Bài giảng Kỹ thuật điện tử - ĐHSPKT Hưng Yên

tr-êng §¹i häc s- ph¹m kü thuËt h-ng yªn khoa c¬ khÝ ®éng lùc Bµi gi¶ng dïng chung Kü THUËT §IÖN Tö (Dïng cho c¸c hÖ ngµnh CN c¬ ®iÖn-b¶o tr×, C¬ ®iÖn l¹nh vµ §iÒu hßa kh«ng khÝ, c¬ khÝ ®éng lùc) ¸p dông cho Ch-¬ng tr×nh tÝn chØ Biªn so¹n: NguyÔn h¶i hµ, Lª ngäc tróc, lª trÝ quang Bé m«n: c«ng nghÖ c¬ ®iÖn L¹NH & §HKK H-ng yªn, 2015 1 PHẦN 1: LINH KIỆN BÁN DẪN Chƣơng I LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG 1.1 Điện trở: Cấu tạo, ký hiệu, đặc điểm 1.1.1 Cấu tạo Khái niệm : Điện trở là linh kiện điện tử thụ động dùng để làm vật cản trở dòng điện. Theo mong muốn của người sử dụng, đôi khi người ta dùng điện trở để tạo ra sự phân cấp điện áp ở mỗi vị trí trong mạch điện. Đối với điện trở thì nó có khả năng làm việc với cả tín hiệu một chiều (DC) và xoay chiều (AC) và nghĩa là nó không phụ thuộc vào tần số của tín hiệu tác động lên nó. Trường hợp đối với một dây dẫn thì trị số điện trở lớn hay nhỏ sẽ phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn( điện trở suất) và nó tỷ lệ thuận với chiều dài dây, tỷ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn. Ta có công thức tính:  : Là điện trở suất (mm2/m) L: Là chiều dài dây( m) Trong đó S : Là tiết diện dây (mm2) R : Là điện trở. () Trong mạch điện thuần trở, điện trở có quan hệ với hiệu điện thế và dòng điện bởi biểu thức: U R = I Trong đó: U – hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở (V); I- cường độ dòng điện chạy qua điện trở (A). Công suất toả nhiệt trên điện trở P là: 2 2UP = I R R  (W) R =  L S 2 Khi có hai hay nhiều điện trở R1, R2, , Rn mắc nối tiếp nhau thì điện trở tổng cộng R bằng tổng các điện trở riêng rẽ. n 1 2 n i i=1 R = R +R +...+R = R Khi có hai hay nhiều điện trở R1, R2, , Rn mắc song song nhau thì điện trở R được tính theo hệ thức sau. n i=11 2 n i 1 1 1 1 1 = + +...+ = R R R R R  1.1.2 Ký hiệu Trong sơ đồ, tài liệu, điện trở được kí hiệu theo hai dạng cơ bản sau đây: Điện trở thường chiếp áp Điện trở chíp R R VR toR Chuẩn EU Chuẩn US Biến trở Điện trở nhiệt Quang trở Hình 1.1 Một số ký hiệu của các loại điện trở Trong thực tế, điện trở rất phong phú về chủng loại và hình dạng và thường được phân loại như sau: Phân loại theo cấu tạo, có các loại điện trở: Điện trở than ép : Có dạng thanh chế tạo từ bột than trộn với chất liên kết được nung nóng để hóa rắn. Có trị số từ 10  22M và công suất 1/4 W đến 1 W . Điện trở màng kim loại : Chế tạo theo cách kết lắng màng Ni – Cr trên thân gốm có sẻ rãnh xoắn và được phủ lớp sơn bảo vệ. Điện trở Ôxit kim loại : Chế tạo theo cách kết lắng màng Ôxit thiếc trên thanh SiO2 có công suất danh định là 1/2 W . 3 Điện trở dây quấn: Loại điện trở này dùng dây điện trở quấn trên thân lớp cách điện thường bằng sứ, có trị số điện trở thấp nhưng công suất làm việc lớn từ 1W25 W Phân loại theo công dụng ( hay còn gọi là phân loại theo chức năng): Biến trở (Variable Resistor ): Thường dùng loại bột than có độ kết dính cao hoặc vành dây quấn được bố trí dạng cung tròn 2700 kết hợp với con quay hoặc con chạy . Quang trở (Photo Resistor hay Light Dependent Resistor) Được chế tạo từ chất bán dẫn có độ nhạy quang lớn nên khi ánh sáng chiếu vào sẽ làm thay đổi giá trị điện trở, khi cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở càng tăng lên thì giá trị quang trở càng giảm. Nhiệt trở: (Thermistor). Nhiệt trở có hai loại: nhiệt trở có hệ số nhiệt dương ( giá trị nhiệt trở tỷ lệ thuận với nhiệt độ tác động lên nhiệt trở) và nhiệt trở có hệ số nhiệt âm ( giá trị nhiệt trở tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tác động). Điện trở tùy áp ( Voltage Dependent Resistor). Giá trị của điện trở tùy áp phụ thuộc vào giá trị điện áp đặt lên điện trở. Điện trở cầu chì (Fusistor hay Fuse Resistor ). Điện trở cầu chì có tính chất và tác dụng như một cầu chì, khi dòng điện qua nó vượt quá định mức cho phép thì nó tự đứt để bảo các phần tử khác trong mạch điện tử. Sau đây là hình ảnh minh họa của một số loại điện trở trong thực tế. Tên điện trở Ký hiệu Hình dáng Điện trở thường R Biến trở VR 4 Nhiệt trở Th Quang trở CdS Điện trở cầu chì F Điện trở tùy áp VDR 1.1.3 Đặc điểm Giá trị định danh: Giá trị định danh của điện trở được tính bằng Ôm (), có thể dùng các đơn vị dẫn suất như kilôôm (K hoặc K), mêgaôm (M hoặc M), gigaôm (G hoặc G). Dung sai: là sai số không mong muốn, sai số này phát sinh trong quá trình chế tạo. Dung sai phụ thuộc vào công nghệ chế tạo. Đối với điện trở có cấc cấp dung sai là: B = 0,1%, C = 0,25%, D = 0,5%, F = 1%, G = 2%, I = 5%, K = 10%, M = 20%. Cấp B, C, D thường được dùng trong các thiết bị đo, cấp F, G thường dùng trong các thiết bị quân sự, hàng không, thiết bị chuyên dụng; còn các cấp I, K, M chỉ dùng trong các thiết bị dân dụng, học tập. Đặc tính điện trở – nhiệt độ: Độ biến thiên của điện trở theo nhiệt độ được biểu thị bằng phần trăm (%); nếu các thay đổi là tuyến tình thì gọi là hệ số nhiệt độ, nếu các thay đổi là phi tuyến (dạng chủ yếu) thì gọi là đặc tính điện trở – nhiệt độ. Tần số giới hạn và tiếng ồn: Khi làm việc ở tần số cao, ngoài thành phần thuần trở còn phải tính đến thành phần cảm kháng và dung kháng kí sinh. Muốn có tính năng tốt ở tần 5 số cao thì tỉ số giữa độ dài điện trở và tiết diện điện trở phải cực đại. Tiếng ồn phát sinh là do sự tăng hay giảm điện áp trong thân điện trở. Tiếng ồn tổng thể phụ thuộc vào giá trị điện trở, nhiệt độ điện trở, cấu trúc các phần tử bên trong và hình dạng bên ngoài điện trở, dòng điện trong điện trở. Cách đọc điện trở: Đối với loại điện trở có giá trị ghi trên thân theo chữ cái và số: Ký hiệu R33 3R3 33R 3K3 33K 3M3 33M Giá trị 0,33 Ω 3,3 Ω 33 Ω 3,3kΩ 33kΩ 3,3MΩ 33MΩ Trị số của điện trở hoặc được ghi bằng số Ả Rập hoặc được ghi bằng vạch màu trên thân điện trở. Thậm chí có loại ghi theo số sêri. Ghi bằng số ả Rập: ví dụ trên thân điện trở có ghi 12K  5%, có nghĩa là giá trị của điện trở đó là 12kilô ôm  60 ôm (đo được bằng đồng hồ vạn năng), dung sai là 5%. Ngoài ra có thể ghi theo , K, M, G. Ghi bằng vạch màu: Thông thường giá trị điện trở được ghi bằng 4 (chủ yếu) hoặc 5 vạch màu. Các vạch màu có ý nghĩa như sau: Cách đọc: Trị số R = AB x C (), dung sai D. Ví dụ: Điện trở có vạch màu đọc được là nâu, đen, cam, nhũ vàng thì: R = 10 x 10 3 = 10K, sai số  5%. Số thứ nhất A Dung sai D Hệ số nhân C Số thứ hai B 6 Hay giá trị của điện trở là: R = 10K  500. Một số điện trở có vạch dung sai D trùng với màu thân điện trở (không có màu riêng biệt) thì dung sai đó là M =  20%. MÀU SỐ A, B HỆ SỐ NHÂN C DUNG SAI D Đen 0 100 Nâu 1 10 1 F =  1% Đỏ 2 102 G =  2% Cam 3 10 3 Vàng 4 10 4 Xanh lục 5 105 D =  0,50% Xanh lam 6 10 6 C =  0,25% Tím 7 10 7 B =  0,10% Xám 8 10 8 Trắng 9 109 Nhũ vàng - 10-1 I =  5% Nhũ bạc - 10-2 K =  10% Không màu - - M =  20% 7 Điện trở có bốn vạch màu: Màu Tên màu (ký hiệu) Số thứ 1 Số thứ 2 Hệ số nhân Sai số % Giá trị của điện trở tính bằng Ôm Không màu - - - 20 Ngân nhũ (SR) - - 10 -2 10 Kim nhũ (GD) - - 10 -1 5 Đen (BK) - 0 1 - Nâu (BN) 1 1 10 1 1 Đỏ (RD) 2 2 102 2 Cam (OG) 3 3 10 3 - Vàng (YE) 4 4 10 4 - Xanh lá (GN) 5 5 10 5 0,5 Xanh lơ (BL) 6 6 106 0,25 Tím (VT 7 7 10 7 0,1 Xám (GY) 8 8 10 8 - Trắng (WH) 9 9 109 - 8 Điện trở có năm vạch màu Màu Tên màu (ký hiệu) Số thứ 1 Số thứ 2 Số thứ 3 Hệ số nhân Sai số % Giá trị của điện trở tính bằng Ω - - - - - 20 Ngân nhũ (SR) - - - 10 -2 10 Kim nhũ (GD) - - - 10 -1 5 Đen (BK) - 0 0 1 - Nâu (BN) 1 1 1 10 1 1 Đỏ (RD) 2 2 2 102 2 Cam (OG) 3 3 3 10 3 - Vàng (YE) 4 4 4 10 4 - Xanh lá (GN) 5 5 5 10 5 0,5 Xanh lơ (BL) 6 6 6 106 0,25 Tím (VT 7 7 7 10 7 0,1 Xám (GY) 8 8 8 10 8 - Trắng (WH) 9 9 9 109 - 9 Đối với điện trở có năm vạch màu và sáu vạch màu cách đọc giá trị điện trở tương tự như đối với loại bốn vạch màu: Loại năm vạch màu: vạch thứ 1,2,3: là các chữ số có nghĩa; vạch thứ 4 là bội số và vạch thứ 5 là sai số. Loại sáu vạch màu: vạch thứ 1,2,3,4: là các chữ số có nghĩa; vạch thứ 5 là bội số và vạch thứ 6 là sai số. Cách đọc giá trị điện trở (loại có 5 vạch màu): §á TÝm Xanh l¸N©u §á R = 271 x 10 2 Ù ± 0,5% R= 27100 Ù ± 0,5% N©u Xanh l¸ Ng©n nhò Vµng§á ...................................... R = ................................ Ng©n nhò Vµng§á§á§á ................................ R = ............................... TÝmVµng §áTÝm §en ................................ R = ............................... Ứng dụng của điện trở. Các điện trở thường được sử dụng để hạn dòng, phân áp trong các mạch điện tử, ngoài ra điện trở còn được sử dụng kết hợp với các linh kiện khác để tạo mạch lọc. Quang trở, nhiệt trở được sử dụng trong các mạch điều khiển, các mạch tự động, trong các thiết bị điện tử. Ví dụ mạch tự động bật đèn đường khi trời tối dùng quang trở, mạch tự động đóng ngắt mạch điện khi nhiệt độ môi trường thay đổi dùng nhiệt trở... 10 Điện trở cầu chì dùng để bảo vệ các linh kiện khác trong thiết bị điện tử. Biến trở được ứng dụng rộng rãi trong thực tế: Đối với biến trở than, thực tế có 2 loại: A và B. Loại A: Chỉnh thay đổi chậm đều, được sử dụng để thay đổi mức âm lượng lớn nhỏ trong Ampli, Cassette, Radio, TV, hoặc chỉnh độ tương phản (Contrass), chỉnh độ sáng (Brightness) ở TV,... Biến trở loại A còn có tên gọi là biến trở tuyến tính. Loại B: Chỉnh thay đổi đột biến nhanh, sử dụng chỉnh âm sắc trầm bổng ở Ampli. Biến trở loại B còn có tên gọi là biến trở phi tuyến hay biến trở loga. Ngoài ra, tính chất của điện trở còn được ứng dụng trong các thiết bị điện- điện tử như: dây tóc bóng đèn sợi đốt, bàn là, bếp điện, máy sấy tóc... Trong công nghiệp tính chất điện trở được ứng dụng trong các lò sấy điện... Hư hỏng, kiểm tra, thay thế Điện trở nói chung thường hỏng do dòng điện đi qua lớn, gây cháy hoặc tăng trị số; số ít hư hỏng do phóng điện, do tác động cơ học, do môi trường, thời gian. Kiểm tra điện trở bằng ôm kế, máy đo RLC, xác định giá trị điện trở thông qua điện áp và dòng điện trên điện trở khi nó ở trong mạch điện, Khắc phục bằng cách thay đúng chủng loại, trị số điện trở, trị số công suất, 1.2 Tụ điện: Cấu tạo, ký hiệu, đặc điểm 1.2.1 Cấu tạo Khái niệm Hình 1.2: Năng lượng của tụ dưới dạng điện trường 11 Tụ điện là một loại linh kiện điện tử, gồm hai vật dẫn điện được ngăn cách nhau bởi chất điện môi hoặc chân không, để tích chữ điện tích lớn trong thể tích nhỏ. Tụ điện được sử dụng trong dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều có tần số tới 10 GHz. Chất điện môi có thể là không khí, giấy tẩm hoá chất, màng hữu cơ, mi ca, thuỷ tinh hoặc gốm. Mỗi loại có hằng số điện môi khác nhau, có độ dày khác nhau và ảnh hưởng trực tiếp đền chất lượng và đặc tinh của tụ điện. Tính chất của tụ điện Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức C = ξ . S d Trong đó C - là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ - Là hằng số điện môi của lớp cách điện. d - là chiều dày của lớp cách điện. S - là diện tích bản cực của tụ điện Tính chất cơ bản nhất của tụ điện là phóng và nạp điện. Đường cong biểu diễn dòng điện, điện áp trên tụ là đường cong lồi khi tụ nạp và là đường cong lõm khi tụ phóng điện. Điện dung của tụ điện được kí hiệu là C có đơn vị là Fara (F). Thông thường trong kĩ thuật sử dụng các đơn vị dẫn suất của nó là micro Fara (F), nano Fara (nF), picô Fara (pF). Tính chất cơ bản của tụ điện là cho dòng điện xoay chiều đi qua và ngăn không cho dòng điện một chiều đi qua. Dòng điện xoay chiều có tần số càng lớn càng dễ đi qua, dòng điện xoay chiều có tần số càng nhỏ càng khó đi qua. Dung kháng của tụ điện ở chế độ xoay chiều tính bằng biểu thức: c 1 1 X = 2 f.C .C   Trong đó: XC – Dung kháng của tụ điện 12 f - tần số tín hiệu xoay chiều C – điện dung của tụ điện 1.2.2 Ký hiệu Ký hiệu: Tụ điện được ký hiệu như sau: Tụ không phân cực Tụ hoá có phân cực Tụ hoá có phân cực Tụ hoá không phân cực Tụ biến dung hay tụ biến đổi Đối với tụ không phân cực, khi mắc vào mạch điện không cần phải lưu ý đến cực tính nhưng đối với tụ phân cực thì cực dương phải nối vào điểm điện áp cao hơn, cực âm nối với điểm điện áp thấp hơn. Phân loại Đối với tụ điện cũng có rất nhiều loại nhưng thực tế người ta phân ra thành 2 loại chính là tụ không phân cực và tụ phân cực. Tụ không phân cực : Gồm các lá kim loại ghép xen kẽ với lớp cách điện mỏng , giá trị của nó thường từ 1,8 pF  1F còn giá trị tụ lớn hơn thì sẽ có kích thước rất lớn không tiện chế tạo. Tụ phân cực : Có cấu tạo gồm 2 điện cực cách ly nhau nhờ 1 lớp chất điện phân mỏng làm điện môi. Lớp điện môi càng mỏng thì trị số điện dung càng cao. Loại tụ này có sự phân cực và ký hiệu các cực được ghi trên thân của tụ, vì thế nếu nối nhầm cực tính thì lớp điện môi sẽ bị phá hủy làm hư hỏng tụ. Trong thực tế chúng ta thường gặp các loại tụ như sau : - Tụ gốm : Điện môi bằng gốm thường có kích thước nhỏ, dạng ống hoặc dạng đĩa có tráng KL lên bề mặt, trị số từ 1pF 1F và có điện áp làm việc tương đối cao. - Tụ mi ca : Điện môi làm bằng mica có tráng bạc, trị số từ 2,2pF đến 10nF và thường làm việc ở tần số cao. Tụ này có chất lượng cao, sai số nhỏ, đắt tiền . 13 - Tụ Polycacbonat : Có dạng tấm chữ nhật, kích thước nhỏ gọn phù hợp với các Board mạch in ,điện dung lớn (tới 1F) - Tụ giấy polyste : Chất điện môi làm bằng giấy ép tẩm Polyeste có dạng hình trụ , có trị số từ 1nF 1F . - Tụ hóa (tụ điện phân) : Có cấu tạo là lá nhôm cùng bột dung dịch điện phân cuộn lại đặt trong vỏ nhôm , loại này có điện áp làm việc thấp , kích thước và sai số lớn , trị số điện dung khoảng 0,1 F  4700F . - Tụ tan tang : Loại tụ này được chế tạo ở 2 dạng hình trụ có đầu ra dọc theo trục và dạng hình viên tan tan. Tụ này có kích thước nhỏ nhưng trị số điện dung cũng lớn khoảng 0,1F 100F - Tụ biến đổi : chính là tụ xoay trong Radio hoặc tụ tinh chỉnh. Dưới đây là một số hỡnh ảnh cỏc loại tụ điện mà ta rất hay gặp trong thực tế: Loại tụ Hình vẽ Cực tính Điện áp chịu đựng Tụ hoá (Electrolytic) Có <500V Tụ gốm (Ceramic) Không Vài trăm Volt Tụ giấy Không Vài trăm Volt Tụ mica Không <1000V 14 Tụ màng mỏng (etallized Film) Không Hàng ngàn Volt Tụ tăng tần (tantalum) Có <100V 1.2.3 Đặc điểm Quy tắc xác định giá trị tụ điện Đối với loại tụ hoá: Giá trị của tụ điện được ghi ngay trên thân của tụ. Ta có thể dễ dàng đọc được trị số này. 1 0 0 µ F 5 0 V 1 0 µ F 1 6 V 1000µF 25V C = 100 µF U = 50V C = 10 µF U = 16V C = 1000 µF U = 25V Đối với một số loại tụ khác: Vì lý do kích thước của tụ nhỏ nên khó ghi con số cụ thể, người ta ghi một mă số trên thân tụ, chỉ gồm 4 con số để chỉ trị số và cả sai số của tụ. Cách ghi như sau: 15 Như vậy, chúng ta lấy hai chữ số có nghĩa làm giá trị tụ, rồi nhân với 10 X , trong đó X là con số thứ 3 (hay nói cách khác là thêm X con số 0 vào sau hai số có nghĩa). Cuối cùng, tra bảng để biết giá trị sai số của tụ điện. Tóm lại, ta có bảng số nhân và bảng sai số như sau: Số nhân Nhân với (hay thêm vào X số 0) 0 Không có ý nghĩa 1 10 (1) 2 100 (2) 3 1000 (3) 4 10000 (4) 5 100000 (5) 6 1000000 (6) Bảng sai số: Mă Sai số C ± 0,25 pF J ± 5% K ± 10% M ± 20% D ± 0,5 pF Z + 80%/ -20% Ngoài ra, tụ điện cũng đọc giá trị bằng mã màu tương tự điện trở như sau: 16 Mã màu của tụ điện: Color Significant Figure Decimal Multiplier Tolerance >10pF <10PF Black 0 1 +/-20% +/-2.0pF Brown 1 10 +/-1% Red 2 100 +/-2% Orange 3 1000 Yellow 4 Green 5 +/-5% +/-0.5pF Blue 6 Violet 7 Gray 8 0.01 +/-0.25pF White 9 0.1 +/-10% +/-1.0pF Các vạch màu 1 và 2 là vạch số có ý nghĩa, vạch màu số 3 là số nhân, tiếp theo là vạch màu sai số. Hư hỏng, kiểm tra, thay thế - Hư hỏng Tụ bị chấp các bản cực: khi đo kiểm tra bẳng ôm kế nếu thấy có điện trở nhỏ (R0) và khi đổi đầu que đo không có thay đổi nhiều, tụ không phóng nạp thì tụ đã bị chập. Tụ bị thủng lớp điện môi: khi đó điên môi trở lên dẫn điện một phần, nếu kiểm tra bẳng ôm kế thì thấy có điện trở nhỏ, đổi đầu que đo điên trở đó không có sự thay đổi nhiều. Tụ bị thủng vẫn có hiện tượng phóng nạp nhưng rất yếu. 17 Tụ bị đứt: không có hiên tượng phóng nạp, điện trở vô cùng lớn. Kiểm tra bằng ôm kế có đô nhạy cao, nếu kim không nhục nhích thì tụ có thể bị đứt. Tụ không còn tác dụng dẫn tín hiệu. Tụ bị rò: Không tích điện được lâu, do có dòng dò giữa hai bản cực. Khi dòng dò nhỏ thì rất khó phát hiện. Nếu đo bằng ôm kế thì khi đặt que đo vào các bản cực của tụ thì tụ nạp điện nhưng kim ôm kế không trở về được vị trí vô cùng. Trong mạch điện, để phát hiện tụ dò thường thông qua việc xác định điện áp bị giảm. Có nhiều tụ chỉ rò ở điện áp cao do điện môi bị ion hoá, dùng vôn kế (nguồn Vol thấp) chưa chắc đã phát hiện được. Hiện tượng rò gần giống như hiện tượng tụ bị chập. Tụ hoá hay tụ dầu bị khô do hóa chất hay dầu ở trong tụ bị biến tính hay bị ri ra ngoài, bản cực của tụ bị biến tính. Khi đó điện dung của tụ bị giảm xuống, không thể sử dụng được, phải nhanh chóng tháo bỏ, tránh làm ảnh hưởng đến các linh kiện xung quanh, nhất là khi tụ hoá bị chảy hoá chất ra ngoài. - Cách khắc phục: Thay thế bằng tụ đúng củng loại, đúng điện dung, điện áp bằng hoặc cao hơn. 1.3 Cuộn dây và bộ biến thế: Cấu tạo, ký hiệu, đặc điểm 1.3.1 Cấu tạo Cơ sở lý thuyết. Cuộn cảm có tính chất ngăn cản ḍng điện xoay chiều (trong khi đó tụ điện cho phép ḍng điện xoay chiều đi q ua), c̣n đối với ḍng điện một chiều th́ cuộn cảm lúc đó được coi đơn giản như một đoạn dây nối (ngắn mạch ) – c̣n tụ điện th́ lại ngăn không cho ḍng điện một chiều đi qua nó. Tính chất của cuộn cảm Cuộn cảm hoạt động dựa trên nguyên lư điện từ. Thực tế, trong các đường dây điện thẳng b́nh thường , khi có ḍng điện chạy qua th́ xung quanh đường dây xuất hiện một từ trường, chiều của từ trường này được xác định bằng quy tắc bàn tay trái: 18 Hình 1.3: Qui tắc bàn tay trái Để tăng từ trường lên, chúng ta cuộn các đoạn dây thành vòng, nhờ đó mà các từ trường kết hợp lại với nhau tạo nên cuộn cảm có từ trường mạnh hơn rất nhiều. Khi cung cấp cho cuộn cảm một dòng điện chạy qua nó thì trong cuộn cảm xuất hiện một từ trường. Hình ảnh minh họa sau sẽ nói lên điều đó: Hình 1.4: Từ thông trong cuộn dây Trị số của cuộn cảm phụ thuộc vào ḍng điện , số ṿng dây và cấu tạo của cuộn cảm . Một ứng dụng đơn giản và rơ ràng nhất của cuộn cảm chính là rơ-le 19 Chúng ta có thể thấy rằng, khi có ḍng điện chạy trong mạch th́ lập tức cuộn cảm sẽ sinh ra một từ trường và hút công tắc đóng lại. Điều đó làm ta ứng dụng trong nhiều rơ-le đóng tắt mạch điện công suất lớn bằng các nguồn điện nhỏ và không gây nguy hiểm cho người sử dụng. Đơn vị đo Trị số cuộn cảm được đo bằng đơn vị Henri, kư hiệu H Thông thường người ta hay sử dụng các đơn vị nhỏ hơn, bao gồm milihenri (mH), microhenri ( µH). Quy đổi các đơn vị đó là 1 m H = 10 -3 H 1 µH = 10 -6 H Ghép nối cuộn cảm trong mạch: Chúng ta có hai cách ghép nối: ghép song song và ghép nối tiếp Ghép nối tiếp cuộn cảm: Khi nối tiếp, công thức tính như sau: L t = L 1 + L 2 + ... + L n Ghép song song cuộn cảm: 20 Công thức là: Cuộn cảm là phần tử dùng để tích trữ và biến đổi năng lượng điện thành năng lượng từ trường còn biến áp thì dựa trên cơ sở của cuộn cảm để biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại. Điều lưu ý là cuộn cảm chỉ tác dụng nhiều đối với dòng điện xoay chiều còn với dòng 1 chiều thì cuộn cảm chỉ xem như là một điện trở thuần mà thôi. Đối với dòng điện xoay chiều thì tổng trở của cuộn cảm bao gồm điện trở thuần RL và trở kháng XL . Ta có : ZL = RL + j XL = RL + j 2  f L 1.3.2 Ký hiệu Ký hiệu cuộn cảm. Cuộn dây không có lõi (Lõi không khí) loại này làm việc ở tần số cao >10MHz. Cuộn dây có lõi sắt bụi (sắt + than ép) (Ferit) loại này làm việc ở tần số trung bình 50kHz đến 10MHz Cuộn dây có lõi sắt cứng tôn Silic, loại này hoạt động ở tần số thấp < 50kHz Cuộn dây có một lõi điều chỉnh được Cuộn dây có 2 lõi điều chỉnh được. Phân loại và cấu tạo: Đối với cuộn cảm có hai cách phân loại: Phân loại theo vật liệu làm lõi, có: 21 - Cuộn cảm lõi không khí : Được cuốn trên khung giấy hoặc nhựa, bên trong lõi là không khí , nó được làm việc ở nơi có tần số rất cao. - Cuộn cảm lõi Ferit : Cũng được cuốn trên ống cách điện, bên trong lõi là thanh Ferit có thể điều chỉnh được và thường làm việc ở nơi có tần số tương đối cao. - Cuộn cảm lõi sắt từ : Được cuốn trên 1 khung giấy hoặc nhựa, bên trong lõi làm bằng sắt có độ từ tính cao, nó được làm việc ở nơi có tần số tương đối thấp Phân loại theo tính chât cuộn cảm, có: - Cuộn cảm có trị số cố định. - Cuộn cảm có trị số thay đổi. Hình ảnh một số loại cuộn cảm trong thực tế: Hình ảnh Trị số Hình ảnh Trị số Trị số 6,5 mH, lõi sắt Ferit Trị số 1 mH, lõi sắt Ferit Trị số 4,5 mH, lõi sắt Ferit Trị số 9 mH, lõi sắt Ferit Trị số 5,5 mH, lõi sắt Ferit Trị số 0,676 m H 1.3.3 Đặc điểm Thông số cơ bản - Điện cảm danh định L: Giá trị này được thiết kế cho từng loại. Các hệ thức 1.13; 1.14; 1.15 biểu thị quan hệ của điện cảm với các đại lượng liên quan khác. - Tần số làm việc: Mỗi loại cuộn cảm có giải tần làm việc nhất định gọi là giải thông tần. - Nhiệt độ làm việc cực đại: Là nhiệt độ tối đa cho phép mà cuộn cảm không bị phá hỏng. 22 - Hệ số phẩm chất Q: Phản ánh chất lượng của cuộn cảm, phụ thuộc cách quấn, kiểu quấn, chất lượng lõi, kích thước cuộn cảm, kiểu ghép. - Điện dung kí sinh: Nếu cuộn cảm có nhiều tầng, nhiều lớp thì điện dung tạp tán lớn, nhất là cuộn cảm hoạt động ở tần số cao. Muốn khử điện dung kí sinh phải quấn theo kiểu quấn chỉ hoặc quấn thành nhiều phần tách biệt, - Điện trở dây quấn: Cuộn cảm có điện trở dây quấn càng nhỏ càng tốt. Nhiều loại cuộn cảm đặc biệt người ta dùng dây bạc hay dây hợp kim có điện trở bằng “không ôm”. - Điện áp danh định: Là điện áp mà khi mắc cuộn cảm vào mạch điện không bị phá huỷ. Hư hỏng, kiểm tra, thay thế - Cuộn cảm bị chập một số vòng dây, do đó khó có thể kiểm tra bằng ôm kế mà phải dùng thiết bị đo điện cảm chuyên dụng để xác định. - Cuộn cảm bị đứt, có thể kiểm tra bằng ôm kế. - Cuộn cảm bị phóng điện do lớp cách điện hỏng, do điện áp làm việc đột ngột tăng cao. Trường hợp này cũng không thể kiểm tra bẳng ôm kế, phải kiểm tra bằng thiết bị đo chuyên dụng. - Cuộn cảm bị sai tần số cộng hưởng do lõi bị điều chỉnh sai, bị vỡ, bị tác động cơ học. Việc điều chỉnh lại phải do những người có kinh nghiệm thực hành cao, có máy móc đo chuyên dụng để xác định. Tuyệt đối không tuỳ tiện điểu chỉnh lõi của các cuộn cảm có điện cảm điều chỉnh được, việc này do nhà thiết kế đã cân chỉnh sẵn. - Việc khắc phục chủ yếu bằng thay thế đúng trị số, đúng chủng loại. Ứng dụng: Cuộn cảm được dùng làm cuộn chặn cao tần, loa diện động, micrô điện động... Đối với biến áp ( có 2 loại chính). - Biến áp tự ngẫu : Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được cuốn trên cùng 1 cuộn dây, lõi bên trong thường làm bằng sắt từ . 23 - Biến áp tự cảm : Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được cuốn trên 2 cuộn dây riêng biệt (đôi khi gọi là biến áp cách ly), lõi bên trong thường làm bằng Ferit hoặc sắt từ Đối với biến áp : Giả sử gọi U1 , I1 , P1 , N1 lần lượt là điện áp, dòng điện, công suất, số vòng dây cuốn của cuộn sơ cấp. Gọi U2 , I2 , P2 , N2 lần lượt là điện áp , dòng điện , công suất , số vòng dây cuốn của cuộn thứ cấp thì ta có : - Tỉ số U1 / U2 = I2 / I1 = N1/ N2 = K - Tổng công suất ngõ vào P1 = tổng công suất ngõ ra P2. U1 I1 = U2 I2 - Phụ thuộc tiết diện và vật liệu làm lõi biến áp . 24 CHƢƠNG II: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TÍCH CỰC 2.1 Bán dẫn P, N và mặt ghép P-N 2.1.1 Bán dẫn tinh khiết a. Cấu tạo của nguyên tử – nhận xét Ta biết rằng vật chất được cấu tạo từ những nguyên tử (đó là thành phần nhỏ nhất của nguyên tố mà còn giữ nguyên tính chất của nguyên tố đó). Theo mô hình của nhà vật lý Anh Rutherford (1871-1937), nguyên tử gồm có một nhân mang điện tích dương (Proton mang điện tích dương và Neutron trung hoà về điện) và một số điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động chung quanh nhân và chịu tác động bởi lực hút của nhân. Nguyên tử luôn luôn trung hòa điện tích, số electron quay chung quanh nhân bằng số proton chứa trong nhân - điện tích của một proton bằng điện tích một electron nhưng trái dấu). Điện tích của một electron là -1,602.10 -19 Coulomb, điều này có nghĩa là để có được 1 Coulomb điện tích phải có 6,242.10 18 electron. Điện tích của điện tử có thể đo được trực tiếp nhưng khối lượng của điện tử không thể đo trực tiếp được. Tuy nhiên, người ta có thể đo được tỉ số giữa điện tích và khối lượng (e/m), từ đó suy ra được khối lượng của điện tử là: m o =9,1.10 -31 Kg (2.1) Đó là khối lượng của điện tử khi nó chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng (c=3.10 8 m/s). Khi vận tốc điện tử tăng lên, khối lượng của điện tử được tính theo công thức Lorentz-Einstein: 0 e 2 2 m m = v 1- c (2.2) Mỗi điện tử chuyển động trên một đường tròn và chịu một gia tốc xuyên tâm. Theo thuyết điện từ thì khi chuyển động có gia tốc, điện tử phải phát ra năng lượng. Sự mất năng lượng này làm cho quỹ đạo của điện tử nhỏ dần và sau một thời gian ngắn, điện tử sẽ rơi vào nhân. Nhưng trong thực tế, các hệ thống này là một hệ thống bền theo thời gian. Do đó, giả thuyết của Rutherford không đứng vững. 25 Nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr (1885- 1962) đã bổ túc bằng các giả thuyết sau: Có những quỹ đạo đặt biệt, trên đó điện tử có thể di chuyển mà không phát ra năng lượng. Tương ứng với mỗi quỹ đạo có một mức năng lượng nhất định. Ta có một quỹ đạo dừng. Khi điện tử di chuyển từ một quỹ đạo tương ứng với mức năng lượng w 1 sang quỹ đạo khác tương ứng với mức năng lượng w 2 thì sẽ có hiện tượng bức xạ hay hấp thu năng lượng. Tần số của bức xạ (hay hấp thu) này là: 2 1 w -w f= h (2.3) Trong đó, h=6,62.10 -34 J.s (hằng số Planck). Hình 2.1 chuyển động của điện tử trong quỹ đạo Với giả thuyết trên, người ta đã dự đoán được các mức năng lượng của nguyên tử hydro và giải thích được quang phổ vạch của Hydro, nhưng không giải thích được đối với những nguyên tử có nhiều điện tử. Nhận thấy sự đối tính giữa sóng và hạt, Louis de Broglie (Nhà vật lý học Pháp) cho rằng có thể liên kết mỗi hạt điện khối lượng m, chuyển động với vận tốc v một bước sóng. h λ= mv (2.4) Tổng hợp tất cả giả thuyết trên, khả dĩ có thể giải thích được các hiện tượng quan sát được ở cấp nguyên tử. Để tìm năng lượng của những điện tử trong một nguyên tử duy nhất, người ta thầy rằng mỗi trạng thái năng lượng của electron phụ thuộc vào 4 số nguyên gọi là 4 số nguyên lượng: 26  Số nguyên lượng xuyên tâm: (Số nguyên lượng chính) Xác định kích thước của quỹ đạo n=1,2,3,7  Số nguyên lượng phương vị: (Số nguyên lượng phụ) Xác định hình thể quỹ đạo l=1,2,3,,n-1  Số nguyên lượng từ: Xác định phương hướng của quỹ đạ  Số nguyên lượng Spin: Xác định chiều quay của electron s 1 m = + 2 và 1 - 2 Tất cả các nguyên tử có cùng số nguyên lượng chính (xác định kích thước quỹ đạo) hợp thành một tầng có tên là K,L,M,N,O,P,Q ứng với n=1,2,3,4,5,6,7. Ở mỗi tầng, các điện tử có cùng số nguyên lượng phụ l (xác định hình thể quỹ đạo) tạo thành các phụ tầng có tên s,p,d,f tương ứng với l=0,1,2,3 Tầng K (n=1) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử. Tầng L (n=2) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử và một phụ tầng p có tối đa 6 điện tử. Tầng M (n=3) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử) và một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử). Tầng N (n=4) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử), một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) và một phụ tầng f (tối đa 14 điện tử). Như vậy: Tầng K có tối đa 2 điện tử Tầng L có tối đa 8 điện tử. Tầng M có tối đa 18 điện tử. Tầng N có tối đa 32 điện tử. Các tầng O,P,Q cũng có 4 phụ tầng và cũng có tối đa 32 điện tử. 27 Ứng với mỗi phụ tầng có một mức năng lượng và các mức năng lượng được xếp theo thứ tự như sau: Hình 2.2 Mức năng lượng của mỗi phụ tầng Khi không bị kích thích, các trạng thái năng lượng nhỏ bị điện tử chiếm trước (gần nhân hơn) khi hết chỗ mới sang mức cao hơn (xa nhân hơn). Thí dụ: nguyên tử Na có số điện tử z=11, có các phụ tầng 1s,2s,2p bị các điện tử chiếm hoàn toàn nhưng chỉ có 1 điện tử chiếm phụ tầng 3s. Cách biểu diễn: Theo mẫu của Bohr Theo mức năng lượng 28 Cách biểu diễn: Theo mẫu Bohr Theo mức năng lượng Hình 2.3 Trạng thái năng lượng Natri, Silicium, Germanium không bị kích thích Nhận xét: Các nguyên tử đứng cô lập có cấu trúc năng lượng là các mức rời rạc. b. Giải thích bằng mức năng lượng Eg. Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này suy biến thành các dải gồm nhiều mức khác nhau được gọi là vùng năng lượng. Đây là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của một vật rắn tinh thể. Tùy theo tình trạng của mức năng lượng trong vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 vùng năng lượng khác nhau:  Vùng hóa trị (vùng đầy), trong vùng đó tất cả các mức năng lượng đã bị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do.  Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần.  Vùng cấm, trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ, xác suất tìm thấy hạt ở đây bằng 0. Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 vùng kể trên, xét theo tính dẫn điện của mình, các chất rắn có cấu trúc tinh thể được chia ra làm 3 loại: 29 Hình 2.4 Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng Chúng ta đã biết, muốn tạo ra dòng điện thì trong chất rắn cần hai quá trình đồng thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyển động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của trường. Dưới đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan đến quá trình tạo ra các hạt tự do trong mạng tinh thể. c. Khái niệm Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện bán dẫn như Diode, Transistor, IC mà ta đã thấy trong các thiết bị điện tử ngày nay. Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, về phương diện hoá học thì bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử. đó là các chất Germanium ( Ge) và Silicium (Si). Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể. Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium có cấu trúc vùng năng lượng với Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hóa trị . Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện (hình 2.5). Khi được một nguồn năng lượng ngoài kích thích, xảy ra các hiện tượng ion hóa nguyên tử nút mạng và sinh ra từng cặp hạt dẫn tự do (hình 2.6a): điện tử bứt khỏi liên kết ghét đôi trở thành hạt tự do và để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống). 30 Hình 2.5 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T=00K) a) b) Hình 2.6 a) Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao b) Đồ thị vùng giải thích cơ chế phát sinh từng cặp hạt dẫn tự do. Trên đồ thị vùng năng lượng hình 2.6b, điện tử chuyển động từ một mức năng lượng trong vùng hóa trị lên một mức năng lượng trong vùng dẫn để lại một mức năng lượng tự do (lỗ trống) trong vùng hóa trị. Các cặp hạt dẫn tự do này dưới tác dụng của một truờng ngoài có khả năng dịch chuyển có hướng trong mạng tinh thể tạo lên dòng điện trong chất bán dẫn thuần. Kết luận: - Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lượng kích thích đủ lớn Ekt > Eg để electron nhảy mức năng lượng qua vùng cấm từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. 31 - Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần tương đương nhau do quá trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra. 2.1.2 Bán dẫn tạp loại P, N Chất bán dẫn loại N Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 5 bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng độ 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3. Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một điện tử vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một nguồn năng lượng yếu tạo nên một cặp ion dương tạp chất và điện tử tự do. Ở điều kiện bình thường (250C) toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa hết. Ngoài ra hiện tượng phát sinh hạt giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra với mức độ yếu hơn. Hình 2.7 a) Mô hình cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại n Mô hình cấu trúc mạng tinh thể và đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại n cho trên hình 2.7. Ta thấy rõ mức năng lượng của tạp chất loại n nằm trong vùng cấm và sát vùng dẫn. Điều này tạo khả năng các nguyên tử tạp chất dễ dàng bị ion hóa giải phóng ra điện tử tự do (nhảy từ mức năng lượng tạp chất lên vùng dẫn) và làm xuất hiện các ion dương tạp chất (là các hạt có khối lượng lớn không di chuyển được và không tham gia vào dòng điện). 32 Vậy ta thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n. Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện tử (là các hạt đa số) và lỗ trống (là loại hạt thiểu số) tạo nên Chất bán dẫn loại P Nếu tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 3 (Al, Ga, In) bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất sẽ xuất hiện các liên kết đôi bị khuyết (gọi là lỗ trống) có khả năng nhận điện tử. Khi kích thích năng lượng, các nguyên tử tạp chất sẽ bị ion hóa sinh ra một cặp: ion âm tạp chất – lỗ trống tự do. Mô hình mạng tinh và đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p cho trên hình 2.8. Hình 2.8 a) Cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p Mức năng lượng tạp chất nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo cơ hội nhảy mức ào ạt cho các điện tử hóa trị và hình thành một cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng điện) và lỗ trống (hạt đa số). Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại p gồm lỗ trống (là các hạt đa số) và điện tử (là loại hạt thiểu số) tạo nên 2.1.3 Mặt ghép P - N và các đặc tính điện Chuyển tiếp P - N Nối P-N là cấu trúc cơ bản của linh kiện điện tử và là cấu trúc cơ bản của các loại Diode. Phần này cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ về cơ chế hoạt động của một nối P-N khi hình thành và khi được phân cực. 33 Bằng nhưng công nghệ đặc biệt, người ta cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc với nhau. Tại nới tiếp xúc sẽ xảy ra các hiện tượng vật lý. a) Mặt ghép p-n khi chưa có điện áp ngoài Hình 2.9 Tiếp xúc p-n khi chưa có điện áp ngoài Do sự chênh lệch lớn vì nồng độ giữa hai loại bán dẫn n và p (nn>>np và pp>>pn) tại vùng tiếp giáp có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện một dòng khuếch tán Ikt hướng từ p sang n. Tại vùng lân cận mặt tiếp xúc xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số, do đó đồng thời xuất hiện một điện trường nội hướng từ vùng n (lớp ion dương) sang vùng p (lớp ion âm) gọi là điện trường tiếp xúc. Điện trường Etx cản trở chuyển động của dòng khuếch tán và gây ra chuyển động trôi của hạt thiểu số qua miềm tiếp xúc, có chiều ngược lại với dòng khuếch tán. Quá trình này xảy ra sẽ dẫn tới một trạng thái Ikt = Itr và không có dòng điện qua tiếp xúc p-n. b) Mặt ghét p-n khi có điện trường ngoài Trạng thái cân bằng động trên bi phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một điện trường ngoài. Có hai trường hợp xảy ra: Hình 2.10 Tiếp xúc p-n phân cực thuận 34 - Khi đặt điện trường ngoài (Engoài) ngược chiều với Etx (Eng hướng từ p sang n), trạng thái cân bằng bị phá vỡ, cường độ trường tổng cộng giảm đi, do đó làm tăng chuyển động khuếch tán Ikt người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n khi nó được mở. Dòng điện trôi Itr do Etx gây ra xuồng gần bằng không. Trường hợp này ứng với hình 2.10 gọi là phân cực thuận cho tiếp xúc p-n. Hình 2.11 Tiếp xúc p-n phân cực ngược - Khi Eng cùng chiều với Etx ứng với hình 2.11, trạng thái cân bằng ban đầu cũng bị phá vỡ, dòng Ikt giảm tới không, dòng gia tốc có tăng lên nhưng không đáng kể vì do hạt dẫn thiểu số đóng góp, nhanh tới một giá trị bão hòa. Người ta nói đó là sự phân cực ngược cho tiếp xúc p-n. Kết luận: Tiếp xúc p-n có tính dẫn điện không đối xứng, khi bị khóa dòng qua nó nhỏ trong khi điện áp đặt vào nó (hướng từ n sang p) có giá trị lớn (vài chục vôn) do vậy tiếp xúc có điện trở tương đối lớn. Khi được mở, tiếp xúc p-n dẫn điện tốt, dòng qua nó lớn (hướng từ p sang n) trong khi điện áp rơi trên nó nhỏ. 2.2 Diode 2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của diode a) Cấu tạo Cấu tạo của một diode bán dẫn gồm một tiếp xúc p-n và hai tiếp xúc để lấy ra 2 điện cực là anốt (từ vùng p) và katốt (từ vùng n), ký hiệu quy ước trên hình 2.12. 35 Hình 2.12 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn. b) nguyên lý làm việc Khi phân cực thuận cho diode: ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) như hình 2.13. Khi điện áp chênh lệch giữ hai cực anốt và katốt đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại Ge ) thì diode bắt đầu dẫn điện theo chiều anốt đến katốt. Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V ). Hình 2.13 Diode phân cực thuận Hình 2.14 Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua diode Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V . Khi phân cực ngược cho diode: Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P) như hình 2.15, dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chịu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng. Hình 2.15 Diode phân cực ngược 36 c)Đặc tuyến Vôn_Ampe của diode Đặc tuyến Vôn-Ampe biểu thị quan hệ đồ thị giữa dòng điện qua diode và điện áp đặt trên A và K của nó (hình 2.16). Hình 2.16 Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode bán dẫn Ta có một số nhận xét sau đối với đặc tuyến của diode bán dẫn: - Đặc tuyến là một đường cong phức tạp, chia làm có 3 vùng rõ rệt: Vùng (1) ứng với trường hợp diode được phân cực thuận với đặc trưng là dòng lớn, áp nhỏ, điện trở nhỏ. - Vùng (2) là diode phân cực ngược (diode khóa) với đặc trưng là dòng nhỏ, có giá trị Is rất nhỏ gần như không đổi, điện áp lớn từ hàng chục tới hàng trăn vôn, điện trở lớn (hàng chục nghìn ôm). - Vùng (3) dòng điện ngược tăng cực mạnh, điện trở nhỏ (), điện áp gần như không đổi, được gọi là vùng bị đánh thủng. Tồn tại hai dạng đánh thủng: + Đánh thủng vì nhiệt: do tiếp xúc p-n bị nung nóng cục bộ, vì va chạm của hạt thiểu số được gia tốc trong trường mạnh, điều này dẫn tới quá trình sinh hạt ồ ạt làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tăng mạnh...làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tăng mạnh dòng điện ngược tăng đột biến và mặt ghép p-n bị phá hỏng. + Đánh thủng vì điện do ion hóa vì va chạm của hạt dẫn thiểu số với nguyên tử của chất bán dẫn thuần thường xảy ra ở mặt ghét p-n rộng (hiệu ứng zennner) và hiệu ứng xuyên hầm xảy ra ở các tiếp xúc p-n hẹp do va chạm tạp chất với nồng độ cao liên quan đến hiện 37 tượng nhảy mức trực tiếp của điện tử hóa trị bên bán dẫn p xuyên qua rào thế tiêp xúc sang vùng dẫn bên bán dẫn n. Trong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng: AK A S T U I =I exp -1 m.U          với Is là dòng điện ngược bão hòa, m là hệ số điều chỉnh giữa lý thuyết và thực tế (12), T kT U = q là điện thế nhiệt với k là hằng số Botzman, q là điện tích điện tử, T là nhiệt độ tuyệt đối. Trong vùng (1) đặc tuyến có 2 vùng: (a) ban đầu dòng thuận còn nhỏ tăng yếu và (b) khi dòng thuận đủ mạnh, điểm điện áp giới hạn giữa hai vùng này gọi là ngưỡng điện áp mở của diode. 2.2.2 Các loại Diode đặc biệt Có nhiều loại diode, người ta có thể phân thành các loại như sau: Diode tín hiệu nhỏ: Thường ở dạng linh kiện rời, được dùng trong tách sóng, điều biên, chuyển mạch, chỉnh lưu, bộ hạn chế, làm tụ điện và điện trở phi tuyến để áp dụng vao những mục đích khác nhau. Những thông số quan trọng nhất của diode tín hiệu nhỏ là điện áp thuận, điện áp ngược, dòng rò ngược, điện dụng chuyển tiếp và thời gian phục hồi. Diode chỉnh lưu Silic: đó là linh kiện cho khả năng cho dòng tải lớn đến hàng trăn ampe. Bộ chỉnh lưu lý tưởng có điện trở ngược rất lớn, điện áp đánh thủng rất cao, điện trở thuận bằng không, vấn đề tản nhiệt rất quan trọng cho diode chỉnh lưu, nếu nhiệt độ tăng quá cao có thể phá hỏng tiếp giáp p-n. Hình 2.17 Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode zener 38 Diode Zener: Giống như các loại diode khác, nó có thể để nắn dòng điện xoay chiều. Công dụng chủ yếu là chuẩn điện áp hoặc phần tử điều chỉnh. Khả năng duy trì điện áp mong muốn phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ và trở kháng của diode. Tính năng chuẩn điện áp dựa trên hiệu ứng thác lũ của chuyển tiếp p-n khi có phân cực ngược tới hạn. Khi đó điện trở ngược của diode giảm nhanh, do vậy cần hạn chế bằng điện trở ngoài. Zener làm việc không mang tính phá hủy khi công suất tiêu tán danh định trên tiếp giáp của diode không vượt quá danh định. Thí dụ: Mạch tạo điện áp chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749 như sau: Khi chưa mắc tải vào, thí dụ dùng nguồn 15V, thì dòng qua zener là: Vs-Vz 15-4,3 I= = =22.8mA R 470 Hình 2.18 Mmạch tạo điện áp chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749 Diode Varactor/variable capacitance diode, varicap/diode biến dung: đó là diode mà lớp chuyển tiếp p-n có giá trị điện dung biến thiên theo điện áp phi tuyến. Điện dung chuyển tiếp tỉ lệ nghịch với độ rộng vùng hiếm, tức là tỉ lệ nghịch với điện thế phân cực. Hình 2.19 Đặc tính của điện dung theo điện thế Varactor được dùng nhiều trong các bộ thu, phát, dao động sóng cao tần, siêu cao tần. Hiệu ứng điện dung phụ thuộc vào điện áp đặt vào khiến cho nó được sử dụng như tụ điều 39 hưởng điều khiển bằng điện áp trong các máy thu phát như radio, tivi, để thay cho các tụ điện dung biến đổi theo cơ học thông thường. Thí dụ muốn thay đổi tần số cộng hưởng của mạch, người ta thay đổi điện thế nghịch đặt trên diode biến dung như hình 2.20. Hình 2.20a Mạch cộng hưởng dùng diode biến dung Diode Tunnel/Esaki diode/diode đường hầm. Đó là loại diode được pha rất nhiều tạp chất, với điện áp rất nhỏ cũng làm cho diode dẫn, mà công dụng chủ yếu xuất phát từ đặc tính dẫn điện âm của nó. Lớp chuyển tiếp p-n có thể thu được hiệu ứng chui hầm khi lớp nghèo được làm cực kỳ mỏng. Từ đỉnh A đến B điện áp tăng mà dòng điện giảm gọi là vùng có điện trở âm. Các áp dụng điển hình của Diode Tunnel trong các bộ khuếch đại. bộ dao động, bộ biến đổi và bộ tách sóng. Hình 2.20b: Đặc tuyến Von-Ampe của diode tunel Diode Schottky, đó là diode rào bề mặt, diode kim loại-bán dẫn. diode hạt tải nóng. Diode loại này được hình thành bởi việc cho tiếp xúc giữa một lớp bán dẫn và một kim loại (có thể có kết tủa vàng, platin, bạc) phủ lên nó bằng cách cho bay hơi hoặc cấy ion ion qua bề mặt. Đặc tuyến quan trọng nhất của diode này có khả năng chuyển sang trạng thái nghỉ OFF trong khoảng thời gian rất ngắn, cớ pico. Diode loại này dùng phổ biến trong mạch tách sóng, vì nó có tiếng ồn thấp, độ nhạy cao, hiệu suất biến đổi tốt. 40 Diode quang, đó là linh kiện cảm biến ánh sáng khi có ánh sáng chiếu vào lớp chuyển tiếp bán dẫn, các photon làm xuất hiện các lỗ trống-electron. Những điện tích đó khuếch tán qua lớp chuyển tiếp thì chúng tạo ra dòng quang điện. Nó có tác dụng như nguồn dòng điện tăng lên theo cường độ sáng. Diode phát quang LED, những linh kiện này được sử dụng rộng rãi để hiện hình (chỉ thị). Về cơ bản LED được chế tạo chủ yếu từ asenua. Khi được định thiên qua miền đánh thủng kiểu thác, các tiếp giáp p-n phát ra ánh sáng nhìn thấy có công suất thấp. Có thể thay đổi bước sóng phát ra nhờ thay đổi kết cấu của chúng, vì vậy có thể chế tạo được nhiều màu sắc khác nhau như xanh, đỏ, vàng. 2.3 Transistor lƣỡng cực BJT (Bipolar – Junction -Transistor) 2.3.1 Cấu tạo, kí hiệu, các tham số cơ bản Cấu tạo Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tuỳ theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là pnp và npn như hình 2.24. Để tạo ra các cấu trúc này, người ta áp dụng những công nghệ khác nhau như phương pháp khuếch tán, phương pháp hợp kim, Miền bán dẫn emitơ (E) có đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn, điện cực nối với miền này là cực emitơ. Miền bán dẫn bazơ (B) có nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó cỡ vào m, điện cực nối với miền này là cực bazơ. Hình2.21 Cấu tạo transistor 41 Miền colectơ (C) có nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là colectơ. Tiếp giáp p-n giữa miền emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp emitơ (JE), tiếp giáp p-n giữa miền bazơ và miền colectơ gọi là tiếp giáp colectơ (JC). Về cấu trúc có thể coi transistor như hai diode mắc đối nhau hình 2.21. Điều này không hoàn toàn có nghĩa là cứ mắc 2 diode như hình 2.21 là có thể thực hiện chức năng của transistor. Bởi vì khi đó không có tác dụng tương hỗ lẫn nhau của hai tiếp giáp p-n. Hiệu ứng transistor chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa hai tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn. Ký hiệu Hình 2.25 Ký hiệu của Transistor Kí hiệu của transistor trên mạch điện cần chú ý là mũi tên đặt giữa cực bazơ và cực colectơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Kí hiệu trên thân transistor: hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sản xuất nhưng thông dụng nhất là các transistor của Nhật bản, Mỹ và Trung quốc. - Transistor Nhật bản : thường ký hiệu là A..., B..., C..., D... Ví dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là Transistor thuận PNP còn ký hiệu là C và D là Transistor ngược NPN. Các Transistor A và C thường có công xuất nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor B và D thường có công xuất lớn và tần số làm việc thấp hơn. - Transistor do Mỹ sản xuất. Thường ký hiệu là 2N...ví dụ 2N3055, 2N4073 vv... - Transistor do Trung quốc sản xuất : Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chũ cái. Chữ cái thức nhất cho biết loại bóng : Chữ A và B là bóng thuận, chữ C và D là bòng ngược, 42 chữ thứ hai cho biết đặc điểm : X và P là bóng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm. Thí dụ : 3CP25 , 3AP20 vv.. Hoạt động: Để transistor làm việc cần phải đưa điện áp một chiều tới các cực của nó, gọi là phân cực cho transistor. Đối với chế độ khuếch đại thì JE phân cực thuận còn JC phân cực ngược như hình 2.22 Hình 2.22 Sơ đồ phân cực của transistor npn (a) và pnp(b) ở chế độ khuếch đại Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy transistor pnp (b) làm ví dụ: Do JE phân cực thuận, các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE nên tạo thành dòng emitơ (IE). Chúng tới vùng bazơ và trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới JC. Trên đường đi khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng cực bazơ (IB). Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như hoàn toàn các hạt khuếch tán tới được bờ của JC và bị trường gia tốc do JC phân cực ngược cuốn qua tới được miền colectơ tạo nên dòng colectơ (IC). Qua việc phân tích này rút được hệ thức cơ bản về dòng điện trong transistor (hệ thức gần đúng do bỏ qua dòng ngược của JC ): IE = IB + IC Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vào cùng bazơ, người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện  của transistor: C B I β = I hệ số  xác định chất lượng của transistor và có giá trị càng gần 1 với các transistor loại tốt. Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB tới dòng IC người ta định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện  của transistor. 43 C B I β = I  thường có giá trị trong khoảng vài trục tới vài trăm. Từ các biểu thức trên suy ra được vài hệ thức hay được sử dụng đối với transistor. IE = IB(1 + ) và β α = 1 + β Xét hoạt động của Transistor npn Sự hoạt động của Transistor npn hoàn toàn tương tự Transistor pnp nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại . Dòng IC đi từ C sang E còn dòng IB đi từ E sang B. 2.3.2 Các cách mắc BJT trong mạch khuếch đại Khi sử dụng về nguyên tắc có thể lấy 2 trong 3 cực của transistor là đầu vào và cực thứ 3 còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra. Như vậy có tất cả 6 cách mắc mạch khác nhau. Có một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Trong 6 cách mắc ấy chỉ có 3 cách là transistor có thể khuếch đại công suất là cách mắc chung emitơ (EC), chung bazơ (BC), chung colectơ (CC) như hình 2.23. Ba cách mắc còn lại không ứng dụng trong thực tiễn. Hình 2.23 Phương pháp mắc transistor trong thực tế a) ChungBazơ; b) chung Emitơ; c) chung colectơ 2.3.3 Đặc tuyến Von – Ampe Đặc tuyến Dựa vào cách mắc trên có thể coi transistor là một phần tử 4 cực gần tuyến tính có 2 đầu vào và 2 đầu ra (hình 2.23). Trong trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tĩnh: Đặc tuyến vào 21 2 U = const U = f(I ) | Đặc tuyến phản hồi 11 2 I = const U = f(U ) | 44 Đặc tuyến truyền đạt 12 2 U = const I = f(I ) | Đặc tuyến ra 12 2 I = const I = f(U ) | Tuỳ theo cách mắc của transistor mà các quan hệ này có tên gọi cụ thể, ví dụ với cách mắc EC: đặc tuyến vào là quan hệ BEBE B U = const U = f(I ) | hay đặc tuyến ra là BC CE I = const I = f(U ) | Bảng dưới đây là phương trình họ đặc tuyến cho các trường hợp mạch BC, EC, CC Tổng quát BC EC CC 21 2 U = const U = f(I ) | CBEB E U = const U = f(I ) | BEBE B U = const U = f(I ) | ECBC B U = const U = f(I ) | 11 2 I = const U = f(U ) | EEB CB I = const U = f(U ) | BBE CE I = const U = f(U ) | BBC EC I = const U = f(U ) | 12 2 U = const I = f(I ) | CBC E U = const I = f(I ) | BC B U = const I = f(I ) | ECE B U = const I = f(I ) | 12 2 I = const I = f(U ) | EC CB I = const I = f(U ) | BC CE I = const I = f(U ) | BE CE I = const I = f(U ) | 2.3.4 Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đại dùng BJTMạch nhung emitơ (EC) Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực B và E, điện áp ra lấy trên cực C và E. Từ hình 2.24 có thể vẽ được đặc tính tĩnh quan trọng nhất của của mạch mắc EC. Hình 2.24: Sơ đồ mắc chung emitơ Hình 2.25: Đặc tuyến vào của transistor mắc EC Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ nguyên điện áp UCE, thay đổi trị số điện áp UBE ghi các trị số IB tương ứng sau đó vẽ đồ thị sẽ thu được kết quả như hình 2.25. Thay đổi UEC 45 đến một giá trị khác và làm lại tương tự sẽ thu được đường cong thứ 2. Tiếp tục như vậy sẽ thu được họ đặc tuyến vào của transistor mắc EC. Từ hình 2.25, đăc tuyến vào của transistor giống như đặc tuyến P-N phân cực thuận. Ứng với một giá trị nhất định của UBE dòng IB càng nhỏ khi UCE càng lớn vì khi tăng UCE tức là tăng UCB làm cho miền diện tích không gian của chuyển tiếp colectơ rộng ra chủ yếu về phía bazơ pha tạp chất yếu. Điện áp UCB càng lớn thì tỉ lệ hạt dẫn đến colectơ càng lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền bazơ và đến cực bazơ để tạo thành dòng colectơ càng ít, do đó dòng bazơ nhỏ đi Hình 2.26 Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của transistor mắc EC Hình 2.26 là đặc tuyến ra của transistor mắc EC, cần giữ dòng IB ở một giá trị nào đó, thay đổi UCE và ghi lại giá trị tương ứng của dòng IC kết quả vẽ được đường cong sự phụ thuộc của IC và UCE tương ứng. Thay đổi IB đến một giá trị cố định khác và làm tương tự như trên ta được đặc tuyến ra. Từ đặc tuyến này có nhận xét nhau: tại miền khuếch đại độ dốc của đặc tuyến khá lớn vì cách mắc này dòng IE không giữ cố định. Khi UCE giảm xuống 0 thì dòng IC cũng giảm xuống 0 vì UCE = UCB+ UBE như vậy tại điểm uốn của đặc tuyến, UCB giảm xuống 0, tiếp tục giảm UCE sẽ làm cho chuyển tiếp colectơ phân cực thuận. Điện áp phân cực thuận này đẩy những hạt dẫn thiểu số tạo thành dòng colectơ quay trở lại miền bazơ, kết quả khi UCE = 0 thì IC cũng bằng 0. Ngược lại nếu tăng UCE lên quá lớn thì dòng IC sẽ tăng lên đột ngột, đó là miền đánh thủng tiếp xúc diode JC của transistor. Tương tự như đặc tuyến ngược của diode, khi UCE tăng quá lớn, tức điện áp phân cực ngược UCB lớn tới một giá trị nào đó, tại chuyển tiếp colectơ sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng do hiệu ứng thác 46 lũ và hiệu ứng zener làm dòng IC tăng đột ngột. Bởi vậy khi khi transistor làm việc ở điện áp UCE lớn cần có biện pháp hạn chế dòng IC đề phòng transistor bị phá hủy bởi dòng IC lớn. Đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ giữa dòng ra IC và dòng vào IB khi UCE cố định. Đặc tuyến này có thể nhận được bằng cách giữ nguyên điện áp UCE làm tương tự như trên bằng cách giữ nguyên UCE thay đổi dòng bazơ IB ghi lại các giá trị tương ứng IC trên trục tọa độ, thay đổi giá trị UCE làm tương tự như trên có họ đặc tuyến truyền đạt. Ta cũng có thể suy ra đặc tuyến này từ đặc tuyến ra: tại vị trí UCE cho trước trên đặc tuyến ra vẽ đường cong với trục tung, đường này cắt họ đặc tuyến ra ở những điểm khác nhau, tương ứng với những giao điểm này tìm được giá trị IC. Trên hệ tọa độ IC, IB có thể vẽ được những điểm thỏa mãn cặp trị số IC, IB vừa tìm được, nối các điểm này với nhau sẽ được đặc tuyến truyền đạt cần tìm. Mạch chung Bazơ Tranzito nối mạch theo kiểu chung bazơ là cực bazơ dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. Tín hiệu vào được đặt giữa hai cực emitơ và bazơ, còn tín hiệu ra lấy từ cực colectơ và bazơ. Để đo điện áp ở đầu ra và đầu vào từ đó xác định các họ đặc tuyến tĩnh cơ bản của tranzito mắc chung bazơ (BC) người ta mắc những vôn kế và miliampe kế như hình 2.27. Hình 2.27: Sơ đồ mắc transistor BC Hình 2.28: Đặc tuyến vào chung Bazơ Dựng đặc tuyến vào trong trưòng hợp này là xác định quan hệ hàm số IE =f(UEB) khi điện áp ra UCB cố định. Muốn vậy cần giữ UCB ở một giá trị không đổi, thay đổi giá trị UBE sau đó ghi lại giá trị dòng IE tương ứng. Biểu diễn kết quả này trên trục tọa độ IE (UEB) sẽ nhận được đặc tuyến vào ứng với trị UCB đã biết. Thay đổi các giả trị cố định của UCB làm tương tự như trên sẽ được họ đặc tuyến vào như hình 2.28. 47 Vì chuyển tiếp emitơ luôn phân cực thuận cho nên đặc tuyến vào của mạch chung bazơ cơ bản giống như đặc tuyến thuận của điốt. Qua hình 2.31 còn thấy rằng ứng với điện áp vào UEB cố định dòng vào IE càng lớn khi điện áp UCB càng lớn, vì điện áp UCB phân cực ngược chuyển tiếp colectơ khi nó tăng lên làm miền điện tích không gian rộng ra, làm cho khoảng cách hiệu dụng giữa emitơ và colectơ ngắn lại do đó làm dòng IE tăng lên. Đặc tuyến ra biểu thị quan hệ IC = f(UCB) khi giữ dòng vào IE ở một giá trị cố định. Căn cứ vào hình 2.27, giữ dòng IE ở một giá trị cố định nào đó biến đổi giá trị của UCB ghi lại các giá trị IC tương ứng, sau đó biểu diễn kết quả trên trục tọa độ IC – UCB sẽ được đặc tuyến ra. Thay đổi các giá trị IE sẽ được họ đặc tuyến ra như hình 2.29. Hình 2.29: Đặc tuyến ra của BC Hình 2.30: Đặc tuyến truyền đạt được suy ra từ đặc tuyến ra của transistor BC Từ hình 2.29 có nhận xét là đối với IE cố định, IC gần bằng IE. Khi UCB tăng lên IC chỉ tăng không đáng kể điều này nói lên rằng hầu hết các hạt dẫn được phun vào miền bazơ từ miền emitơ đều đến được colectơ. Dĩ nhiên dòng IC bao giờ cũng phải nhỏ hơn dòng IE. Khi UCB tăng làm cho đọ rộng miền điện tích không gian colectơ lớn lên, độ rộng hiệu dụng của miền bazơ hẹp lại, số hạt dẫn đến được miền colectơ so với khi UCB nhỏ hơn, nên dòng IC lớn lên. Cũng từ hình 2.24 còn nnhận xét rằng khác với trường hợp đặc tuyến ra mắc CE khi điện áp tạo ra UCB giảm tới 0. Điều này có thể giải thích như sau : Khi điện áp ngoài UCB giảm đến 0, bản thân chuyển tiếp chuyển tiếp colectơ vẫn còn điện thế tiếp xúc, chính điện thế tiếp xúc colectơ đã cuốn những hạt dẫn từ bazơ sang colectơ làm cho dòng IC tiếp tục chảy. Để làm dừng hẳn IC thì chuyển tiếp colectơ phải 48 được phân cực thuận với giá trị nhỏ nhất là bằng điện thế tiếp xúc, khi ấy điện thế trên chuyến tiếp colectơ sẽ bằng 0 hoặc dương lên,làm cho các hạt dẫn từ bazơ không thể chuyển sang colectơ (IC= 0). Miền đặc trưng trong đó chyển tiếp colectơ phân cực thuận gọi là miền bão hòa. Nếu tăng điện áp ngược UCB đến một giá trị nhất định nào đó (gọi là điện áp đánh thủng ) dòng IC tăng lên đột ngột có thể dẫn đến làm hỏng tranzito hiện tượng đánh thủng này do mọt trong hai nguyên nhân : Hoặc là do hiệu ứng thác lũ hoặc hiệu ứng Zener như trưnờng hợp điốt, hoặc là do hiện tượng xuyên thủng (do điện áp ngược UCB lớn làm miền điện tích không gian của miền chuyển tiếp colectơ mở rộng ra tới mức tiếp xúc với miền điện tích không gian chuyển tiếp emitơ, kết quả làm dòng IC tăng lên đột ngột ). Đặc tuyến truyền đạt chỉ rõ quan hệ hàm số giữa dòng ra và dòng vào IC=f(IE) khi điện áp ra giữ cố định. Để vẽ đặc tuyến này có thể làm bằng hai cách : hoặc bằng thực nghiệm áp dụng sơ đồ (2.26), giữ nguyên điện áp UCB thay đổi dòng vào IE, ghi lại các kết quả tương ứng dòng IC, sau đó biểu diễn các kết quả thu được trên tạo độ IC – IE sẽ được đặc tuyến truyền đạt. Thay đổi giá trị cố định UCB sẽ được họ đặc tuyến truyền đạt như hình 2.30. Hoặc bằng cách suy ra từ đặc tuyến ra : từ điểm UCB cho trước trên đặc truyến ta vẽ đường song song với trục tung, đường này sẽ cắt họ đặc tuyến ra tại các điểm ứng với IE khác nhau từ các giao điểm này có thể tìm được trên trục tung các giá trị IC tương ứng. Căn cứ vào các cặp giá trị IE, IC này có thể vẽ đặc tuyến truyền đạt ứng với một điện áp UCB cho trước, làm tương tự với các giá trị UCB khác nhau sẽ được họ đặc tuyến truyền đạt như hình 2.30. Mạch mắc chung colectơ Mạch chung colectơ có dạng như hình 2.31, cực colectơ dung chung cho đầu vào và đầu ra. Để đo điện áp vào, dòng vào, dòng ra qua đó xác các đặc tuyến tĩnh cơ bản của mạch CC dung các vôn kế và miliampe kế được mắc như hình 2.31. 49 Hình 2.31: Sơ đồ xác định đặc tính của transistor mắc CC Hình 2.32: Họ đặc tuyến vào của transistor mắc CC Đặc tuyến vào của mạch chung colectơ (CC) IB= f(UCB) khi điện áp ra UCE không đổi có dạng như hình 2.32 nó có dạng khác hẳn so với các đặc tuyến vào của hai cách mắc EC và BC xét trước đây. Đó là vì trong kiểu mắc mạch này điện áp vào UCB phụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra UCE (khi làm việc ở chế độ khuyếch đại điện áp UCB đối với tranzito silic luôn giữ khoảng 0.7V, còn tranzito Gecmani vào khoảng 0.3V trong khi đó điện áp UCE biến đổi trong khoảng rộng). Ví dụ trên hình 2.32 hãy xét trường hợp UEC = 2V tại IB = 100mA UCB = UCE –UBE = 2V – 0.7 V =1,3V. Hình 2.33: Họ đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của transistor mắc CC Đặc tuyến ra của tranzito mắc CC mô tả quan hệ giữa dòng IE và điện áp UCE khi dòng vào IB không đổi. Đặc tuyến truyền đạt trong trường hợp này mô tả quan hệ giữa dòng ra IE và dòng vào IB khi điện áp UCE không đổi. Trong thực tế có thể coi IC ≈ IE cho nên đặc tuyến 50 ra và đặc tuyến truyền đạt (trường hợp mắc chung colectơ ) tương tự như trường hợp mắc chung emitơ (h 2.33). 2.4 Transistor trƣờng (FET) 2.4.1 Đặc điểm chung Khác với transistor lưỡng cực có đặc điểm chủ yếu là dòng điện trong chúng do cả hai loại hạt dẫn (điện tử và lỗ trống tự do) tạo nên, transistor trường hoạt động dựa trên hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng của một điện trường ngoài. Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo ra. Phần này trình bày tóm tắt những đặc điểm quan trọng nhất của FET về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và các tham số đặc trưng đối với hai nhóm chủng loại là: FET có cực cửa là tiếp giáp p-n (JFET) và FET có cực cửa cách ly (MOSFET) 2.4.2 JFET (Junction Field Effect Transistor) Transistor trường có cực cửa gián tiếp (JFET) Cấu tạo và kí hiệu Cấu tạo của JFET kênh n được đưa ra trên hình 2.34: Trên đế tinh thể bán dẫn Si-n người ta tạo xung quanh nó một lớp bán dẫn p (có nồng độ tạp chất cao hơn so với đế) và đưa ra 3 điện cực là Nguồn S (Source), cực máng D (Drein) và cực cửa G (Gate). Như vậy hình thành một kênh dẫn điện loại n nối giữa hai cực D và S, cách ly với cực cửa G (dùng làm cực điều khiển) bởi một tiếp xúc p-n bao quanh kênh dẫn. Tương tự từ đế bán dẫn loại p ta có loại JFET kênh p. Hình 2.34 Cấu tạo và ký hiệu của JFET a) Cấu tạo JFET kênh n; b) Ký hiệu JFET 51 Nguyên lý hoạt động: Để JFET làm việc,người ta dùng nguồn điện áp một chiều để phân cực cho transistor: UDS > 0 và UGS 0 đối với loại kênh p. Do tác dụng của điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện tử với kênh n) hướng từ cực D tới cực S gọi là dòng điện cực máng ID. Dòng ID có độ lớn phụ thuộc vào giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc vào cả hai điện trường này. Xét riêng sự phụ thuộc của ID và từng giá trị điện áp khi giữ cho giá trị điện áp còn lại không thay đổi (tham số) ta nhận được hai quan hệ hàm quan trọng nhất của JFET là: D 1 DS GS D 2 GS DS I =f (U )|U =const I =f (U )|U =const Biểu diễn f1 với giá trị không đổi của UGS Ta thu được họ đặc tuyến ra của JFET. Đường f2 ứng với giá trị không đổi của UDS ta thu được họ đặc tuyến truyền đạt của JFET. Đặc tuyến ra của JFET được chia làm 3 vùng rõ rệt: Vùng gần gốc, khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh và tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS. Đây là vùng làm việc ở đó JFET giống như một điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh (điểm A trên hình 2.25a ứng với đường UGS =0). 52 Hình 2.35: a) Họ đặc tuyến ra của JFET b) Đặc tuyến truyền đạt ứng với giá trị UDS = 10V. Vùng ngoài điểm A được gọi là vùng thắt (vùng bão hòa) khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu và UDS mà phụ thuộc mạnh và UGS. Đây là vùng ở đó JFET làm việc như một phần tử khuếch đại, Dòng ID được điều khiển bằng điện áp UGS. Quan hệ này đúng cho tới điểm B. Vùng ngoài điểm B gọi là vùng đánh thủng khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biến do tiếp giáp P-N bị đánh thủng thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên tiếp giáp P-N tại vùng này là lớn nhất. Qua đồ thị đặc tuyến ra ta rút ra mấy nhận xét: - Khi đặt trị số UGS âm dần, điểm A xác định danh giới giữa hai vùng tuyến tính và bão hòa dịch dần về phía gốc tọa độ. - Với điểm B: ứng với giá trị UGS âm hơn, việc đánh thủng tiếp giáp P-N xảy ra sớm hơn với những giá trị UDS nhỏ hơn. Có thể giải thích các đặc tuyến của JFET bằng giản đồ cấu tạo hình 2.36 trong 3 trường hợp khác nhau: Khi UGS có giá trị âm tăng dần và UDS =0, bề rộng của chuyển tiếp P-N rộng dần ra, chủ yếu về phía kênh dẫn N vì tạp chất pha yếu hơn nhiều so với vùng P, làm kênh dẫn bị thắt lại 53 đều dọc theo phương DS (hình 2.36a). Ngược lại khi cho UGS=0 và tăng dần điện áp máng nguồn UDS, kênh bị co lại không đều và có hình phễu, phía cực D thắt mạnh hơn do phân bố trường dọc theo kênh từ D tới S, cho tới lúc UDS = UDSO kênh bị thắt tại điểm A. Sau đó tăng UDS làm điểm thắt A dịch dần về phía cực S (hình 2.36b). Quá trình này xảy ra sớm hơn khi có thêm UGS<0 như hình 2.36c làm giá trị điện áp thắt kênh giảm. Rõ ràng có thêm độ dẫn điện của kênh dẫn phụ thuộc cả điện áp UDS và UGS, còn sau khi có hiện tượng thắt kênh, dòng cực máng do các hạt dẫn (điện tử) phun từ kênh qua tiếp giáp P-N tới cực máng phụ thuộc yếu và UDS và phụ thuộc chủ yếu và tác dụng điều khiển của UGS tới chuyển tiếp P-N phân cực ngược, qua đó tới dòng cực máng ID. a) b) c) Hình 2.36: Giải thích đặc tuyến của JFET 2.4.3 MOSFET (Metal Oxide SemiConductor) Transistor trường có cực cửa cách ly (MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). MOSFET là transistor hiệu ứng trường, là một transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với transistor thường mà ta đã biết, MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho 54 khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu, MOSFET được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn monitor, nguồn máy tính. Hình 2.37: Transistor hiệu ứng trường Mosfet Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET Đặc điểm cấu tạo và kí hiệu quy ước của MOSFET có hai dạng cơ bản thể hiện trên hình 2.38 là loại kênh đặt sẵn và loại kênh cảm ứng. Trên thân tinh thể bán dẫn tạp chất loại p, người ta pha tạp chất bằng công nghệ bán dẫn đặt biệt (plama, khuếch tán ion) để tạo ra hai vùng bán dẫn loại n+ (nồng độ pha tạp chất cao hơn so với đế) và lấy ra hai điện cực là D và S, hai vùng này được nối thông với nhau nhờ một kênh dẫn loại n có thể hình thành ngay trong quá trình chế tạo (loại kênh đặt sẵn hình 2.38 a, b, c, d) hay chỉ hình thành sau khi đã có một điện trường ngoài tác động (loại kênh cảm ứng hình 2.38 e, f, g, h). Tại phần đối diện kênh dẫn người ta tạo ra điện cực thứ 3 là cực cửa G sau khi đã đã phủ lên bề mặt kênh một lớp cách điện mỏng SiO2. Kênh dẫn được cách li với thân đế nhờ tiếp giáp p-n thường được phân cực ngược nhờ một điện áp phụ đưa tới cực thứ 4 là cực đế U. 55 Hình 2.38: Cấu tạo và ký hiệu của Mosfet a, b) Loại kênh n đặt sẵn; c, d) Loại kênh p đặt sẵn e, f) Loại kênh n cảm ứng; g, h) Loại kênh p cảm ứng Nguyên lý làm việc của MOSFET 56 Để phân cực MOSFET người ta đặt một điện áp UDS>0: - Với loại kênh đặt sẵn, xuất hiện dòng điện tử trên dẫn nối giữa S và D và trong mạch ngoài có dòng cực máng ID (chiều đi vào cực D), ngay cả khi chưa có điện áp đặt và cực cửa (UGS = 0). + Nếu đặt nên cực cửa điện áp UGS > 0, điện tử tự do trong vùng thân (đế) (là hạt thiểu số) được hút và kênh dẫn đối diện với cực cửa là giàu hạt dẫn điện cho kênh, tức là làm giảm điện trở của kênh, do đó làm tăng dòng cực máng ID. chế độ làm việc này được gọi là chế độ là giàu của MOSFET. + Nếu đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, quá trình trên sẽ ngược lại, làm kênh dẫn bị nghèo đi (là điện tử) bị đẩy xa khỏi kênh. Điện trở kênh dẫn tăng tùy theo mức độ tăng của UGS theo chiều âm sẽ làm giảm dòng ID. Đây là chế độ nghèo của MOSFET. Hình 2.43a cho ta thấy đặc tuyến ra của MOSFET loại kênh n đặt sẵn. Hình 2.39: Họ đặc tuyến ra của MOSFET a) Loại kênh đặt sẵn; b) Loại cảm ứng. - Với loại kênh cảm ứng, khi đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, không có dòng cực máng ID do tồn tại hai tiếp giáp p-n mắc đối nhau tại vùng máng – thân và nguồn và thân, do đó không tồn tại kênh dẫn nối giữa máng và nguồn. Khi UGS > 0, tại vùng thân đế đối diện cực cửa xuất hiện các điện tử tự do và hình thành một kênh dẫn điện nối liền hai cực máng và nguồn. Độ dẫn của kênh tăng theo giá trị của UGS do đó dòng điện cực máng ID tăng. Như 57 vậy MOSFET loại kênh cảm ứng chỉ làm việc với một loại cực tính của UGS và chỉ ở chế độ làm giàu kênh. Hình 2.39b cho ta thấy đặc tuyến ra của MOSFET loại kênh n cảm ứng. - Từ họ đặc tuyến ra của MOSFET với cả hai loại kênh đặt sẵn và kênh cảm ứng giống như đặc tuyến ra của JFET ta xét, thấy rõ có 3 vùng phân biệt: vùng gần gốc ở đó ID tăng tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc và UGS, vùng bão hòa (vùng thắt) lúc đó ID chỉ phụ thuộc mạnh vào UGS, Phụ thuộc yếu và UDS và vùng đánh thủng lúc UDS có giá trị khá lớn. Hình 2.40a và b cho ta thấy đặc tuyến truyền đạt của MOSFET loại kênh đặt sẵn và kênh cảm ứng. Hình 2.40: Đặc tuyến truyền đạt của MOSFET a) Kênh đặt sẵn; b) Kênh cảm ứng Khi sử dụng FET trong các mạch điện tử cần chú ý tới một số đặc điểm chung nhất sau: - Việc điều khiển điện trở kênh dẫn bằng điện áp UGS trên thực tế gần như không làm tổn hao công suất của tín hiệu, điều này có được do cực điều khiển hầu như cách ly về điện với kênh dẫn, so với BJT dòng dò đầu vào gần như bằng không, gần đạt tới lý tưởng. Nhận xét này đặc biệt quan trọng với các mạch điện tử analog phải làm việc với tín hiệu yếu và với mạch digital khi đòi hỏi cao về mật độ tích hợp các phần tử cùng với tính phản ứng nhanh và chi phí năng lượng đòi hỏi thấp của chúng. - Đa số các FET có tính chất đối xứng giữa hai cực D và S. Do đó tính chất của FET gần như không thay đổi khi đổi lẫn vai trò của hai cực này. 58 - Với JFET và MOSFET chế độ nghèo, dòng cực máng ID đạt cực đại khi UGS = 0. Do vậy chúng được gọi chung là họ FET thường mở. Ngược lại, với MOSFET chế độ giàu, dòng ID = 0 lúc UGS = 0 nên nó được gọi là FET thường khóa. Nhận xét này có ý nghĩa khi xây dựng các mạch lôgíc số dựa trên công nghệ MOS. - Trong vùng gần gốc của họ đặc tuyến ra của FET khi UDS ≤ 1,5V, FET tương đương như một điện trở thuần có giá trị thay đổi theo UGS. Dòng ID càng nhỏ khi UGS càng âm với loại kênh n, ngược lại ID càng nhỏ khi UGS >0 càng nhỏ với loại kênh p. - Tương tự BJT, FET tồn tại 3 kiểu mắc trong các mạch khuếch đại là máng chung MC, nguồn chung NC và cửa chung. Tuy nhiên mạch cửa chung rất ít gặp trong thực tế. Hai dạng MC và NC cho trên hình 2.41. Hình 2.41: Sơ đồ nguyên lý mạch NC(a) và MC(b) - Khi thay thế FET kênh n bằng loại FET kênh p trong các mạch điện, cần thay đổi cực tính các điện áp nguồn cũng như cực tính của diode và tụ hóa sử dụng trong đó. Chức năng của mạch không thay đổi. 2.5 Phần tử nhiều mặt ghép P – N 2.5.1 Tiristor (Silicon Controlled Rectifier) Thyristor (Silicon controlled Recttifier) a. Cấu tạo 59 Cấu tạo Thyristo Ký hiệu Thyristo Sơ đồ tương đương Hình 2.42: Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ tương đương của Thyristor Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn p1-n1-p2-n2 đặt xen kẽ nhau, ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận p1n1p2 và một Transistor ngược n1p2n2 ( như sơ đồ tương đương ở trên ).Giữa các lớp bán dẫn này hình thành các chuyển tiếp p-n lần lượt là J1, J2, J3 và lấy ra 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G, Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn. b. Nguyên lý làm việc Để tiện phân tích nguyên lý làm việc của thyristor ta sử dụng sơ đồ tương đương của nó. Phân tích sơ đồ hình 2.43 để làm rõ nguyên lí làm việc của thyristor. Hình 2.43: Sơ đồ minh hoạ sự hoạt động của Thyristor Khi UAK > 0, Thyristor được phân cực thuận: 60 - Nếu IG = 0 thì chuyển tiếp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 phân cực ngược => Thyristor không cho dòng điện chạy qua. Dòng qua tryristor quyết định chủ yếu bởi dòng dò ngược của J2 có giá trị rất nhỏ. - Nếu IG khác 0 (do U1 cung cấp) vào chân G làm đèn Q2 dẫn => kéo theo đèn Q1 dẫn => Thyristor mở cho dòng điện chạy qua. Dòng IG càng lớn thì UAK tương ứng để mở thyristor càng nhỏ. (IG lớn hơn dòng mở cực tiểu của Q2, nhưng UAK vẫn chưa đủ lớn để phân cực thuận cho Q1 và Q2 thì thyristor cũng vẫn chưa mở). - Sau khi thyristor được kích thích mở, nếu dòng IG = 0 thì Q1 dẫn, điện áp chân B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , như vậy hai đèn định thiên cho nhau và thyristor vẫn duy trì trạng thái mở cho dòng điện chạy qua. Muốn vậy phái đảm bảo dòng IE thuận lớn đến một giá trị nhất định gọi là điện áp ghim (giá trị điện áp cực tiểu của dòng thuận IE). Nếu trong quá trình thyristor mở, IG vẫn được duy trì thì giá trị dòng Ghim tương ứng sẽ giảm khi IG tăng. Khi UAK Thyristor không cho dòng điện chạy qua. Dòng qua tryristor chính là dòng dò ngược của diode (giống hệt như dòng ngược bão hòa của diode). Nếu tăng điện áp ngược gần đến một giá trị nhất định thì 2 chuyển tiếp J1 và J3 sẽ lần lượt bị đánh thủng theo cơ chế thác lũ và zener, dòng ngược qua thyristor tăng lên đột ngột. Nếu không có biện pháp ngăn chặn thì dòng ngược này sẽ làm hỏng thyristor. Trường hợp IG = 0 và UAK> 0, nếu ta tăng UAK đến một giá trị xấp xỉ giá trị đánh thủng J2 gọi là điện áp đánh thủng thuận. khi điện áp thuật tăng đến giá trị này, dòng IE đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 và Q2 trong sơ đồ tương đương mở và lập tức chuyển sang trạng thái bão hòa. Thyristor chuyển sang trạng thái mở. Điện áp UAK giảm xuống đến một giá trị gọi là điện áp dẫn thuận. Phương pháp chuyển thyristor từ khóa sang mở bằng cách tăng UAK gọi là kích mở bằng điện áp thuận. 61 c. Đo và kiểm tra thyristor Đặt động hồ than , dùng Tovit chập chân A vào chân G => thấy đồng hồ lên kim, sau đó bỏ Tovit ra => đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt . 2.5.2 Triăc Triac (Triod ac semiconductor switch) Hình 2.44: Cấu tạo, mô hình tương đương và ký hiệu của triac Thường coi triac như một thyristor lưỡng hướng vì có thể dẫn điên theo hai chiều. Ta thấy triac gồm bởi một thyristor PNPN dẫn điện theo chiều từ trên xuống kích bởi dòng cổng dương và một thyristor NPNP dẫn điện theo chiều từ dưới lên kích bởi dòng cổng âm. Các cực của nó gọi là A1, A2 và G. Do đầu A2 dương hơn đầu A1, để triac dẫn điện ta có thể kích dòng cổng dương và khi đầu A2 âm hơn đầu A1 ta có thể kích dòng cổng âm. Ví dụ hình 2.45 sau đây cho thấy ứng dụng của triac trong mạch điện xoay chiều: 62 Hình 2.45: Mạch khống chế dùng triac 2.5.3 Diac Về cấu tạo Điac hoàn toàn giống như Triac nhưng không có cực khống chế G. Điac được kích mở bằng cách nâng cao điện áp đặt vào hai cực. Hình 2.46: Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ tương đương của Diac Dựa và đặc tuyến của Điac hình 2.47, khi đặt một hiệu điện thế một chiều theo một chiều nhất định thì khi đến UBO thì Điac dẫn điện và khi áp hiệu điện thế theo chiều ngược lại đến trị số -UBO thì Điac cũng dẫn điện. Điện thế hai đầu Điac giảm khi dòng điện qua Điac tăng. Từ các tính chất trên, Điac tương đương với hai diode zener mắc đối đầu. Thực tế khi không có Điac, người ta có thể dùng hai diode zener thích hợp để thay thế. Hình 2.47 Đặc tuyến Volt-Ampe của Điac 63 Hình 2.48 đưa ra một ví dụ ứng dụng của Điac, Ở bán kỳ dương khi điện thế tăng, tụ nạp điện cho tới UBO thi Điac dẫn, tạo dòng dẫn cho triac dẫn điện. Hết bán kỳ dương, triac tạm ngưng. Đến bán kỳ âm, tụ C nạp theo chiều ngược lại cho tới –UBO Điac lại dẫn điện kích triac dẫn điện. Ta thay đổi VR để thay đổi hằng nạp cho tụ C, do đó thay đổi góc dẫn của triac đưa đến làm thay đổi độ sáng của bóng đèn. Hình 2.48: Mạch điều khiển bóng đèn 64 CHƢƠNG 3: CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 3.1 Khái niệm chung Khuếch đại thuật toán thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có 2 đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò rất quan trọng trong và được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ lọc ổn áp và bộ lọc tích cực Kí hiệu và quy ước một bộ khuếch đại thuật toán cho trên hình 5.1 với đầu vào UVK hay (UV+) gọi là đầu vào không đảo và đầu vào thứ hai là Uvđ (hay Uv-) gọi là đầu vào đảo. Khi có tín hiệu vào đầu không đảo thì tín hiệu ra cùng dấu, cùng pha với tín hiệu vào. Nếu tín hiệu được đưa vào đầu đảo thì tín hiệu ra ngược dấu, ngược pha với tín hiều vào. Đầu vào đảo thường được dùng để thực hiện hồi tiếp âm bên ngoài vào OA. 3.2 Các đặc tính kỹ thuật của OA Hình 3.2: Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán Đặc tuyến quan trọng nhất của OA là đặc tuyến truyền đạt điện áp gồm 2 đường cong tương ứng với đầu vào đảo và không đảo. Mỗi đường cong gồm một đoạn nằm ngang và Hình 3.1: Ký hiệu và quy ước của bộ khuếch đại thuật toán 65 một đoạn dốc. Trên những đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào , điện áp ra của bộ khuếch đại không đổi và được xác định bằng các giá trị + r maxU , - r maxU gọi là điện áp ra cực đại (điện áp bão hòa) gần bằng ECC. Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra với điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại của OA (khi không có hồi tiếp ngoài). K = ΔUn/ΔUv Đường cong lý tưởng đi qua gốc toạ độ. Trạng thái Ur = 0 khi UV = 0 gọi là trạng thái cân bằng của OA. Nhưng OA thực tế thường khó đạt được cân bằng hoàn toàn, nghĩa là khi Uv =0 thì Ur có thể lớn hoặc nhỏ hơn 0. Nhiệt độ làm OA bị trôi thiên điện áp đầu vào và điện áp đầu ra theo nhiệt độ. Điện trở ra: OA phải có điện trở ra nhỏ để đảm bảo điện áp ra lớn khi điện trở tải nhỏ. Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu, thường sử dụng hồi tiếp âm vào đầu vào. 3.3 Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng 3.3.1 Mạch cộng a) Mạch cộng đảo Hình 3.3 Sơ đồ cộng đảo Sơ đồ hình 3.3 là bộ khuếch đại đảo với các nhánh song song ở đầu vào bằng số lương tín hiệu cần cộng. Coi các điện trở là bằng nhau: Rht = R1 = R2 = =Rn < Rv Khi IV = 0 thì 66 Iht = I1 + I2 + + In Hay Ur =-(U1 + U2 + + Un) =  n i Ui 1 (3-1) Khi R1 ≠ Rn có: Ur = -( )...... 2 2 1 1 n n hththt U R R U R R U R R  = -Rht( n n R U R U R U  ... 2 2 1 1 ) = - i n i iU 1  với i ht i R R  (3-2) b) Mạch cộng không đảo Sơ đồ nguyên lý của mạch cộng không đảo cho trên hình 3.4 Hình 3.4: Sơ đồ mạch cộng không đảo Khi U0 = 0, điện áp ở hai đầu vào bằng nhau và bằng không nên UV+ = Uv- = r ht U RR R 1 1 Khi dòng đầu vào không đảo bằng không (RV = 0) ta có: 0...21        R UU R UU R UU vnvv Hay U1 + U2 + + Un = n. r ht U RR R 1 1 Từ đó Ur = 1 1 .Rn RR ht (U1 + U2 + + Un ) = 1 1 .Rn RR ht   n i iU 1 (3-3) 67 Chọn các thừa số của mạch thích hợp ta sẽ có 1 . 1 1   Rn RR ht và Ur = (U1 + U2 + + Un ) =   n i iU 1 3.3.2 Mạch trừ Khi cần trừ 2 điện áp người ta có thể thực hiện theo sơ đồ hình 3.5. Hình 3.5: Sơ đồ mạch trừ Điện áp ở đầu vào không đảo: UV+ = 2.UR R R b b b b   (3-4) Điện áp ở đầu vào đảo: UV- = (U1-Ur) r a a a a U R R R    (3-5) Vì Uo = 0 nên UV+ = UV- suy ra: 2.UR R R b b b b   = (U1-Ur) r a a a a U R R R    => Ur = α(U2 – U1) (nếu Ra = Rb và   ba ) (3-6) 68 Tổng quát, sơ đồ trừ vạn năng dùng để đồng thời lấy tổng và lấy hiệu của một số điện áp vào mạch bất kỳ có thể thực hiện bằng mạch cho trên hình 3.6 Hình 3.6: Sơ đồ lấy hiệu một số lớn các tín hiệu Xét tại cửa vào A của bộ khuếch đại: 0 )/(1       a ra n i ia ai R UU R UU  Hay 0)1( 11    r n i ia n i ii UUU  Tương tự đối với cửa vào B của bộ khuếch đại 0)1'('' 11    n i ib n i ii UU  Nếu điều kiện Ua = Ub và thỏa mãn thêm điều kiện   n i i 1  =  n i i 1 ' Thì sau khi trừ 2 biểu thức trên ta sẽ có: Ur =   n i ii U 1 '' -  n i iiU 1  3.3.3 Mạch tích phân 69 Sơ đồ bộ tích phân được mô tả trên hình 3.7. Từ điều kiện cân bằng dòng ở nút A, Ir= Ic ta có: R U dt dU C vr  ro t vr UdtU CR U   0 1 (3.7) ở đây Uro là điện áp trên tụ C khi t=0 (hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu). Thường khi t=0, Uv = 0 thì Ur = 0 nên ta có dtUU t vr  0 1  (3-8) ở đây RC gọi là hằng số tích phân của mạch Khi điện áp vào thay đổi tưng nấc, tốc độ thay đổi điện áp ra sẽ bằng: RC U t U vr    Nghĩa là ở đầu ra của bộ tích phân sẽ có điện áp tăng hay giảm tuyến tính theo thời gian Đối với tín hiệu hình sin, bộ tích phân sẽ là bộ lọc tần thấp, quay pha tín hiệu hình sin đi 90o và hệ số khuếch đại của nó tỉ lệ nghịch với tần số. 3.3.4 Mạch vi phân Bộ vi phân cho trên hình 3-8. Bằng các tính toán tương tự các phần trên có điện áp ra của nó tỉ lệ với tốc độ thay đổi của điện áp vào: dt dU RCU vr  (3-9) Ở đây RC là hằng số vi phân của mạch. Khi tín hiệu vào là hình sin, bộ vi phân làm việc như một bộ lọc cao tần, hệ số khuếch đại của nó tỉ lệ thuận với tần số tín hiệu vào Hình 3-7: Sơ đồ bộ tích phân Hình 3-7: Sơ đồ bộ vi phân 70 và làm quay pha Uv đi 1 góc 90 o. Thường bộ vi phân làm việc kém ổn định ở tần số cao vì khi đó 0 1  C Z c  làm hệ số hồi tiếp âm giảm nên khi sử dụng cần lưu ý đặc điểm này và bổ sung 1 điện trở làm nhụt R1. 3.3.5 Mạch khuếch đại phi tuyến. Trong thực tế cần tạo ra điện áp Ur là hàm số nào đó của điện áp vào U1, Ur = f(U1). Ví dụ f là quan hệ như hàm logarit, hàm mũ, hàm lượng giác, sin, cos, của U1. Ta sẽ xét một ví dụ với f là hàm logarit, tức là cần nhận được một sự phụ thuộc có dạng )ln( 121 UU r  Để có được điều này có thể sử dụng sơ đồ cho trên hình 3-8. )1)(exp(  mT U II AKSD Trong đó: IS: dòng ngược tĩnh UT: điện thế nhiệt m = (1 ÷ 2): hệ số điểu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế UAK: điện áp trên diode Hình 3-8: Sơ đồ nguyên lý mạch logarit dùng diode Hình 3-9: Sơ đồ nguyên lý mạch logarit dùng transistor nối kiểu diode 71 Trong miền làm việc của diode (ID >> IS) nên ta có: )exp( mT U II AKSD  Từ đó rút ra được: UAK = mUTln(ID/IS) (3-10) Chính là hàm logarit cần tìm. Nếu coi diode là lý tưởng ta có thể tính được như sau: R U I D 1 Ur = -UAK = = mUTln(U1/ISR) = mUT10lg(U1/ISR) Ở nhiệt độ phòng sẽ có: Ur = -(1 ÷ 2)60lg(U1/ISR) (mV) (3-11) Dải điện áp làm việc có thể của mạch bị hạn chế bởi hai tính chất đặc biệt của diode. Do có điện trở ký sinh với dòng lớn, trên nó có sụt điện áp và dẫn đến méo đặc tính logarit. Ngoài ra hệ số m còn phụ thuộc vào dòng điện. Có thể loại trừ ảnh hưởng của hệ số m và mở rộng dải ra phạm vi 6 ÷ 8 đềcác bằng cách thay diode D bằng transistor T. Đối với dòng cực colectơ transistor (UCB=0) nghiệm đúng với hệ thức: Ic = αIE = αIESexp(UBE/mUT) -1) Ở đây sự phụ thuộc của các tham số α và m vào dòng được bù cho nhau, vì vậy có thể viết: Ic = γIESexp(UBE/UT) -1) Lúc này γ phụ thuộc chủ yếu vào dòng và trị số của nó gần bằng 1. Khi UBE > 0 có thể viết Ic ≈ IESexp(UBE/UT) Hay Ur = -UBE = -UTln(U1/IES.R) (3-12) Chất lượng sơ đồ logarit sẽ được nâng cao, đặc biệt đối với độ ổn nhiệt khi dùng hai sơ đồ 3-9 mắc kiểu sơ đồ khuếch đại vi sai, đó là cấu trúc cơ bản của các IC lấy logarit. 72 CHƢƠNG IV: CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ TƢƠNG TƢ̣ CƠ BẢN 4.1 Khái niệm chung IC (Intergated-Circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều được chế tạo kết tụ trong hoặc trên một đế (subtrate) hay thân hoặc không thể tách rời nhau được. Đế này, có thể là một phiến bán dẫn (hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điện. Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron, dày cỡ vài trăm micron được đựng trong một vỏ bằng kim lọai hoặc bằng plastic. Những IC như vậy thường là một bộ phận chức năng (function device) tức là một bộ phận có khả năng thể hiện một chức năng điện tử nào đó. Sự kết tụ (integration) các thành phần của mạch điện tử cũng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tử vẫn là hướng tìm tòi và theo đuổi từ lâu trong ngành điện tử. Nhu cầu của sự kết tụ phát minh từ sự kết tụ tất nhiên của các mạch và hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến phức tạp, từ nhỏ đến lớn, từ tần số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao. Sự tiến triển này là hậu quả tất yếu của nhu cầu ngày càng tăng trong việc xử lý lượng tin tức (information) ngày càng nhiều của xã hội phát triển. Những hệ thống điện tử công phu và phức tạp gồm rất nhiều thành phần, bộ phận. Do đó nảy ra nhiều vấn đề cần giải quyết: - Khoảng không gian mà số lượng lớn các thành phần chiếm đoạt (thể tích). Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu, hàng vài chục triệu bộ phận rời. Nếu không thực hiện bằng mạch IC, thì không những thể tích của nó sẽ lớn một cách bất tiện mà điện năng cung cấp cho nó cũng sẽ vô cùng phức tạp. Mà nếu có thỏa mãn chăng nữa, thì máy cũng không thực dụng. - Độ khả tín (reliability) của hệ thống điện tử: là độ đáng tin cậy trong hoạt động đúng theo tiêu chuẩn thiết kế. Độ khả tín của một hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ khả tín của các thành phần cấu thành và các bộ phận nối tiếp giữa chúng. Hệ thống cáng phức tạp, số bộ phận càng tăng và chỗ nối tiếp càng nhiều. Vì vậy, nếu dùng bộ phận rời cho các hệ thống phức tạp, độ khả tín của nó sẽ giảm thấp. Một hệ thống như vậy sẽ trục trặc rất nhanh. Người ta vẫn nỗ lực để kết tụ với mật độ cực cao trong IC, nằm hướng tới việc kết tụ toàn thể hệ thống điện tử trên một phiếm (chíp) 73 Năm 1947 1950 1961 1966 1971 1980 1985 1990 Công nghệ Phát minh Transi -stor Linh kiện rời SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI Số Transisto r trên 1 chip 1 1 10 100100 0 10002000 0 200005000 00 >50000 0 >100000 0 Các sản phẩm tiêu biểu BJTDiod e Linh kiện planar , Cổng logic, Flip Flop Mạch đếm, đa hợp, mạch cộng Vi xử lý 8 bit, ROM, RAM Vi xử lý 16 và 32 bit Vi xử lý chuyên dụng, xử lý ảnh, thờI gian thực SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mô nhỏ MSI: Medium scale intergration: Tích hợp qui mô trung bình LSI: Large scale integration: Tích hợp theo qui mô lớn GSI: Ultra large scale integration: Tích hợp qui mô khổng lồ Tóm lại, công nhệ IC đưa đến những điểm lợi so với kỹ thuật linh kiện rời như sau: - Giá thành sản phẩm hạ - Kích cỡ nhỏ - Độ khả tín cao (tất cả các thành phần được chế tạo cùng lúc và không có những điểm hàn, nối). 74 - Tăng chất lượng (do giá thành hạ, các mặt phức tạp hơn có thể được chọn để hệ thống đạt đến những tính năng tốt nhất). - Các linh kiện được phối hợp tốt (matched). Vì tất cả các transistor được chế tạo đồng thời và cùng một qui trình nên các thông số tương ứng của chúng về cơ bản có cùng độ lớn đối với sự biến thiên của nhiệt độ. - Tuổi thọ cao. Dựa trên qui trình sản xuất, có thể chia IC ra làm 3 loại: IC màng (film IC): Trên một đế bằng chất cách điện, dùng các lớp màng tạo nên các thành phần khác. Loại này chỉ gồm các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện, và cuộn cảm mà thôi.  Dây nối giữa các bộ phận: Dùng màng kim loại có điện trở Suất nhỏ như Au, Al,Cu...  Điện trở: Dùng màng kim loại hoặc hợp kim có điện trở suất lớn như Ni-Cr; Ni-Cr- Al; Cr-Si; Cr có thể tạo nên điện trở có trị số rất lớn.  Tụ điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trò bản cực và dùng màng điện môi SiO; SiO2, Al2O3; Ta2O5. Tuy nhiên khó tạo được tụ có điện dung lớn hơn 0,02 F/cm2.  Cuộn cảm: dùng một màng kim loại hình xoắn. Tuy nhiên khó tạo được cuộn cảm lớn quá 5µH với kích thước hợp lý. Trong sơ đồ IC, người ta tránh dùng cuộn cảm để không chiếm thể tích.  Cách điện giữa các bộ phận: Dùng SiO; SiO2; Al2O3. Có một thời, Transistor màng mỏng được nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng vào IC màng. Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến giai đoạn thực dụng, nếu không phải là ít có triển vọng thực dụng. IC đơn tính thể (Monolithic IC): Còn gọi là IC bán dẫn (Semiconductor IC) – là IC dùng một đế (Subtrate) bằng chất bán dẫn (thường là Si). Trên (hay trong) đế đó, người ta chế tạo transistor, diode, điện trở, tụ điện. Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho các bộ phận đó trên lớp SiO2, dùng màng kim loại để nối các bộ phận với nhau. 75  Transistor, diode đều là các bộ phận bán dẫn.  Điện trở: được chế tạo bằng cách lợi dụng điện trở của lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất.  Tụ điện: Được chế tạo bằng cách lợi dụng điện dung của vùng hiếm tại một nối P-N bị phân cực nghịch. Đôi khi người ta có thể thêm những thành phần khác hơn của các thành phần kể trên để dùng cho các mục đích đặc thù . Các thành phần trên được chế tạo thành một số rất nhiều trên cùng một chip. Có rất nhiều mối nối giữa chúng và chúng được cách ly nhờ những nối P-N bị phân cực nghịch (điện trở có hàng trăm M). IC lai (hibrid IC). Là loại IC lai giữa hai loại trên Từ vi mạch màng mỏng (chỉ chứa các thành phần thụ động), người ta gắn ngay trên đế của nó những thành phần tích cực (transistor, diode) tại những nơi đã dành sẵn. Các transistor và diode gắn trong mạch lai không cần có vỏ hay để riêng, mà chỉ cần được bảo vệ bằng một lớp men tráng. Ưu điểm của mạch lai là: - Có thể tạo nhiều IC (Digital hay Analog) - Có khả năng tạo ra các phần tử thụ động có các giá trị khác nhau với sai số nhỏ. - Có khả năng đặt trên một đế, các phần tử màng mỏng, các transistor, diode và ngay cả các loại IC bán dẫn. Thực ra khi chế tạo, người ta có thể dùng qui trình phối hợp. Các thành phần tác động được chế tạo theo các thành phần kỹ thuật planar, còn các thành phần thụ động thì theo kỹ thuật màng. Nhưng vì quá trình chế tạo các thành phần tác động và thụ động được thực hiện không đồng thời nên các đặc tính và thông số của các thành phần thụ động không phụ thuộc 76 vào các đặc tính và thông số của các thành phần tác động mà chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu, bề dầy và hình dáng. Ngoài ra, vì các transistor của IC loại này nằm trong đế, nên kích thước IC được thu nhỏ nhiều so với IC chứa transistor rời. IC chế tạo bằng qui trình phối hợp của nhiều ưu điểm. Với kỹ thuật màng, trên một diện tích nhỏ có thể tạo ra một điện trở có giá trị lớn, hệ số nhiệt nhỏ. Điều khiển tốc 4.2 Mạch nguồn cung cấp Hình 4.1. Sơ đồ khối của nguồn 1 chiều Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng 1 chiều cho các mạch và thiết bị điện tử hoạt động. Năng lượng 1 chiều của nó tổng quát được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện. Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có giá trị thích hợp với yêu cấu. Trong mạch một số trường hợp dùng trực tiếp không cần máy biến áp. Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng Ut Bộ lọc có nhiệm vụ chuyển điện áp nhấp nhô thành bằng phẳng. IC ổn áp làm nhiệm vụ cung cấp áp ổn định cho tải. 4.2.2 Các mạch ổn áp nguồn Mạch ổn áp dùng diode Zener Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch ổn định điện áp bằng diode zener MBA Biến áp Mạch chỉnh lưu LỌC IC ổn áp 77 Diode làm việc nhờ hiệu ứng đánh thủng thác lũ zener và hiệu ứng đánh thủng thác lũ của chuyển tiếp P-N khi phân cực ngược. Trong các diode thông thường hiện tượng đánh thủng này sẽ làm hỏng diode, nhưng trong các diode ổn định, do được chế tạo đặc biệt và khi làm việc ở mạch ngoài có điện trở hạn chế dòng điện(không cho nó tăng quá dòng ngược cho phép) nên diode luôn làm việc ở chế độ đánh thủng nhưng không hỏng. Khác với diode thông dụng, các diode ổn định công tác ở chế độ phân cực ngược. Những tham số kỹ thuật của diode zener là: - Điện áp ổn định UZ là điện áp ngược đặt nên diode làm phát sinh ra hiện tượng đánh thủng. - Điện trở động rdz của diode zener được định nghĩa là độ dốc đặc tuyến tĩnh của diode tại điểm làm việc: Rdz = dU2/dIZ Có thể thấy rằng độ dốc của đặc tuyến ở phần đánh thủng có tác dụng quyết định đến chất lượng ổn định của diode. Khi điện trở động bằng không (phần đặc tuyến đánh thủng song song với trục tung) thì sự ổn định điện áp đạt tới mức lý tưởng. Hình 4.3: Đặc tuyến V-A của diode zener - Điện trở tĩnh Rt được tính bằng tỉ số giữa điện áp đặt vào và dòng điện qua diode. Rt = UZ/IZ 78 Dòng điện và điện áp kể trên được xác định từ điểm công tác của diode. Điện trở tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào dòng chảy qua diode. - Hệ số ổn định được định nghĩa bằng tỉ số giữa các biến đổi tương đối của dòng điện qua diode và điện áp rơi trên diode do dòng này gây ra: Z = (dIZ/IZ)(dUZ/UZ) = R/rdz Rt/rdz Chúng ta thấy rằng tỉ số này chính bằng tỉ số giữa điện trở tĩnh và điện trở động tại điểm công tác của diode. Để đạt được hệ số ổn định cao, với mọi sự biến đổi dòng điện qua diode đã cho trước, điện áp rơi trên diode phải biến đổi nhỏ nhất. Các diode ổn định Si thường có Z ≥100. - Trở kháng ra của mạch ổn định cũng là một thông số chủ yếu đánh giá chất lượng của mạch: Rra = ∆Ura/∆Ira Ở đây ∆Ura là gia số của điện áp ra, gây bởi gia số ∆Ira của dòng tải. Tỉ số vế phải càng nhỏ thì chất lượng mạch ổn định càng cao, Vì thế các mạch ổn định dùng diode zener có điện trở ra cảng nhỏ càng tốt. Mạch ổn áp dùng IC IC để thu nhỏ kích thước cũng như thu nhỏ các tham số của bộ ổn áp một chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dưới dạng vi mạch, nhờ đó việc sử dụng dễ dàng hơn. Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng ra khoảng từ 100mA đến 1A đến áp tới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500-800mW. Hiện nay người ta cũng chế tạo các IC ổn áp cho dòng tới 10A, điện áp từ 2-50V. Các loại IC ổn áp điển hình thường dùng là LM105, LM309, LM323, LM345, seri 78H00 Tùy thuộc vào yêu cầu về các tham số kỹ thuật như điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn định điện áp, khả năng điều khiển điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấpmà người ta chế tạo ra nhiều loại khác nhau, với 3 hoặc 4 chân ra giúp chi việc sử dụng nó hết sức thuận tiện. 79 a) Loại IC ổn áp 3 chân nối: Loại này thường cho ra một điện áp ra cố định. Đại diện cho loại này là seri 7800 hay 7900. Điện áp ra được chỉ bằng 2 số cuối cùng của ký hiệu. Ví dụ 7805; 7812; 7818; 7824. b) Loại IC ổn áp 4 chân lối: Loại này thường có thêm đầu ra để điểu chỉnh Y. Loại IC ổn áp này thường dùng trong những trường hợp yêu cầu điện áp đầu ra có thể thay đổi được, hoặc cần tinh chỉnh cho thật chính xác c) Loại IC ổn áp 3 chân lối ra có điều chỉnh: Loại này cần dùng khi điện áp ra có thể điểu chỉnh được. Ví dụ như LM317 không có chân lối đất, mà thay vào đó là chân Y, nhờ có phân áp R1, R2. Điện áp trên R1 là 1,25V Tức là dòng qua R1 là 5mA. Điện áp có thể điều chỉnh trong khoảng V R R U ra )1(25,1 1 2 Trong trường hợp cụ thể này điện áp ra có thể điều chỉnh trong phạm vi từ 1,25V đến 25V. d) Tăng dòng tải ở đầu ra: người ta có thể mắc thêm transistor điều chỉnh phối hợp với IC ổn áp hoặc nâng cao điện áp đầu ra bằng cách đấu thêm DZ: Khi đó Ura = Uổn + UZ 4.3 Các mạch tạo xung 4.3.1 Chế độ khoá của transistor Transistor làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh 10-9 đến 10-6s, do đó có nhiều đặc điểm khác với chế độ khuếch đại đã xét ở trương trước. a) Yêu cầu cơ bản với transistor ở chế độ khóa là điện áp đầu ra có hai trạng thái khác biệt: 80 Ura ≥UH khi Uvào ≤UL Ura ≤ UL khi U vào ≥ UH (4- 1) Chế độ khóa của transistor được xác định bởi chế độ điện áp hay dòng điện một chiều cung cấp từ ngoài qua 1 mạch phụ trợ (khóa thường đóng hay thường mở). Việc chuyển trạng thái của khóa thường được thực hiện nhở một tín hiệu xung có cực tính thích hợp tác động tới đầu vào. Cũng có trường hợp khóa tự động chuyển đổi trạng thái một cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp dương nội bộ, khi đó không cần xung điều khiển, ta sẽ xét ở phần tiếp theo. Xét một mạch cụ thể, sơ đồ thực hiện được điều kiện 4-1, khi lựa chọn các mức UH, UL cũng như các giá trị Rc và RB thích hợp. Ban đầu khi UV = 0 hay UV ≤UL transistor ở trạng thái đóng, dòng điện ra IC = 0, lúc không có tải Rt. Ura = +Ecc Lúc điện trở tải nhỏ nhất RC = Rt (với Rt là điện trở vào của mạch tầng sau nối với đầu ra của sơ đồ) Ura = 1/2Ecc là mức nhỏ nhất của điện áp ra ở trạng thái H, để phân biệt chắc chắn, ta chọn UH<1/2Ecc (chẳng hạn UH = 1,5V khi Ecc = 5V). Phù hợp với điều kiện 4-1, điện áp vào phải nằm dưới mức UL (được hiểu là điện áp vào lớn nhất để transistor vẫn bị khóa chắc UL = UVmax). Với transistor silic người ta chọn UL = 0,4V. Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới đầu vào UV ≥UH transistor chuyển sang trạng thái mở bão hòa, điện áp ra khi đó phải thỏa mãn điều kiện Ura≤UL. Điện trở Rc chọn thích hợp để thời gian quá độ đủ nhỏ và dòng IC không quá lớn, chẳng hạn RC = 5k, Xác định RB để khi Uv = UH = 1,5V thì Ura ≤ UL = 0,4V. Muốn vậy Icbh = Ecc/Rc = 1mA với β=100 khi đó dòng bazơ IBbh = 10μA (tức là dự trữ 10 lần), lúc đó lưu ý UBE = 0,6V có RB = k A V 9 100 )6,05,1(    Hình 4.4: Mạch khóa đảo dùng transistor 81 b) Đặc tính truyền đạt của sơ đồ với những tham số trên cho ở hình 7.4. Để đánh giá mức tin cậy của khóa, người ta định nghĩa các tham số độ dự trữ chống nhiễu ở mức cao SH và ở mức thấp SL: SH = Ura khóa - UH SL = UL – Ura mở Ở đây Ura khóa và Ura mở là các điện áp thực tế tại lối ra của transistor lúc khóa hay mở tương ứng Với trường hợp cụ thể như sau: SH = 2,5V – 1,5V = 1V (lúc UV ≤UL) SL = 0,4V – 0,2V = 0,2V (lúc UV ≥UH) Hình 4.6: Các biện pháp nâng cao SL Từ đó có thể nhận xét sau: - Có thể dễ dàng nhận được mức SH lớn bằng cách chọn Ecc và các tham số Rc, RB thích hợp. Hình 4.5: Đặc tuyến truyền đạt của transistor khóa 82 - Do SL thường nhỏ, cần phải quan tâm đặc biệt tới việc nâng cao tính chống nhiễu với mức thấp. Vì trị số điện áp ra bão hòa bẳng UCebh thực tế không thể giảm được, muốn SL tăng cần tăng mức UL. Muốn vậy người ta đưa vào mạch bazơ một hoặc vài diode hoặc nối vào đó một mạch phân áp (Hình 4.6a, b và c). Những biện pháp nêu trên nhất thiết nhất thiết cần sử dụng khi transistor Gecmanni làm phần tử khóa vì UBE để mở transistor phần lớn nhỏ hơn UCebh. Trong mạch 4.5a điện trở R2 để nối mạch dòng điện ngược tiếp giáp BC và mạch 4.5c R2 được nối với nguồn 1 chiều điện thế âm với mục đích để transistor khóa chắc hơn khi không có xung điều khiển vào lối vào. c) Một điểm cần lưu ý là khi sử dụng transistor làm phần tử khóa cần chú ý đến các tính chất động (quá độ) của mạch và yêu cầu cơ bản là cần nâng cao tính tác động nhanh của khóa. Khi đó biện pháp cơ bản là ngăn ngừa hiện tượng bão hòa sâu của transistor bằng các giải pháp kỹ thuật. Thông thường tính chất tần số của khóa được biểu thị bởi các tham số trung bình về thời gian trễ tín hiệu (hình 4.7). Các giá trị τ1, τ2 thường nhỏ (10 -8 – 10 -9s) nhưng không thể bỏ qua, đặc biệt là τ2 liên quan tới thời gian phục hồi điện trở ngược khi chuyển transistor tử mở sang khóa khi quan tâm tới tính làm việc đồng bộ nhịp nhàng giữa các khối hoặc các sơ đồ khác nhau khi thực hiện một nhiệm vụ xử lý tin cụ thể, điều này càng quan trọng trong các hệ thống điều khiển, tính toán vì khi ghép nối giữa các khối hoặc các mạch, thời gian trễ này bị cộng tích lũy. - Hoàn toàn tương tự có thể sử Hình 4.7: Xác đinh thời gian trễ của mạch khóa trong đó τ1 thời gian trễ sườn trước τ2 thời gian trễ sườn sau được tính ở các mức biên độ 50% giá trị cực đại 83 dụng các FET làm phần tử khóa với nhiều ưu điểm