Giáo trình Kỹ thuật điện tử

123 trang hapham 2320

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ky_thuat_dien_tu.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điện tử

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Kỹ thuật điện tử được biên soạn dựa theo nhiều tài liệu của những tác giả đã được xuất bản, cập nhật thông tin trên mạng sau đó chọn lọc, tổng hợp mà đặc biệt là bài giảng môn Kỹ thuật điện tử và kinh nghiệm thực tế giảng dạy của tôi. Môn Kỹ thuật điện tử có thể giới thiệu để người đọc thấy được hình ảnh thu nhỏ của lãnh vực điện tử và cần thiết cho những ai muốn tìm hiểu tổng quát về điện tử. Tuy nhiên do chương trình học ở các khoa ngoài ngành Điện tử có nhiều môn để tìm hiểu Điện tử, môn Kỹ thuật điện tử được yêu cầu giảng 15 tiết lý thuyết và 30 tiết thực hành. Giáo trình Kỹ thuật điện tử nhằm làm tài liệu dạy – học môn kỹ thuật điện tử (lý thuyết). Học sinh – sinh viên cần có chuẩn bị trước, tự trả lời câu hỏi và bài tập sau mỗi chương, chọn đáp án cho các câu trắc nghiệm, hệ thống lại kiến thức đã học và kiến thức cần tìm hiểu thêm . Trong giáo trình tôi trình bày 6 chương và phần phụ lục: Chương 1: Cơ sở điện học. Chương 2: Linh kiện thụ động. Chương 3: Chất bán dẫn – diode. Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực. Chương 5: Transistor hiệu ứng trường. Chương 6: Linh kiện có vùng điện trở âm. Phụ lục: Câu hỏi trắc nghiệm, phần này tôi soạn riêng cho mỗi chương kết hợp với câu hỏi bài tập sau mỗi chương giúp học sinh – sinh viên tự kiểm tra và củng cố kiến thức của mình. Tuy có nhiều cố gắng nhưng vì thời gian và trình độ của bản thân có giới hạn nên tài liệu khó tránh sai sót. Tôi mong nhận được sự góp ý chân thành của bạn đọc. Tp.HCM năm 2009 GV biên soạn Lê Thị Hồng Thắm 1
Chương 1: Cơ sở điện học Chương 1 CƠ SỞ ĐIỆN HỌC 1.1. Nguồn gốc của dòng điện 1.1.1. Cấu tạo vật chất Khi nghiên cứu về thế giới xung quanh, các nhà khoa học cho rằng mọi vật đều được cấu tạo từ các phần tử nhỏ nhất không thể chia cắt. Theo thuyết nguyên tử thì nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của vật chất. Cuối thế kỉ 19, những cuộc tìm tòi và khảo sát khoa học đã chứng tỏ nguyên tử không phải là phần tử nhỏ nhất. Bằng thực nghiệm các nhà khoa học đã khẳng định sự tồn tại của electron trong nguyên tử, electron mang điện tích âm. Năm 1911, từ kết quả thí nghiệm, nhà Vật lí người Anh Rutherford đưa ra mẫu nguyên tử Rutherford nhưng còn những hạn chế trong việc diễn tả, giải thích các quá trình thuộc lĩnh vực vi mô. Năm 1913, nhà Vật lí Đan mạch Niel Bohr đưa ra mẫu nguyên tử mới trên cơ sở thừa nhận những thành công của Rutherford và đưa ra hai tiên đề:  Tiên đề 1 (tiên đề về các trạng thái dừng)  Tiên đề 2 ( tiên đề về tần số bức xạ) Đến nay, mọi người thừa nhận mỗi nguyên tử có cấu tạo gồm hạt nhân, quanh nó là các electron chuyển động trên những quĩ đạo xác định. Các electron sắp xếp trên những lớp vỏ kế tiếp nhau. Kể từ hạt nhân ra, các lớp vỏ được kí hiệu: K, L, M, N, O, P, Q; số lượng tử tương ứng là 1, 2, 3, , + + 7; mỗi lớp có số electron giới hạn. Hạt nhân mang điện tích dương gồm có neutron là hạt không mang điện, proton là hạt mang điện tích dương. Ví dụ: Cấu tạo của nguyên tử He như hình 1.1. Hình 1.1. Cấu tạo của nguyên tử He. Bình thường, nguyên tử ở trạng thái trung hòa điện, nghĩa là nguyên tử có số lượng proton bằng số lượng electron. 1.1.2. Điện tích Điện là một thuộc tính của hạt, lượng mang tính chất điện gọi là điện tích. Đơn vị đo điện tích được tính bằng Coulomb (C). Điện tích nguyên tố: e = 1,6.10-19 C. 3
Chương 1: Cơ sở điện học Từ nghiên cứu thực nghiệm dẫn đến qui ước gọi loại điện giống như loại điện xuất hiện trên thanh thủy tinh sau khi cọ xát vào lụa là điện dương, loại điện giống loại điện xuất hiện trên lụa là điện âm. Mọi vật chất đều có thể trở thành nhiễm điện nghĩa là có mang một điện tích. Một vật hay một phần tử của vật chứa n1e điện tích dương, -n2e điện tích âm thì điện tích toàn phần của nó là: q = (n1 - n2)e. (1.1) Bình thường, có n1 = n2 nên tổng đại số những điện tích trong một thể tích của vật bằng 0. Khi n1 ≠ n2, vật được gọi là vật mang điện tích. Ngoài các hạt cơ bản electron, proton, neutron, người ta còn phát hiện nhiều hạt cơ bản khác: positron (e+), hạt pi (π+, π0, π - ). Tổng quát, tổng điện tích của một hệ cô lập không đổi. Ngoài ra, độ lớn của một điện tích không thay đổi trong các hệ qui chiếu quán tính khác nhau. Do đó, độ lớn của một điện tích không phụ thuộc vào trạng thái đứng yên hay đang chuyển động của điện tích. Các hạt mang điện tương tác nhau: các hạt trái dấu hút nhau, các hạt cùng dấu đẩy nhau. Khi khảo sát các lực tương tác giữa những hạt tích điện, năm 1785, nhà vật lí người Pháp Coulomb đã phát hiện ra định luật sau và được gọi định luật Coulomb: Lực tương tác giữa hai điện tích điểm q1, q2 ở trạng thái đứng yên, cách nhau một khoảng r có: - Phương là đường thẳng nối giữa hai điện tích điểm. - Độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng và phụ thuộc vào môi trường. - Chiều là chiều của lực đẩy nếu hai điện tích cùng dấu, lực hút nếu hai điện tích trái dấu. Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích điểm q1, q2 ở trạng thái đứng yên, cách nhau một khoảng r được xác định theo định luật Coulomb: q q F K 1 2 (1.2a) r2 F: lực tương tác (N) q1, q2: điện tích (C) r: khoảng cách giữa hai điện tích điểm (m) Hằng số tỉ lệ K tùy thuộc hệ thống đơn vị. Hệ thống đơn vị SI: 1 K (1.2b) 4  0 r K = 9.109 Nm2/C2 Hệ thống đơn vị CGSE: K = 1 4
Chương 1: Cơ sở điện học Một nguyên tử trung hòa điện khi số lượng proton bằng số lượng electron. Một nguyên tử có số lượng proton khác số lượng electron thì trở thành ion: - ion dương khi số lượng proton lớn hơn số lượng electron. - ion âm khi số lượng proton nhỏ hơn số lượng electron. Ví dụ: - Một điện tử thoát li khỏi nguyên tử thì điện tử này được gọi là điện tử tự do, nguyên tử còn lại là ion dương. - Một nguyên tử khi mất điện tử trở thành ion dương còn nếu nguyên tử nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. 1.1.3. Điện trường Năng lượng phân bố liên kết với điện tích cho chúng ta một hình ảnh về điện trường. Trong không gian xuất hiện một điện tích q thì nó tạo ra xung quanh có một điện trường lan truyền trong không gian. Tính chất cơ bản của điện trường là khi có một điện tích qt đặt trong điện trường thì điện tích đó chịu tác dụng của lực điện. Điện trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh điện tích và tác dụng lên điện tích khác đặt trong nó. + - Hình 1.2. Biểu diễn chiều của đường sức. Chiều của đường sức là chiều từ điện tích dương sang điện tích âm. Người ta biểu diễn điện trường bằng các đường sức, mật độ các đường sức dùng để chỉ cường độ điện trường. F E (1.3) q t 5
Chương 1: Cơ sở điện học E: cường độ điện trường (V/m) F: lực điện trường (N) qt: điện tích (C) Vì điện tử mang điện tích âm nên lực tác động lên điện tử ngược chiều với điện trường hay nói cách khác, một điện tử tự do sẽ di chuyển ngược chiều với điện trường. 1.1.4. Điện thế - hiệu điện thế Trong trường thế của một điện tích q, một điện tích điểm qt đặt cách q một khoảng r, sẽ có thế năng: 1 qqt Wp . (1.4) 4  0r r Do đó, thế năng của một điện tích điểm qt tại một điểm bằng công của lực tĩnh điện khi dịch chuyển điện tích điểm qt từ điểm đó ra xa vô cực. Thế năng này chính là thế năng tương tác của hai điện tích q và qt. Nếu q, qt cùng dấu thì WP > 0. Nếu q, qt trái dấu thì WP < 0. Khi r → ∞ thì WP → 0 Tại cùng một điểm A của tĩnh điện trường những điện tích điểm khác nhau qt1, qt2, qt3, sẽ có thế năng WP1, WP2, WP3, , nhưng tỉ số: Wp1 Wp2 Wp3 1 q A (1.5) q t1 q t2 q t3 4  0r r φA được gọi là điện thế của điện trường tại điểm A. φA là một đại lượng đặc trưng cho tĩnh điện trường do điện tích điểm q tạo ra tại điểm A đang xét. Điện thế tại một điểm có trị số bằng công của lực điện trường tác dụng vào đơn vị điện tích dương khi điện tích này di chuyển từ điểm đó ra xa vô cực. A (1.6a) A q hay EdS (1.6b) A A Tương tự như nước chỉ chảy thành dòng giữa hai nơi có địa thế khác nhau, bằng thực nghiệm các nhà vật lí đã chứng tỏ rằng: các hạt A B mang điện tích chỉ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện giữa hai điểm có điện thế khác nhau. Ở mạch điện hình 1.3, tại A có điện thế VA, tại B có điện thế V . Để dịch chuyển điện lượng + - B q từ vị trí A sang vị trí B tức để tạo dòng điện từ Nguồn điện A sang B thì nguồn điện phải tạo ra một năng Hình 1.3. Mạch điện kín. 6
Chương 1: Cơ sở điện học lượng là UAB > 0. (UAB < 0 thì dòng điện có chiều từ B về A). UAB = VA – VB = - UBA (1.7) UAB, UBA gọi là hiệu điện thế giữa A và B. Ngoài ra, hiệu điện thế giữa A và B có thể kí hiệu là U, U1 .Điểm nối chung của mạch điện được chọn làm điểm gốc (điểm đất, điểm mass). Điểm này có điện thế bằng 0. Khi cho điểm A nối trực tiếp xuống mass thì điểm A có điện thế VA = 0. Kí hiệu nối mass, nối đất (Ground ≡ GND) GND Hình 1.4. Kí hiệu mass, GND. Đơn vị đo điện thế, hiệu điện thế: Volt (V) 1 kV (kilovolt) = 103 V = 1000 V 1 mV (milivolt) = 10-3 V = 0,001 V 1.1.5. Dòng điện Ở mạch hình 1.3, nếu có chênh lệch điện thế giữa A và B thì có sự dịch chuyển của các hạt mang điện theo một hướng xác định. Khi đó hình thành dòng điện chạy trong mạch. Ngược lại, không có chênh lệch điện thế giữa A và B thì không có sự dịch chuyển của các hạt mang điện nên không có dòng trong mạch. Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. dq I (1.8) dt I: cường độ dòng điện (A) dq: điện lượng (C) dt: khoảng thời gian ngắn (s) Theo qui ước dòng điện có chiều từ dương sang âm. Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampere (A) 1 mA (miliampere) = 10-3 A 1 µA (microampere) = 10-6 A 1.2. Dòng điện một chiều Khi dòng điện và điện thế phân bố trong một hệ mạch không thay đổi theo thời gian thì mạch được xem như ở trạng thái tĩnh hay trạng thái DC (Direct Current state). 1.2.1. Định nghĩa Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và cường độ dòng điện không đổi theo thời gian. 1.2.2. Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện đo bằng lượng điện tích của các hạt mang điện chuyển động có hướng qua tiết diện dây dẫn trong một đơn vị thời gian. 7
Chương 1: Cơ sở điện học dq I (1.9) dt I: cường độ dòng điện (A) dq: điện lượng (C) dt: khoảng thời gian ngắn (s) Dòng điện không đổi: Q I (1.10) t Q là tổng các điện tích đi qua tiết diện dây dẫn trong khoảng thời gian t. 1.2.3. Chiều của dòng điện Dòng điện trong mạch có chiều qui ước hướng từ nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp. Chiều của dòng điện ngược với chiều chuyển động của điện tử (ngược với chiều dịch chuyển của điện tích âm). Chiều của dòng điện cùng chiều dịch chuyển của điện tích dương. Theo qui ước: chiều của dòng điện là từ dương sang âm. 1.2.4. Nguồn điện một chiều Các loại nguồn một chiều: - Pin, acquy. - Máy phát điện một chiều. Khi sử dụng nguồn một chiều, cần biết hai thông số quan trọng của nguồn là điện áp làm việc và điện lượng. Điện lượng Q có đơn vị Ampere giờ (Ah). Điện lượng Q chỉ lượng điện đã được nạp và chứa trong nguồn. Thời gian sử dụng sẽ tùy thuộc cường độ dòng điện tiêu thụ và được tính theo công thức: Q t (1.11a) I Q: điện lượng (Ah) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian (h) Ví dụ: Nguồn điện một chiều có điện lượng 50 Ah, nếu dòng điện tiêu thụ là I = 1 A thì thời gian sử dụng tối đa là: Q 50 t = 50 (h) (1.11b) I 1 Theo lí thuyết nếu dòng tiêu thụ là 10 A thì thời gian sử dụng là 5 h hay nếu dòng điện tiêu thụ là 50 A thì thời gian sử dụng là 1 h. Thực tế thì khi dòng điện tiêu thụ lớn qua nội trở của nguồn sẽ sinh ra nhiệt lớn làm hư nguồn trước khi đạt thời gian sử dụng theo công thức trên. Để tránh hư nguồn thì phải giới hạn dòng điện tiêu thụ ở mức: 8
Chương 1: Cơ sở điện học Q I 10 (1.11c) Q: điện lượng (Ah) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian (h) Kí hiệu: Nguồn cố định: + - E , r E: sức điện động. r: điện trở trong (điện trở nội). VCC Nguồn điều chỉnh trị số được: VCC Hình 1.5. Kí hiệu của nguồn một chiều. - Nguồn một chiều: V, U, VCC, VBB, E, - Nguồn dương: +VCC - Nguồn âm: - VCC - Nguồn đối xứng: ±VCC 1.2.5. Cách mắc nguồn điện một chiều - Mắc nối tiếp. - Mắc song song. - Mắc hỗn hợp. Ví dụ: Mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. - Mắc nối tiếp. E, r E, r Etđ, rtđ + - + - + - Hình 1.6. Đoạn mạch có nguồn mắc nối tiếp. Ta có: Etđ = 3 V, Qtđ = 4,5 Ah, rtđ = 2 Ω. - Mắc song song. E, r Etđ, rtđ + - E, r + - + - Hình 1.7. Đoạn mạch có nguồn mắc song song. Ta có: Etđ = 1,5 V, Qtđ = 9 Ah, rtđ = 0,5 Ω. - Mắc hỗn hợp. 9
Chương 1: Cơ sở điện học E, r E, r - - + + Etđ, rtđ E, r E, r + - + - + - Hình 1.8. Đoạn mạch có nguồn mắc hỗn hợp. Ta có: Etđ = 3 V, Qtđ = 9 Ah, rtđ = 1 Ω. 1.2.6. Công – công suất Dòng điện chạy qua bóng đèn làm bóng đèn cháy sáng, chạy qua bếp điện, bàn ủi sinh ra nhiệt, chạy qua động cơ làm động cơ quay. Điều này có nghĩa là năng lượng điện có thể chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác: quang năng, nhiệt năng, cơ năng, .Như vậy dòng điện đã thực hiện được một công: A = U.I.t = R.I2.t (1.12) A: công của dòng điện được gọi là điện năng (J) (Joule) U: điện áp (V) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian dòng điện chạy (s) R: điện trở (Ω) 1 J = 1 Ws nhưng thực tế thường dùng Wh hay KWh. 1 KWh = 1000 Wh = 3600000 Ws. Công suất của dòng điện là công của dòng điện sinh ra trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu: P, đơn vị: Watt (W). P = U.I = RI2 (1.13) 1.3. Dòng điện xoay chiều Khi dòng điện và điện thế phân bố trong một hệ mạch thay đổi theo thời gian thì mạch được xem như ở trạng thái động hay trạng thái AC (Alternative Current state). 1.3.1. Định nghĩa Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện có chiều và cường độ dòng điện biến đổi theo thời gian một cách tuần hoàn với qui luật hình sin. 1.3.2. Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin gồm có: giá trị đỉnh (giá trị cực đại), giá trị trung bình, giá trị hiệu dụng, giá trị tức thời, chu kì, tần số, tần số góc, góc pha, pha ban đầu. . Dòng điện xoay chiều: i = I0 sinωt (A) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là I0. 10
Chương 1: Cơ sở điện học I - Giá trị hiệu dụng I 0 . (1.14a) 2 - Tần số góc ω = 2 f. (1.14b) 1 - Tần số là f . (1.14c) T 1 - Chu kì là T . (1.14d) f - Góc pha là 100 t rad. - Pha ban đầu bằng 0. - Giá trị tức thời tại thời điểm t là i. Ví dụ: * Dòng điện xoay chiều: i = 14,14sin100 t (A) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là 14,41 A. - Giá trị hiệu dụng 10 A. - Tần số góc100 rad/s. - Tần số là 50 Hz. - Chu kì là 0,02 s. - Góc pha là 100 t rad. - Pha ban đầu bằng 0. . Điện áp xoay chiều: u = U0 sinωt (V) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là U0. U - Giá trị hiệu dụng U 0 . (1.15a) 2 - Tần số góc ω = 2 f. (1.15b) 1 - Tần số là f . (1.15c) T 1 - Chu kì là T . (1.15d) f - Góc pha là 100 t rad. - Pha ban đầu bằng 0. - Giá trị tức thời tại thời điểm t là u. Ví dụ: * Điện áp xoay chiều: u = 311,1sin100 t (V) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là 311,1 V. - Giá trị hiệu dụng 220 V. - Tần số góc100 rad/s. - Tần số là 50 Hz. - Chu kì là 0,02 s. - Góc pha là 100 t rad. 11
Chương 1: Cơ sở điện học - Pha ban đầu bằng 0. Dòng điện xoay chiều i = I0 sinωt (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có thuần điện trở R thì hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở là: u = U0 sinωt (V) (1.16) Dòng điện xoay chiều i = I0 sinωt (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có tụ C thì hiệu điện thế giữa hai đầu tụ là: u = U0 sin(ωt - /2)(V) (1.17) Dòng điện xoay chiều i = I0 sinωt (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có cuộn cảm L thì hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm L là: u = U0 sin(ωt + /2) (V) (1.18) Tóm lại: - Hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở thuần R cùng pha với dòng điện chạy qua điện trở R. - Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện chậm pha hơn dòng điện chạy qua tụ điện một góc là /2. - Hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm nhanh pha hơn dòng điện chạy qua cuộn cảm một góc là /2. 12
Chương 1: Cơ sở điện học CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Nêu cấu tạo của một nguyên tử ở trạng thái bình thường. Khi một nguyên tử không ở trạng thái trung hòa điện thì nó trở thành ion gì? 2. Điện tích là gì? Cho biết đơn vị đo điện tích. Xác định lực tương tác giữa các điện tích. 3. Điện trường là gì? Xác định vectơ cường độ điện trường. 4. Điện thế là gì? Phân biệt khái niệm điện thế, hiệu điện thế, mass (GND), kí hiệu của nó. 5. Dòng điện là gì? Dòng điện một chiều là gì? Dòng điện xoay chiều là gì? Xác định chiều của dòng điện trên mạch điện. Nêu công thức tính cường độ dòng điện. 6. So sánh pha của hiệu điện thế giữa hai đầu tải với pha của dòng điện chạy qua tải, nếu tải là: a. điện trở thuần. b. tụ điện. c. cuộn cảm. 7. Mỗi nguồn có sức điện động E, điện lượng Q, điện trở nội r. Nêu công thức tính Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch gồm hai nguồn mắc: a. nối tiếp. b. song song. 8. Cho mạch như hình 1.6. Với mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. Xác định Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch. 9. Cho mạch như hình 1.7. Với mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. Xác định Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch. 10. Cho mạch như hình 1.8. Với mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. Xác định Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch. 11. Nêu biểu thức liên quan giữa ba đại lượng: tần số góc, tần số, chu kì. 12. Cho biết giá trị cực đại, hiệu dụng, trung bình, đỉnh, tần số góc, tần số, chu kì dao động của dòng điện xoay chiều: i = 1,414sin100 t (A). 13. Cho biết giá trị cực đại, hiệu dụng, trung bình, đỉnh, tần số góc, tần số, chu kì dao động của điện áp xoay chiều: : u = 31,11sin100 t (V) 14. Ta nói điện áp xoay chiều 220 V để chỉ giá trị hiệu dụng hay giá trị cực đại của điện áp này? 15. Tại sao ta phải tính giá trị trung bình ứng với một bán kì của điện áp xoay chiều? Nêu công thức tính giá trị trung bình ứng với một bán kì của điện áp xoay chiều. 13
Chương 2: Linh kiện thụ động Chương 2 LINH KIỆN THỤ ĐỘNG 2.1. Điện trở 2.1.1. Khái niệm Điện trở (resistor) là một linh kiện có tính cản trở dòng điện và làm một số chức năng khác tùy vào vị trí của điện trở trong mạch điện. 2.1.2. Kí hiệu - đơn vị R R Hình 2.1. Kí hiệu điện trở. Đơn vị : Ohm () 1 k = 103  1 M = 103 k = 106  2.1.3. Điện trở của dây dẫn Điện trở của dây dẫn là đại lượng đặc trưng cho tính cản trở dòng điện của dây dẫn. Kí hiệu: R; đơn vị:  (Ohm) Điện dẫn là đại lượng đặc trưng cho tính dẫn điện của dây đẫn. Điện dẫn là nghịch đảo của điện trở. Kí hiệu: G ; đơn vị: S (siemens) 1 G (2.1a) R Từ thực nghiệm ta rút ra kết luận: ở một nhiệt độ nhất định, điện trở của một dây dẫn tùy thuộc vào chất của dây, tỉ lệ thuận với chiều dài của dây và tỉ lệ nghịch với tiết diện của dây. l R ρ (2.1b) S R: điện trở của dây dẫn () l : chiều dài của dây dẫn (m) S: tiết diện của dây dẫn (m2) : điện trở suất (m) Điện trở suất: Số đo điện trở của dây dẫn làm bằng một chất nào đó và có chiều dài 1 m, tiết diện thẳng 1 m2 được gọi là điện trở suất của chất đó. 14
Chương 2: Linh kiện thụ động Với những chất khác nhau thì điện trở suất của nó cũng khác nhau. Điện trở suất biến đổi theo nhiệt độ và sự biến đổi này được xác định theo công thức sau: ρ = ρ0(1+at) (2.1c) 0 0: điện trở suất đo ở 0 C. a: hệ số nhiệt độ t: nhiệt độ (0C) : điện trở suất ở nhiệt độ t. Bảng 2.1 đưa ra trị số trung bình của điện trở suất của một số chất dẫn điện thường gặp: Chất ρ(Ω.m) Chất ρ(Ω.m) Bạc 0,016.106 Kẽm 0,06.106 Đồng 0,017.106 Thép 0,1. 106 Nhôm 0,026.106 Photpho 0,11.106 Vonfarm 0,055.106 Chì 0,21.106 Bảng 2.1. Điện trở suất của một số chất dẫn điện thường gặp. 2.1.4. Định luật Ohm a. Định luật Ohm cho đoạn mạch thuần điện trở Năm 1926, nhà vật lý người Đức George Simon Ohm đã thiết lập bằng thực nghiệm định luật sau: cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. U I (2.2) R I: cường độ dòng điện (A) U: hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (V) R: điện trở () b. Định luật Ohm tổng quát đối với đoạn mạch V1,r1 V2,r2 A R B Hình 2.2. Đoạn mạch AB. Dòng điện chạy trong đoạn mạch được tính bởi công thức: 15
Chương 2: Linh kiện thụ động V I A B  (2.3) R t A: điện thế tại A. B: điện thế tại B. Rt: điện trở của đoạn mạch AB. Rt = R + r1 + r2 Qui ước nguồn điện tùy theo chiều dòng điện: Nguồn phát (cấp điện), qui ước V > 0 Nguồn thu (tiêu thụ điện), qui ước V < 0 c. Định luật Ohm tổng quát cho mạch kín Dòng điện chạy trong một mạch kín được tính bởi công thức: V I  (2.4a) R t I: cường độ dòng điện chạy trong mạch kín. V: tổng điện thế có trong mạch kín. Rt: điện trở của toàn mạch. Thực ra, với đoạn mạch AB (hình 2.2) nếu hai đầu A, B của đoạn mạch trùng nhau, ta có một mạch kín. Khi đó A = B và công thức tính dòng điện trở thành: V V V I  1 2 (2.4b) R t R r1 r2 Ví dụ khác: Ta có: V1 I R1 V V V I  1 2 (2.4c) V2 R t R1 R 2 R2 Hình 2.3. Mạch điện kín. 2.1.5. Định luật Kirchhoff Thực tế, ta thường gặp các mạng điện phân nhánh phức tạp gồm nhiều nút và vòng mạng. Một nút điện là chỗ nối các nhánh điện và phải có ít nhất ba nhánh điện trở lên. Vòng mạng là vòng kín do các đoạn mạch tạo thành. a. Định luật Kirchhoff thứ nhất (định luật nút) 16
Chương 2: Linh kiện thụ động Tổng đại số các cường độ dòng điện tại một nút bằng không. n ( Ik ) 0 (2.5a) k 1 Tại nút có n nhánh điện. Qui ước: cường độ dòng điện tới nút mạng dấu +, cường độ dòng điện đi khỏi nút mạng dấu -. Hay nói cách khác: Tổng các cường độ dòng điện tới nút bằng tổng các cường độ dòng điện đi khỏi nút đó.  Ivào =  I ra (2.5b) I1 Ví dụ: I5 A I2 Tại nút A ta có: I I 1 - I 2 - I 3 + I 4 + I 5 = 0 (2.5c) 3 I Hay I 1 + I 4 + I 5 = I 2 + I 3 (2.5d) 4 Hình 2.4. Nút A có 5 nhánh điện. b. Định luật Kirchhoff thứ hai (định luật vòng mạng) Trong một vòng mạng, tổng của tổng đại số các sức điện động và tổng đại số các độ giảm điện thế trên các phần tử khác bằng không. n n , ( V ) ( I , )R , 0 (2.6a)  k  k k k 1 k , 1 Qui ước: Sức điện động mang dấu + nếu chiều đi đã chọn trên vòng mạng xuyên vào cực dương của nguồn điện. Sức điện động mang dấu - nếu chiều đi đã chọn trên vòng mạng xuyên vào cực âm của nguồn điện. Cường độ dòng điện mang dấu + nếu nó cùng chiều với chiều đã chọn và mang dấu - nếu nó ngược chiều với chiều đã chọn. Ví dụ: Xét mạch như hình 2.5 ta có: V1,r R I 1 1 1 Vòng I: - V1 + I1(r1 + R1) – I2(r2 + R2) + V2 = 0 (2.6b) I V2,r I R2 2 2 Vòng II: II V3,r R3 - V2 + I2(r2 + R2) – I3(r3 + R3) + V3 = 0 (2.6c) I3 3 Hình 2.5. Mạch điện gồm hai vòng mạng. 2.1.6. Phân loại Điện trở có thể phân loại dựa vào cấu tạo hay dựa vào mục đích sử dụng mà nó có nhiều loại khác nhau. 2.1.6.1. Phân loại theo cấu tạo 17
Chương 2: Linh kiện thụ động a. Điện trở than (carbon resistor) Người ta trộn bột than và bột đất sét theo một tỉ lệ nhất định để cho ra những trị số khác nhau. Sau đó, người ta ép lại và cho vào một ống bằng Bakelite. Kim loại ép sát ở hai đầu và hai dây ra được hàn vào kim loại, bọc kim loại bên ngoài để giữ cấu trúc bên trong đồng thời chống cọ xát và ẩm. Ngoài cùng người ta sơn các vòng màu để cho biết trị số điện trở. Loại điện trở này dễ chế tạo, độ tin cậy khá tốt nên nó rẻ tiền và rất thông dụng. Điện trở than có trị số từ vài Ω đến vài chục MΩ. Công suất danh định từ 0,125 W đến vài W. b. Điện trở màng kim loại (metal film resistor) Loại điện trở này được chế tạo theo qui trình kết lắng màng Ni – Cr trên thân gốm có xẻ rãnh xoắn, sau đó phủ bởi một lớp sơn. Điện trở màng kim loại có trị số điện trở ổn định, khoảng điện trở từ 10 Ω đến 5 MΩ. Loại này thường dùng trong các mạch dao động vì nó có độ chính xác và tuổi thọ cao, ít phụ thuộc vào nhiệt độ. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng không thể xử lí công suất lớn vì nó có công suất danh định từ 0,05 W đến 0,5 W. Người ta chế tạo loại điện trở có khoảng công suất danh định lớn từ 7 W đến 1000 W với khoảng điện trở từ 20 Ω đến 2 MΩ. Nhóm này còn có tên khác là điện trở công suất. c. Điện trở oxit kim loại (metal oxide resistor) Điện trở này chế tạo theo qui trình kết lắng lớp oxit thiếc trên thanh SiO2. Loại này có độ ổn định nhiệt cao, chống ẩm tốt, công suất danh định từ 0,25 W đến 2 W. d. Điện trở dây quấn (wire wound resistor) Làm bằng hợp kim Ni – Cr quấn trên một lõi cách điện sành, sứ. Bên ngoài được phủ bởi lớp nhựa cứng và một lớp sơn cách điện. Để giảm tối thiểu hệ số tự cảm L của dây quấn, người ta quấn ½ số vòng theo chiều thuận và ½ số vòng theo chiều nghịch. Điện trở chính xác dùng dây quấn có trị số từ 0,1 Ω đến 1,2 MΩ, công suất danh định thấp từ 0,125 W đến 0,75 W. Điện trở dây quấn có công suất danh định cao còn được gọi điện trở công suất. Loại này gồm hai dạng: - ống có trị số 0,1 Ω đến 180 kΩ, công suất danh định từ 1 W đến 210 W. - khung có trị số 1 Ω đến 38 kΩ, công suất danh định từ 5 W đến 30 W. 2.1.6.2. Về mục đích sử dụng a. Điện trở cố định Điện trở cố định là loại điện trở có trị số cố định không thay đổi được. Trị số này được nhà sản xuất ấn định có sai số trong phạm vi cho phép. Nhóm điện trở cố định chia ra các loại: 18
Chương 2: Linh kiện thụ động . Điện trở chính xác: có thể là dạng màng kim loại hoặc dây quấn, được thiết kế để dùng trong các mạch đòi hỏi sai số trong phạm vi hẹp, độ ổn định lớn, tiếng ồn thấp và hệ số nhiệt độ thấp. Loại dây quấn tương đối lớn và chỉ có một khoảng điện trở từ 0,1 Ω đến 1,2 MΩ nhưng nó có độ ổn định cao nhất. Các hiệu ứng của điện cảm L và điện dung C của điện trở dây quấn khiến nó không thích hợp để dùng ở tần số lớn hơn 50 kHz ngay cả khi quấn đặc biệt để giảm điện cảm và điện dung liên kết. Điện trở màng kim loại không bền như điện trở dây quấn song có điện cảm nhỏ hơn. Điện trở màng kim loại thường có vỏ hoặc hàn kín hoặc đúc nhựa phenol. Nó có khoảng điện trở từ 10 Ω đến 5MΩ. . Điện trở bán chính xác: được thiết kế cho các mạch đòi hỏi độ ổn định nhiệt độ lâu dài. Điện trở thường nhỏ hơn điện trở chính xác và rẻ hơn, chủ yếu làm chức năng hạn dòng và giảm áp trong các mạch. Loại điện trở Khoảng điện trở Khoảng công suất danh định Oxit kim loại 10 Ω đến 1,5 MΩ 0,25 W đến 2 W Kim loại gốm 10 Ω đến 1,5 MΩ. 0,05 W đến 0,5 W Than kết tủa 10 Ω đến 5 MΩ. 0,125 W đến 1 W . Điện trở đa dụng: loại này nhỏ, rẻ tiền, thường hay dùng trong mạch điện tử mà dung sai ban đầu là không quan trọng (ví dụ: 5% hoặc lớn hơn), độ ổn định dài hạn là không quan trọng. Không được dùng những điện trở đó ở nơi cần hệ số nhiệt độ của điện trở thấp và mức ồn thấp. Khoảng điện trở từ 2,7 Ω đến 100 MΩ. Trị số điện trở trên 0,3MΩ bắt đầu bị giảm ở tần số xấp xỉ 100 kHz, ở trên tần số 1 MHz tất cả các trị số đều bị giảm. Khoảng công suất danh định từ 0,125 W đến 2 W. . Điện trở công suất: có dạng dây quấn hoặc dạng màng, là loại có khoảng công suất danh định cao, được dùng trong các bộ nguồn công suất, các bộ chia áp b. Điện trở có trị số thay đổi được: . Biến trở (VR = Variable Resistor): là loại điện trở có trị số thay đổi được Biến trở dây quấn: dùng dây dẫn có điện trở suất cao, đường kính nhỏ, quấn trên lõi cách điện bằng sứ hay nhựa tổng hợp hình vòng cung 2700. Hai đầu hàn hai cực dẫn điện A, B. Tất cả được đặt trong một vỏ bọc kim loại có nắp đậy. Trục trên vòng cung có quấn dây là một con chạy có trục điều khiển đưa ra ngoài nắp hộp. Con chạy được hàn với cực dẫn điện C. Biến trở dây quấn thường có trị số nhỏ từ vài Ω đến vài chục Ω. Công suất khá lớn, có thể tới vài chục W. Biến trở than: người ta tráng một lớp than mỏng lên hình vòng cung bằng bakelit. Hai đầu lớp than nối với cực dẫn điện A và B. Ở giữa là cực C của biến trở và chính là con 19
Chương 2: Linh kiện thụ động chạy bằng kim loại tiếp xúc với lớp than. Trục xoay được gắn liền với con chạy, khi xoay trục (chỉnh biến trở) con chạy di động trên lớp than làm cho trị số biến trở thay đổi. Biến trở than còn chia làm hai loại: biến trở tuyến tính, biến trở phi tuyến. Biến trở than có trị số từ vài trăm Ω đến vài MΩ nhưng có công suất nhỏ. Hình 2.6. Hình dạng và kí hiệu của biến trở. . Nhiệt điện trở là loại điện trở mà trị số của nó thay đổi theo nhiệt độ (thermistor). Nhiệt trở dương ( PTC = Positive Temperature Coefficient) là loại nhiệt trở có hệ số nhiệt dương. Nhiệt trở âm ( NTC = Negative Temperature Coefficient) là loại nhiệt trở có hệ số nhiệt âm. . VDR (Voltage Dependent Resistor) là loại điện trở mà trị số của nó phụ thuộc điện áp đặt vào nó. Thường thì VDR có trị số điện trở giảm khi điện áp tăng. . Điện trở quang (photoresistor) là một linh kiện bán dẫn thụ động không có mối nối P – N. Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang là CdS (Cadmium Sulfid), CdSe (Cadmium Selenid), ZnS (sắt Sulfid) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác. Ánh sáng CdS Hình 2.7. Cấu tạo của điện trở quang. Điện trở quang còn gọi là điện trở tùy thuộc ánh sáng (LDR ≡ Light Dependent Resistor) có trị số điện trở thay đổi tùy thuộc cường độ ánh sáng chiếu vào nó. CdS LDR Hình 2.8. Hình dạng và kí hiệu của điện trở quang. Kí hiệu và hình dạng của điện trở quang như hình 2.8. 20
Chương 2: Linh kiện thụ động Khi bị che tối thì điện trở quang có trị số rất lớn, khi được chiếu sáng thì độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng do các cặp điện tử tự do và lỗ trống hình thành nhiều tức là điện trở giảm nhỏ. Điện trở quang có trị số điện trở thay đổi không tuyến tính theo độ sáng chiếu vào nó. Khi trong bóng tối điện trở quang có trị số khoảng vài megaohm, trị số của điện trở quang trong bóng tối với nhiều trường hợp ứng dụng cần phải biết. Nó cho ta dòng điện rò lớn nhất với một điện thế trên điện trở quang. Dòng rò quá lớn sẽ dẫn đến sự sai lệch khi thiết kế mạch điện. Khi được chiếu sáng điện trở quang có trị số rất nhỏ khoảng vài chục đến vài trăm Ohm. Hệ số nhiệt của điện trở quang tỉ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng. Do đó để giảm bớt sự thay đổi của điện trở quang theo nhiệt độ, điện trở quang cần được cho hoạt động với mức chiếu sáng tối đa. Ở mức chiếu sáng thấp và trị số điện trở quang cao cho ta sự sai biệt khá lớn so với trị số chuẩn. Điện trở quang được ứng dụng làm bộ phận cảm biến quang trong các mạch tự động điều khiển bởi ánh sáng; mạch đo ánh sáng; mạch chỉnh hội tụ của một số thiết bị; mạch trò chơi điện tử, c. Một số điện trở khác: Điện trở cầu chì. Điện trở xi – măng. Điện trở chip. Điện trở dán Hình 2.9. Hình dạng của một số loại điện trở. 2.1.7. Cách mắc điện trở a. Mắc nối tiếp R1 R2 Rtđ I1 I2 I + + U U Hình 2.10. Mạch điện trở mắc nối tiếp. Xét mạch như hình 2.10, với: I1: cường độ dòng điện chạy qua R1 I2: cường độ dòng điện chạy qua R2 U1: hiệu điện thế giữa hai đầu R1 U2: hiệu điện thế giữa hai đầu R2 21
Chương 2: Linh kiện thụ động Ta có: I1 = I2 = I (2.7) U = U1 + U2 (2.8) Rtđ = R1 + R2 (2.9a) Nếu có nhiều điện trở mắc nối tiếp thì Rtđ = R1 + R2 + + Rn (2.9b) b. Mắc song song R1 I1 I I Rtđ I2 R2 Hình 2.11. Mạch điện trở mắc song song. Xét mạch như hình 2.11, với: I1: cường độ dòng điện chạy qua R1 I2: cường độ dòng điện chạy qua R2 U1: hiệu điện thế giữa hai đầu R1 U2: hiệu điện thế giữa hai đầu R2 Ta có: U1 = U2 = U (2.10) I = I1 + I2 (2.11) 1 1 1 1 R R hay 1 2 (2.12a) R tđ R1 R 2 R tđ R1 R 2 Nếu có nhiều điện trở mắc song song với nhau thì: 1 1 1 1 (2.12b) R tđ R1 R 2 R n 2.1.8. Cách đọc trị số điện trở a. Đọc trị số điện trở theo qui ước vòng màu:  Điện trở 4 vòng màu A B C D - Vòng A, B chỉ trị số tương ứng với màu. - Vòng C chỉ hệ số nhân. - Vòng D chỉ sai số. Hình 2.12. Điện trở 4 vòng màu. 22
Chương 2: Linh kiện thụ động Ví dụ: Đỏ – tím – đỏ – bạc = 2,7 k 10% Đỏ – tím – đỏ – vàng nhũ = 2,7 k 5% Đỏ – đỏ – đỏ – vàng nhũ = 2,2 k 5% Nâu – lục – đỏ – vàng nhũ = 1,5 k 5% Cam – cam – vàng nhũ – vàng nhũ = 3,3  5% Màu Vòng A, B Vòng C Vòng D Đen 0 x100 = x1 Nâu 1 x101 = x10 1% 2 Đỏ 2 x10 = x100 2% 3 Cam 3 x10 = x1000 3% 4 Vàng 4 x10 = x10000 5 Lục 5 x10 = x100000 6 Lam 6 x10 = x1000000 7 Tím 7 x10 = x10000000 8 Xám 8 x10 = x100000000 9 Trắng 9 x10 = x1000000000 -1 Vàng nhũ x10 = x0,1 5% -2 Bạc x10 = x0,01 10% Màu thân 20% điện trở Bảng 2.2. Bảng qui ước màu điện trở.  Điện trở 3 vòng màu: Lần lượt được kí hiệu A, B, C. Ý nghĩa của các vòng màu tương tự loại điện trở 4 vòng màu: vòng A, B chỉ trị số tương ứng với màu. Vòng C chỉ hệ số nhân. Sai số xem như màu của thân điện trở. Ví dụ: Đỏ – tím – đỏ = 2,7 k 20%  Điện trở 5 vòng màu: Loại điện trở 5 vòng màu được kí hiệu là vòng A, B, C, D, E: 3 vòng A, B, C chỉ trị số tương ứng với màu, vòng D chỉ hệ số nhân, vòng E chỉ sai số. Ví dụ: Nâu – đen – đen – đen – nâu = 100  1% b. Đọc trị số điện trở theo qui ước chấm màu 23
Chương 2: Linh kiện thụ động Trên thân điện trở, một đầu điện trở có màu B khác với màu của thân điện trở (A), giữa thân có chấm màu (C). Ý nghĩa các màu và cách đọc trị số điện trở như trên. Ví dụ: Một điện trở có thân màu xanh lá cây, một đầu màu đỏ, giữa thân có chấm vàng, trị số của nó là 520 k. c. Điện trở có ghi số trên thân Đối với điện trở có ghi số trên thân thì hai số đầu là số có ý nghĩa, số thứ ba chỉ số nhân. Ví dụ: Trên thân điện trở có ghi 103 thì trị số điện trở là 10 k. Ngoài ra trên thân điện trở có ghi con số và chữ thì con số chỉ trị số điện trở, chữ chỉ bội số: R = x1; K = x103; M = x106. Ví dụ: 5R = 5 . 4K7 = 4,7 k. Về lý thuyết, linh kiện điện trở có thể có giá trị bất kỳ từ thấp nhất đến cao nhất. Trong thực tế, các linh kiện điện trở có khoảng điện trở từ 0,1  đến 100 M. Các giá trị tiêu chuẩn: 1.0; 1.2; 1.5; 1.8; 2.2; 2.7; 3.3; 3.9; 4.3; 4.7; 5.1; 5.6; 6.8; 7.5; 8.2; 9.1. Các linh kiện điện trở thường được chế tạo với giá trị là các giá trị tiêu chuẩn nhân với bội số của 10. Ví dụ: điện trở: 10 ; 100 ; 1,5 k; 2,7 k; 5,6 k . 2.1.9. Công suất của điện trở Công suất của điện trở là trị số chỉ công suất tiêu tán tối đa của nó. Công suất chịu đựng này do nhà sản xuất cho biết dưới dạng ghi sẵn trên thân hoặc kích thước của điện trở. Kích thước điện trở lớn thì công suất của nó lớn. Công suất của điện trở thay đổi theo kích thước với trị số gần đúng như bảng 2.3. Công suất Chiều dài Đường kính 2 W 1,6 cm 10 mm 1 W 1,2 cm 6 mm 0,5 W 1 cm 4 mm 0.25 W 0,7 cm 3 mm Bảng 2.3. Công suất của điện trở thay đổi theo kích thước. Nên chọn công suất chịu đựng lớn hơn hay bằng 2 lần công suất tính toán. 24
Chương 2: Linh kiện thụ động 2.1.10. Ứng dụng Điện trở có nhiều ứng dụng trong lãnh vực điện và điện tử: - Tỏa nhiệt: bếp điện, bàn ủi. - Thắp sáng: bóng đèn dây tóc. - Bộ cảm biến nhiệt, cảm biến quang. - Hạn dòng, chia dòng. - Giảm áp, chia áp, . R VCC 9V/3W 12V Ð Hình 2.13. Mạch dùng R hạn dòng, giảm áp. R 2 I1 I (2.13a) R1 R 2 R1 I2 I (2.13b) R1 R 2 Hình 2.14. Mạch chia dòng. +VCC R2 R1 V1 VCC (2.14) V1 R1 R 2 R1 Hình 2.15. Mạch chia áp. Mạch chia dòng như hình 2.14 còn được gọi là mạch phân dòng. Mạch chia áp như hình 2.15 còn được gọi là mạch phân áp hay cầu phân áp (mạch chia thế / mạch phân thế / cầu phân thế). 25
Chương 2: Linh kiện thụ động 2.2. Tụ điện 2.2.1. Khái niệm Tụ điện (capacitor) là linh kiện có tính tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện trường. 2.2.2. Cấu tạo – kí hiệu Tụ điện được cấu tạo gồm hai bản cực bằng Bản cực chất dẫn điện (kim loại) đặt song song gần nhau nhưng cách điện bởi lớp điện môi ở giữa. Kí hiệu của tụ điện: Dây nối ra Chất điện môi Hình 2.16. Cấu tạo của tụ điện. (a) (b) (c) Hình 2.17. Kí hiệu của tụ không phân cực (a), tụ có phân cực (b), tụ biến đổi (c). 2.2.3. Sự dẫn điện của tụ + + - Xét mạch như hình 2.14. + + - - - Khi khóa K để hở thì đèn tắt. + + - - Đóng khóa K, ta thấy đèn lóe Đ sáng lên rồi tắt. Nếu đổi nguồn VDC bằng nguồn VAC thì khi K K để hở đèn tắt, K đóng ta thấy đèn sáng liên tục. VDC Hình 2.18. Mạch thí nghiệm sự dẫn điện của tụ. 2.2.4. Điện dung Điện dung (capacitance) là đại lượng để đặc trưng khả năng tích điện của tụ. Kí hiệu: C, đơn vị: Farad (F) Thường dùng các ước số của Farad: Microfarad: 1 µF = 10-6 F Nanofarad: 1 nF = 10-9 F Picofarad: 1 pF = 10-12 F Femptofarad: 1 fF = 10-15 F Điện dung phụ thuộc chất điện môi, tỉ lệ thuận với tiết diện của bản tụ và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản tụ (bề dày của lớp điện môi). S C ε (2.15a) d 26
Chương 2: Linh kiện thụ động Với: C: điện dung (F) S: tiết diện của bản tụ (m2) d: khoảng cách giữa hai bản tụ (m) ε = εr.ε0 (2.15b) εr: hằng số điện môi tương đối. -12 ε0: hằng số điện môi không khí; ε0 = 8,85.10 F/m. Một số chất điện môi thường dùng để làm tụ: Không khí khô, giấy tẩm dầu, gốm, oxit nhôm, mica. Chất điện môi Hằng số điện môi εr Không khí khô 1 Giấy 3,6 Gốm 5,5 Mica 4 ÷ 5 Bảng 2.4. Hằng số điện môi của một số chất. Điện dung có thể đo bằng tỉ số điện tích của tụ trên hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện. Q C (2.16) U C: điện dung của tụ (F) Q: điện tích (C) U: hiệu điện thế giữa 2 bản tụ (V)  Năng lượng tích trữ ở tụ điện là: 1 W CU2 (2.17) 2 W: năng lượng (J) C: điện dung (F) U: hiệu điện thế giữa 2 bản tụ (V) 2.2.5. Điện thế làm việc Đối với mỗi tụ điện, chỉ có thể đặt vào nó một điện áp lớn nhất nào đó, tùy theo kết cấu của lớp điện môi. Nếu điện áp đặt vào quá lớn điện môi sẽ bị đánh thủng và trở nên dẫn điện, làm tụ điện bị hỏng không dùng được nữa. Điện thế làm việc (Working Volt = WV) chính là điện thế lớn nhất cho phép áp vào hai đầu tụ mà tụ chịu đựng được. Thường điện thế này có ghi trên tụ. 2.2.6. Mạch tương đương của tụ điện 27
Chương 2: Linh kiện thụ động Ngoài điện dung, một tụ điện thực tế còn có điện trở và điện cảm như trong mạch tương đương hình 2.15. RP RS L R L C C Hình 2.19. Mạch tương đương của tụ điện. Với RS là điện trở nối tiếp do các dây dẫn, các đầu tiếp xúc và các điện cực. RP: điện trở sun do điện trở suất của chất điện môi và vât liệu làm vỏ, do độ hao điện môi. L: hệ số tự cảm (điện cảm) tạp do dây dẫn và các điện cực. Điện trở tương đương nối tiếp ESR (Equivalent Series Resistance) là điện trở AC của tụ điện phản ánh cả điện trở nối tiếp RS và điện trở song song RP tại tần số đã cho để độ hao của các phần tử này có thể biểu thị bằng độ hao của một điện trở R trong mạch tương đương. Dung kháng: là đại lượng đặc trưng cho sức cản điện của tụ. Kí hiệu: XC hoặc ZC, đơn vị: Ohm (). 1 1 Biểu thức: X (2.18) C ωC 2 fC XC: dung kháng () ω: tần số góc (rad/s) C: điện dung (F) f: tần số (Hz) Tổng trở ( trở kháng): khi làm việc ở tần số cao thì phải tính thêm điện cảm ở đầu ra: 2 2 Z R XL XC (2.19a) Z: tổng trở () R: ESR() XC: dung kháng () XL: cảm kháng (), XL = ωL = 2πfL (2.19b) L: hệ số tự cảm (H) Hệ số công suất PF (Power Factor). Thuật ngữ PF chỉ độ hao điện trong tụ khi làm việc với điện áp AC. Ở tụ điện lí tưởng, dòng sẽ sớm pha hơn điện áp giữa hai đầu tụ là 900. Tụ thực tế, do tổn hao ở chất điện môi, điện cực và các đầu tiếp xúc nên góc pha nhỏ hơn 900. PF được định nghĩa là tỉ số điện trở tương đương nối tiếp R và tổng trở Z. PF có đơn vị: %. 28
Chương 2: Linh kiện thụ động Hệ số tiêu tán DF (Dissipation Factor) là tỉ số điện trở tương đương nối tiếp R và dung kháng XC. DF có đơn vị: %. DF xấp xỉ bằng PF khi PF ≤ 10%. Hệ số phẩm chất Q (Quality Factor) là nghịch đảo của hệ số tiêu tán. Nó thường áp dụng cho tụ trong các mạch điều hưởng. Dòng điện rỉ (rò) DC là dòng chạy qua tụ khi có đặt điện áp DC vào tụ. Điện trở cách điện: là tỉ số của điện áp đặt vào tụ trên dòng điện rỉ (rò) và thường biểu thị bằng M. 2.2.7. Cách mắc tụ điện a. Mắc nối tiếp C1 C2 C tđ + + + + + U U Hình 2.20. Mạch tụ điện mắc nối tiếp. Điện tích nạp vào tụ được tính theo công thức: Q Q1 Q2 (2.20) Q Q Q C1U1 C2U2 U1 ; U2 C1 C2 Q Mặt khác: Q Ctđ.U U Ctđ mà : U U1 U2 (2.21) 1 1 1 (2.22a) Ctđ C1 C2 Nếu có nhiều tụ ghép nối tiếp thì: 1 1 1 1 (2.22b) C C C C tđ 1 2 n b. Mắc song song C1 + C tđ + + C2 + + U U 29
Chương 2: Linh kiện thụ động Hình 2.21. Mạch tụ điện mắc song song. Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ C1, C2: U = U1 = U2 (2.23) Điện tích nạp vào tụ C1: Q1 = C1U Điện tích nạp vào tụ C2: Q2 = C2.U Điện tích nạp vào tụ Ctđ: Q = Ctđ.U Điện tích nạp vào tụ C1, C2 bằng điện tích nạp vào tụ Ctđ nên: Q = Q1 + Q2 (2.24) Ctđ.U = C1U + C2U = (C1 + C2) U Ctđ = C1 + C2 (2.25a) Nếu có nhiều tụ mắc song song thì: C tđ = C 1 + C 2 + C n (2.25b) 2.2.8. Hiện tượng nạp – xả của tụ Xét mạch như hình 2.18, K R giả sử tụ chưa tích điện, ta 1 bật khóa K sang vị trí số 1 2 + +C thì tụ bắt đầu nạp điện, lượng điện tích được tích trên hai VDC bản tụ tăng dần đến khi hiệu điện thế giữa hai đầu tụ gần Hình 2.22. Mạch khảo sát hiện tượng nạp - xả của tụ. bằng nguồn VDC (99%VDC) thì quá trình nạp điện của tụ được chấm dứt, tụ được xem như đã nạp đầy, nếu không có tác động khác thì hiện tượng vẫn không đổi. Khi chưa tích điện thì hiệu điện thế giữa hai đầu tụ bằng không. Trong quá trình nạp điện thì hiệu điện thế giữa hai đầu tụ thay đổi theo dạng hàm số mũ: V C (t)/ IC (t) t v (t) V (1 e τ ) (2.26a) C DC 98 99 95 e = 2,71828 86  = R.C (2.26b) 63 R: điện trở () C: điện dung (F) : thời hằng nạp – xả của tụ (s) 37 t: thời gian tụ nạp điện (s) 14 5 Trong quá trình nạp điện, tụ có dòng 2 1 điện nạp thay đổi theo dạng hàm số mũ: 0  2 3 4 5 t Hình 2.23. Đặc tuyến nạp của tụ. 30
Chương 2: Linh kiện thụ động t V i (t) DC e τ (2.27) C R Theo lý thuyết, thời gian để tụ nạp đầy là vô hạn (vc(t) = VDC). Trên thực tế, sau thời gian 5 tụ đã nạp được 99%VDC, lúc đó người ta xem như tụ đã nạp đầy. Khi tụ đã nạp đầy, ta bật K qua vị trí số 2, tụ C xả điện qua R, hiệu điện thế giữa hai đầu tụ thay đổi theo biểu thức: t τ vC (t) VDCe (2.28a) e = 2,71828   = R.C (2.28b) R: điện trở () C: điện dung (F) : thời hằng nạp – xả của tụ (s) t: thời gian tụ xả (s) Dòng xả của tụ thay đổi theo biểu thức: t V i (t) DC e τ (2.29) C R Để ý tốc độ nạp – xả nhanh trong thời gian lúc đầu từ 0 đến , sau đó chậm lại trong thời gian sau. 2.2.9. Phân loại a. Dựa theo mục đích sử dụng  Tụ cố định: là tụ có trị số điện dung cố định. Trị số này được nhà sản xuất ấn định có sai số trong phạm vi cho phép. Nó được chia làm hai dạng: - Tụ có cực (polar): tụ có phân cực tính dương và âm. - Tụ không phân cực (nonpolar): tụ có hai cực như nhau.  Tụ biến đổi: là loại tụ có trị số điện dung được điều chỉnh thay đổi theo yêu cầu sử dụng. Hình 2.24. Hình dạng tụ biến đổi. b. Dựa theo chất điện môi 31
Chương 2: Linh kiện thụ động - Tụ hóa: là loại tụ có phân cực tính. Tụ hóa có bản cực là những lá nhôm, điện môi là lớp oxit nhôm rất mỏng được tạo bằng phương pháp điện phân. Điện dung của tụ hóa khá lớn. Khi dùng phải ráp đúng cực tính dương và âm. Điện thế làm việc thường nhỏ hơn 500V. - Tụ hóa tantalum (Ta): là tụ có phân cực tính, có cấu tạo tương tự tụ hóa nhưng dùng tantalum thay vì dùng nhôm. Tụ Tantalum có kích thước nhỏ nhưng điện dung lớn. Điện thế làm việc chỉ vài chục volt. - Tụ giấy: là loại tụ không phân cực tính. Tụ giấy có hai bản cực là những lá nhôm hoặc thiếc, ở giữa có lớp cách điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống. - Tụ màng: là tụ không phân cực tính.Tụ màng có chất điện môi là màng chất dẻo như: polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethelene. Có hai loại tụ màng chính: loại foil và loại được kim loại hóa. Loại foil dùng các miếng kim loại nhôm hay thiếc để tạo các bản cực dẫn điện. Loại được kim loại hóa được chế tạo bằng cách phun màng mỏng kim loại như nhôm hay kẽm trên màng chất dẻo, kim loại được phun lên đóng vai trò bản cực. Với cùng giá trị điện dung và định mức điện áp đánh thủng thì tụ loại kim loại hóa có kích thước nhỏ hơn loại foil. Ưu điểm thứ hai của loại kim loại hóa là nó tự phục hồi được. Điều này có nghĩa là nếu điện môi bị đánh thủng do quá điện áp đánh thủng thì tụ không bị hư luôn mà nó tự phục hồi lại. Tụ foil không có tính năng này. - Tụ gốm (ceramic): là loại tụ không phân cực tính. Tụ gốm được chế tạo gồm chất điện môi là gốm, tráng trên bề mặt nó lớp bạc để làm bản cực. - Tụ mica: là loại tụ không phân cực tính. Tụ mica được chế tạo gồm nhiều miếng mica mỏng, tráng bạc, đặt chồng lên nhau hoặc miếng mica mỏng được xép xen kẻ với các miếng thiếc. Các miếng thiếc lẻ nối với nhau tạo thành một bản cực, Các miếng thiếc chẵn nối với nhau tạo thành một bản cực. Sau đó bao phủ bởi lớp chống ẩm bằng sáp hoặc nhựa cứng. Thường tụ mica có dạng hình khối chữ nhật. Ngoài ra, còn có tụ dán bề mặt được chế tạo bằng cách đặt vật liệu điện môi gốm giữa hai màng dẫn điện (kim loại), kích thước của nó rất nhỏ. Mạng tụ điện (thanh tụ điện) là dạng tụ được nhà sản xuất tích hợp nhiều tụ điện ở bên trong một thanh (vỏ) để tiết kiệm diện tích. Người ta kí hịệu chân chung và giá trị của các tụ. 32
Chương 2: Linh kiện thụ động Hình 2.25. Hình dạng của một số loại tụ. 2.2.10. Cách đọc trị số điện dung - Tụ có ghi số trên thân: .1 có nghĩa là tụ có điện dung C = 0,1 µF; .01 có nghĩa là tụ có điện dung C = 0,01 µF. - Tụ có ghi số trên thân:103K có nghĩa là tụ có điện dung: C = 10000 pF ± 10%. Hai số đầu là số có nghĩa, số thứ ba chỉ số nhân. Chữ chỉ sai số: J = ± 5%. K = ± 10%, M = ± 20%. - Tụ có ghi hai chữ số trên thân, ví dụ: 47/50 thì số đầu là điện dung, đơn vị là pF, số thứ hai là trị số điện áp làm việc, đơn vị là volt. - Tụ hóa: cực tính được ghi bằng dấu + hoặc dấu -. Đơn vị điện dung là microfarad, điện áp làm việc đơn vị là volt. Ví dụ: trên thân tụ hóa ghi 2200µF25V có nghĩa là tụ có: C = 2200 µF, WV = 25 V Qui ước màu đối với tụ điện tương tự qui ước màu đối với điện trở. Tụ điện gốm dạng hình ống có 5 vòng màu như nhau nhưng có vòng thứ năm cách xa hơn. Ý nghĩa các vòng màu: vòng thứ nhất, vòng thứ hai chỉ số tương ứng với màu, vòng thứ ba chỉ số nhân, vòng thứ tư chỉ sai số, vòng thứ năm chỉ đặc điểm riêng của nó. Tụ điện gốm dạng hình ống có 4 vòng màu như nhau nhưng có vòng thứ năm rộng hơn. Ý nghĩa các vòng màu: vòng thứ nhất, vòng thứ hai chỉ số tương ứng với màu, vòng thứ ba chỉ số nhân, vòng thứ tư chỉ sai số, vòng thứ năm chỉ hệ số nhiệt độ. Đặc biệt đối với tụ dán bề mặt có ba cách mã hóa thông dụng, cả ba đều dùng đơn vị pF. Hệ 33 kí hiệu chữ in hoa và thường: trên thân tụ ghi một kí hiệu và theo sau là số (0 ÷ 9) chỉ số nhân. Kí hiệu Số nhân A – 1.0 H – 2.0 b – 3.5 f – 5. 0 X– 7.5 0 = x1 B – 1.1 J – 2.2 P – 3.6 T– 5.1 t – 8.0 1 = x10 C – 1.2 K – 2.4 Q – 3.9 U– 5.6 Y– 8.2 2 = x100 D – 1.3 a – 2.5 d – 4.0 m – 6.0 y – 9.0 3 = x1000 E – 1.5 L – 2.7 R – 4.3 V – 6.2 Z – 9.1 4 = x10000 F – 1.6 M – 3.0 e – 4.5 W – 6.8 5 = x100000 G – 1.8 N – 3.3 S – 4.7 n – 7.0 33
Chương 2: Linh kiện thụ động Ví dụ: J3 = 2.2 x 1000 = 2200 pF P2 = 3.6 x 100 = 360 pF S1 = 4.7 x 10 = 47 pF Hệ 24 kí hiệu chữ in hoa: trên thân tụ ghi một kí hiệu và theo sau là số (1 ÷ 9) chỉ số nhân. Ví dụ: 05 = 5 pF 82 = 82 pF A1 = 10 x 10 = 100 pF N3 = 33 x 1000 = 33000 pF Kí hiệu Số nhân A – 10 F – 16 L – 27 R – 43 W – 68 1 = x10 B – 11 G – 18 M – 30 S – 47 X– 75 2 = x100 C – 12 H – 20 N – 33 T– 51 Y– 82 3 = x1000 D – 13 J – 22 P – 36 U– 56 y – 90 4 = x10000 E – 15 K – 24 Q – 39 V – 62 Z – 91 5 = x100000 Lưu ý: với hệ này thì các giá trị nhỏ hơn 100 pF sẽ được ghi trực tiếp, các giá trị lớn hơn 100 pF được ghi bằng một chữ với một số. Hệ 24 kí hiệu chữ in hoa và số: trên thân tụ ghi một kí hiệu và số nhân được qui định bởi màu của kí hiệu đó. Kí hiệu Số nhân (màu) A – 1.0 H – 1.6 N – 2.7 V – 4.3 3 – 6.8 cam = x1.0 B – 1.1 I – 1.8 O – 3.0 W – 4.7 4– 7.5 đen = x10 C – 1.2 J – 2.0 R – 3.3 X– 5.1 7– 8.2 lục = x100 D – 1.3 K – 2.2 S – 3.6 Y– 5.6 9 – 9.1 lam = x1000 E – 1.5 L – 2.4 T – 3.9 Z – 6.2 tím = x10000 đỏ = x100000 34
Chương 2: Linh kiện thụ động Ví dụ: W màu cam = 4.7 x 1.0 = 4.7 pF 2.11. Ứng dụng Tụ thường được dùng làm tụ lọc trong các mạch lọc nguồn, lọc chặn tần số hay cho qua tần số nào đó. Tụ có mặt trong mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực, .Tụ liên lạc để nối giữa các tầng khuếch đại. Tụ kết hợp với một số linh kiện khác để tao những mạch dao động, .Ngày nay còn có tụ nano để tăng dung lượng bộ nhớ nhằm đáp ứng nhu cầu càng cao của con người. 2.3. Cuộn cảm 2.3.1. Cấu tạo – kí hiệu Cuộn cảm (inductor) / cuộn dây (coil) là dây dẫn quấn nhiều vòng liên tiếp trên 1 cái lõi. Lõi của cuộn cảm có thể là một ống rổng (lõi không khí), sắt bụi hay sắt lá. Tùy theo loại lõi, cuộn cảm có các kí hiệu khác nhau: lõi không khí lõi sắt bụi lõi sắt lá Hình 2.26. Kí hiệu của cuộn cảm. 2.3.2. Hệ số tự cảm Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng từ trường của cuộn cảm. Kí hiệu: L Đơn vị đo: Henri (H) Milihenri: 1 mH = 10-3 H Microhenri: 1 H = 10-6 H Hệ số tự cảm phụ thuộc vào số vòng dây, tiết diện, chiều dài và vật liệu làm lõi của cuộn cảm. 2 2 L =   n .S =   d (2.30) 0 r l 0 r 4 -7 0 = 4 .10 H/m r: hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu làm lõi đối với chân không. n: số vòng dây S: tiết diện lõi (m2) L: chiều dài lõi (m) d: đường kính của lõi (m) Mặt khác , hệ số tự cảm còn tính bởi công thức sau: 35
Chương 2: Linh kiện thụ động Δ L n (2.31) ΔI I: độ biến thiên dòng điện (A) : độ biến thiên từ thông (Wb)  Năng lượng nạp vào cuộn cảm Dòng điện chạy qua cuộn cảm tạo ra năng lượng trữ dưới dạng từ trường. W = 1 LI2 (2.32) L 2 2.3.3. Mạch tương đương của cuộn cảm Ngoài hệ số tự cảm L, một cuộn cảm thực tế còn có điện trở tổn hao (điện trở nối tiếp) RS, có khi kể đến điện dung kí sinh C như mạch tương đương ở hình 2.23. RS L RS L C (a) (b) Hình 2.27. Mạch tương đương chưa kể điện dung kí sinh (a), kể đến điện dung kí sinh (b). Hệ số phẩm chất Q (Quality Factor): X Q L (2.33) RS RS: điện trở nối tiếp (Ω) Cảm kháng là đại lượng đặc trưng cho sức cản điện của cuộn cảm. XL: cảm kháng (Ω) XL = ωL = 2πfL (2.34) ω: tần số góc (rad/s) L: hệ số tự cảm (H) f: tần số (Hz) 2.3.4. Hiện tượng tự cảm Nếu dòng điện I chạy trong một cuộn cảm thay đổi theo thời gian, thì cuộn cảm sẽ tự cảm ứng và sinh ra một sức điện động cảm ứng. Δ ΔI e n L (2.35) Δt Δt I: độ biến thiên dòng điện (A) : độ biến thiên từ thông (wb) t: khoảng thời gian biến thiên (s) 36
Chương 2: Linh kiện thụ động L: hệ số tự cảm (H) e: sức điện động cảm ứng (V) n: số vòng dây quấn của cuộn cảm. Sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. 2.3.5. Hỗ cảm Khi có hai hay nhiều cuộn cảm thì sự thay đổi dòng điện trong một cuộn cảm sẽ làm từ thông thay đổi, các cuộn cảm còn lại phản ứng bằng cách sinh ra các sức điện động cảm ứng. Khi đó người ta gọi là có hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn cảm. Kí hiệu: M Đơn vị đo: Henri (H) Ví dụ: có hai cuộn cảm L1, L2 đặt gần nhau. Khi dòng qua L1 thay đổi, từ trường sinh ra từ cuộn L1 làm ảnh hưởng đến cuộn L2 và ngược lại. Như vậy đã có hiện tượng hỗ cảm giữa hai cuộn cảm L1, L2. Hệ số hỗ cảm: M K L1L2 (2.36) L1, L2: hệ số tự cảm (H) M: hệ số hỗ cảm (H) K: hệ số liên kết (hệ số ghép), 0 ≤ K ≤ 1 Hệ số K tùy thuộc cách ghép. Nếu hai cuộn dây cùng quấn trên một lõi từ thì K = 1; hai cuộn dây đặt xa nhau, không ảnh hưởng lẫn nhau hay có chắn từ ở giữa hay đặt thẳng góc với nhau thì K = 0. 2.3.6. Cách mắc cuộn cảm a. Mắc nối tiếp L1 L2 Ltđ (2.37) Ltđ = L1 + L2 Hình 2.28. Cuộn cảm mắc nối tiếp b. Mắc song song L1 Ltđ L2 1 1 1 (2.38) L L L tđ 1 2 37
Chương 2: Linh kiện thụ động Hình 2.29.Cuộn cảm mắc song song 2.3.7. Hiện tượng nạp – xả của cuộn cảm Xét mạch như hình 2.26, giả sử cuộn cảm chưa tích trữ năng lượng điện. Bật khóa K sang vị trí số 1 cuộn cảm phát sinh sức điện động cảm ứng bằng nguồn VDC nhưng ngược dấu để chống lại dòng K R điện do nguồn VDC cung 1 cấp, do đó lúc đầu dòng 2 + điện chạy qua cuộn cảm L VDC bằng không. Sau đó dòng điện qua cuộn cảm tăng lên theo biểu thức sau: Hình 2.30. Mạch khảo sát hiện tượng nạp - xả của cuộn cảm. t V i (t) DC (1- e τ ) (2.39a) L R L τ (2.39b) R  là thời hằng nạp – xả của cuộn cảm. V (t)/ I (t) Ngược với dòng điện, hiệu điện thế L L giữa hai đầu cuộn cảm lúc đầu bằng 98 99 nguồn VDC nhưng sau đó giảm dần theo 95 biểu thức: 86 t τ vL (t) VDCe (2.40) 63 Sau thời gian 5 thì cuộn cảm xem như được nạp đầy, nếu không có tác 37 động khác thì hiện tượng vẫn không thay 14 đổi. 5 2 1 Khi cuộn cảm nạp đầy ta bật khóa K 0  2 3 4 5 t sang vị trí số 2. Dòng điện xả được thay đổi theo hàm số mũ: Hình 2.31. Đặc tuyến nạp của cuộn cảm. t V i (t) DC e τ (2.41) L R Trong quá trình xả năng lượng điện thì hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm thay đổi theo biểu thức: t τ vL (t) VDCe (2.42) Sau thời gian 5 thì cuộn cảm sẽ xả hết năng lượng điện đã tích trữ của nó. 2.3.8. Phân loại – ứng dụng Có nhiều cách phân loại cuộn cảm: 38
Chương 2: Linh kiện thụ động Phân loại theo kết cấu: cuộn cảm 1 lớp, cuộn cảm nhiều lớp, cuộn cảm có lõi không khí, cuộn cảm có lõi sắt bụi, cuộn cảm có lõi sắt lá Phân loại theo tần số làm việc: cuộn cảm âm tần, cuộn cảm cao tần. Cuộn cảm 1 lớp lõi không khí: gồm một số vòng dây quấn vòng nọ sát vòng kia hoặc cách nhau vài lần đường kính sợi dây. Dây có thể cuốn trên khung đỡ bằng vật liệu cách điện cao tần (gốm; thủy tinh; nhựa ) hay nếu cuộn cảm đủ cứng thì có thể không cần khung đỡ mà chỉ cần hai nẹp giữ hai bên. Loại dây sử dụng: dây đồng thường (f > 50 MHz) hay dây Litz (f < 2 MHz). Cuộn cảm nhiều lớp lõi không khí: khi trị số cuộn cảm lớn, cần có số vòng dây nhiều, nếu quấn một lớp thì chiều dài cuộn cảm quá dài và điện dung kí sinh quá lớn. Để kích thước hợp lí và giảm được điện dung kí sinh, người ta quấn các vòng của cuộn cảm thành nhiều lớp chồng lên nhau theo kiểu tổ ong (kiểu toàn dụng tiến). Cuộn cảm có lõi sắt bụi (bột sắt từ): để rút ngắn kích thước của hai loại trên bằng cách lồng vào giữa nó một lõi ferit. Thân lõi có răng xoắn ốc. Hai đầu có khía 2 rãnh. Người ta dùng một cái quay vít nhựa để điều chỉnh lõi lên xuống trong lòng cuộn cảm để tăng hay giảm trị số điện cảm của cuộn cảm. Hình dáng lõi có dạng hình trụ hay hình xuyến. Tần số làm việc:100 kHz – 100 MHz. Cuộn cảm có lõi sắt miếng (sắt lá): dùng dây đồng tráng men cách điện, được quấn thành từng lớp đều đặn, vòng nọ sát vòng kia, lớp nọ sát lớp kia bằng một lượt giấy bóng cách điện. Lõi từ là các lá thép Si, thép Si hạt định hướng. Hình dáng lõi: dạng chữ E, I, U, T, .Mỗi lá thép được cách điện bởi lớp phủ rất mỏng oxit sắt, thép Si hoặc varnis. Vật liệu cách điện làm tăng điện trở trong phần cắt ngang của lõi để giảm dòng điện xoáy nhưng vẫn cho phép mật độ từ thông cao qua lõi. Hình 2.32. Một số dạng cuộn cảm. Hiện nay, nhà sản xuất đã chế tạo nhiều loại cuộn cảm có sẳn dưới dạng linh kiện dự trữ để ta có thể dùng ngay hoặc để đáp ứng nhu cầu riêng ta thiết kế quấn dây, chọn lõi cho cuộn cảm. Sau đây là ba cách quấn dây để tham khảo, cách quấn hình (c) có điện dung kí sinh nhỏ hơn hai cách kia. Cuộn cảm được ứng dụng làm micro điện động, loa điện động, rờle, biến áp, cuộn dây trong đầu đọc đĩa, .Trong mạch điện tử, cuộn cảm có thể ở mạch lọc nguồn, mạch lọc tần số, mạch dao động cộng hưởng, mạch tạo (chỉnh sửa) dạng sóng, dạng xung, 39
Chương 2: Linh kiện thụ động 2.4. Biến thế 2.4.1. Khái niệm Biến thế (transformer) là dụng cụ dùng để biến đổi điện áp hay dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. 2.4.2. Cấu tạo – kí hiệu Cấu tạo và hình dạng của biến thế như hình 2.29. Biến thế gồm 2 cuộn dây đồng tráng men cách điện quấn trên một lõi thép từ khép kín: cuộn nhận điện áp vào gọi là cuộn sơ cấp, cuộn cho lấy điện áp ra là cuộn thứ cấp. Lõi từ không phải là một khối sắt mà gồm nhiều lá sắt mỏng ghép song song cách điện nhau để tránh dòng điện xoáy (Foucoult) làm nóng biến thế. Ngoài ra, lõi của biến thế có thể là sắt bụi hay không khí. Cuon so cap I 1 I 2 Cuon thu cap Hình 2.33. Cấu tạo của biến thế. Kí hiệu của biến thế như hình 2.30. (a) (b) (c) Hình 2.34. Kí hiệu biến thế lõi không khí (a), lõi sắt bụi (b), lõi sắt lá (c). 2.4.3. Nguyên lý hoạt động I1 I2 V1 V2 Hình 2.35. Cấu tạo của biến thế. Khi cho dòng điện xoay chiều có điện thế V1 vào cuộn sơ cấp, dòng điện I1 sẽ tạo ra từ trường biến thiên chạy trong mạch từ và sang cuộn dây thứ cấp, cuộn thứ cấp nhận 40
Chương 2: Linh kiện thụ động được từ trường biến thiên sẽ làm từ thông qua cuộn dây thay đổi, cuộn thứ cấp cảm ứng cho ra dòng điện xoay chiều có điện thế V2.  V1 = - N1 (2.43) t  V2 = -N2 (2.44) t N1: số vòng dây của cuộn sơ cấp. N2: số vòng dây của cuộn thứ cấp. V1: điện áp vào hai đầu cuộn sơ cấp. V2: điện áp lấy ra ở hai đầu cuộn thứ cấp. : độ biến thiên từ thông (wb) t: khoảng thời gian biến thiên (s) 2.4.4. Các công thức của biến thế Tỉ lệ về điện thế V2 = N2 (2.45) V1 N1 Tỉ lệ dòng điện: I2 = N1 (2.46) I1 N2 Tỉ lệ về công suất: P1 = V1 I1 ; P2 = V2I2 Lí tưởng ta có: P1 = P2 (2.47a) V1.I1 = V2 . I2 Thực tế: P2 < P1 (2.47b) Hiệu suất:  = P2 . 100% (2.47c) P1 V2 V1 Tỉ lệ về tổng trở: R2 = ; R1 = I2 R1 2 R N 1 = 1 (2.48) R2 N2 2.4.5. Phân loại - ứng dụng Dựa theo tần số làm việc: biến thế âm tần, biến thế trung tần, biến thế cao tần. Dựa theo cấu tạo: biến thế có lõi sắt lá, biến thế có lõi sắt bụi, biến thế có lõi không khí, Dựa theo mục đích sử dụng: biến thế nguồn, biến thế loa, biến thế xuất âm, biến thế xung, biến thế đảo pha, Ứng dụng chủ yếu của biến thế là làm thay đổi điện thế, dòng điện theo yêu cầu thực tế. Biến thế cộng hưởng là biến thế cao tần, cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp được mắc song song với một tụ điện, hình thành mạch cộng hưởng. Nếu cả hai cuộn đều có mắc tụ 41
Chương 2: Linh kiện thụ động điện thì ta có biến thế cộng hưởng kép. Lõi của biến thế cộng hưởng làm bằng ferrite có thể điều chỉnh được. Một số biến thế cộng hưởng dùng ở tần số cao hơn có lõi không khí. Hình 2.36. Hình dạng của biến thế. 42
Chương 2: Linh kiện thụ động CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Điện trở là gì? Hãy kể tên một số loại điện trở và nói vài ứng dụng của nó. Nêu vài cách đọc trị số điện trở. 2. Điện trở của dây dẫn là gì? Nêu công thức tính và cho biết tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức. Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào những yếu tố nào của dây? 3. Tìm hiểu định luật Ohm, định luật Kirchhoff, ứng dụng của nó. 4. Điện trở có mấy cách mắc cơ bản? Hãy kể tên và vẽ đoạn mạch tương ứng gồm hai điện trở. Viết biểu thức quan hệ giữa các đại lượng I, U, R trong đoạn mạch. Nêu nhận xét. 5. Tụ điện là gì? Hãy kể tên một số loại tụ điện và nói vài ứng dụng của nó. Nêu vài cách đọc trị số điện dung. 6. Điện dung là gì? Nêu công thức tính và cho biết tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức. Điện dung phụ thuộc vào những yếu tố nào của tụ điện? 7. Dung kháng là gì? Nêu công thức tính và cho biết tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức. Dung kháng phụ thuộc vào những yếu tố nào? 8. Tụ điện có mấy cách mắc cơ bản? Hãy kể tên và vẽ đoạn mạch tương ứng gồm hai tụ điện. Viết biểu thức quan hệ giữa các đại lượng Q, U, C trong đoạn mạch. Nêu nhận xét. 9. Trình bày hiện tượng nạp – xả của tụ. Viết biểu thức tính dòng điện, hiệu điện thế giữa hai đầu tụ trong quá trình nạp, xả của tụ điện. Nêu nhận xét. 10. Viết công thức tính năng lượng tích trữ vào tụ. cho biết tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức. 11. Cuộn cảm là gì? Hãy kể tên một số loại Cuộn cảm và nói vài ứng dụng của nó. Nêu vài cách đọc trị số điện cảm. 12. Hệ số tự cảm là gì? Nêu công thức tính và cho biết tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức. Hệ số tự cảm phụ thuộc vào những yếu tố nào của cuộn cảm? 13. Cảm kháng là gì? Nêu công thức tính và cho biết tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức. Cảm kháng phụ thuộc vào những yếu tố nào? 14. Trình bày hiện tượng nạp – xả của cuộn cảm. Viết biểu thức tính dòng điện, hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm trong quá trình nạp, xả của cuộn cảm. Nêu nhận xét. 15. Viết công thức tính năng lượng tích trữ vào cuộn cảm. cho biết tên, đơn vị của các đại lượng trong công thức. 16. So sánh quá trình nạp – xả của tụ với quá trình nạp – xả của cuộn cảm. 17. Biến thế là gì? Hãy kể tên một số loại biến thế và nói vài ứng dụng của nó. 18. Nêu nguyên lí họat động của biến thế. 19. Cho biết các công thức của biến thế. 20. Hãy kể tên và vẽ kí hiệu của những linh kiện đã học. 43
Chương 3: Chất bán dẫn - diode Chương 3 CHẤT BÁN DẪN – DIODE 3.1. Chất bán dẫn 3.1.1. Khái niệm Sự dẫn điện của một chất tùy thuộc vào số điện tử (electron) nằm ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Dựa trên cơ sở này người ta xác định sự dẫn điện của một chất như sau: - Chất dẫn điện (conductor) là một chất có số điện tử ở lớp ngoài cùng ít hơn rất nhiều so với số điện tử bão hòa của lớp đó. - Chất cách điện (insulator) là một chất có số điện tử ở lớp ngoài cùng bằng hoặc gần bằng số điện tử bão hòa của lớp đó. - Chất bán dẫn (semiconductor) là một chất có số điện tử ở lớp ngoài cùng nằm khoảng giữa hai loại trên. Ngoài ra, người ta có thể phân biệt chất dẫn điện, chất cách điện, chất bán dẫn, dựa theo khái niệm điện trở suất, điện dẫn suất, . Có thể nói chất bán dẫn có độ dẫn điện nằm khoảng giữa kim loại và chất cách điện. Ta có thể điều chỉnh, thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn. Chất bán dẫn dạng nguyên tố được tìm thấy trong nhóm IV của bảng hệ thống tuần hoàn. Loại tiêu biểu của ngành điện tử: Silicium (Si), Germanium (Ge). Chất bán dẫn dạng hợp chất được tạo thành bằng cách kết hợp các nguyên tố ở nhóm III và V, II và VI, có loại hợp chất gồm ba hay bốn nguyên tố. Ví dụ: AlGaAs, GaAsP, AlGaAsSb, GaInAsP. Trường hợp đặc biệt dạng hợp chất nhóm IV: SiC, SiGe. - Hợp chất gồm hai nguyên tố III và V: AlAs, AlP, AlSb, GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb. - Hợp chất gồm hai nguyên tố II và VI : CdSi, CdTe, HgS, ZnS, ZnTe. 3.1.2. Bán dẫn thuần - Khái niệm: Bán dẫn thuần là bán dẫn duy nhất Si không pha thêm chất khác vào. - Sự dẫn điện của bán dẫn thuần : Si Si Si Xét bán dẫn tinh khiết Si, Si có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng, 4 điện tử này sẽ liên kết với 4 điện tử của bốn nguyên tử kế cận nó, hình thành mối liên kết gọi Si là liên kết cộng hóa trị. Hình 3.1. Cấu trúc tinh thể Si. Ở nhiệt độ thấp các liên kết đó bền vững nên tất 44
Chương 3: Chất bán dẫn - diode cả các điện tử bị ràng buộc trong mạng tinh thể, do đó Si không dẫn điện. Ở nhiệt độ tương đối cao hoặc được cung cấp năng lượng dưới dạng khác: chiếu ánh sáng, một trong những mối liên kết bị phá vỡ, điện tử thoát ra trở thành điện tử tự do, để lại trong mạng tinh thể một chổ trống thiếu điện tử gọi là lỗ trống, lỗ trống mang điện tích dương. Nhiệt độ càng cao thì số điện tử tự do và lỗ trống hình thành càng nhiều nhưng mật độ của chúng (nồng độ trong một đơn vị thể tích) là bằng nhau và thường kí hiệu ni = pi (3.1) Khi không có điện trường thì điện tử tự do và lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn không ưu tiên theo phương nào nên không có dòng điện. Khi có điện trường đặt vào tinh thể bán dẫn, dưới tác dụng của lực điện trường điện tử và lỗ trống chuyển động có hướng: điện tử chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường làm xuất hiện dòng điện trong bán dẫn. Như vậy, dòng điện trong bán dẫn thuần là dòng chuyển dời có hướng của điện tử tự do và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. 3.1.3. Bán dẫn tạp chất Bán dẫn tạp chất là bán dẫn có pha thêm chất khác vào. Tùy vào chất khác là chất nào mà có hai loại bán dẫn tạp chất: bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. a. Bán dẫn loại N Pha thêm một lượng rất ít phosphore (P) vào 1 Si chất bán dẫn Si theo tỉ lệ , sự dẫn điện của Si 108 tăng lên 10 lần. P là chất ở nhóm V, có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng. Bốn điện tử của nguyên tử P liên Si P Si kết với 4 điện tử của bốn nguyên tử Si khác nhau nằm cận nó. Như vậy, P còn thừa lại một điện tử không nằm trong liên kết hóa trị. Điện tử thừa này Si rất dễ dàng trở thành điện tử tự do, nguyên tử tạp chất P khi đó bị ion hóa và trở thành một ion Hình 3.2. Bán dẫn loại N. dương. Nếu có điện trường áp vào, các hạt dẫn tự do sẽ chuyển động có hướng, tạo nên dòng điện. Nếu pha chất P càng nhiều thì độ dẫn điện của bán dẫn Si càng tăng lên. Tạp chất ở nhóm V cung cấp điện tử cho chất bán dẫn cơ bản nên được gọi là tạp chất cho (donor). Chất bán dẫn có pha thêm tạp chất ở nhóm V gọi là bán dẫn loại N (Negative). Nếu gọi Nd là nồng độ tạp chất chứa trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn cơ bản thì khi được cung cấp năng lượng đầy đủ, toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa. Nồng độ điện tử tự do do tạp chất cung cấp là: 45
Chương 3: Chất bán dẫn - diode nd = Nd (3.2) Ngoài số điện tử tự do nhờ tạp chất cung cấp, chất bán dẫn cơ bản vẫn có quá trình sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống do tác động của nhiệt độ (hoặc ánh sáng, ) giống như bán dẫn thuần. Vậy tổng nồng độ điện tử tự do trong chất bán dẫn loại N là: nn = Nd + pn (3.3) pn là nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại N. nn > pn nên bán dẫn loại N có hạt tải dẫn điện đa số là điện tử, hạt tải dẫn điện thiểu số là lỗ trống. Có trường hợp người ta bỏ qua vai trò của hạt tải dẫn điện thiểu số, lấy gần đúng đối với bán dẫn loại N là: nn ≈ Nd (3.4) b. Bán dẫn loại P Pha thêm một lượng rất ít Bore (B) vào chất bán 1 Si dẫn Si theo tỉ lệ , sự dẫn điện của Si tăng lên 108 hơn 10 lần. B là chất ở nhóm III, có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng. Ba điện tử của nguyên tử B liên kết với Si In o Si 3 điện tử của ba nguyên tử Si kế cận nó. Như vậy, B còn thiếu một điện tử cho liên kết cuối cùng. Nó dễ dàng nhận thêm một điện tử của nguyên tử gần Si nó có nghĩa là chỉ cần một kích thích nó (nhiệt độ, ánh sáng) là một trong những điện tử của các mối Hình 3.3. Bán dẫn loại P. liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế vào mối liên kết thứ tư (mối liên kết thiếu điện tử ở trên). Nguyên tử tạp chất lúc đó trở thành ion âm, điều này làm phát sinh một lỗ trống. Như vậy, cứ có một nguyên tử tạp chất thì có thêm một lỗ trống, nồng độ tạp chất càng cao thì số lỗ trống càng nhiều. Nếu có điện trường áp vào thì các lỗ trống này sẽ tham gia dẫn điện. Tạp chất ở nhóm III tiếp nhận điện tử từ chất bán dẫn cơ bản để sinh ra các lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận (acceptor). Chất bán dẫn có pha thêm tạp chất ở nhóm III gọi là bán dẫn loại P (Positive). Nếu gọi Na là nồng độ tạp chất chứa trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn cơ bản thì khi được cung cấp năng lượng đầy đủ, toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa. Nồng độ điện tử tự do do tạp chất cung cấp là: pa = Na (3.5) Ngoài số lỗ trống do tạp chất tạo ra, trong chất bán dẫn cơ bản cũng có quá trình sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống do tác động của nhiệt độ (hoặc ánh sáng, ) giống như bán dẫn thuần. Vậy pp là tổng nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn loại P; np là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại P. Ta có: pp = Na + np (3.6) 46
Chương 3: Chất bán dẫn - diode Ta thấy pp > np nên bán dẫn loại P có hạt tải dẫn điện đa số là lỗ trống, hạt tải dẫn điện thiểu số là điện tử. Có trường hợp người ta bỏ qua vai trò của hạt tải dẫn điện thiểu số, lấy gần đúng đối với bán dẫn loại P là: pp ≈ Na (3.7) 3.1.4. Mối nối P – N *Chuyển động biểu kiến của lỗ trống. Giả sử điện tử ở tại vị trí số 1, lỗ trống ở vị trí số 2, điện tử dịch chuyển từ 1 sang 2 để lại bên 2 điện tử và bên 1 lỗ trống. Như vậy, điện tử dịch chuyển từ 1 sang 2 còn lỗ trống được xem như dịch chuyển từ 2 sang 1. Sự dịch chuyển của lỗ trống gọi là chuyển động biểu kiến của lỗ trống. Điều này cho ta thấy điện tử và lỗ trống chuyển động ngược chiều nhau, điện tử di chuyển từ âm sang dương, ngược lại lỗ trống di chuyển từ dương sang âm. Sau khi hình thành mẫu bán dẫn loại P, N; cho hai mẫu bán dẫn này tiếp xúc với nhau. Ta được một lớp tiếp xúc P – N (mối nối P - N). Tại nơi tiếp xúc P - N có hiện tượng trao đổi điện tích. Điện tử từ vùng N khuếch tán sang vùng P và ngược lại lỗ trống từ vùng P khuếch tán sang vùng N. Sự dịch chuyển này tạo ra dòng thuận (dòng khuếch tán) iF có chiều từ P → N. - + P - + N P N - + Hình 3.4. Mối nối P – N. Tại nơi tiếp xúc điện tử và lỗ trống tái hợp nhau, bên vùng P sẽ tồn tại điện tích âm (ion âm), bên vùng N sẽ tồn tại điện tích dương (ion dương) → tồn tại một điện trường trong (điện trường nội tại) tạo ra dòng điện nghịch (dòng điện trôi) iN. iN ngược chiều với iF. Khi iN = iF thì sự khuếch tán của các hạt tải đa số ngừng lại. Vùng cận mặt tiếp xúc gọi là vùng hiếm (vùng khiếm khuyết). Ở trạng thái cân bằng, hiệu điện thế tiếp xúc giữa bán dẫn P và bán dẫn N có một giá trị nhất định Vγ. Hiệu thế này ngăn cản, không cho hạt tải (hạt dẫn) tiếp tục di chuyển qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên được gọi là hàng rào điện thế. Bán dẫn chính (bán dẫn cơ bản) loại Si có Vγ = 0,6 V Ge có Vγ = 0,2 V 3.2. Diode bán dẫn 3.2.1. Cấu tạo – kí hiệu Diode bán dẫn (semiconductor diode) là dụng cụ bán dẫn có một mối nối P- N. Từ mẫu bán dẫn lọai P tiếp xúc kim loại đưa chân ra (cực ra) anode (A: cực dương). Mẫu bán dẫn 47
Chương 3: Chất bán dẫn - diode lọai N tiếp xúc kim loại đưa chân ra cathode (K: cực âm). Bên ngoài có bọc bởi lớp plastic. Có nhiều công nghệ chế tạo: cấy ion, khuếch tán chất kích tạp vào bán dẫn có tạp chất loại ngược lại, kéo lớp epitaxy, . Ví dụ: Một diode có thể tạo ra bằng cách bắt đầu với mẫu bán dẫn loại N có pha tạp chất Nd và chuyển đổi có chọn lọc một phần của mẫu bán dẫn thành loại P bằng cách thêm các tạp chất nhận điện tử có Na > Nd. Điểm mà vật liệu thay đổi từ loại P sang loại N được gọi là tiếp xúc luyện kim (mối nối luyện kim) (metallurgical junction). Mẫu bán dẫn loại P tiếp xúc kim loại đưa ra cực anode (A). Mẫu bán dẫn loại N tiếp xúc kim loại đưa ra cực Cathode (K). Anode Cathode A K P N (b) (a) A: Anode: cực dương K: Cathode: cực âm Hình 3.5. Cấu tạo (a), kí hiệu (b) của diode. 3.2.2. Nguyên lí họat động Ta có thể cấp điện để diode ở một trong những trạng thái sau: VA > VK: VAK > 0: diode phân cực thuận. VA = VK: VAK = 0: diode không phân cực. VA < VK: VAK < 0: diode phân cực nghịch. a. Phân cực thuận Phân cực thuận diode: ta nối A với cực dương của nguồn, K với cực âm của nguồn. Điện tích âm của nguồn đẩy điện tử trong N về lớp tiếp xúc. Điện tích dương của nguồn đẩy lỗ trống trong P về lớp tiếp xúc, làm cho vùng khiếm khuyết càng hẹp lại. Khi lực đẩy đủ lớn thì điện tử từ vùng N qua lớp tiếp xúc, sang vùng P và đến cực dương của nguồn .Lực đẩy đủ lớn là lúc diode có VAK đạt giá trị Vγ, lúc này diode có dòng điện chạy theo chiều từ A sang K. Vγ được gọi là điện thế ngưỡng (điện thế thềm, điện thế mở). o o - + Đối với loại Si có V = 0,6 V (0,7 V); Ge o o - + γ o o - + có Vγ= 0,2 V. b. Phân cực nghịch + - 48 VDC Hình 3.6. Mạch phân cực thuận diode.
Chương 3: Chất bán dẫn - diode Phân cực thuận diode: ta nối A với cực âm của nguồn, K với cực dương của nguồn. Điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P, điện tích dương của nguồn sẽ hút điện tử của vùng N, làm cho điện tử và lỗ trống càng xa nhau hơn. Vùng khiếm khuyết càng rộng ra nên hiện tượng tái hợp giữa điện tử và lỗ trống càng khó khăn hơn. Như vậy, sẽ không có dòng qua diode. Tuy nhiên, ở mỗi vùng bán dẫn còn có hạt tải thiểu số nên một số rất ít điện tử và lỗ trống được tái hợp tạo nên dòng điện nhỏ đi từ N qua P gọi là dòng nghịch (dòng rỉ, dòng rò). Dòng này rất nhỏ cỡ vài nA. Nhiều trường hợp coi như o o - + o o - + diode không dẫn điện khi phân cực nghịch. o o - + Tăng điện áp phân cực nghịch lên thì dòng xem như không đổi, tăng quá mức thì diode hư (bị đánh thủng). Nếu xét dòng điện rỉ thì - + diode có dòng nhỏ chạy theo chiều từ K về A khi phân cực nghịch. VDC c. Không phân cực: Hình 3.7. Mạch phân cực nghịch diode. Khi ta dùng nguồn VDC điều chỉnh được và chỉnh về 0, lúc đó mạch có VA = VK = 0 hay VAK = 0 hoặc trường hợp khác VA = VK ≠ 0 nhưng VAK vẫn bằng 0. Lúc này diode không được phân cực. Vì không có sự chênh lệch điện thế nên không có sự dịch chuyển của các hạt tải nên không có dòng điện. 3.2.3. Đặc tuyến Volt – Ampe ID IS: dòng nghịch bão hòa. Vγ: điện thế ngưỡng. VB: điện thế đánh thủng. k: hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23 J/0K V T: nhiệt độ tuyệt đối của chất bán dẫn, ở B 0 0 nhiệt độ thường T = 300 K. IS V VD kT = 0,025 V ≈ 0,026 V = 26 mV (3.8) T q VD I I e 0,026 1 D S Hình 3.8. Đặc tuyến Volt – Ampe. (3.9a) VD VD 0,026 0,026 Phân cực thuận: VD >0 e »1 ID ISe (3.9b) Không phâncực: VD = 0 =1 ID = IS (1 – 1) = 0 (3.9c) Phân cực nghịch: VD < 0 « 1 ID = IS (– 1) = -IS (3.9d) Dấu (-) chỉ chiều dòng điện qua diode khi phân cực nghịch ngược với chiều dòng điện qua diode khi phân cực thuận. 49
Chương 3: Chất bán dẫn - diode 3.2.4. Điện trở diode Có hai loại điện trở liên quan đến diode: - Điện trở tĩnh: điện trở đối với dòng điện một chiều. VD R D (3.10) ID Khi diode được phân cực thuận có dòng lớn chạy qua diode nên điện trở thuận nhỏ. Khi diode được phân cực nghịch có dòng rỉ nhỏ chạy qua diode nên điện trở thuận lớn. Người ta lợi dụng đặc tính này để đo kiểm tra diode bằng máy đo V.O.M. Điện trở thuận và điện trở nghịch của diode phụ thuộc vào chất bán dẫn làm diode là Ge hay Si theo bảng sau: Điện trở thuận Điện trở nghịch Diode Si Vài Ω vài trăm kΩ Diode Ge Vài Ω vài MΩ Bảng 3.1. Điện trở của diode. Kết quả: Điện trở thuận = điện trở nghịch = 0 Ω thì diode bị đánh thủng. Điện trở thuận = điện trở nghịch = ∞ thì diode bị đứt. Điện trở thuận đúng nhưng điện trở nghịch giảm xuống khá nhiều thì diode bị rò, rỉ không dùng được. Điện trở thuận, điện trở nghịch đúng như bảng trên thì diode tốt. Điện trở động: điện trở đối với tín hiệu xoay chiều. ΔvD 0,026 rd (3.11) ΔiD ID Ngoài ra, đối với diode lí tưởng: nếu nó được phân cực thuận thì không có điện trở và nếu nó được phân cực nghịch thì có điện trở vô cực. Vậy diode lí tưởng được xem như công tắc (ON hay OFF) phụ thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào diode. Mạch tương đương của diode đối với tín hiệu xoay chiều như hình 3.15. r r d d r1 Ct Ct (a) (b) Hình 3.9. Mạch tương đương của diode đối với tín hiệu xoay chiều. 50
Chương 3: Chất bán dẫn - diode r1: điện trở của hai chất bán dẫn (ngoài vùng hiếm), thường bỏ qua. rd: điện trở động (điện trở vi phân): điện trở đối với tín hiệu xoay chiều. ΔvD 0,026 rd (3.12) ΔiD ID Ct: điện dung tương đương của diode gồm điện dung mối nối Cj và điện dung khuếch tán Cd. Ct = Cj + Cd (3.13) Trị số Ct thay đổi phụ thuộc điện áp đặt vào diode. Với tín hiệu tần số thấp, ảnh hưởng của Ct có thể bỏ qua. Nhưng với tín hiệu tần số cao thì ảnh hưởng của Ct là đáng kể. Chính điện dung này làm giảm trở kháng theo chiều nghịch ở tần số cao, làm xấu đặc tính chỉnh lưu của diode và làm chậm tốc độ đóng mở khi dùng diode như khóa điện tử. 3.2.5. Phân loại Như đã biết diode cơ bản là một mối nối P – N nhưng có thể dựa theo kết cấu, dựa theo công dụng mà ta phân biệt các loại diode như sau: Dựa theo kết cấu lớp tiếp xúc P – N Có hai loại: diode tiếp điểm và diode tiếp mặt. Diode tiếp điểm: là diode có mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn P – N rất nhỏ gần như một điểm (thể tích rất nhỏ) được bọc bởi lớp vỏ thủy tinh. Dòng điện định mức rất bé (khoảng vài chục miliampe), điện áp ngược không vượt quá vài chục volt. Diode tiếp mặt: là diode có mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn P – N là một mặt phẳng, lớp vỏ bên ngoài là nhựa. Dòng điện định mức khá lớn (khoảng vài trăm miliampe đến vài trăm ampe), điện áp ngược đạt đến vài trăm volt. Dựa vào công dụng Diode chỉnh lưu: Hình dạng to, thuộc loại tiếp mặt, họat động tần số thấp. Diode chỉnh lưu dùng để đổi điện xoay chiều sang điện một chiều. Đây là loại diode rất thông Hình 3.10. Hình dạng diode chỉnh lưu. dụng, thường được bọc nhựa màu đen, có vạch trắng như hình 3.10. Khi dùng cần quan tâm hai thông số: điện áp ngược cực đại và dòng thuận tối đa của diode, có thể mắc nối tiếp để tăng điện áp ngược, mắc song song để tăng dòng chịu đựng. Diode tách sóng: hình dạng nhỏ thuộc loại tiếp điểm, hoạt động tần số cao. Cũng làm nhiệm vụ như diode chỉnh lưu nhưng chủ yếu là với tín hiệu nhỏ và ở tần số cao. Diode này chịu dòng từ vài mA đến vài chục mA. Thường là loại Ge. Diode xung là diode dùng trong các mạch có tốc độ chuyển trạng thái rất nhanh và nó có tần số họat động cao hơn nhiều so với diode thường. 51
Chương 3: Chất bán dẫn - diode Các máy điện tử hiện đại thường dùng bộ nguồn cung cấp điện theo kiểu ngắt mở (switching), tạo ra dòng điện xoay chiều dạng xung có tần số khá cao, tới vài chục ngàn Hz. Sau đó dùng diode xung để chỉnh lưu thành điện DC cung cấp cho máy. Trong điện tử số, ta có thể dùng diode xung để làm các chuyển mạch điện tử hai trạng thái: dẫn khi phân cực thuận, ngưng (tắt) khi phân cực nghịch. Hình dạng diode xung cũng tương tự diode thường, muốn phân biệt ta phải dùng sách tra cứu để tra. Các thiết bị xung còn dùng loại khác gọi là diode Schottky. Loại này có cấu tạo hơi khác so với diode thường, tốc độ chuyển trạng thái của nó rất cao. Diode zener: có cấu tạo giống diode thường nhưng chất bán dẫn được pha tạp chất với tỉ lệ cao hơn và có tiết diện lớn hơn diode thường, thường dùng bán dẫn chính là Si. ID Hình 3.11. Kí hiệu của diode zener. Đặc tuyến volt – ampe trong quá trình đánh thủng gần như song song với trục VZ dòng điện, nghĩa là điện áp giữa A và K 0 IS V gần như không đổi. Ta lợi dụng ưu điểm V D này để dùng zener làm phần tử ổn định điện áp. Hình 3.12. Đặc tuyến volt – ampe của diode zener. Lưu ý: Diode zener dùng để ổn áp khi được phân cực nghịch. Khi phân R V z = V t cực thuận diode zener giống diode + thường. VDC Z Rt Các nhà chế tạo đã thay đổi nồng độ tạp chất để tạo ra các loại diode zener có giá trị ổn áp Vz khác nhau, Hình 3.13. Mạch ổn áp đơn giản. ví dụ: 5 V; 6 V; 6,8 V; 7,5 V; Hình 3.13 là mạch ổn áp đơn giản có điện áp ra trên tải Vt = Vz là một trị số không đổi trong khi điện thế nguồn cung cấp VDC thay đổi. Tuy nhiên cần để ý khi VDC < Vz thì mạch chưa ổn áp, VDC = Vz thì zener mới bắt đầu ghim áp. Diode quang - diode cảm quang (photodiode) có cấu tạo bán dẫn giống như diode thường nhưng đặt trong vỏ cách điện có một mặt là nhựa hay thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài chiếu vào mối nối P-N của diode, có loại dùng thấu kính hội tụ để tập trung ánh sáng. 52
Chương 3: Chất bán dẫn - diode SiO2 Vùng hiếm A K Ánh sáng chiếu vào P N Hình 3.14. Cấu tạo của diode quang. Kí hiệu của diode quang như hình 3.15: A K PHOTODIODE Hình 3.15. Kí hiệu của diode quang Qua thí nghiệm cho thấy khi photodiode được phân cực thuận thì hai trường hợp mối nối P – N được chiếu sáng hay che tối dòng điện thuận qua diode thay đổi ít. Ngược lại diode bị phân cực nghịch, mối nối P – N được chiếu sáng thì dòng điện nghịch tăng lên lớn hơn nhiều lần so với khi bị che tối. Do nguyên lí trên nên diode quang được sử dụng ở trạng thái phân cực ngược trong các mạch điều khiển ánh sáng. Diode phát quang: LED (Light Emitting Diode) A K (a) (b) Hình 3.26. Kí hiệu (a), hình dạng (b) của LED. Diode phát quang có cấu tạo gồm một mối nối P – N, tiếp xúc kim loại đưa ra cực A (Anode), K (cathode). Diode phát quang được làm từ các chất GaAs, GaP, GaAsP, SiC Diode phát quang là diode phát sáng khi có dòng chạy qua nó. Diode này có thể phát ra nhiều màu sắc khác nhau. - Diode GaAs cho ra ánh sáng hồng ngoại mà mắt nhìn không thấy được, nó có sự tái hợp vùng dẫn – vùng hóa trị là trực tiếp. Bức xạ phát sinh chủ yếu là qua sự tái hợp. Năng lượng photon khoảng 1,4eV. 53
Chương 3: Chất bán dẫn - diode - Diode Ga AsP với sự tái hợp trực tiếp và năng lượng lớn hơn 1,7eV cho ra ánh sáng khả kiến, khi thay đổi hàm lượng photpho sẽ cho ra ánh sáng khác nhau như đỏ, cam, vàng. - Diode GaP pha thêm tạp chất (Nitơ và ZnO) sẽ có bức xạ cho ra ánh sáng. Tùy loại tạp chất mà diode có thể cho ra các màu từ đỏ, cam, vàng, xanh lá cây. - Diode SiC khi pha thêm tạp chất sẽ cho ra ánh sáng màu xanh da trời. LED màu xanh da trời chưa phổ biến vì giá thành cao. Do khác nhau về vật liệu chế tạo nên điện áp ngưỡng của các loại LED cũng khác nhau. LED đỏ có V = 1,6 V  2 V LED cam có V = 2,2 V  3 V LED xanh lá có V = 2,7 V  3,2 V LED vàng có V = 2,4 V  3,2 V LED xanh da trời có V = 3 V  5 V LED hồng ngoại có V = 1,8 V 5 V Tương tự diode thường, LED cũng có ba trạng thái: VAK > 0: LED được phân cực thuận. VAK = 0: LED không được phân cực. VAK 0 và nằm A1A2 Hình 3.17. Kí hiệu LED hai màu. trong khoảng mức ngưỡng cho phép thì LED1 54
Chương 3: Chất bán dẫn - diode sáng và ngược lại nếu chân A2 có điện áp sao cho V < 0 và nằm trong khoảng mức A1A2 ngưỡng cho phép thì LED2 sáng. Tổng quát: - Khi chỉ có dòng qua LED1 thì LED sáng màu của LED1. - Khi chỉ có dòng qua LED2 thì LED sáng màu của LED2. - Khi không có dòng qua hai LED thì LED tắt. LED ba màu LED ba màu cũng là loại LED đôi nhưng không ghép song song mà hai LED chỉ có chung cực cathode, trong đó một LED đỏ ra chân LED1 ngắn, một LED màu xanh lá cây ra chân dài, chân A1 giữa là cathode chung. Kí hiệu LED đôi loại ba màu như hình 3.18. Nếu chân A1 có điện áp dương thì LED đỏ sáng, nếu chân A2 A2 có điện áp dương thì LED xanh sáng, nếu chân A1 LED2 và A có điện áp dương thì hai LED đều sáng và cho 2 Hình 3.18. Kí hiệu LED ba màu. ra ánh sáng màu vàng. Tổng quát: - Khi chỉ có dòng qua LED1 thì LED sáng màu của LED1. - Khi chỉ có dòng qua LED2 thì LED sáng màu của LED2. - Khi có dòng qua hai LED thì LED sáng màu pha của màu LED1 và màu LED2. - Khi không có dòng qua hai LED thì LED tắt. Một số mạch ứng dụng của LED Mạch báo nguồn DC Khi sử dụng LED điều quan trọng là phải tính điện trở nối tiếp với LED có trị số thích hợp để tránh dòng điện qua LED quá lớn sẽ làm hư LED. Điện trở trong mạch báo nguồn DC được tính theo công thức: V V R = DC LED I LED D1 3 6 VDC 5 VAC D2 1 4 LED C Rt R Hình 3.19. Mạch báo nguồn DC. 55
Chương 3: Chất bán dẫn - diode Mạch báo nguồn AC R LED D VAC Hình 3.20. Mạch báo nguồn AC. Trong mạch báo nguồn AC, LED chỉ sáng khi được phân cực thuận bằng bán kì thích hợp, khi LED bị phân cực nghịch thì diode D được phân cực thuận nên dẫn điện để giữ cho mức điện áp ngược trên LED là VD = 0,7V tránh hư LED. Điện trở trong mạch báo nguồn AC được tính theo công thức: V V R = AC LED (3.14) I LED LED được ứng dụng nhiều trong các mạch điện tử: mạch bảo vệ thiết bị, mạch quang báo, mạch đèn trang trí, mạch đồ chơi, mạch kiểm soát điện áp cho xe hơi, .đặc biệt LED được tích hợp thành nhiều dạng đèn rất đẹp và tiện lợi. Hình 3.21 là một dạng bóng đèn ứng dụng LED. Tuổi thọ của LED cao hơn bóng đèn thường, tùy loại LED mà ta có đặc trưng chiếu sáng khác nhau. Hình 3.21. Dạng bóng đèn ứng dụng LED. Hình 3.22. Ma trận LED. Ngoài ra, LED phát ra tia hồng ngoại (IRED) dùng để truyền tín hiệu trong các bộ ghép quang, đọc tín hiệu, mạch điều khiển từ xa, LED bảy đọan LED bảy đoạn có loại anode chung và loại cathode chung. Hiện nay LED bảy đoạn được dùng nhiều trong các thiết bị hiển thị số. 56
Chương 3: Chất bán dẫn - diode GND +Vcc a b c d e f g p a b c d e f g p (a) (b) Hình 3.23 Mạch tương đương với cấu tạo của LED loại K chung (a), A chung (b). a b f g c e P d Hình 3.24. Hình dạng của LED bảy đoạn. LED bảy đoạn là tập hợp tám LED được chế tạo dạng thanh dài sắp xếp như hình 3.23 và được kí hiệu bằng tám chữ cái là a, b, c, d, e, f, g, p. Phần phụ của LED bảy đoạn là một chấm sáng p để chỉ dấu phẩy thập phân. Dấu chấm này là một LED p tương ứng được phát sáng. Khi cho các thanh sáng với các số lượng và vị trí thích hợp ta có những chữ số từ 0 đến 9 và những chữ cái từ A đến F. Diode biến dung (Varicap) A K Hình 3.25. Kí hiệu diode biến dung. Diode biến dung (Varicap) là loại diode có điện dung kí sinh thay đổi theo điện áp phân cực. Cấu tạo diode tại mối nối P-N có hàng rào điện thế làm cho điện tử của vùng N không sang được vùng P. Khoảng cách này coi như một lớp cách điện có tác dụng như điện môi trong tụ điện và hình thành tụ điện kí sinh, kí hiệu CD. Điện dung CD có trị số cũng được tính theo công thức : S C ε (3.15) D d Trong đó: : hằng số điện môi. S: tiết diện mối nối. d: bề dày lớp điện môi thay đổi theo hiệu điện thế VD. 57
Chương 3: Chất bán dẫn - diode Diode biến dung được dùng chủ yếu trong các mạch cộng hưởng với vai trò là một tụ điện biến đổi theo điện áp để điều chỉnh tần số cộng hưởng của mạch. Ví dụ: trong các bộ tuner của TV, bộ điều hưởng của máy radio, . Thực tế, khi dùng ta cần lưu ý: - Loại diode. - Dòng thuận tối đa của diode. - Điện áp ngược tối đa mà diode chịu được. - Đặc biệt với loại diode zener ta cần xem điện áp ghim Vz. Trên thân diode thường có ghi một số kí hiệu dưới dạng chữ số hay vòng màu. Ta có thể đọc trực tiếp hoặc tra cứu để biết được vài thông số của diode trước khi sử dụng nó. Ví dụ: DZ5.6 → VZ = 5,6 V DZ9.1 → VZ =9,1 V 3.2.6. Mạch chỉnh lưu A D a. Mạch chỉnh lưu bán kì Xét mạch như hình 3.26, biến thế RL dùng để giảm điện áp xoay chiều xuống VAC trị số thích hợp. Giả sử bán kì đầu tại A là bán kì Hình 3.26. Mạch chỉnh lưu bán kì. dương, D được phân cực thuận nên dẫn điện, có dòng IL qua tải với chiều từ trên hướng xuống, và cho ra điện thế trên tải VDC dạng bán kì dương gần bằng VA. Bán kì kế tiếp tại A là bán kì âm, D phân cực nghịch nên không có dòng hay dòng qua tải bằng không và VDC = 0. Giá trị trung bình của điện áp ra: 1 2 V U sintd (t) (3.16) 0 2 0 V A + + + t - - - VDC Có tụ lọc + + + t Hình 3.27. Dạng sóng vào, ra của mạch chỉnh lưu bán kì. b. Mạch chỉnh lưu toàn kì 58
Chương 3: Chất bán dẫn - diode  Dùng hai diode A D1 Xét mạch như hình 3.28. Mạch dùng biến áp đảo pha, cuộn thứ cấp có ba đầu ra, điểm giữa chia VAC RL cuộn thứ thành hai nửa cuộn bằng nhau. Điều này giúp cho diode D1 D2 và D2 luân phiên dẫn điện trong mỗi bán kì, cụ thể là: giả sử bán kì Hình 3.28. Mạch chỉnh lưu toàn kì dùng hai diode. đầu tại A là bán kì dương, tương ứng tại B là bán kì âm. Ta có D1 dẫn điện, D2 ngưng dẫn, cấp dòng qua tải có chiều từ trên hướng xuống tạo hiệu điện thế VDC giữa 2 đầu tải. Bán kì kế tiếp A là bán kì âm, tương ứng tại B là bán kì dương. Ta có D1 ngưng dẫn, D2 dẫn điện, cấp dòng qua tải có chiều từ trên hướng xuống, tạo ra VDC. VA + + + t - - - Có tụ lọc C VDC + + + + + + t Hình 3.29. Dạng sóng vào, ra của mạch chỉnh lưu toàn kì. Giá trị trung bình của điện áp ra: 2 V U sintd (t) 0 (3.17) 2 0  Dùng cầu diode A D Xét mạch như hình 3.30. Giả sử D4 1 bán kì đầu tại A là bán kì dương thì VAC ta có D1 và D3 dẫn điện, cấp dòng D qua tải có chiều từ trên hướng 3 D2 RL xuống. D2 và D4 ngưng dẫn. Bán kì kế tiếp tại A là bán kì âm thì ta có D và D ngưng dẫn, D và D dẫn 1 3 2 4 Hình 3.30. Mạch chỉnh lưu toàn kì dùng cầu diode. điện, cấp dòng qua tải có chiều từ 59
Chương 3: Chất bán dẫn - diode trên hướng xuống. Dạng sóng vào, ra của mạch như hình 3.29. Như vậy, những mạch trên có điện áp ra trên tải là điện áp một chiều còn bị nhấp nháy. Để giảm bớt nhấp nháy, nâng cao chất lượng ra ta mắc thêm tụ lọc C song song với tải. c. Chỉnh lưu âm dương A D Mạch dùng biến áp đảo pha và cầu D4 1 +VC diode. VAC C C1 C1 và C2 là 2 tụ lọc nguồn. D Ngõ ra là hai nguồn điện áp một 3 D2 chiều đối xứng VCC. C2 d. Mạch nhân áp -VCC Hình3.31. Mạch chỉnh lưu âm dương Mạch có tác dụng chỉnh lưu và nâng cao được điện áp ra lên 2, 3, n lần điện áp đỉnh của nguồn xoay chiều. Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế kiểu Schenbel C1 D2 C2 V0 = 2VDC VAC D 1 Hình 3.32. Mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp kiểu Schenbel. Giả sử bán kì đầu tại A là bán kì âm, tương ứng tại B là bán kì dương, D1 dẫn điện, D2 ngưng dẫn, dòng điện chạy từ dương qua D1 nạp vào tụ C1 một hiệu điện thế VDC có cực tính như hình vẽ bán kì kế tiếp tại A là bán kì dương, tại B là bán kì âm, D1 ngưng dẫn, D2 dẫn điện với điện thế áp vào D2 gồm: điện thế tụ C1 nối tiếp với điện thế xoay chiều bán kì dương. Như vậy D2 dẫn nạp vào tụ C2 một hiệu điện thế là 2VDC cấp điện cho tải. Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế kiểu Latour Giả sử tại A là bán kì dương, D1 dẫn điện, D2 ngưng dẫn, dòng điện qua D1 nạp vào tụ C1 một hiệu điện thế là U2. Bán kì kế tiếp tại A là bán kì âm, D1 ngưng dẫn, D2 dẫn điện, dòng điện qua D2 nạp vào tụ C2 một lượng điện thế VDC. Như vậy cả chu kì điện xoay chiều vào, điện thế một chiều ở ngõ ra gồm hiệu điện thế giữa hai đầu tụ C1 cộng với hiệu điện thế giữa hai đầu tụ C2 được nạp ở tụ C3. Nó chính là 2VDC cấp điện cho tải. 60
Chương 3: Chất bán dẫn - diode D1 C1 VAC V0 = 2VDC C3 C2 D2 Hình 3.33. Mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp kiểu Latour. 61
Chương 3: Chất bán dẫn - diode CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy phân biệt chất cách điện, chất bán dẫn, chất dẫn điện. Cho ví dụ. 2. Bán dẫn thuần là gì? Nêu sự dẫn điện của bán dẫn thuần. 3. Bán dẫn tạp chất là gì? Có mấy loại? Kể tên và nêu đặc trưng của nó. 4. Hãy giải thích cơ chế dẫn điện của chất dẫn điện, chất cách điện, chất bán dẫn, bán dẫn loại N, bán dẫn loại P, mối nối P – N theo lí thuyết vùng năng lượng. 5. Diode bán dẫn là gì? Nêu nguyên lí hoạt động của nó. Cho biết điều kiện để nó dẫn điện, điều kiện để nó ngưng dẫn. Hãy vẽ và giải thích đặc tuyến volt – ampe của diode. 6. Khi nào cần dùng diode mắc nối tiếp, diode mắc song song? 7. Nêu cách đo thử diode. 8. Hãy kể tên và vẽ kí hiệu của một số loại diode bán dẫn và cho biết vài ứng dụng của nó. 9. Diode zener còn được gọi là diode gì? Tại sao? 10. Diode quang là gì? Nêu nguyên lí hoạt động của diode quang. 11. Cho biết vài mạch ứng dụng của diode quang. 12. LED là gì? Nêu nguyên lí hoạt động của LED. 13. LED bảy đoạn là gì? Vị trí các LED a, b, c, d, e, f, g, p trên LED bảy đoạn là cố định hay thay đổi được? Tại sao? 14. Hãy vẽ những đoạn sáng tương ứng trên LED bảy đoạn để hiển thị các chữ số 0,1, 2, , 9. 15. Hãy kể tên LED sáng, LED tắt trong LED bảy đoạn khi dùng nó hiển thị các chữ số 0, 1, 2, ., 9. 16. Hãy kể tên một số loại LED và vẽ kí hiệu tương ứng, cho biết vài ứng dụng của nó. 17. Hãy kể tên những linh kiện quang điện tử đã học và chia nó ra hai nhóm linh kiện biến đổi tín hiệu quang → điện, điện → quang. 18. Hãy vẽ và giải thích nguyên lí hoạt động của một số mạch ứng dụng đã được trình bày ở trên. 62
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực Chương 4 TRANSISTOR MỐI NỐI LƯỠNG CỰC Transistor mối nối lưỡng cực (BJT) được phát minh vào năm 1948 bởi John Bardeen và Walter Brittain tại phòng thí nghiệm Bell (ở Mỹ). Một năm sau nguyên lí hoạt động của nó được William Shockley giải thích. Những phát minh ra BJT đã được trao giải thưởng Nobel Vật lí năm 1956. Sự ra đời của BJT đã ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển điện tử học. BJT ≡ Bipolar Junction Transistor ≡ Transistor mối nối lưỡng cực ≡ Transistor tiếp xúc lưỡng cực ≡ Transistor tiếp giáp hai cực ≡ Transistor lưỡng nối ≡ Transistor lưỡng cực. 4.1. Cấu tạo – kí hiệu C C C N B B P B N E E E (a) (b) (c) Hình 4.1. Cấu tạo (a) – mạch tương đương với cấu tạo (b) – kí hiệu (c) của BJT loại NPN. C C C P B N B VBB PNP P E E E (a) (b) (c) Hình 4.2. Cấu tạo (a) – mạch tương đương với cấu tạo (b) – kí hiệu (c) của BJT loại PNP. BJT là một linh kiện bán dẫn được tạo thành từ hai mối nối P – N, nhưng có một vùng chung gọi là vùng nền. Tùy theo sự sắp xếp các vùng bán dẫn mà ta có hai loại BJT: NPN, PNP. 63
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực Ba vùng bán dẫn được tiếp xúc kim loại nối dây ra thành ba cực: - Cực nền: B (Base) - Cực thu: C (Collector) - Cực phát: E (Emitter) Trong thực tế, vùng nền rất hẹp so với hai vùng kia. Vùng thu và vùng phát tuy có cùng chất bán dẫn nhưng khác nhau về kích thước và nồng độ tạp chất nên ta không thể hoán đổi vị trí cho nhau. 4.2. Nguyên lí hoạt động IE IC e RE IB Rc e e - + - - + VEE Vcc Hình 4.3. Mạch khảo sát để giải thích nguyên lí hoạt động của BJT. Khi chưa có nguồn cấp điện VCC, VEE thì BJT có hai mối nối P –N ở trạng thái cân bằng và hàng rào điện thế ở mỗi mối nối duy trì trạng thái cân bằng này. Với hình 4.3, ta chọn nguồn VCC » VEE và trị số điện trở sao cho thỏa điều kiện: - Mối nối P – N giữa B và E (lớp tiếp giáp, lớp tiếp xúc JE) được phân cực thuận. - Mối nối P – N giữa B và C (lớp tiếp giáp, lớp tiếp xúc JC) được phân cực nghịch. - VBE đạt thế ngưỡng tùy loại BJT. Điện tử từ cực âm của nguồn VEE di chuyển vào vùng phát qua vùng nền, đáng lẽ trở về cực dương của nguồn VEE nhưng vì: vùng nền rất hẹp so với hai vùng kia và nguồn VCC » VEE nên đa số điện tử từ vùng nền vào vùng thu, tới cực dương của nguồn VCC, một ít điện tử còn lại về cực dương của nguồn VEE. Sự dịch chuyển của điện tử tạo thành dòng điện: - Dòng vào cực nền gọi là dòng IB. - Dòng vào cực thu gọi là dòng IC. - Dòng từ cực phát ra gọi là dòng IE. Ngoài ra, mối nối P – N giữa B và C được phân cực nghịch còn có dòng rò (rỉ) rất nhỏ gọi là ICBO. 64
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực 4.3. Hệ thức liên hệ giữa các dòng điện R R C E IC IE IB V V CC EE Hình 4.4. Mạch tương đương với hình 4.3 Sự dịch chuyển của các điện tử như trên cho thấy: IE = IB + IC (4.1) IC = αIE (4.2) α = (Tổng số điện tử dịch chuyển đến vùng thu) / (Tổng số điện tử dịch chuyển từ vùng phát) Hệ số α gần bằng 1. I Từ (4.2) ta có: I C (4.3) E α Thế (4.3) vào (4.1) ta có: I C I I α B C 1 I ( 1) I (4.4) C α B α I I C 1 α B α Đặt β (4.5) 1 α β được gọi là hệ số khuếch đại dòng. IC = βIB (4.6) Kết hợp (1) và (4) ta được hệ thức thường dùng: IE = IB + IC ≈ IC = βIB (4.7) Mối nối giữa nền và thu phân cực nghịch còn có dòng điện rỉ (dòng rò như diode phân cực nghịch) gọi là ICBO rất nhỏ (cở µA). Vậy nếu xét dòng rỉ ta có: IC = αIE + ICBO (4.8) I I I C CBO (4.9) E α Thế (4.9) vào (4.1) ta được: 65
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực I I C CBO I I α B C 1 ICBO IC ( 1) IB α α (4.10) α I I I CBO C 1 α B 1 α I I βI CBO C B 1 α I I I I I βI CBO (4.11) E B C C B 1 α Khi bỏ qua dòng điện rỉ ICBO thì phương trình (4.11) trở thành phương trình (4.7), phương trình (4.10) trở thành phương trình (4.6). 4.4. Các cách mắc cơ bản 4.4.1. BJT mắc kiểu cực phát chung Mạch dùng BJT mắc kiểu cực phát chung (Common Emitter ≡ CE) như hình 4.5. +VCC RC RB1 C2 V C1 O Vi R B2 RE Hình 4.5. BJT mắc kiểu cực phát chung. 4.4.2. BJT mắc kiểu cực nền chung Mạch dùng BJT mắc kiểu cực nền chung (Common Base ≡ CB) như hình 4.6. + VCC RC RB1 C2 VO C1 Vi CB RB2 RE Hình 4.6. BJT mắc kiểu cực nền chung. 66
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực 4.4.3. BJT mắc kiểu cực thu chung Mạch dùng BJT mắc kiểu cực thu chung (Common Collector ≡ CC) như hình 4.7. +V CC RB1 C 1 Vi C2 VO RB2 R E Hình 4.7. BJT mắc kiểu cực thu chung.  CE: -Tín hiệu vào B so với E, tín hiệu ra C so với E. - Pha giữa tín hiệu vào và ra: đảo pha. - Hệ số khuếch đại Ai, Av lớn.  CB: -Tín hiệu vào E so với B, tín hiệu ra C so với B. - Pha giữa tín hiệu vào và ra: cùng pha. - Hệ số khuếch đại Av lớn, Ai ≈ 1.  CC: - Tín hiệu vào B so với C, tín hiệu ra E so với C. - Pha giữa tín hiệu vào và ra: cùng pha. - Hệ số khuếch đại Ai lớn, Av ≈ 1. 4.5. Đặc tuyến của BJT RC RB VCC RB V BB Hình 4.8. Mạch khảo sát đặc tuyến của BJT. 67
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực Xét mạch như hình 4.8. Với VBE là hiệu điện thế giữa cực nền B và cực phát E. VCE là hiệu điện thế giữa cực thu C và cực phát E. 4.5.1. Đặc tuyến ngõ vào IB(VBE) ứng với VCE = const Chọn nguồn VCC dương xác định để có VCE = IB const. Chỉnh nguồn VBB để thay đổi VBE từ 0 tăng lên đến giá trị nhỏ hơn điện thế ngưỡng Vγ thì đo dòng IB ≈ 0. Tiếp tục tăng nguồn VBB để có VBE = Vγ thì bắt đầu có dòng IB và IB cũng tăng theo dạng hàm số mũ như dòng ID của diode phân cực thuận. V V BE Hình 4.9. Đặc tuyến ngõ vào của BJT 4.5.2. Đặc tuyến truyền dẫn IC(VBE) ứng với VCE = const Để khảo sát đặc tuyến này, ta đo, chỉnh nguồn tương tự đặc tuyến ngõ vào nhưng dòng thì đo IC, quan sát xem IC thay đổi như thế nào khi VBE thay đổi. Ta có đặc tuyến truyền dẫn IC(VBE) có dạng giống như đặc tuyến ngõ vào IB(VBE) nhưng dòng IC có trị số lớn hơn IB nhiều lần. IC = IB (4.12) 4.5.3. Đặc tuyến ngõ ra IC(VCE) ứng với IB = const Nguồn VBB phân cực thuận mối nối P – N giữa B và E để tạo dòng IB. VCC Khi điện thế VB<V tức VBE < V thì có dòng IB = 0 và IC = 0 mặc dù có tăng nguồn. Khi điện thế VBE ≥ V thì có dòng IB ≠ 0. Ic (mA) I = 60 A Thay đổi VBB để IB có trị số nào B đó, dùng máy đo, giả sử đo được IB = 45 A IB= 15 A. Lúc này giữ cố định IB bằng cách không đổi VBB, tiếp theo IB = 30 A thay đổi VCC → VCE thay đổi, đo IB = 15 A dòng IC tương ứng với VCE thay đổi. IB= 0 A Ban đầu IC tăng nhanh theo VCE, nhưng đến giá trị cỡ I = I thì I 0 C B C VCE (V) gần như không tăng mặc dù hiệu điện thế VCE tăng nhiều. Hình 4.10. Họ đặc tuyến ngõ ra của BJT Muốn IC tăng cao hơn thì phải tăng VBB để có IB tăng cao hơn, tiếp tục thay đổi VCC để đo IC tương ứng, ta cũng thấy lúc đầu IC tăng nhanh theo VCE, nhưng đến giá trị bão hòa IC = IB, IC gần như không tăng mặc dù VCE vẫn tăng. 68
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực Khảo sát tương tự IC(VCE) ở những giá trị IB khác nhau ta có họ đặc tuyến ngõ ra như hình 4.10. Trên đây ta đã xét đặc tuyến của BJT mắc kiểu CE.Ta cũng có thể xét đặc tuyến của BJT mắc kiểu khác:  BJT mắc kiểu CB: - Đặc tuyến ngõ vào IE(VEB) ứng với VCB = const. - Đặc tuyến truyền dẫn IC(VEB) ứng với VCB = const. - Đặc tuyến ngõ ra IC(VCB) ứng với IE = const.  BJT mắc kiểu CC: - Đặc tuyến ngõ vào IB(VBC) ứng với VEC = const. - Đặc tuyến truyền dẫn IE(VBC) ứng với VEC = const. - Đặc tuyến ngõ ra IE(VEC) ứng với IB = const. 4.6. Phân cực BJT BJT có rất nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà BJT cần cung cấp điện thế và dòng điện cho từng chân một cách thích hợp. Phân cực (định thiên) là áp đặt hiệu điện thế cho các cực BJT. Phân cực BJT là chọn nguồn điện DC và điện trở sao cho IB, IC, VCE có trị số thích hợp theo yêu cầu. Điều kiện để BJT dẫn điện: - Mối nối P – N giữa B và E (tiếp giáp JE) được phân cực thuận. - Mối nối P – N giữa B và C (tiếp giáp JC) được phân cực nghịch. - VBE đạt thế ngưỡng tùy loại BJT.  BJT loại NPN: VBE = 0,6 V (0,7 V) (Si) VBE = 0,2 V (0,3 V) (Ge) VCE (⅓VCC ÷ ⅔VCC)  BJT loại PNP: VEB = 0,6 V (0,7 V) (Si) VEB = 0,2 V (0,3 V) (Ge) VEC (⅓VCC ÷ ⅔VCC) 4.6.1. Dùng hai nguồn riêng Xét mạch như hình 4.11, dùng BJT mắc kiểu CE, nguồn VBB phân cực thuận mối nối BE. Nguồn VCC kết hợp với VBB phân cực nghịch mối nối BC. Mạch trên đã được thiết kế sẵn, bây giờ ta tính toán IB, IC, VCE để xác định điểm làm việc ở trạng thái tĩnh của BJT theo thiết kế. 69
Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực VBB VBE Ta có: IB = (4.13) R B 3,6 0,6 IB = 60 (µA) 50k IC = IB (4.14) IC= 80 . 60 = 4800 (A) = 4,8 mA VCE = VCC - IC.RC (4.15) VCE = 18 – 4,8. 2k = 18 – 9,6 = 8,4 (V) Điểm phân cực Q trên đặc tuyến ngõ ra được xác định bởi ba đại lượng IB, IC, VCE, hay điểm phân cực Q có tọa độ IB, IC, VCE. Điểm phân cực Q còn gọi là điểm hoạt động tĩnh (quiesent operating point) hay điểm làm việc ở trạng thái tĩnh. VCC = 18 V R C VBB = 3,6 V VBE = 0,6 V R B V CC β = 80 RB = 50 k VBB RC = 2 k Hình 4.11. Mạch phân cực BJT dạng dùng hai nguồn có cực E nối mass. I (mA) C IB = 112 A 9,0 IB = 90 A Q IB = 60 A 4,8 IB = 30 A I = 0 µA B 0 8,4 18 VCE (V) Hình 4.12. Điểm Q trên đặc tuyến ngõ ra của BJT. Giả sử BJT có đặc tuyến ngõ ra như hình 4.12 . Điểm trên đặc tuyến ngõ ra Q có tọa độ IB = 60 A; IC = 4,8 mA; VCE = 8,4 V là điểm phân cực. Hay viết dạng khác Q(VCE; IC)  Tọa độ điểm phân cực Q: 70