuỳ theo k h oảng cách giữa các mức n ăn g lượng vùng dẫn E2 và vù n g hoá trị Ej k h i xảy ra nhảy mức từ Ej lên E, do hấp thụ và sau đó p h át xạ, ánh sán g do LED p h át ra có m àu khác nhau: hồng ngoại, đỏ, vàng, xanh lá cây hay xanh lam ... H iệu su ấ t biến đổi cao n h ất đạt được ở nhóm LED hồng ngoại (với công su ấ t cỡ 20 đến 50 lần lớn hơn của LED ánh sán g đỏ) ở bước sóng phát ra 0,9).im đến 0,94|am.

DìoL p h át quang làm việc gần như không có quán tính và được dùng để đ iều ch ế tín h iệu (analog hay d ig ita l) trong dải tần M H z. Với thời g ian làm việc khoảng 10* giờ.

E2Vùng dẫn

Photon í = h

’ ' 0 0 o o oVùng hoá trị

Hình 12.29. Phát xạ tự nhiên.

240

En

E2

E1

e -e - ẹ - G - Q oVùng dẫn

PhotonPhoton

Photon

e -Q- -.-0 o oVùng hoá trị

Hình 12.30. Phát xạ kết hợp.

12.7.2. Tham sô' của LEDCác tham số của LED có th ể chia th àn h 2 nhóm:* N hóm th am sô" quang;D iện tích p h át sá n g A (ví dụ từ 0 ,5 đến 30mm^).Cường độ ánh sá n g ĩv (từ 2 đến õ m ilican d ela — mcd).D òng quang th ôn g ệ (khoảng 2m lm (m ililum en).(Vối dòng k ích th ích Ip = 20m A ).Đ ộ dài bước són g p h át xạ /\.p {660nm ).Góc mở a (từ 25^ đến 60°).* Nhóm các th ôn g s ố điện có:Đ iện áp mở Up và đ iện dung lớp khoá Cg.Đ iện áp khoá cực đại cho phép (3V)D òng thuận cực đại cho phép Ipniax (50m A).Công su ấ t cực đại cho phép Ptot (công su ấ t tổn hao) (120m W ).N hiệt độ tối th iểu và tỐì đa của môi trường làm việc ( -4 0 °c đến

+ 100"C).

LED đưỢc sử dụng chủ yếu làm đèn ch ỉ th ị số

(loại 7 vạch) hay các m a trận quảng cáo tran g tr í điện tử. Khi k ết hỢp các LED từ ng cụm với 3 m àu cơ bản: đỏ, xanh da tròi và xanh lá cây thành ma

trận các điểm ảnh có th ể tạo ra các bức ảnh m àu điện tử kích thước lỏn th ể h iện các m àu tự n h iên theo nguyên lý trộn m àu như trong cách tạo ảnh m àu của kỹ th u ậ t tru yền h ìn h .

Hình 12.31. LED7 vạch.

le-LKDIỆNTỬ241

12.8. LASER BÁN DAN

Dòng năng lượng vào (bơm kích tí’ch sơ cấp)

Phần tích cực của Laser

LASER (Light Am plification by S tim ulated E m ission of R idiation) là loại diot bán dẫn có khả năng phát ra các bức xạ kết hỢp khi được kích thích bởi một xung ánh sáng (do phát xạ tự nh iên tạo ra). Các phôton trong quá trình này (phát xạ tự nh iên và cưỡng bức) có cùng bước sóng, cùng pha và cùng hướng (gọi là các bức xạ kết lìfp) (hình 12.30). M uốn xảy ra hiệu ứng phát bức xạ kết hỢp cần tạo ra b ạn g thái tập trung các điện tử với m ật độ cao tại vùng dẫn có năng lượriỊ: cao hơn so với ở vùng hoá trị (được gọi là trạng thái nghịch đảo m ật độ) nhò kích thích (bơm quang học) sơ cấp đẩy các điện tử từ vùng hoá trị ên vùng dẫn một cách ồ ạt. Bức xạ do h iệu ứng nhảy của các electroi từ mức năng lượng cao xuông mức năng ỉượng thấp tạo ra đưỢc m ột lệ thông cộng hưông quang học (ví dụ như hộp cộng hưỏng Fabri---Perot khuếch đại lên ĩih iều lần trước khi cho phái ra iriôi trưòng. Hốc cộng iưởng có hai m ặt phang song song, một phía phản xạ toàn phần (gương p iản xạ), một phía đốì diện phản xạ bán phần, trong hôb xảy ra hiện tưỢng sóng đứng khi tia sáng laser được phản xạ nhiều lần, cường độ quang đưỢc khuếch đại trước khi theo hướng vuông góc với m ặt gương bán phản xạ được thoát khỏi hộp cộng hưởng (hình 12.32).Bức xạ la ser phát ra là 1 chùm tia song song có tính k ết hỢp (tần số xác định, cùng pha, có tính định hướng cao). D iot laser làm việc tốt ở n h iệt độ phòng, khi nhiệt độ môi trưòng lên tới 50°c thì yêu cầu dòng làm việc tăng gấp đôi để đảm bảo được cường độ tia như trước. Quan hệ giữa công su ất bức xạ và dòng điện làm việc là quan hệ tuyến tính (hình 12.33).D ải tần làm việc của diot la ser là

Ánh sáng được sử

dụng

Gương phản xạ bán phần Gương phản Xi toàn phần

Hình 12.32. Nguyên ỉý câu tạo của User.

242

l()''Hz (GHz) được sử dụng hiệu quả trong việc ghi âm và ghi hình trên các phần tử nhớ quang như CD và DVD điểu ch ế quang trong công nghệ truyền dẫn cáp sỢi quang...

12.9. SỢI QUANG DẪNV iệc truyền tín hiệu diện nhò dòng điện trong các cáp đồng gặp

nhiều nhược điểm đặc b iệt là vấn đề suy hao trên đường truyền với khoảng cách xa và dung lượng thông tin bị hạn ch ế do tốc độ truyền tả i tin tức bị hạn chế, ngoài ra điện cảm và điện dung ký sinh của cáp hạn ch ế dải tần sử dụng cáp chi tói vài MHz. V iệc sử dụng cáp sỢi quang thực h iện việc truyền dẫn tín hiệu dưới dạng sóng ánh sán g trong sỢi cáp quang m ang đến các ưu thế vô cùng to lớn so với việc dùng cáp đồng truyền thông. Cấu trúc khốĩ của một đường truyền dẫn tín hiệu dùng cáp sỢi quang dẫn được cho trên hình 12.34. D òng tín h iệu gốc qua biến đổi tương tự - sô" đưỢc chuyển đổi thành dẫy bít 0,1 (các xung điện áp) sau đó được khuêch đại, gia công xử lý trước khi tác động vào diot L aser để b iến chúng thành các xung ánh sán g và đưỢc đưa trực tiếp vào cáp sỢi quang truyền dẫn trôn những khoảng cách xa (tới hàng chục ngàn km) với mức suy hao Lhấ]) và đưỢc bù và sửa hồi phục nhđ các trạm lắp và bộ khuếch đại quang trên đường truyền của cáp. Tại dầu cuôl của cáp sỢi quang phototransito hay photodíot được sử dụng để biến đổi tín h iệu quang về lại các xung điộn ban đầu trước khi được hồi phục qua b iến đổi SÔ -- tương tự thành tín hiệu analog ban đầu. Sợi cáp quang có cấu tạo gồm 2 phần: lõi (sỢi quang dẫn) và vỏ bảo vệ; ch iết su ất quang của chúng được lựa chọn đố xảy ra h iện tượng phản xạ toàn phần của tia sán g trong phần lõi (không thoát ra phần vỏ được). Nhò dỏ tia sán g do L asei’ phát ra được tì'uyền chì trong lõi cáp với mức suy hao thấp (cỡ 0 ,05 đến OJdB/km ). Đồ thị h ình 12.36 mô tả mức su y hao tính theo dB/km của hai loại cáp (ỉồng (lồng trục và cáp sỢi quang theo tần sô dến GHz. Cáp sỢi quang có víu diểm lón là không bị ảnh hưởng của n h iễu sóng điện từ và trong nhiều trường hỢp việc ghép quang giữa d iotlaser và photodiot là mộL phường pháp cách ly đ iện lý tưởng.

Đấu vàoA/D 0110101001

Tín hiệu số L U — — L - i l j Tín hiệu sổ

Tín hiêul . ____ Đau ra■ tín hiệu được sử

tương tự

tín hiệu Bộ biến đổi Bộ khuếch L£D quang cian gộ 0Ộ khuếch dungtương tự so - tương tự đại số - tương tự đại

Hình 12.34. Đặc tuyến dẫn LWL.

243

Tia sáng

Hinh 12.35. Sợi quang dẫn.

Hỉnh 12.36. Bể rộng dải tần và suy hao.

NhưỢc điểm của cáp sỢi quang là h iện tưỢng tán xạ ánh sán g gây ra méo dạng tín h iệu xung (giãn xung về m ặt thòi gian) và có thể làm m ất (lỗi) b ít (h ình 12.37) đồng thòi xảy ra các h iệu ứng phụ khi ghép nôl cáp sỢi quang bằng phương pháp hàn đặc b iệt là h iện tưỢng suy hao cường độ tín h iệu quang (hình 12.38).

km

Hình 12.37. Ảnh hưởng của tản xạ.

244

Lối vào Lối ra

tâm trục qùang sợi Hình 12.38. Hàn cáp quang

12.10. BỘ GHÉP QUANG

12.10.1. Cấu tạo và hoạt động

Mỗi bộ ghép quang (còn gọi là biến áp quang) bao gồm 2 phần: phần phát ánh sáng và phần thu quang (liình 12.39). Các loại diot phát quang (thường côn g tác ở v ù n g á n h sá n g 12.39.

hồng ngo<‘ỊÌ) làm bộ phát quang vối h iệu su ấ t tô"t nhất. Bộ thu quang thường là các photodiot hay phototransito , photothyristo hoặc photo d arlin g ton tran sisto (với hệ số khuếch đại dòng điện rất lớn). Các bộ ghóp quang quan trọng n h ất được cho trèn hình 12.40.

Bộ phát Bộ thuquang quang

Lối vào Lối ra Lối vào Lối ra

Diot phát quang Photodiot Thyristos quang

Hình 12.40. Bộ ghép quang.

245

cư>

- . K K , -

oXi

Q¿5xQ25-

^7.6 i 0,2-Ȓ-

2.54

f k e

i1__ 4E U 3 . •ĨQ O

7.6TS5.TST'QTar

t 3 i

. ____________

f- • — lasit-------► S2.0.3 -

Hinh 12.41. Vài dạng kết cấu vỏ của các bộ ghép quang (Siemens).

12.10.2. Tham số định mức và tham số giới hạnCác th am số’ giới hạn của bộ ghép quang gồm có:

Với d iot phát qu an g (phần phát):

Đ iện áp khoá ƯK (ví dụ 3V)

D òng điện thuận Ip (60m A)

C ông su ấ t tổn hao Pi„t(100mW)

Vối p h oto tran sito (phần thu)

Đ iện áp khoá colectó - em itơ UcEo (7 0 V )

Điện áp khoá emitđ - bazd U ebo D òng colectd lemax(lOOmA)

C ông su ấ t tổn hao Ptot (150m W )

Các th am số đ ịn h mức có:

Với phần p h ất (d iot phát quang):

Đ iện áp thuận Up (1,5V với Ip = 60m A )

D òng điện ngược Ir (lO nA khi U r = 3V)

Với phần th u (phototransito).

Đ iện áp colectơ - em itơ bão hoà UcKSai (0,3V)

ỉ !ộ sô’ khuếch dại dòng (ỉiộn 1 chiểu B (300 đến 700)

246

Bộ ghép quangHệ sô biôn đổi dòng điện Ic/Ik = 80 đến 300 Đ iện áp thử cách điện U|,= 4000V Tần SC) giới hạn f = 1 0 MH/,

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1. H iệu ứng quang điện trong ỏ các châ't bán dẫn quang là gì?2. H ãy giả i th ích ý nghĩa đại lượng "độ nhậy phổ" đối với cấu k iện

quang điện?3. Phần biệt giá trị điện trở tốì và điện trở sáng của m ột quang điện trở.4. T ế bào quang điện làm việc như th ế nào? G iải th ích sự xu ất h iện

sức đ iện động quang.5. Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động của photodiot.6. H ãy phân b iệt photodiot và phototransito?7. Mô tả nguyên lý hoạt động của photo thyristor.8. Giải th ích cấu tạo và hoạt động của diot phát quang.9. Bộ ghép quang là gì? Cấu tạo của bộ ghép quang gồm những phần

tử nào ?

247

các céu KIỆN B^N D^N ĐỢC BIỆT

13.1. BỘ PHÁT SÓNG HALL

13.1.1. Hiệu ứng HallCác điện tử khi được đặt trong m ột từ trường sẽ ch ịu 1 lực tác

động tương tự như kh i chúng được đặt trong đ iện trường (gọi là lực Lorenz) để tạo ra dòng điện. Trên h ìn h 13.1 b iểu d iễn m ột ph iến dẫn điện kích thước nhỏ có dòng điện chảy qua nó theo hướng đồng nhất, điện trường xu ất h iện ở đây là thuần n hất (đồng nhâ't). N ếu đặt thêm 1 từ trường vào ph iến , như h ình 13.2 th ể h iện , m ỗi đ iện tử chịu tác động lực L orenz bổ xung và bị dịch chuyển về 1 hướng; đ iện trường của hệ trcí nôn kh ôn g đồng nhất: m ột phía thừ a đ iện tử và phía đốì diện nghèo đ iện tử đi. Giữa 2 biên xu ất h iện m ột đ iện áp gọi là đ iện áp H all và h iện tượng vừa mô tả gọi là h iệu ứng H all do nhà vậ t lý Mỹ tìm ra năm 1879.

Sức điện động H all (tạo ra m ột điện áp H all) k h i có tác động đồng thòi với đ iện trường thuần nhất m ột từ tritòng lên m ột phiến dẫn điộn.

Chương 13

Hướng chuyển động của dòng điện tử

/et

Hình 13.1. Điện trưòng thuần nhát đặt lên máy phát Hall.

Hình 13.2. Tử trường tạo ra sự không đổng nhất của điện trường.

13.1.2. Điện áp Hall

Đ iện áp H all xu ất h iện trong mô hình 13.2 càng lớn k h i các phiến càng mỏng, khi cường độ dòng điện càng lớn và k h i m ật độ từ thông càng lớn. N goài ra độ lớn của điện áp H all còn phụ thuộc vào loại vật liệu dẫn làm các p h iến đ iện cực (hình 13.3).

248

K ết quả ngh iên cứu hiệu ứng H all dẫn tới hệ thức.

ở đây U h là đ iện áp H all xuất h iện do h iệu ứng Hall;

Rh h ằn g số H all.I dòng chảy qua phiến cực.B m ật độ từ thông,

d B ể dầy các phiôn cực.

Rf[ phụ thuộc nồng độ các hạt dẫn tự do và độ linh động của chúng, ví dụ với các v ậ t liệu kim loại có Rh~ 10"®m^/As nên h iệu ứng H all xuất h iện yếu. Với v ậ t liệu bán dẫn, hằng số H all lớn hơn.

Ví dụ InSb (A ntim onid Indium ) Rị|~240.10"®m^As

In As (A sennid Indium ) R n~120.10‘®m®/As

Khi sử dụng các loại vật liệu trên, điện áp H all nhận được cỡ vài V, R|Ì nhìn ch u n g còn phụ thuộc nh iệt độ.

1 3 .1 .3 . C âu tạ o

Hình 13.4a cho dạng đồ thị quan hệ phụ thuộc điện áp Hall vào mật độ từ thông Un - B và hình 13.4b đưỢc đưa ra ví dụ kích thước các phiến của một bộ phát Hall.

Z.B. 6mm)Hình 13.4. a) Đồ thị quan hệ Un - B; b) Kích thước của một máy phát Hall dạng mặt phẳng.

Khi chọn ch iều dài c và chiều ngang a của phiến đều nhau (c = a) điện áp H all xu ất h iện chỉ đạt giá trị 75% trị lớn nhất. Khi chọn c đủ lớn hơn a (p h iến cực của m áy phát H all vừa dài vừa m ỏng (vài i-im)

249

hiệu ứng đạt cực đại. H ình 13.5 đưa ra cấu tạo và ký h iệu quy ước củabộ phát H all. V ật liệu làm đ ế cần chọn loại có độ dẫn từ tô t (ví dụ loạiFei’ñ t m ềm ). Bộ phát H all là một nguồn có nội trở khoản g lừ IQ đến4Í2 tuỳ thuộc khoảng cách các phiến cực và kích thưốc của chúng.

3

Ký hiệu:1, 2. Các cực điểu khiển 3, 4. Các điện cực Halỉ

Hình 13.5. Cấu tạo và vị trí bộ phát Hall.

13.1.4. Các thông sô định mức và tham số giới hạn

D òng đ iều kh iển lớn nhất cho phép (ví dụ 600m A).N h iệt độ làm việc lớn nhất cho phép I„a,. (100°C).D òng điều kh iển định mức I„ (lOOmA).Từ trường điều khiển định mức B„ (IT).Đ iện áp H all hở m ạch U || (0,4V).(Với I„ và B„ định mức).Đ iện trở trong giữa các phiến cực R„1 (3Q)N ội trở nguồn giữa các điện cực H all Rxn (l,5 r ì).Hệ sô" n h iệt p = - 0,002/°C với I„ As

= - 0,01/°c với InSb.

ớ ch ế độ định mức, dòng n h iệt làm nóng bộ phát H all là nhỏ nhất và có quan hộ rất tuyến tính giữa I, B và ư ||.

Có thể tính đưỢc sự biến th iên AUh của điện áp H all do n h iệt độ gây ra nhò hệ số nh iệt p.

Aưịi — U ] I 2 0 . ị3AT

ở đây AU,J là lượng biến th iên của điện áp H all khi rh iộ t độ môi trường thay đổi 1 lượng AT và Uị|90 là đ iện áp H all đo đượ; ở n h iệt độ phòng T° = 20'’C.

13.1.5. Các ứng dụngCó thể đưa ra 5 ứng dụng điển h ình của bộ phát Hall:1. Đo mật độ từ thông B. Khi giữ dòng điện điều khiển cô" dịnh, điện áp

Hall tỷ ]ệ vối mật độ từ thông B. Bộ phát Hall nhỏ (kích thưốc zmm X Imm) dùng để đo từ tritòng không đồng nhất. H ình 13.6 chỉ ra nguyên lý đo dòng điện 1 chiều, Lổng hai điện áp Hall tỷ lộ với cường độ dón: điện.

250

2. Đo tích số I.B nhò việc xác định điộn áp H all do chúng có quan hệ tỷ lệ với nhau (xem hệ Lhức trang 249). Bộ phát H all làm việc như một bộ nhân. Do m ật độ từ thông lại tỷ lệ với dòng điện gây ra nó I m ,

nên ở trưòng hỢp này điện áp Hall tỷ lệ với tích sô’ hai dòng điện. Kết quả trên được ứng dụng trong kỹ thuật điều kh iển và điều chỉnh.

3. B iên độ của điện áp H all xoay chiểu xuất h iện ở bộ phát H all làm việc với từ trường xoay chiểu tỷ lệ với m ật độ từ thông B. Khi đó bộ phát H all hoạt động như một bộ điều ch ế hay như 1 bộ chỉnh lưu dòng xoay chiều không tiếp điểm .

4. M ật độ từ thông B có thê được điều k h iển nhỡ 1 công suâ^t nhỏ để nhận đưỢc m ột công su íít lốn, do vậy bộ phát H all có tính chất của một bộ khuếch đại.

õ. Bộ phát H all dùng để chỉ thị từ trường và do vậy có th ể dùng để do tốc độ quay của một động cơ (hình 13.7).

Bộ phát

Vòng xuyến làm từ /vật iiệu từ mềm

Dòng điểu khiển cố đinh

Bộ phát Hall

Dòng điểu khiển (khòng đổi)

Ùn Bộ đếmt xung

V//777777//7W /777//777/.

Hình 13.7. Đo tốc độ nhờ bộ phát Ha(l.

Dây dẫn có dòng 1 chiểu cấn đo

Hình 13.6. Mạch đo dòng 1 chiểu,

13.2. TỪ TRỎTừ trở là loại đ iện trở bán dẫn có giá trị điện trở th ay đổi được nhò

sự điều khiển của 1 từ Lrưồng ngoài tác dộng. Từ trở có ký h iệu quy ước cho trên h ình 13.8 và cấu tạo cho trên hình 13.9.

zzryB

Hình 13.8. Ký hiệu từ trỏ (điện trỏ từ). Hinh 13,9. Câu tạo của 1 điện trỏ từ.

251

m

Hình 13.10. Lớp hình uốn lượn của 1 từ trở.

13.2.1 Cấu tạo

Từ trở có thể được chê tạo từ vậ t liệu sắ t từ

(loại E) hay từ vật liệu nhân tạo (loại K). ở loại E, đ ế đưỢc sử dụng là loại vật liệu sắt từ Fecm aloi có độ từ thẩm lớn. Loại K được cấu tạo từ gôm hay vật liệu nhân tạo. Trên đế dầy cỡ 0 ,lm m , một lớp A ntim onit Indi dày cỡ 25|LLm được phủ lên. Trên lóp InSb n ày có phủ các kim loạ i làm từ N ik en A ntim onit có độ dẫn điện tốt như của kim loại (xem trên h ình 13.9).

N hiều loại từ trở có lớp bề m ặt dày có dạng gấp khiíc như hình 13.10.Khi không có từ trường tác động, giá trị đ iện trở của từ trỏ cỡ và i Q

đến vài k íì tuỳ theo kích thưóc cấu tạo của chúng.

13.2.2 Sự biến đối điện trỏ của ỉừtrở

H oạt động của từ trỏ được g iả i th ích thông qua các h ìn h 13.11 đẽ n 13.13. K hi chưa có từ trường ngoài tác động (B = 0), dòng chảy trên điện trở từ là th an g góc như hình 13.11. Khi tác động từ trưòng ỏ ưiức cường độ nhỏ, dòng có dạng hình 13.12 và khi cưồng độ từ trường lớn - hình 13.13. H iện tượng xảy ra do h iệu ứng H all làm các hạt dẫn di chuyển dưới tác động của từ trường làm dòng đ iện chảy giữa các kim dẫn điện có dạng răng cưa (các kim N iken A n tim on it có va i trò như các đoạn dây ngắn mạch) khi lực tác động để lái dòng đ iện tử càng lớn (do cường độ từ trường càng lốn), dòng điện răng cưa càn g m ạnh như thể hiện ở h ìn h 13.13. Sự tăn g ch iều dài của đưòng dẫn dòng đ iện làm điện trở của từ trở tăng.

Hinh 13.11. Các đường dòng điện khi chưa có từ trưòng tác động.

Hình 13.12. Khi có từ trường tác động (từ trưdng còn nhỏ).

B lớn

/ / / / / / / /

Hình 13.13. Khi có từ trường lỏn tác động.

Giá trị điện trở của từ trỏ tăng khi mật độ từ thông tăng.

252

Hình 13.14. Quan hệ R(fí) vào B (Tesla) của từ trỏ.

Đồ th ị h ìn h 13.14 chỉ ra sự phụ thuộc của điện trỏ của từ trở vào m ật độ từ thông B.Chiều của từ trường không làm ảnh hưởng tới giá trị điệntrở của từ trở. Q uan hệ giữadòng điện và đ iện áp trên một từ trở ứng với m ột giá trị từ t.rưòng B n h ấ t đ ịnh là một quan hệ t,uyến tính.

13.2.3. Các tham sô của từ trở

C ông su ấ t tả i lốn n h ấ t cho phép Ptot (ví dụ 0,5W ).

N h iệ t độ làm việc lốn n h ất (90°C).

Đ iện áp lớn n h ấ t cho phép giữalớp từ trở và đê kim loại U ị (~ lOOV).

Đ iện trở gốc (khi B = 0) R„ (lOQ đê"n lOkQ).

S ai lệch của đ iện trở gốc Ro Toi (ví dụ ± 20%).

Đ iện trở khi có B ỹt 0 R ị 3

Sự th a y đổi tương đôi của từ trở Rb/R o 10)-(với cường độ B v í dụ ià 1 T esỉa).

H ệ sô" n h iệ t (phụ thuộc vào B) a (ví dụ - 0,004/°C).

13.2.4. ứng dụngTừ trở đưỢc sử dụ n g như chuyển m ạch hay khoá không tiếp điểm

dùng trong kỹ th u ậ t đ iều kh iển hay điều chỉnh. H ình 13.15 thể hiện m ột phím nh ấn dù n g từ trở và h ình 13.16 là một tần g khoá dùng tran sisto đước đ iều k h iển nối, ngắt m ạch cho rơle nhờ tác độĩig từ trường bên ngoài.

8

Hình 13.15. Chuyển mạch phím nhân đùng từ trỏ.

Hình 13.16. Tầng khuếch đại khoá dùng transito với từ trả làm công tắc không tiếp xúc.

253

B

Hình 13.17. Ký hiệu của diot từ.

13.3. DIOT TỪ

13.3.1. Cấu tạoD iot từ làm từ loại ch ất bán dẫn

G em anium , có tiếp xúc công nghệ dạng p - i - n như trên h ìn h 13.18, ký h iệu quy ưổc của diot từ được cho trên h ình 13.17. Đ iện đặc biệt là ngăn cách giữa 2 vù n g pha tạp chất loại p và loại n là m ột m iền bán dẫn không pha tạp và có tính dẫn điện r iên g do đó điện trở rất cao (độ dẫn điện thấp). Tại vù n g này hiện tưỢng tá i hỢp h ạt dẫn xảy ra m ạnh nên còn được gọi là m iền tái hỢp (gọi là vùng R).Trong vỏ thường có hai diot từ được ch ế tạo Hình 13.18. Cả'u tạo 1 diot từ.đồng thòi để tạo ra h iệu ứng bù nhiệt.

13.3.2. Sự thay đổi điện trở của diot từ

Do ảnh hưởng tác động của từ trường các điện tử tự do được dịch chuyển vào vùng tái hỢp R (có hướng tuỳ theo chiều của từ trường). Trong vùng này điện tử và lỗ trông có cơ hội gặp nhau và xảy ra tái hỢp hạt dẫn làm giảm nồng độ hạt dẫn và do đó điện trở tăng. N hư vậy điện trỏ của diot từ càng lớn khi nồng độ các hạt tự do càng cao và cưòng độ từ thông B tác động càng lốn. Mốĩ quan hệ điiỢc th ể h iện qua đồ thịhình 13.19. Đ iện trỏ của diot từ còn chịu ảnli hưởng m ạnh của n h iệt độ.

13.3.3. Các tham số

Đ iện áp làm việc lớn nhất (ví dụ ~ 20V)

Công su ấ t tổn hao cực đại P v m a x (~ 50mW )

N h iệt độ làm việc cực đại (~ 6 0 °c

Đ iện áp làm việc Uß (~ 4V)

Đ iện trở gốc (lúc B = 0) Ro (~2kQ)

Hình 13.19. Quan hệ điện trỏ của diot từ vỏi cưòng độ từ thòng B.

254

Do sự phụ thuộc m ạnh vào nhiột độ, diot từ thưòng được ch ế tạo kép để được bù n h iệ t (h ình 13.20). Khi đó, cần đặt Lừ trường B tác dụng lên chúng ngược cliiôu nhau, sự tác động của n h iệt độ lên 2 dioL (làm th ay đổi đ iện ti-ở) của chúng là giông nhau, nhò vậy Ư 2 được bù nhiệt.

Tuy n h iên sự b iến th iôn của từ thông làm th ay đổi đ iện trở các diot không giôngnhau, do đó đ iện áp Ug còn phụ thuộc vào mậL độ từ thông (theo đồ thị hìn h 13.21).

Có th ể đo tô"c độ quay của một động cơ nhò diot từ như mô tả trên hình 13.22 hoặc sử dụng diot Lừ như một công tắc k iểu bàn phím không tiếp đ iểm giôVig như trường hỢp sử dụng từ trở.

13.3.4. Các ứng dụng

Hinh 13.20. Mạch kết hỢp 2 diot từ.

Hình 13.21. Sự phụ thuộc điện áp Uj vào từ trưòng B.

Hình 13.22. Đo tô'c độ quay nhờ diot từ.

13.4. ÁP TRỞ BÁN DẪN

13.4.1. Hiệu ứng áp điện

K hi có áp lực tác động theo một phương n h ât đ ịnh lên tinh thê áp điện, giữa 2 m ặt p h an g hướng theo trục điện sẽ xu ất h iện m ột đ iện áp gọi là h iệu ứng áp đ iện thuận . Ngược lại nếu có một dao động điện tác động lên tinh thề theo phướng của trục đ iện thì một dao động cơ

Tinh thê áp điện

Màng'

Hình 13.23. Nguyên lý cảm biến áp lực dùng hiệu ứng áp điện.

255

học sẽ xuất hiện theo phương của trục cơ gọi là h iệu ứ ng áp điện ngược. Một trong các ứng dụng quan trọng của h iệu ứng áp d iện thuận là sử dụng với mục đích đo áp lực (áp suất) nhò đầu đo là các cAm biến có khả năng biến đổi áp su ất thành sức điện động áp điện (h ình 13.23).

13.4.2. Chất bán dẫn áp điệnThòi g ian gần đây, m ột vài ch ất bán dẫn có h iệu ứ ng áp điện m ạnh

được nghiên cứu và sử dụng bên cạnh các v ậ t liệu truyền thống. Trước đây tinh thể Q uartz (thạch anh), m uối S ecn h et, B arititan at... là các vật liệu áp đ iện truyền thông vôi. điện áp x u ấ t h iện do h iệu ứng áp điện cỡ vài V olt khi có sự thav đổi áp lực đủ m ạnh. V ật liệu mối ch ế tạo từ hỢp ch ất m uối đa tin h thể Chì — Kẽm — T itan có khả năng cho điện áp tới cỡ n h iều k ilovolt khi có áp lực m ạnh tác động (hỢp chất này còn có tên gọi P iezoxide hay Valvo).

Microfon sử dụng vật liệu áp điện Valvo hoạt động trong dải tần rộng đến giói hạn dải sóng siêu âm (vài chục kH z). Có th ể sử dụng Valvo làm các bộ lọc hoặc để mồi cho quá trình phóng điện của cìc.ất khí.

13.5. LINH KIỆN TINH THE LỎNG

13.5.1. Tinh thể lỏng (Liquid Crystal Device - LCD)C hất rắn tin h thể có tính di hướng (theo các hướng khác nhau của

tinh thể chúng có tính chất khác nhau - V í dụ như tin h thể áp điện đã xét), Trong khi đó, các chất lỏng luôn là loại vậ t liệu có tín h đẳng hướng (tính chất của nó theo các phương khác n h au đều ¿ồng n h ất như nhau). M ột sô" tin h thể khi ở pha rắn có tín h dị hưóng, tuy n h iên ngay khi chuyển chúng sang pha lỏng (ví dụ được làm nóng) (h ú n g vẫn còn th ể h iện lín li dị hưông và đưỢc gọi là nhóm tin h th ể lỏng. H iện tượng trên chỉ xảy ra ở m ột n h iệt độ xác đ ịnh, sau đó nếu tiếp '.ục tăn g n h iệt vật liộu tin h th ể lỏng sẽ chuyển từ pha lỏng dị hướng samg pha lỏng đẳng hướng.

13.5.2. Cấu tạo bộ hiển thị LCD(Công nghệ h iệu ứng trường, sự phân cực đ iện môi)

N h iệt độ chuyển pha dị hướng của các ch ấ t tin h ;hể lỏng nằm trong dải từ - 5 ° c đến 65“c. Khi đặt tinh th ể lỏn g vào t ’omg m ột điện trường m ạnh, do ảnh hưởng của điện trường tin h th ể lỏn g thay đổi m àu từ trong san g đục và khi ngắt đ iện trưòng tác động, m à u tin h thể

256

lại trong trở lại. C hất lỏng nhóm này thuộc loại không dẫn điện, được sử dụng để chế tạo bộ h iển th ị LCD khi đưa chúng vào giữa 2 bản thuỷ tinh song song nhau, phía trong của 2 bản thuỷ tinh đưỢc gắn 1 lớp Oxyt kẽm làm th àn h 2 điện cực đối diện nhau. Cấu tạo m ột bộ hiển thị LED được thể h iện trên h ình 13.24 (Ví dụ loại LED chỉ th ị 7 vạch). K hoảng cách 2 điện cực son g song của 1 vạch LED cỡ từ 5 đến 10}im, diện trường kích th ích cần cỡ tôi th iểu 0,lV/jam để làm đục tinh thể lỏng và khi tăng cường độ trưòng hiệu ứng m ạnh hơn cho tới giá trị tôi da khoảng 3V/f.im.

Tinh thể íỏng Bản thuỷ tinhBộ lọc phân cực và

lớp vật ỉiệu phủ

Đế chốt giữ

Bộ ỉọc phân cực và ỉớp phủ trong suốt (gương)

Các điện cực oxyt kẽm

Hình 13.24. cấu tạo 1 phân tử tinh thể lỏng.

Đổ tạo ra h iệu ứng làm đục tinh thể lỏng, năng lượng cần th iết khá nhỏ - cỡO.lt-tVV/cm" bồ m ặt làm đục.Hiệu ứng làm đục tinh thê lỏng cần đưỢc làm đủ m ạnh thích hỢp với yêu cầu hiển thị quang. Có nhiều cách để làm rõ nét vạch đục, tuy nhiên hiệu ứng dùng bộ lọc phân cực có độ tương phản ảnh là tôt nhất. Sau tấm phân cực hiệu quả sán g tôl là rõ nét, được th ể hiện qua gương phản xạ (hình 13.24).Hình 13.25 đưa ra một bộ chỉ thị LCD 7 vạch để hiển thị các sô' thập phân và việc kết hỢp chúng đổ tạo ra một bộ chĩ thị 4 docac thập phân ở hình 13.26.

Măt phẳng trong suốt với ánh sáng

6

Hinh 13.25. Phân tử chỉ thị 7 vạch dùng tỉnh thể lỏng.

17-LK ĐIỆN TỬ257

Hỉnh 13.26. 4 phần tử chỉ thị 7 vạch tạo thành bộ chỉ thị 4 decac.

Tham số của LCD:

Đ iện áp làm việc cao nhất ƯBmax (khoảng 8V)

Đ iện áp làm việc thông thưồng U b (từ 1,5V đến 3V)

f ( từ 30H z đến lOOHỉ)

T (25“C)

Is (lOnA)

(70nA)

Tần số làm việc

N h iệt độ

D òng điện trên một vạch

D òng tổng cộng

Tụ điện tổng

Thời g ian trễ nôi mạch

Thời gian sườn trưốc

Thời g ian sườn sau

N hiệt độ bảo quản

N guyên lý điều k h iển động:

M ột nhóm tinh th ể lỏng loại khác có tính dẫn điện. Khi chịu tác động một điện áp xoay chiều, bên trong tinh th ể có 1 bộ phận nhỏ chuyển động và gây h iệu ứng tương tự làm đục phần chuyển động này và khi được ch iếu sán g sẽ có h iệu ứng sán g tối (tương phản) với các phần khác còn lại. N hóm tinh thể lỏng dạng này được gọi là nhóm có điều khiển động. Đ ể đ iều k h iển hoạt động của nhóm , dụng cụ chỉ thị

Ctẩng 5 0 p F

t„ô-, 8 0 m s

ttru đ c lOOms t3«„ 200m s

T„j, - T„.^ (từ - 2 0 ”C đến SO^C)

258

loại này cần công su ấ t tiêu thụ lớn liơn nhiều so vối nhóm chỉ thị nhờ hiệu ứng trường đã xét và cần chá ý đốn các thời gian trễ lúc nối và ngắt m ạch (như trên hình 13.27).Xung tác Xung tác

Hinh 13.27. Quá trinh nối mạch và ngắt mạch khí điều khiển tinh thể lỏng bằng xung điện áp

N hóm chỉ thị điều khiển động thích hợp cho các bộ chỉ th ị kích thước lớn (tổng sô" đến 20cm).

Các tham sô" đặc trưng:Đ iện áp làm việc cực đại Uu„,ax (cõ 50V).Đ iện áp làm việc Uu (cỡ 25V).Tần sô" làm việc f (từ 20Hz đến 150Hz).D òng tiêu thụ cho mỗi vạch Is (~ 0,4m A).D òng tiêu thụ chung (2,8nìA).Thòi gian nốì t ,„ Y ¡ 400ms.Thời gian ngắt lOOOms.

13.6. TRANSITO MÀNG MỎNG (TFT) - MÀN HÌNH LCD

M uôn tạo được m àn hình LCD có chất lượng cao vối các thanh LCD cần tạo được ma trận các điểm ảnh màu. Mỗi điểm ảnh gồm 3 m àu cơ bản đỏ (R) xan h lá cây (G) và xanh da trời (B) như thể h iện trên hình13.28. Khi cộng các m àu cơ bản RGB vối những tỷ lệ khác nhau sẽ nhận được mọi m àu tự nhiên khác.

Vổi m ột bộ h iển thị TFT kích cõ 1024 X 768 điểm ảnh, cần dùng 1024 X 768 X 3 transito (2.359.296 transito) khoảng cách các điểm ảnh là 0,3m m và k ích thước một điểm ảnh cỡ 0 ,lm m .

259

ooo

Nguồnsáng

Bộ lọc phân cực l.ớp tinh thể lỏngTinh thế

/dạng xoắn

Bộ lọc màu phân cực

Ánh sáng chưa phân cực

KhoáNguồn điện áp

Bộ ỉọc phân cực Lớp tinh thể lỏng

ooo

Nguồnsáng

Ánh sảng chưsi phân cụt

Điện trường đểu /Tinh thể dạng đểu

Ánh sáng đà phân cực

Anh sáng phân cụt rời khoi bộ lọc phận cực íà đơn sắc

Bộ lọc màu phảri cực

Tinh thế lỏng không làm quay ánh sảng phản Cực

Khoá

Hình 13.29. cấu tạo điểm ảnh màu theo còng nghệ TFT.

260

Các bộ lọc m àu đưỢc sử dụnp; sau phần tử LCD phù hỢp vổi các m àu cơ bản và việc điều chỉnh dộ sáng mỗi phần tử LCD đưỢc thực

hiện nhờ thay đổi ánh sán g qua phần lử LCD. ở đây sử dụng khả năng quay ánh sán g phân cực dôi với tinh thế lỏng. Cấu tạo 1 điểm ảnh TFT

đưỢc cho trên h ình 13.29. Ánh sáng dểu từ nguồn sán g được ch iếu từ dáy phía sau. Các bộ lọc thực hiện việc phân cực. Việc quay són g điện từ (photon) di 1 góc 90° thực hiện nhò lổp tinh thể lỏng quay sa u đó tác động tới 1 bộ lọc m àu. Khi lốp tinh thể lỏng giữ cố định (không quay) ánh sán g không qua đưỢc bộ lọc màu (hình 13.29). Đ iện trường tác dộng để điềư khiển độ sán g của mỗi phần tử ảnh LCD được đ iều k h iển nhờ các tran sito m àng m ỏng TFT qua một ma trận các đường dẫn k iểu như hình 13.28.

So sánh đặc điểm của m àn hình LCD và m àn hình ô"ng tia đ iện tửCRT (C athode Ray Tube)

• Do từng điểm ảnh được điều khiển nên độ nét (sắc sảo) của m àn LCD là vượt trội hơn m àn CRT. Màn LCD không bị méo góc, m éo h ình học hay méo phi tuyến tính.

• Loại trừ đưỢc hiệu ứng tia quét ngược và do đó không cần các m ạch điện dập tia quét ngược như màn CRT vẫn có.

• Loại trừ ảnh hương có hại của tia diện tử đối với người sử dụng.

• Kích thước m àn TFT m ỏng và trọng lượng nhẹ.

• Công suá't tiêu thụ giảm còn khoảng 1/3 so vói m àn h ình CRT.

• Việc điổu khiển tia sáng trong màii LCD có thòi g ian trễ lớn hơn so với m àn CRT (cỡ 20m s). Vối các hình động thay đổi nhanh h iệu ứng trễ SC ảnh hương m ạnh tới dộ nét của íinh, nhưỢc điểm này của m àn LCD không gặp trong m àn CRT.

• K hông điều kh iển Lổì hẳn được ở màn LCD (không tạo được m àu dcn 100%).

• Góc đ iều khiển ánh sáng họp hơn so với m àn CRT. Tia sá n g qua các bộ lọc quang, qua phần tử ảnh LCl), qua bộ lọc m àu... luôn cần vuông góc với hệ thông quang học và phân cực quang.

• Đ ể đạt tới m àu trung thực cần ít nhất khoảng 16,7 triệu đ iểm ảnh m àu trên m àn LCD. Với bộ biến dổi AD (tạo tín h iệu đ iểu k h iển ma trận m àu RGB) có 18 bít ra (mỗi màu dùng 6 bít điểu khiển) có khả

261

năng điều khiển được 2'® = 262144 điểm m àu khác nhau. Đ iều này đòi hỏi phải nâng cấp dữ liệu ra của bộ biến đổi AD.

M àn h ình LCD ngày càng đưỢc hoàn th iện và có giá trị thương mại, với khoảng 6,22 triệu điểm ảnh. Độ tương phản đạt được 1200; 1 và độ sán g đạt tới 600Cd/m^. Thời gian trễ còn lạ i cõ 8m s.

13.7. MÀN HÌNH PLASMA (PLASMA DISPLAY PANEL - PDP)

Ở m àn h ình PDP, mỗi điểm ảnh được đặt giữa 2 m ặt thuỷ tin h và

đã phân chia từ ng nhóm 3 m àu cơ bản RGB, điểm ảnh là m ột hỗn hỢp

khí trơ (xenon). Hỗn hỢp kh í làm điểm ảnh được kích th ích đến trạng

thái phóng điện P lasm a nhò xung cao áp hẹp. V iệc kích th ích đ iện tử

từ mức năng lượng thấp lên mức cao xảy ra và sau đó ch ú n g rơi về

trạng th á i năng lượng thấp sỗ phát ra bức xạ ánh sán g u v . Bức xạ ư v

gặp các lốp phopho đưỢc tách thành 3 m àu RGB.

ư u điểm cơ bản của m àn PD P là góc điều k h iển rộng, m àn h ình

phẳng tia sán g đưỢc tạo ra trực tiếp ngay tạ i điểm ảnh, góc nh ìn rất rộng. G iông như màn h ình TFT, m àn PD P không ch ịu ảnh hưỏng của

điện từ trường như m àn CRT, tuy vậy m àn PD P chịu tác động của tia

u v , tiêu thụ năng lượng lổn và có trọng lượng nặng. Cấu tạo của 1 điểm ảnh của m àn hình PD P đưdc cho trên h ình 13.30.

Đỏ

m u

Đỏ

Xanh lá cây

m ịXanh da trời

Ü Ü ÜXanh lá

Mặt trước bằng kính

Màn bảo vệ Lớp điện môi

Điện cực trong suốt

Khí trơ tích điện Lớp phospho Lớp điện môi

Điện cực đỉều khiển Kính mặt phía sau

Hình 13.30. cấu tạo 1 điểm ảnh 3 màu cơ bản của màn hình Plasma.

262

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1. H ăy mô tả h iệu ứng Hall.

2. Đ iện áp H all xuất h iện trong máy phát H all như th ế nào? H ãy mô tả sơ lược quá trình hình thành sức điện động H all.

3. Một bộ phát Hall có Rii = 230.10“®m /As với bề dày 0,2m m . Dòng điện làm việc I = 80mA; mật độ từ trưòng B = 0,9T. Tính điện áp Hall.

4. H ãy vẽ ký h iệu quy ưốc của bộ phát Hall.

5. Giải th ích cấu tạo và hoạt động của từ trở - Sự thay đổi đ iện trở của 1 phần tử từ trở khi từ trưòng thay đổi xảy ra như th ế nào?

6. G iải th ích chức năng của diot từ.

7. H iệu ứng áp điện có thế tạo ra điện áp vài kV, giải thích?

8. T inh th ể lỏng là gì? Khi đặt tinh thể lỏng trong điện trưòng sẽ có hiện tượng gì?

9. N guyên lý cấu tạo một phần tử chỉ thị dùng tinh th ể lỏng?

10. Ả nh hưởng của nh iệt độ tới bộ chỉ thị tinh th ể lỏng như th ế nào?

263

Chương 14

CfìC DỤNG cụ ĐIỆN TỬ vd DỌNG cụ lON

Katot Sợi nung

Hình 14. Hiệu ứng phát xạ nhiệt.

14.1. Sự PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬCác nguyên tử và phân tử rắn luôn có quá

trình dao động n h iệt và quá trình này m ạnh lên khi nh iệt độ tăng. Nê"u nhò nhận được năng lượng n h iệt đủ lớn để thắng đưỢc công thoát, điện tử sẽ bị bứt ra khỏi bề m ặt tinh thể rắn và trở thành hạt dẫn tự do trong môi trường bao bọc m iếng kim loại đưỢc nung nóng đó. H iện tưỢng trên đưỢc gọi là sự phát xạ n h iệt đ iện tử.Cường độ phát xạ (số" lượng điện tử được phát xạ n h iệt tạo ra) phụ thuộc vào bản chất vật liệu kim loại (gọi là cực katot) vào nh iệt độ nung nóng katot và vào diện tích bề m ặt phát xạ (hình 14.1). Thường bề m ật katot được phủ một hỢp chất thích hỢp để giảm công thoát điện tử và qua đó tăng h iệu quả phát xạ nhiệt.

14.2. ĐIOT CHÂN KHÔNG - ĐÈN 2 cực CHÂN KHÔNG

Điot chân không có cấu tạo trên hình 14.2 vối ký hiệu quy ưóc và mạch điện nôl trên hình 14.3 và 14.4. đế nhận được đặc tuyến I -U của dụng cụ. Các điện cực katot và anot là các trụ ôVig kim loại dồng trục bao bọc nhau. Anot lớn nằm ngoài đưỢc đặt tổi 1 điện áp dương đủ lớn để tạo điện trường hút nhiệt điện tử nằm xung quanh katot sau khi pháL xạ. Katot được nung nóng trực tiếp hay gián tiếp thông qua 1 điện cực nung (là các sỢi ruột gà trong lòng ống trụ katot). Khi có điện áp anot dương Lác động, dòng điện tử chuyển động hưóng từ katot tới anot tạo thành dòng điện của diot chân không. Toàn bộ hệ 3 cực sỢi nung, katot và anot đưỢc đặt trong 1 vỏ thuỷ tinh kín vói áp suất gần chân không (khoảng lO^^mmHg-cm). Đặc tuyến Von Ampe của diot chân không thu được trên hình 14.5 thể hiện các tính chất căn bản của diot chân không là:

X ảy ra h iệu ứng van vối dòng điện; la 0 khi ưa > 0 (chiều hưống từ anot tới katot) la = 0 khi u„ < 0

• V ùng u,, « 0 gọi là vùng chắn (Sp) dòng la = 0

• V ùng u., < 0 các điện tử phát xạ nếu có tốc độ chuyển động nh iệt đủ lốn có khả năng đến đưỢc A not I„ 0 và nhỏ (vùng A).

264

• V ùng điện tích không gian (R).

N hiệt điện tử phát xạ tạo thành đám mây điện tử và dòng I„ tăngkhi u„ tăng.

• V ùng bão hoà (S), u„ » 0

Ví

Anot

^^Katot (nung trụt; tiếp)

Ký hiệu

Anot ■ ♦

0-< I>

Ó ộ

Hinh 14.2. Cấu tạo diot chân không.

Hình 14.3. Phân cực cho diot chân không.

Hình 14.4. Mạch đo đặc tuyến I, của diot chân không.

Toàn bộ các đ iện tử phát xạ đều tham gia vào dòng điện, Ig không tăn g theo u,, được nữa. M uốn tăn g dòng Ig cần tăn g n h iệt độ nu n g nóng katot.

D iot chân không đưỢc dùng làm dụng cụ dẫn điện theo 1 hướng (van chỉnh lưu) trong các m ạch điện; tác động vào là xoay chiều và dáp ứng là 1 chiều.

Hình 14.5. Đặc tuyến thu được từ (hình 14.4).

14.3. ĐÈN 3 cực CHÂN KHÔNG (TRIOT)Với inục đích điều khiển được cưồng độ dòng la, điện cực lưối hình trụ

kim loại được đặt trong khoảng không gian giữa K và A (gần K). điện th ế đặt tới cực lưới G thường < 0. Hình 14.6 cho cấu tạo và ký hiệu quy ước của Iriot. Mạch điện đo đặc tuyến Von Ampe của triot cho trên h ình 14.7 và dặc tuyên Ị, - ưa thu được từ mạch đo này được cho trên hình 14.8.

- Q ỷọAnot

Cực lướio —

Katot(nung trực tiếp)

_ rT■ r

Hình 14.6. Cấu tạo của triot (đèn 3 cực chân không).

Hình 14.7. Mạch đo đặc tuyến I3 - u, và L - của triot.

Điện thế cực G càng àm thì dòng 4 càng giảm.

265

Đặc tuyến h ình 14.8 thu đưỢc vối các trường hỢp chọn đ iện áp lưới Ugo = o v sau đó chọn các mức âm dần Ugi = -IV ; u „2 = —2V... là 1 nhóm hay một họ các đặc tuyến. Tham sô" quan trọng của triot là độ dốc vi phán hay hỗ dẫn của đặc tuyến truyền đạt I„ - Ug (h ình 14.9), điện trở ra vi phân của đặc tuyến (hình 14.8).

Hình 14.8. Đặc tuyến ra I3 - Uj.

Đ iện trỏ trong của triot

Hình 14.9. Đặc tuyến điều khiển I , - u .

(khi AU^ = 0)

ở đây AỊ, và AU„ là sự biến th iên tương ứng của dòng và áp trên anoL khi giữ cho Uị, = hằng số.

• Hỗ dẫn:

(khi AU„ = 0)

Hỗ dẫn s thể hiện mức độ thay đổi của dòng la (bao nhiêu m iliam pe) khi điện áp cực lưới thay đổi IV.

• Hệ số trôi đánh giá ảnh hưởng của điện áp anot tới đ iện áp lưôi điều khiển;

266

(¿v[„ = 0) thường tính theo 100%. Ví dụ D = 0,02 = 2% (đánh giá quá trình hồi tiêp điện áp từ mạch anot về mạch lưới).

Hệ số’ khuếch đại khi không tải;

là hệ sô" khuếch đại điện áp lớn nhất (theo lý thuyết) của triot.

T ại điểm làm việc 1 chiều của triot có:

AU,R: =

AI,

R. s =

Rị.S.D = 1

DAu'

Do Rị.S.D = 1 (từ đây thưồng tính được tham số thứ 3 kh i đã b iết hai tham số kia).

14.3.3. Ảnh hưởng hổi tiếp của anotẢ nh hưởng ngược (hồi tiếp) của anot tới lưới đ iểu kh iển là nhưỢc

điểm của triot. H ình 14.10 đưa ra m ạch điện khảo sá t ảnh hưởng này.

\ ềil-H

Ro

Hình 14.10. Mạch giải thích ảnh hưởng của anot.

Vối R„ = 20kQ; U ịị = 200V; u^,| = -6 V là đ iện áp khoá của triot tại đáy la = 0 và u„ = U |ị = 200V. Khi giảm dần điện áp anot, điện áp khoá dịch dần về gô"c (hình 14.12). Ta có bảng sô" liệu hình 4.11 giải th ích ảnh hưởng ngược của điện áp anot tới việc điều kh iển dòng Ig.

u . u« I«- 6 V 200V o v 0

- 4 V 175V 25V l,2 5 m A

- 2 V 134V 66V 3,3 mA

- o v 90V l i o v 5,5m A

Hình 4.11.

267

Khi làm việc điện áp anot Ua của Lriot thay đểi theo tín h iệu đặt vào lưới diều này do h iệu ứng ghép ngược trên hệ sô" s giảm theo đặc tuyên làm việc gọi là đặc tuyến tả i động (hình 14.12) của triot.

Hỗ dẫn động S ị) xác định theo từng điểm làm việc trên đặc tuyến tải động:

Sd = s.Ri + R.

S; hỗ dẫn tĩnhR;; đ iện trở trong của triotR ; đ iện trở ngoài mắc tại anot.

Hình 14.12. Đặc tuyến làiTi việc14.3.4. Hệ số khuếch đại điện áp (đặc tuyến động) của triot.

Khi chọn điểm làm việc 1 chiều tại A (hình 14.14) các giá trị u,,0,và được xác định (chế độ khi chưa có tín hiệu xoay chiểu tác dộr.g).

H ình 14.13 thể h iện m ạch dùng triot khuếch đại đ iện áp xoay chiều. Quá trình điều k h iểncủa điện áp Ujj tói dòng la được thổ hiện qua đồ thị h ình 14.14.

Theo định nghĩa, hệ số khuếch đại đ iện áp V được xác định theo

Lối vào

Hình 14,13. Mach khuếch đại dùng trlot.

(Có giá trị thường gặp từ 20 đến 60)

14.3.5. Công suâ't tổn hao trên anott*vmax là công su ấ t tổn hao cho phép trên anotTại điểm làm việc A, công su ấ t tổn hao 1 ch iều là í \ I „I r.|()P v m a x là một đường cong H yperbol trên đồ th ị I„ - ự , (h ình L4.14)

268

ì ỉ -n u

80 ;I

í

- J Wo t

Hình 14.14. Giải thích tác dụng điều khỉển của U g tới Ig.

14.4. ĐÈN 4 cực CHÂN KHÔNG (TETROT)Đ iện cực thứ 4 cũng c6 dạng lưới hình trụ nằm

giữa lưói thứ n h ấ t và anot được bổ sung vào để hạn ch ế ảnh hưởng của h iện ứng ghép ngược của triot. ( Lưới 2 được cấp điện áp gia lốc khoảng 50% đến 60% u,, nhờ đó làm tăng trường gia tôc cho dòng Khi dó íinh hưởng của u„ Lới dòng được giảm tới mức nhỏ n h ấ t (lưới 2 có tác dụng như một m ànchắn ngăn ảnh hưỏng của u„ tới Uj,) khi u,, chưa đủlớn và còn th ấp hơn xảy ra hiệu ứng p h át xạ diộn tử thứ câ'p làm dòng Ị, giảm (doạn (1) tới (2) trên dặc tuyôn hình 14.16) trong khi u„ tă n g từ u , Lới Uv, i!iì.v là nhưỢc điếm của T etrot khi mức ư,, chưa dủ lổn, nguyên nhân là có một bộ phận điện tử rơi vào lưới 2 (do u 2 > ư„) làm dòng Ị, giảm , h iện tượng Irên điíợc gọi là hiệu ứng Dinatr-on.

G2

K

Hình 14.15. Ký hiệu tetrot (đèn 4 cực chân không).

14.5. ĐÈN 5 cực CHÂN KHÔNG (PENTOT)Hình 14.16. Đặc tuyến I3 - U3 của

đèn 4 cực chân không.

N ếu đặt giữa lưới 2 và anot điện cực lưới thứ 3 có điện thế o v thì trên thực tế có th ể loại bỏ hiộu ứng Dinatron của đèn 4 cực (hình 14.17).

269

Đặc tuyến Von Am pe I„ - u„ và I(, - Ugi của P en to t đưỢc cho trên hình 14.18 (được đo với giá trị cố đ ịnh của Ug2 và Ugs).

Đ iện áp anot u„ thực tế trong pentot không còn ảnh hưởng tới dòng anôt ],, nghĩa là đặc tính I„ - Ugi ứng với n h iều mức u„ khác nhau gần trùng nhau. Đặc tính truyền đạt I„ - UịỊi thực t ế là m ột đường cong (hình 14.18).

• Các tham số quan trọng;

Hỗ dẫn của đặc tuyến I„ - Ugi:

(Aư„ = 0)

Hỗ dẫn động

Đ iện trở trong của pentot:

(AU,, = 0)

do ư., ít phụ thuộc vào trong vùng U a đã đủ lớn nên R ị của pentot có giá trị rất lốn trong vùng này.

A U .D = 0

AUaDo vậy hệ thức ( R ị . S . D as 1) không dùng cho pentot.H ình 14.19 và 14.20 cho cách xác định các tham sô" s và R ị trên đặc

tuyến của pentot.

• Một bộ khuếch đại điện áp dùng pentot đưỢc cho trên h ình 14.21. Điểm làm việc 1 chiều A và tác động của điện áp xoay ch iều thê hiện trên đặc tuyến điều kh iển đối với pentot loại RF86.

270

Hình 14.19. Xác định hỗ dẫn đến s của pentot.

Hình 14.20. Xác định điện trở trong R ị

của pentot.

“ưgi ♦ƠQHỉnh 14.21. Mạch khuếch đạỉ dùng pentot.

H ệ sô" khuếch đại điện áp: điện áp cần khuếch đại có biên độ ùg

đăt vào cực gi, trên anot sẽ nhân đươc điên áp ra ù , kh i đó hê sô"

khuếch đại đ iện áp được định nghĩa V = — V » SRạl

Thường trong dải tín hiệu âm thanh V = 100 -> 150, còn trong dải sóng cao tần (tới 40 M Hz), V = 15 -> 40 lần.

• ư u điểm cơ bản của pentot là cho hệ sô" khuếch đại V lốn, ảnh

271

hưởng của đ iện áp tới điện áp lưới Ug gần như b ằ n g 0, p en tot có điện trở trong lớn và các tụ điện (cấu tạo giữa các lưới và anot) nhỏ.

NhưỢc điểm là tạp âm lớn và điện dung lưới làm xấu tín h cha't khi làm việc ỏ tần sô" cao.

14.6. CÁC DỤNG c ụ ĐẶC BIỆT

Khi yêu cầu đ iều khiển dòng anot nhờ ha i cực lưới độc lập nhau, cấu tạo đèn đưỢc bổ sung thêm lưới điều k h iển (loại đ èn 6 cực hoặc 7 cực) như th ể h iện trên h ình 14.22. H ình 14.23 là cấu tạo loại đèn chỉ thị và hình 14 .24 cho ký h iệu loại đèn kép g ồ iT i 2 đèn 3 cực và 7 cực cấu tạo chung trong 1 vỏ thuỷ tinh làm việc độc lập nhau .

Đèn 6 cực

Hỉnh 14.22. Ký hiệu 6 cực và 7 cực.

TiĐèn ỉ cực

Màn phát sáng

Cựt ớíểu khiển Lưới hạn chế

dòng trên màn'

Katot (hệ triot)

^Aíot (hệ triot)

Lưới {hệ triot)

. u . J,N- . ^

\ /

Hình 14.23. cấu tạo đèn chỉ thị.

Hình 14.24. Ký hiệu đèn kép 7 cực và 3 cực.

14.7. ỐNG TIA ĐIỆN TỬ (CRT)Cấu tạo của 1 ô"ng tia điện tử

đưỢc cho trên h ìn h 14.25 bao gồm các bộ phận ch ín h sau:

• Hộ thôVig tạo tia đ iện tử.

• Hộ thôVig hội tụ tia.

• Hệ thông lá i tia.

Hệ thống điểu khiển tia hội tụ

I------------

Hệ thống tạo tia điện tử Hệ thống lái tia

Hình 14.25. Câu tạo khốỉ của một ông tia điện tử.

• Vỏ thuỷ tin h kín và m àn hình phát quang.

14.7.1. Hệ thống tạo tia và hội tụ tia điện tử (súng điện tử)

Hệ thông tạo tia đ iện tử gồm katot và m ột ống k im loại h ìn h trụ bọc ngoài (h ình 14.26) gọi là cực điểu khiển w để đ iều khiển cưòng độ tia điện tử. Cực đ iều kh iển có cấu tạo dạng đặc b iệ t với 1 lỗ hẹp hướng về tâm m àn h ìn h cho phép dòng tia điện tử chu i qua kh i được gia tô"c (được gọi tôn là trụ W ehnelt). Đ iện tử phát xạ n h iệ t bứt khỏi k atot tạo thành đám m ây điện tử bao quanh katot và ch ịu sự điều kh iển của 1 điộn áp âm trên cực điều khiển . Đ iện tử đưỢc gia tốc nhờ điện áp trên

272

Anot

----------

—

^ o 0l-s /TiÃí I Ả'

trụ VVehneit

Hình 14.26. Cảu tạo hệ thống tạo tia điện tử.

a n o l 1 có độ lớn và^ trám V dôn 2000V lác độngtới đám mây nh iột đ iện tử thông qua lỗ trên cựcdiổư khiển trụ (h ình 14.26). Điộn trường củacác cực Aj, w tạo ra m ột thấu kính tĩnh điện có

> Cutđíểu Ẳnhiộm vụ hội tụ tia thành một tia m anh chuyen khiển hình ^

dộng với tô"c độ cao dọc theo trục ông hướng tới tam màn hình. H ệ thông trôn còn đưỢc gọi chung là một su n g đ iện tử (còn có thể hội tụ tia nh(J từ trường do các dòng điện chảy qua các cuộn dây tạo ra). H ình 14.27 mô tả quá trình hội tụ tia nhò các anot A;í (400V) và (4kV).Hệ thống trôn đưỢc mô tả như ]à một thấu kính quang điện tử thường có 3 hoặc 4 anot gia tốc và hội tụ tia. H ình 14.28 cho một ví dụ về cấu tạo một hệ thông th ấu kính quang điện tử h ình tliành 1 sú n g đ iện tử (K, w , Aị, Aọ, A.3 và A,ị).

Một sô" ôVig tia đặc biệt có cấu tạo hai hay nh iều sú n g điện tử độc lộp nhau trong 1 vỏ thuỷ tinh.

Điện trường

(.¿OÕV) {*4kV)

Hình 14.27. Hòi tụ tia điện tử dùng A3 và A4.

Hỉnh 14.28. cấu tạo thâu kính quang điện.

14.7.2. Hệ thông lái tiaCó th ể dù n g đ iện trường

hay từ trường để làm thay đổi quỹ đạo tia đ iện tử, qua đó thay đổi đ iểm đến của tia trên m àn h ìn h nhờ hệ thông các phiôn làm lệch theo hai chiều nằm n gan g và thẳng đứng (hình 14.29 cho loại điều

♦50V 8OV

Cáp phiến tạo Cặp phiến -L -L ỉẹch ngang

ỉàm lệch đứng c o la

Hình 14.29. Câu tạo hệ thống lái tia.

18'LK ĐIỆN TỬ273

khiển lá i tia bằng phương pháp tĩnh điện). Các h ìn h 14.30 m ô tả ký hiệu và cấu tạo của loại ông tia điều khiển bằng đ iện trường và h ình 14.31 - bằng từ trường. N hò hệ thông lá i tia, tia đ iện tử do sú n g tạo ra có thể quét trên m àn h ình tói mọi điểm (thường theo quy lu ậ t từ trên xuông dưới và từ phải qua trái với m ột tốc độ xác đ ịnh do tần số của tín h iệu đưa tới các phiến làm lệch quyết định.

Cực trụ VVehnelt

Cặp phiến làm lệch ngang Màn phát

quang

inoi ICạp phiến lam lệch đứng

Lớp phủ graphit phía troíig

n l i l l l 1 ^ li i i

Kỷ hiệu của ống

Hình 14.30. Câu tạo và ký hiệu một ống tia của máy hiện sóng.

Trong các m áy h iện sóng, việc điều khiển tia (hội tụ và làm lệch) thường chủ yếu bằng điện trường. Còn trong các m áy thu truyền hình hay Camera truyền hình (th ế hệ ông tia CRT) việc hội tụ và làm lệnh tia chủ yếu bằng từ trường. Khi điều khiển lái tia bằng từ trường cần 2 cặp cuộn dây làm lệch đứng và làm lệch ngang và khoảng cách từ katot tới m àn hình phải thoả m ãn là bội số nguyên lần bước sóng quỹ đạo Xycloit của tia điện tử. Loại ông tia CRT điều khiển bằng từ trưòng có góc mở tia tới 110” hay 135“ và rộng hdn nhiều so với loại đ iều kh iển b ằn g điện trường nhờ vậy có thể mở rộng kích thước m àn h ình .

14.7.3. Màn hình hiển thim

Bể m ặt bên trong của ô"ng h ình phía m àn (bia) đưỢc phủ 1 lốp vật liệu phát quang kh i đưỢc tia điện tử đập tối. Lớp cảm quang thường là hỢp chất hoá học Oxyde hay S unfat kẽm , C adim i h ay nhóm n gu yên tô" hiếm phụ gia thêm đồng, N ik en hay M angan. Các vậ t liệu cảm quang có thể h iện m àu phát quang khác nhau, có độ sán g khác nhau và thòi gian lưu ảnh khác nhau. Lớp cảm quang cần được phủ ngoài 1 lớp bảo vệ tránh bị tia đ iện tử tác động trực tiếp làm hư h ạ i. Độ lưu ảnh cần th iế t cõ 0 ,5s đến 0 ,ls .

274

14.7.4. Mạch điện của dòng tỉa điện tử

H ình 14.32 cho sơ đồ dòng điện tạo bỏi tia điộn tử trong khi hoạt dộng. Một diện cực thu các điộn tử phái xạ thứ cấp lừ bia màn hình tạo thành mạch vòng khép kín dòng diộn tử từ katot hướng lới màn (xem mũi tên trôn hình 14.32). Loại ông tia th ế hệ sau có 1 lớp) nhôm phía sau lớp phát quang làm nhiộm vụ lương tự và lớp nhôm mỏng như 1 gương trong SUÔI đô>i với ánh sán g do màn phát ra khi có tia tác động.

Hình 14.32. Mạch dòng điện khép kín của tia điện tử tronẹ ống

(mũi tên chỉ hướng chuyên động của electron).

14.8. DUNG CỤ lON14.8.1. Đèn 2 cực có khí

Khi bơm khí trơ vào không gian giữa katot và anot của đèn 2 cực chân không, ta được m ộl đèn 2 cực có khí, Dòng điện trong nó gồm 2 phần: phần thứ nhất là các điện tử do phát xạ n h iệt điện tử và điện tử tự do quá trình ion hoá vì va chạm của nhiệt điện tử với nguyên tử khí trong quá trình chuyển động tới anol. I^hần thứ hai là các ion dương chất khí do quá trình ion hoá chất khí (hay còn gọi là quá trình phóng điện của khí trơ) gây ra (hình 14.33 và ký hiệu Gazotron hình 14.34).

275

Òo -

Hinh 14.33. Ion hoà do va chạm trong đèn có khí.

K

Hinh 14.34. Ký hiệu diot có khi (gasdiot).

Hình 14.34. Đặc tính Von Ampe của diot khí.

Đặc tuyến Von A m pe thổ h iện quá trình phóng đ iện trong d iot có khí (gazotron) đưỢc cho trên h ìn h 14.35. Khi lấy đặc tu yến Von A m pe ÌTOặc khi sử dụng, luôn luôn cần dùng điện trở trên m ạch anot để giối hạn dòng điện qua đèn vì quá trình ion hoá có tính chất thác lũ với cường độ m ạnh đặc b iệt là ở vù n g phía trên của đặc tuyên . Khi xảy ra phóng diện, áp lực trong đèn cũng tăng và có khả n ăn g xảy ra phá vỡ vỏ đèn. Các giá trị tham số cần chú ý trên đặc tuyến phóng đ iện h ình 14.35 là giá trị đ iện áp duy trì (phóng điện); giá trị đ iện áp mồi U..,;, m ỗi dụng cụ có kh í làm việc như 1 chuyển m ạch vối ha i trạng thái:

1. T rạng th á i chưa đưỢc mồi: điện trở rất lớn, thực t ế hở m ạch.

2. T rạng th á i đưỢc mồi: cho dòng điện lớn chảy qua vối điện trở râ't thấp. Các giá trị tham sô" đặc trưng của diot có kh í (dùng cho m ạch chỉnh lưu dòng lớn).

Đ iện áp mồi cỡ 20V.

Đ iện áp duy trì cỡ 16V.

D òng đ iện làm việc đến 400A.

14.8.2. Đèn 3 cực có khí (Thyratron)Tương tự như triot, nếu bổ su n g thêm 1 lưói trụ kim loại giữa

katot và anot của đèn 2 cực có kh í sẽ nhận được loại 3 cực có k h í hay thyratron (h ình 14.36).

Đ iện th ế âm đặt tối cực lưới có khả năng đ iều kh iển dòng đ iện tử phát xạ từ katot. Khi đó m uốn m ồi đèn cần có điện tử với vận tốc lớn hơn hay đ iện áp anot cần cao hơn.

Điện áp lưới càng âm thì điện áp mồi Ug2 càng lớn (hình 14.37)

Điểm mồi đèn có thể lựa chọn theo điện áp đặt tới cực lưới.

276

K

Hỉnh 14.36. Ký hiệu thyratîon.điện áp vào.

Thyratrtìn cũìig như Gazoïron luôn cần điện trờ hạn ch ế dòng điện trẽn mạch anot. Sau khi đưỢc mồi đòn phóng điện, ion dương tạo dòng điện trên cực lưới (điộn thô" ảm), do vậ\ thyratron cần có đ iện trở hạn chô" dòng điộì) tại cực lưới, cực lưới không còn tác dụng ẳnh hưởng tối dòn sau khi thyraíron đầ đu’Ợc rnổi.

• Đ iền kh iển diộn áp mồi nhờ diện áp trên cực lưới:

Viộc điểu kh iển thyratron mồi ở những thòi điểm (những giá trịu.,,) khác nhau dược thực hiộìi nhờ thay đổi đ iện áp cực lưới. Khi cực kíởi càng ám, điộìi áp mồi thyratron càng cao, tức ìà thòi điểm mồi càiig m uộn hờn và dòng diộn Irên nó cànịỊ nhỏ. Có thể đặc trưng quá trình trôn nhờ đại liíọììg góc mồi q)., (([).,, càng lớn th ì thời điểm mồi càng chậm ) như thể hiộn trôn h ình 14.38. Mạch ch ỉnh lưu điện áp ra m ột chiổu dùng thyratron cỏ khả năng thay đổi góc mồi từ 0 đến 90^ để điều khiển giá trị trung bình của diện áp ra tải.

Hinh 14.38. Đường cong I I 3 , 13 (t) của thyratron khi (Pj = 45°.

277

• Đ iều k h iển thyratron dùng xung điểu khiển .

Phương pháp xung có thể thay đổi góc mồi từ 0° đến 180° (h ình 14.39). Đ iện áp âm đặt vào lưối đủ lớn để trong suô"t cả chu kỳ vào thyratron không được mồi nếu không có xung đ iều khiển . Tại thòi điểm điều khiển , xuâ't h iện xung điện áp cực tính dương dịch pha so với tín hiệu vào (điện áp cần chỉnh lưu) 1 góc từ 0” đến 180° qua đó thay đổi dòng điện và công su ấ t trung bình (1 chiều) trên tải. N gày nay các chức n ăn g hoạt động của thyratron đưỢc thay th ế hầu h ết bằng thyristo (chương 10).

1

Mach tạo xung

-cz>-

Hình 14.39. Mạch điểu khiển cắt lo dùng chung.

14.8.3. Ignitrón

Để có dòng điộn lớn, nếu dùng khả năng phát xạ n h iệt của katot sẽ bị hạn chô’, khi đó có thể dùng loại katot thuỷ ngân vối dòng điện nhận được: trên tải rấ t lớn. H ình 14.40 cho ký h iệu quy ước của đèn Ignitrón và mạch chỉnh lưu dùng Ignitrón ở hình 14.41. Ignitrón có lớp vỏ bằng kim loại có khả n ăn g cho dòng điện chỉnh lưu cường độ lốn tối 20.000A . Đổ hạn ché" dòng trên m ạch ra (anot) và Lrên điện cực mồi cần dùng các điện trở hạn dòng như ở h ình 14.41.

Ò Rs

s

o

Hinh 14.40. Ký hiệu Ignitrón.----------- - -0 ỊJ o —

Hình 14.41.

Rj_ Lối ra

278

Đèn h iện số có khí (hình 14,46) có ký hiệu quy ước (h ình 14.42) và đặc tuyến Von Ampe (hình 14.43) thuộc nhón đòn katot lạnh do đó điện áp mồi đế xảy ra phóng điện cao hơn loại Kf;tot nóng. Các thông sô" thường gặp của đòn chỉ thị loại này là:

• Đ iện áp mồi (từ 80V đến 150V).

• Đ iện áp duy trì (từ 70V đến 140V).

• D òng k atot (từ 2mA đến lOmA).Đồn h iện sô" có khí dùng để chỉ thị (hiện số) các số thập phân, khi

chế tạo các katot của đèn có dạng các số thập phâiì sẽ phát sáng ở chế độ làm việc (chọn 1 trong 10 điện cực dạng sô" làm việc) hay loại Gazotron dùng để ổn định điện áp 1 chiều như thể hiện ti'ên hình 14.45.

14.8.4. Đèn hiện thị sô có khí

ế-mA

10

Rs

u

f-%r*nnu à z100

V

Hình 14.42. Ký hiệu đèn. ổn áp có khí (Stabilitron).

Hình 14.43. Đặc tuyến stabilitron.

Hỉnh 14.44. Mạch bảo vệ dùng stabiỉítron.

ơ, U2

Hình 14.45. Mạch ổn áp dùng stabilitron. Hình 14.46. Đòn chỉ thị số có khí.

14.9. TẾ BÀO QUANG ĐIỆN CHÂN KHÔNG14.9.1. Hiệu ứng phát xạ quang điện

Khi được kích thích bằng một chùm phôtôn (với một bước sóng xác định) một số loại vật liệu có tính hấp thụ photon và tạo ra các điện tử

279

tự do dưới dạng phát xạ khỏi bề m ặt vật liệu gọi là quá trình phát xạ quang điện hay h iệu ứng quang điện ngoài. Thường v ậ t liệu phát xạ được ch ế tạo ở dạng điện cực k ato t quang, kh i có chùm ánh sá n g th ích hỢp tác động, các đ iện tử được phát xạ tạo ra trong tế bào quang điện chân không (hình 14.48) một dòng điện khi có đ iện áp dưỡng đặt vào anot. H ình 14.47 đưa ra đồ thị nhậy phổ của m ột sô' v ậ t liệu làm katot quang điện như K ali đa tinh thể, hoặc m ột sô" hỗn hỢp O xyde S esi, Bari hay A ntim oan...

Kali Katot .đã tinh thể hợp chất Katotcanxioxyt

Q2 0.3 0,i 0,5 0.6 0.7 0.8 0.9 IX) ụ 12

Chân không

Ánh sáng tới

, Anode

Hình 14.47. Độ nhậy phổ của các vật liệu làm katot quang điện.

Hình 14.48. cấu tạo tế bào quang điện chân không.

14.9.2. Cấu tạo và hoạt động của tế bào quang điện chân không

K atot quang điện của tế bào có dạng bán trụ được phủ lớp vật liệu có hiệu ứng

quang điện ngoài mạnh.A not là một đũa kim loại nằm chính giữa trong bán trụ katot (hình 14.48). Quan hệ dòng quang điện Ip phụ

thuộc cưòng độ sáng hay

quang thông (ị) được cho trên h ìn h 14.49 th ể h iện là quan

hệ tuyến tính Ip= K.(ị). ở đây Ip đo bằng |0,A (10"* A) và (ị) đo bằng lum en.

Đ iện áp anot cung cấp khoảng 80V đến lOOV (h ình 14.50). Môl quan hệ

im

Hình 14.49. Quan hệ Ip vào cường độ sáng ệ của tê' bào quang điện.

280

I|.. và u„ ứng với các mức ộ khác nhau cho trên hình 14.51. Hộ số tỷ lệ K! (I|,- = Kộ) được gọi là độ nhậy quang của tế bào (đo bằng liA/lm có giá trị thông thưòng từ 30f.iA/Cm đôn õOỊ.iA/lm.

Hinh 14.50. Mạch điện dùng tế bảo quang điện chân không

(hoạt dộng ỏ chê độ bão hoà).

Hình 14.51. Đặc tuyến lf (Ug) của tê'bào quang điện chân không

(vỏi cường độ sáng (Ị> là tham số).

14.9.3. Tế bào quang điện có khí (ký hiệu hình 14.52)

N ếu trong ô"ng cấu tạo của lê bào chân không có bơm khí trơ vôi nồng độ thấp sõ nhận được loại t ế bào quang điện loại có kh í với độ n h ậy quang cao hơn của loại chân không (đến 200ụ./ưlm ). Quan hệ Ii,.((ị)) của loại tế bào quang điện có khí dạng tuyến tính và ciíòng độ I|,- tă n g khi cùòng độ sá n g (ị) Lăng. Đặc tuyến Von Am pe I|r — u,, dưỢc cho t-rên h ình 14.53.

Anot

\Katot

Hỉnh 14.52. Ký hiệu tế bào

quang điện khí.

Hình 14.53. Đặc tuyến Ip (Ua) của tế bào quang điện có khí (với ộ làm tham số).

281

CÂU HỎI ÔN TẬP - BÀI TẬP

1. Sô" lượng điện tử phát xạ n h iệt trong ô"ng tia đ iện tử chân không (tính trong 1 đơn vị thòi gian) phụ thuộc vào những yêu tô" nào?

2. Câ'u tạo và hoạt động của diot chân không?

3. H ãy mô tả đặc tuyến Von Am pe la-ư a của diot ch ân không và giảithích ý nghĩa.

4. Giải th ích cấu tạo và hoạt động của triot.

5 . D òng anot của triot đưỢc điểu k h iển như th ế nào?

6. Giải th ích ý nghĩa các tham sô: hỗ dẫn s , điện trở R, trong và hệ sô' trôi D của triot.

7. Vẽ m ột m ạch khuêch đại điện áp dùng triot.

8. Cấu tạo của Pentot?

9. Trình bày nguyên tắc tạo tia điện Lử trong ông tia.

10. G iái th ích khái niệm "súng điện tử" của ống tia.

11. Trình bày nguyên ]ý làm lệch tia điện tử.

12. Tại sao trong ô"ng thu truyền hình lại dùng từ trường để hội tụ vàlái tia ?

13. Phân b iệt loại dụng cụ điện tử chân không và dụng cụ có khí.

14. H iện tượng ion hoá do va chạm trong chất khí? H ãy vẽ đặc tuyến phóng điộn của chíÍL khí trơ.

15. Cấu tạo và hoạt động của thyratron.

16. N guyên lý hoạt động của tô" bào quang điện chân không ?

17. H iệu ứng quang điện ngoài là gì?

282

LỞI GIÂI Vờ OàP SỐ C(IC Bfíl TỢP

Chương 2: Từ 1 tới 8 xein nội dung sách

Chương 2 : Từ 1 tới 7 xem nội dung sách

8. a) 10 .000“ + 5%

b) 820Q ± 10%

c) 2,2Q ± 5%

d) 47 MQ ± 20%

e) 0, Lõn ± 10%

í) 5,36Q ± 2%

g) 8 8 7 M Q ± 1%

h) 274Q ± 2%

i) 1 3 ,8 0 ± 1%

k) 4 ,32kQ ± 1%

9.Vòng 1 Vòng 2 Vòng 3 Vòng 4 Vòng 5

a) Cam Tím Vàng Bạc Nâu

b) Xanh lam Xám Nâu Cam Đỏ

c) Nâu Nâu Vàng Đen Xanh lục

d) Đỏ Đỏ Xanh lam Vàng Xanh lục

e) Vàng Xanh ỉam Vàng Đỏ Nâu

f) Tím Nâu Xanh lục Nâu Đỏ

10 đôn 15: Xem sách 16. Xcm h ìn h 2 .20 17 (lèn 19. Xem sách20. AR = 6,615Q , = 496,615Q21, 22. Xem sách23. Xem h ìn h 2.2524, 25. Xem sách 26. Xem hình 2.30b

■ u27. a) 1 =

R =

,cu

_ ( 20 'ì«.-’' \Ĩ2Ô , 20V

A - 0,1667” ” 2.551mA

I 2,55 ImA-7,840kQ

283

b) 1 = u _ ( IQO^c ; U 20,

lOOV I 544,5mA

'■ =0,8333'"’” -544 ,5m A

= 183,65Q

Chương 3:

1 đến 4. Xem sách

o. ~ CoQ.Ot(;*^^V

1\C = 2 ,2n F .(-2 ,5 .1 0 ^ ^ )-.7 0 k = -3 8 5 p Fk

C95 = C20 + AC = 2200pF - 385pF = 1815pF.

6 đến 16. Xein trong sách.

17.

18.

w = - C ư ' = -2 2 0 0 .l0 ''’F.(450V)-2 2

A ..................W=1 lOO. 10-" y 202.Õ00V'

w = 2 2 2 ,75W ,

T = RC = lO.lO^^Q 6800.10-" Y

X = 68.000S

Thòi g ian phóng điện 5x = 340 .000s = 94,44 giờ

Sau 94,44 giò (tương đương khoảng 4 ngày đêm ) tụ phóng h ết điện,

19.

X c =

Xc coC

1_________ _ 100.000^

6,28. lO"-4 7 .1 0 -" ^ - 6,28.47s V

20.

= 3 3 8 ,8Q

R = X^.tgô = 3 3 8 ,8 0 .0 ,0 2

R = 6 ,776 íỉ; Q = — = _ 1 _ = 50tgS 0,02

1 1 1 1— + ---------H -

c,

284

...L -í J_ i_ +J_'c, “ l i o o ''2 2 ’ 47 ,

c , = 13.03nF

- - = 0,07673— nl' nF

21. j _ _ Ị _ J _ J __L_ 1 f _ l ____ L_c„ ~ ' c c , ' c, " c~ " V 359 1000c , = 560nF

22 đô"n 26. Xem trong sách

L _L_Ì_L" L , 1", L, ~ U o '100 1000 J mH

Lp = 16 ,39m ll.

c , . = = A ^ _|.iF - 2,4^F

nF

27.

28.c , c , 4 + 6

C3,. = c., + c ,, = 2 iF + 2,4 F = 4,4 F

= 4,4ị.iF + lOOnP = 4,5

2.4,5

Chương 4

1. Xem Irong sếxch

12. L -

12ttRC 6,28.100114,7.10 -9

V

10'6,28.100.4,7

fg = 338 ,8kH z

3. Xem trong sách

4.

Hz1.000.000

6.28.4,7.100kllz

R1

5.

6,28.220.10

R

V

2nL

285

L =R _ 8Q SOOOmH

6,28.300-- 6’28-300s

L — 4,246m H6, 7. Xem trong sách

8 . coL = — ->c = 0)C co .L

c =

f 1 6,28.19.000iJ ,2.10-'Qs

— F = 0,03512f.iF39,44.361.10".2.i0

c = 35,12nF 9 dến 14. Xem trong sách15. T ính điện trỏ song song cùng giá trị:

L _ 10.10~'''Qs

~ C(R,, +R^j) “ 47.10'''S,(10Q + 22Q) R = 6,649kQ

T ính tần sô" cộng hưởng f,

= ___________________________J _______________________________

2nVLC 2W l0.10'"ns.47.10""Ss1 _ 10001 = -------- ĩ = = ------ = — ■■ _ — .MHz

6,28V47Õ.10‘‘' 6,28.21,68f, = 7,345M H z

16 đôn 19. Xem trong sách

Chương 5

1 đến 26. Xcm trong sách

I0,9V

lOOmA

Æ = ^ = 2 . i 6 nAIp 185mA

286

28 đến 30 xem trong sách

31. Xcm trong sách và xem hình 5.40

32. Xem trong sách và xem hình 5.47

33 dôVi 35. Xem trong sách

Chương 6

1 đến 6. Xem trong sách

7. Xem trong sách và hình 6.1, 6.3

8 đến 13. Xem trong sách

14. a) z . D iot không bị quá tả i

u , = 20V + 2V = 22V

u,. = u , - Uz = 22V - 8V 14V

í tol 8Wư . 8V

- l A

I..... = 5 m A

, _ ưv _ 14V _ , . ^I =:_=.LZ_L.::3l,4A

' Rv lOQ

I|^- I , \ - - 1,4A — lA - 0,4A

Ru 8V

L niax II 0,4A^200.

b) M ạch phải ổn định

u , = 20V - 2V = 18V

ư , = ư , - U z = 18V - 8V = lOV

Ry=ion.>-------

ưv .Uy

f%----- -----

hirZ? Uz (

f

Rl

I = 1A ; Ij = Ia - Iz„u„= lA - 0,005A = 0,995A' R,. lon

R8V

l.ivún lị 0,995A= 8,04fì

Trở tả i phải nằm trong giới hạn 8,04Q < R l ắ 20Q

15 đến 25. Xem trong sách

Chương 7

1 dến 11. Xem trong sách

12. Xem hình 7.23

13, 14. Xem trong sách

287

15. T ính hệ số^khuếch đại của m ạch hình 7.60

_ I( ._ 6mA _ „ _ _ ,1,. = — = ' ' = 300uA ' B 20

I|C “ Ic + Ib ~ 6,3m A= 6 I | ị = l ,8 m A

KC ~ I(; Ib"*" íq ~ 8 , Im A

Ue = IeR,.: = 6,3m A .220Q = 1,386V

Ujjc= I|je-R c- 8 ,lm A .lk Q = 8 ,IV

U2 (điện áp trên R,)

Ư2 = UuK + ưkk = 0,72V + 1.386V = 2 ,106V

l ,8mA

u ,: (điện áp trên R|)

u , = U h - Uhc - u ,= 18V - 8 , IV - 2 ,106V = 7.794V

u 7 794V R, = —^ = — - - =3 ,711fì

In + I 2,lmA

16. T ính hệ sô’ khuếch đại của m ạch hình 7.61

U h = ư h c + Ư CB+ u ,

ư „ - U c E = U ,c + U ,

U hc + U i,= 1 2 V -5 ,5 V = 6,5V

IcR c+ I|.;Re= 6,5V

60I|jRc + Gl.In-Rp, “ 6,õV

Ib(60R c+ 61 Rị,;) = 6,5V

I 6,5V 6,5V 6,5V~ 60R . +61R^"^ 60.1kQ + 61.220n ~ 73,42kQ

In= 88,83^iA

Ic= 601(3 = 5,312m A

Ie= 611,j = 5,4mA (= Ic+Ib)

U kc= Icric= 5 ,312m A .lk Q = Õ,312V

ƯE= I eRe = 5 ,4m A .220Q = 1,08V

UọCtrên R9) = U e+ Ube = 1,08V + 0 ,75V = 1,83V

288

1,83V= 6,89kQ

1„ 3Ir 3.88, 53^A

u ,(tr ê n R,) = Ư B- Ư2 = 12V - 1,83V = 10,17V

R, = J 5 A Z N L ^ 2 8 ,7 2 k Q^ I _ I ■_______ ' 'I„ + I 88,53|.lA + 265,6^A 0,3541m A

Ư C K = U b - U k c - U e = 1 2 V - 5 . 3 1 2 V - 1,08V = 5,608V

1 đến 19. Xem trong sách

20 .T.-T„ 170"c-50"c _ 120

Rihii 80W = 1,5W

80"c/ w

21 đến 23. Xem trong sách

24. M ạch khuếch đại mắc BC; dạng khác của h ình 7.58

25. Xem trong sách và hình 7.48

Chương 81 đên õ. Xem trong sách

6 . Xem m ạch hình 8.19 (tầng khuếch đại dùng JFETn mắc SC)

7 đến 12. Xem trong sách

13. M ạch tương tự h ình 8 .39 - Tầng khuếch đại mắc chung cực nguồn s c dùng EMOSp

14 đến 2 0 . Xcm trong sách

Chương 91 dôVi 9. Xem trong sách

10. Xem trong sách

Chương 101 đến 11. Xem trong sách

12. Xem trong sách

13. Xem trong sách

14. Xem hình 10.28 và 10.29 :

15 đến 17. Xem trong sách

18. M ạch cần chỉnh lưu có điều khiển (điều khiển kiểu cô"t pha) nhờ cả hai thyritor.

Bộ tạo xung đ iều kh iển cho SCR và xác định góc mồi.

Lối vào

ơ.

19-lKĐIỆMTỬ289

Chương 1 1

1 đến 7. Xem trong sách

8 . M ạch điểu kh iển mô tơ dùng triac. Đ iện áp ƯA và sô" vòng quay tỷ lệ nhau khi số vòng quay giảm th ì ư„ giảm . Đ iện áp mồi ư z là h iệu sô" giữa Up và Ua (ưz Up - U.0; khi số vòng quay giảm ƯA giảm do đó Ư2 tăng (triac đưỢc mồi m uộn hơn). Đ ộng cơ nhận n h iều công su ất hđn sẽ quay nhanh hơn. Tô"c độ danh định được đặt trước nhò chọn vị trí của chiôt áp trong m ạch.

Chương 121 dến 9. Xem trong sách

Chương 131 và 2, Xem trong sách

I.B3, u,, - R n •

u „ = . y a i _ 0 ! m \ 8 Ọ m ^ Y í , 82,8mV As.0,2mnn.m

4 đến 10. Xem trong sách

Chương 141 đến 6 . Xem trong sách

7.

8 đến 18. Xem trong sách

p 1 Lối ra

► +

1

Lối vào1

-ƯJ (1

290

MỤC LỤC « •

Lời giói thiệu................................................................................................................ 3

Chương 1

KT THUẬT ĐO DÙNG MÁY HIỆN SÓNG (OXYLO)1.1. Khái niệm chung....... .......................................................................................... 51.2 . Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy hiện sóng............. ..............................61.3. Sử dụng oxylo..................................................................................................... 10Cáu hỏi ôn tập............................................................. ..............................................1 1

Chương 2

ĐIỆN TRỞ TUYẾN TÍNH VÀ ĐIỆN TRỞ PHI TUYẾN2 .1. Các tính chất chung........... ...............................................................................122 .2 . Điện trở có giá trị cô" định................................................................................. 142.3. Điộn trỏ thay đổi giá trị (biến trỏ).................................................................... 202.4. Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở................. ................................................ 232 .Õ. Nhiệt điện trở nóng và nhiệt điện trở lạnh................................................ ...,242.6. Các điện trở có giá trị phụ thuộc điện áp.............................................................. 27Câu hỏi ôn tập - Bài tập ................................................................................................... 31

Chương 3

TỤ ĐIỆN VÀ CUỘN DÂY3.1. Điện dung...........................................................................................................33

3 .2 . Tụ điện.................. ' ....................................................................................... ...343.3 . Tụ điện trong mạch điện 1 chiều.....................................................................423.4. Tụ điện trong mạch xoay chiều.............................................. ...................... :..443.5. Mắc nôi tiếp và mắc song song các tụ điện..................................................... 463.6. Cuộn dây....................................................................................................................... 473.7. Cuộn dây trong mạch điện 1 chiều..................................................................503 .8 . Cuộn dây trong mạch điện xoay chiều........................................................ ....533.9. Mắc nổi tiếp và mắc song song các cuộn dây....................................................... 56Câu hỏi ôn tập - Bài tập.......................................................................................... 57

291

MẠNG HAI c ự c VÀ MẠNG 4 c ự c PHỤ THUỘC TẦN s ố4.1. Tính chất chung.................................................... .............................................60

4.2. Mạch RC nôl tiếp......................................................................................................... 604.3. Mạch RL nôl tiếp ..........................................................................................................614.4. Khâu R C ..................................... .................................................................................. 624.5. Khâu CR........................................................................................................................ 634.6. Khâu R L ........................................................................................................................ 644.7. Khâu L R ........................................................................................................................664.8. Mạch cộng hưởng......................................................................................................664.9. Khâu RC làm mạch tích phân............................................................. ..........754.10. Khâu CR làm mạch vi phân............................................................................77Cáư hỏi ôn tập - Bài tập .................................................................................. ...............79

Chương 5

DIOT BÁN DẨN5.1. Vật liệu bán dẫn điện................................................................................ ......815.2. Cấu trúc chất bán dẫn tinh thể.........................................................................81Õ.3. Tính chất dẫn điện.............................................................................................825.4. Chất bán dẫn Silic loại n ........................................................................... ...............835.5. Chất bán dẫn Silic loại p .................................................................................. 845.6. Chuyển tiếp pn..................................................................................... ............. 8Õ5.7. Nguyên lý hoạt động của diot bán dẫn............................................................ 885.8. Tính chất khoá chuyển mạch của diot bán dẫn................................ ............. 925.9. Tính chất nhiệt của diot bán dẫn..................................................................... 935.10. Bộ chỉnh lưu dùng diot bán dẫn............................................................................945.11. Khoá diot trong kỹ thuật sô"....................................................................................985.12. Các dạng cấu tạo của diot bán dẫn................................................................985.13. Đo thử kiểm tra d io t..............................................................................................1005.14. Tham sô" định mức và tham sô" giới hạn.............. ............................ ......... 100Câu hỏi ôn tập - Bài tập ................................................................................................. 102

Chương 6

CÁC DIOT CÓ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT6.1. Z -diot........................................................................................................................... 1046.2. Diot varicap (diot biến dung)................................................................................. 1106.3. Diot Tunen (diot Esaki).................................................................................. 114

Chương 4

292

6.4. Diot ngược (backward)...................................... ...................................................... 1166.5. Diot P in ........................................................................................................................ 1176 .6 . Diot điện tử nóng (diot Schottky-Diot S ) ...................................................... 119Câu hỏi ôn tập - Bài tập .................................................................................................. 121

Chương 7

TRANSITO LƯỠNG c ự c (BJT)7.1. Khái niộm chung..............................................................................................1237.2 . Nguyên lý hoạt động của transito loại pnp...................................................1237.3. Nguyên lý hoạt động của transito npn.................................................. ■.....1257.4. Điện áp và dòng điện trên transito....... .......................................................1267.5. Các đặc tuyến và tham sô" của transito mắc emitơ chung............................... 1287.6. Chọn điểm làm việc cho transito...........................................................................1327.7. Sự điều khiển transito.............................................................................................1357.8. Dòng điện dư, điện áp ngược và điện áp đánh th ủ n g ......................................1387.9. Trạng thái điều khiển quá mức và các điện áp bão h oà ................................. 1407.10. Công suất tổn hao trên transito..................................................................14 1

7.11. Ầnh hương của nhiệt độ và ổn định nhiệt điểm làm việc.......................... 1447.12. Tạp âm của transito...................................................................................... 1457.13. Các thông số của transito.....................................................................................1487.14. Một vài ứng dụng của transito............................................................................151Câu hỏi ôn tập - Bài tập ........................................................................................... . 155

Chương 8

TRANSITO ĐƠN c ự c8 .1. Transito hiệu ứng trường có cực cửa là 1 lỏp khoá (JFET) ......................... 1588.2. Transito hiệu ứng trường có cực cửa cách ly

(IGFET hay MOSFET) ...........!..................................................................... 1658.3. MOSFET có hai cực cửa.......................................................................................... 1758.4. Transito 1 chuyển tiếp pn (UJT).................................................................... 175Câu hỏi ôn tập - Bài tập........................................................................................ 177

Chương 9

CÁC MẠCH VI ĐIỆN TỬ (IC)9.1. Khái niệm chung.......................................................................................................1809.2. Kỹ thuật tích hỢp các linh kiện............ ................................................................1819.3. Vi điện tử sô" và vi điện tử tương t ự .....................................................................185

293

9.4. Mức độ tích hỢp và mật độ đóng gói...............................................................1879.5. Các ưu nhưỢc điểm của IC............................................................................... . 1879.6. IC khuếch đại thuật toán (OPV)....................................................................188Câu hỏi ôn tập ~ Bài tập........................................................................................ 193

Chương 10

THYRISTOR10.1. Diot 4 lớp (thyristor diot).............................................................................. 19410.2 . Thyristor (SCR)............................................................................................. 19710.3. Th^TÌstor 4 cự c...................... ................................................................................ 20910.4. GTO thyristor................................................................................................ 210Câu hỏi ôn tập - Bài tập........ ............................................................................... 214

Chương 11

DIAC VÀ TRIAC11.1. Diac.............................................................................. .................................. 21611.2. Triac.......................................................................................................................... 21911.3. Điều khiển dòng tải dùng diac và triac...................................................... 223Câu hỏi ôn tập - Bài tập......................................................................................226

Chương 12

CẤU KIỆN QUANG BÁN DẪN12.1. Hiộu ứng quang điộn trong......................................................................... 22712.2 . Quang điộn trỏ..............................................................................................22712.3. Tế bào quang điện và pin mặt tròi................................................. .......... 23012.4. Photo diot....................................................................................................... 23512.5. Phototransito................................................................................................. 23712.6. Photothyristo.................................................................................................23812.7. Diot phát quang L E D .................................................................................. 23912.8. LASEiR bán dẫn......................................................................................................24212.9. Sợi quang dẫn.......................... ...............................................................................24312 .10. Bộ ghép quang................................................................................ ............ 245Câu hỏi ôn tập - Bài tập .................................................................................. ...........247

Chương 13CÁC CẤU KIỆN BÁN DẪN ĐẶC BIỆT

13.1. Độ phát sóng HalL................. .......................................................................24813.2. Từ trở..............................................................................................................25113.3. Diot từ .......................................................................................................................254

294

13.4. Áp trỏ bán dẫn................................................... ................................... ................ 25513 .õ. Linh kiện tinh thể lỏng, ............................................................................... 25613.6. Transito màng mỏng (TFT) - Màn hình LC D ............................................ 25913.7. Màn hình Plasma (Plasma Display Panel “ PDF).......... .......................... 262Câu hỏi ôn tập - Bài tập.......................... .............................................................263

Chương 14CÁC DỤNG Cự ĐIỆN TỬ VÀ DỤNG c ụ ION

14.1. Sự phát xạ nhiệt điện tử ...................................................................................... 26414.2. Điot chân không - đèn 2 cực chân không........................................................ 26414.3. Đèn 3 cực chân không (Triot)............................................................................. 26514.4. Đèn 4 cực chân không (Tetrot)...........................................................................26914.5. Đèn 5 cực chân không (Pentot)..........................................................................26914.6. Các dụng cụ đặc b iệt.............................................................................................27214.7. Ống tia điện tử ....................................................................................................... 27214.8. Dụng cụ io n ............................................................................................................ 27514.9. Tế bào quang điện chân không........................................................................... 279Câu hỏi ôn tập — Bài tập................................................................................................ 282Lời giải và đáp sô các bài tập.................................................................................283Mục lục.................................................................................................................................... 291

295