(NB) Giáo trình Điện tử cơ bản với mục tiêu giúp các bạn có thể giải thích và phân tích được cấu tạo nguyên lý các linh kiện kiện điện tử thông dụng; Nhận dạng được chính xác ký hiệu của từng linh kiện, đọc chính xác trị số của chúng; Phân tích được nguyên lý một số mạch ứng dụng cơ bản như mạch chỉnh lưu, mạch khuếch đại tín hiệu...Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.
Lịch sử phát triển công nghệ điện tử
Các cấu kiện bán dẫn như diode, transistor và mạch tích hợp (IC) hiện diện rộng rãi trong đời sống hàng ngày, từ Walkman, TV, ô tô đến máy giặt, máy điều hòa và máy tính Những thiết bị này không chỉ có chất lượng ngày càng cao mà còn có giá thành ngày càng rẻ hơn.
PCs minh hoạ rất rõ xu hướng này
Yếu tố quan trọng nhất dẫn đến sự phát triển thành công của ngành công nghiệp máy tính là việc áp dụng các kỹ thuật và kỹ năng tiên tiến để chế tạo transistor với kích thước ngày càng nhỏ Điều này không chỉ giúp giảm giá thành sản phẩm mà còn giảm mức tiêu thụ năng lượng.
- 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”)
- 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode”)
- 1906 Lee de Forest (“Triode”)Vacuum tube devices continued to evolve
- 1955 First field effect transistor – FET
- 1960 First MOSFET fabricated At Bell Labs by Kahng
- 1961 First commercial ICs Fairchild and Texas Instruments
- 1963 First PMOS IC produced by RCA
- 1963 CMOS invented Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor
2.Phân loại linh kiện điện tử
2.1.Phân loại dựa trên đặc tính vật lý
Linh kiện điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt bao gồm các thành phần như điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET và điện dung MOS Các mạch tích hợp (IC) có thể được phân loại từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI, cho phép phát triển các ứng dụng công nghệ tiên tiến.
Linh kiện quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện bao gồm nhiều loại, như quang trở, photodiot, pin, APD, và CCD Ngoài ra, còn có các linh kiện phát quang như LED và LASER, cũng như các thiết bị chuyển hóa năng lượng quang điện như pin mặt trời Các linh kiện hiển thị và IC quang điện tử cũng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực này.
Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý của các cảm biến, bao gồm cảm biến nhiệt, điện, từ, hóa học, cơ, áp suất, quang bức xạ và sinh học Ngoài ra, còn có các loại IC thông minh được phát triển từ sự kết hợp giữa công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo cảm biến.
Các linh kiện công nghệ nano hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới, với cấu trúc siêu nhỏ Chúng bao gồm bộ nhớ một điện tử, transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử, cũng như linh kiện xuyên hầm một điện tử.
2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu ( hình 0.1)
Hình 0.1 : Phân loại linh kiện dựa trên chức năng xử lí tín hiệu
2.3.Phân loại theo ứng dụng
Vi mạch và ứng dụng: (hình 0.2;hình 0.3)
- Memory chips : RAM, ROM, EEPROM
- Analog : Thông tin di động ,xử lý audio/video
- Embedded systems : Thiết bị ô tô, nhà máy , Network cards
Hình 0.2: Ứng dụng của vi mạch
Hình 0.3 : Ứng dụng của linh kiện điện tử
Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET…
Vi mạch tích hợp IC: IC tương tự, IC số, Vi xử lý…
Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển
Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang
Giới thiệu về vật liệu điện tử
3.1.Chất cách điện (chất điện môi) Định nghĩa : Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao
(107 ÷1017Ω.m) ở nhiệt độ bình thường.Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ
Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện
- Các tính chất của chất điện môi
- Độ thẩm thấu điện tương đối(hằng số điện môi - ε)
- Độ tổn hao điện môi (Pa)
- Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t)
- Dòng điện trong chất điện môi (I)
- Điện trở cách điện của chất điện môi
3.2.Chất dẫn điện Định nghĩa : Là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất của nó
Chất dẫn điện có độ dẫn điện khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm, thấp hơn so với nhiều loại vật liệu khác Trong tự nhiên, chất dẫn điện có thể tồn tại dưới dạng chất rắn như kim loại, chất lỏng như kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân, hoặc chất khí khi ở trong điện trường cao.
Các tính chất của chất dẫn điện
- Hệ số nhiệt của điệntrở suất(α)
- Công thoát của điện tử trong kim loại
3.3.Vật liệu từ Định nghĩa: Vật liệu từ là vật liệu khi đặt vào trong một từ trường thì nó bị nhiễm từ
- Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ
- Từ trở và từ thẩm
- Độ từ thẩmtương đối(μr)
Các khái niệm cơ bản
Điện trở cách điện của linh kiện và mạch điện tử
kiện và mạch điện tử
Các hạt mang điện và dòng điện trong các môi trường
điện trong các môi trường
1.3.1 Dòng điện trong kim loại
1.3.2 Dòng điện trong chất lỏng, chất điện phân
1.3.3 Dòng điện trong chân không
1.3.4 Dòng điện trong chất bán dẫn
3 Bài 2: Linh kiện thụ động
2.1.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
2.1.2 Cách đọc, đo và cách mắc điện trở
2.1.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
2.2.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
2.2.2 Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện
2.2.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
3.1.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
3.1.2 Cách đọc, đo và cách mắc
3.1.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
4 Bài 3: Linh kiện bán dẫn
3.1 Khái niệm chất bán dẫn
3.2 Tiếp giáp P-N; điôt tiếp mặt
3.3 Cấu tạo, phân loại và các ứng dụng cơ bản của điôt
3.4.2 Các tính chất cơ bản
3.5.1 Phân loại, cấu tạo, ký hiệu
3.5.2 Các cách mắc, ứng dụng
5 Bài 4: Các mạch khuếch đại dùng tranzitor
4.2.3 Mạch khuếch đại vi sai
4.3 Mạch khuếch đại công suất
4.3.2 Mạch khuếch đại đẩy kéo
6 Bài 5: Các mạch ứng dụng dùng
5.2.3 Mạch xén 2 mức độc lập
Bài mở đầu Khái quát chung về linh kiện điện tử Mục tiêu
- Trình bày được khái quát về sự phát triển công nghệ điện tử
- Trình bầy được vật liệu điện tử,phân loại và ứng dụng của linh kiện điện tử
- Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập
1 Lịch sử phát triển công nghệ điện tử
Các cấu kiện bán dẫn như diodes, transistors và mạch tích hợp (ICs) hiện diện rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày, từ Walkman, TV, ô tô, máy giặt đến máy điều hòa và máy tính Những thiết bị này không chỉ có chất lượng ngày càng cao mà còn có giá thành ngày càng rẻ hơn.
PCs minh hoạ rất rõ xu hướng này
Yếu tố quan trọng nhất góp phần vào sự phát triển thành công của ngành công nghiệp máy tính là việc ứng dụng các kỹ thuật và kỹ năng tiên tiến để chế tạo transistor có kích thước ngày càng nhỏ Điều này không chỉ giúp giảm giá thành sản phẩm mà còn tối ưu hóa công suất hoạt động.
- 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”)
- 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode”)
- 1906 Lee de Forest (“Triode”)Vacuum tube devices continued to evolve
- 1955 First field effect transistor – FET
- 1960 First MOSFET fabricated At Bell Labs by Kahng
- 1961 First commercial ICs Fairchild and Texas Instruments
- 1963 First PMOS IC produced by RCA
- 1963 CMOS invented Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor
2.Phân loại linh kiện điện tử
2.1.Phân loại dựa trên đặc tính vật lý
Các linh kiện điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt bao gồm điện trở bán dẫn, diode, BJT, JFET, MOSFET và điện dung MOS Chúng được sử dụng trong các mạch tích hợp (IC) với mật độ từ thấp đến siêu cỡ lớn UVLSI.
Linh kiện quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện, bao gồm quang trở, photođiot, pin, APD, CCD, và các linh kiện phát quang như LED và LASER Ngoài ra, còn có các linh kiện chuyển hóa năng lượng quang điện như pin mặt trời và các linh kiện hiển thị, cùng với IC quang điện tử.
Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến, bao gồm các loại như cảm biến nhiệt, điện, từ, hóa học, cũng như cảm biến cơ, áp suất, quang bức xạ và sinh học Các linh kiện này được phát triển từ sự kết hợp giữa công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo cảm biến thông minh.
Các linh kiện điện tử mới được phát triển dựa trên hiệu ứng lượng tử và công nghệ nano, với cấu trúc siêu nhỏ Những linh kiện này bao gồm bộ nhớ một điện tử, transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử, cũng như linh kiện xuyên hầm một điện tử, mang lại tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong tương lai.
2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu ( hình 0.1)
Hình 0.1 : Phân loại linh kiện dựa trên chức năng xử lí tín hiệu
2.3.Phân loại theo ứng dụng
Vi mạch và ứng dụng: (hình 0.2;hình 0.3)
- Memory chips : RAM, ROM, EEPROM
- Analog : Thông tin di động ,xử lý audio/video
- Embedded systems : Thiết bị ô tô, nhà máy , Network cards
Hình 0.2: Ứng dụng của vi mạch
Hình 0.3 : Ứng dụng của linh kiện điện tử
Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET…
Vi mạch tích hợp IC: IC tương tự, IC số, Vi xử lý…
Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển
Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang
3 Giới thiệu về vật liệu điện tử
3.1.Chất cách điện (chất điện môi) Định nghĩa : Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao
(107 ÷1017Ω.m) ở nhiệt độ bình thường.Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ
Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện
- Các tính chất của chất điện môi
- Độ thẩm thấu điện tương đối(hằng số điện môi - ε)
- Độ tổn hao điện môi (Pa)
- Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t)
- Dòng điện trong chất điện môi (I)
- Điện trở cách điện của chất điện môi
3.2.Chất dẫn điện Định nghĩa : Là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất của nó
Chất dẫn điện có điện trở suất khoảng 10^-8 ÷ 10^-5 Ωm, thấp hơn so với các loại vật liệu khác Trong tự nhiên, chất dẫn điện có thể tồn tại dưới dạng chất rắn (kim loại), chất lỏng (kim loại nóng chảy), dung dịch điện phân hoặc khí trong điện trường cao.
Các tính chất của chất dẫn điện
- Hệ số nhiệt của điệntrở suất(α)
- Công thoát của điện tử trong kim loại
3.3.Vật liệu từ Định nghĩa: Vật liệu từ là vật liệu khi đặt vào trong một từ trường thì nó bị nhiễm từ
- Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ
- Từ trở và từ thẩm
- Độ từ thẩmtương đối(μr)
Bài 1 Các khái niệm cơ bản Mục tiêu
- Trình bày được tính chất, điều kiện làm việc của dòng điện trên các linh kiện điện tử theo nội dung bài đã học
- Tính toán được điện trở, dòng điện, điện áp trên các mạch điện một chiều theo điều kiện cho trước
- Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập
1.1.Vật dẫn điện và cách điện
Trong kỹ thuật người ta chia vật liệu thành hai loại chính:
Vật cho phép dòng điện đi qua gọi là vật dẫn điện
Vật không cho phép dòng điện đi qua gọi là vật cách điện
Tuy nhiên khái niệm này chỉ mang tính tương đối Chúng phụ thuộc vào cấu tạo vật chất, các điều kiện bên ngoài tác động lên vật chất
Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, bao gồm hạt nhân với proton mang điện tích dương và neutron không mang điện, cùng với lớp vỏ là các electron mang điện tích âm Sự liên kết giữa các nguyên tử tạo nên tính bền vững của vật chất.
Hình 1.1: Cấu trúc mạng liên kết nguyên tử của vật chất
Các liên kết trong lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có số lượng proton bằng số lượng electron, tạo ra trạng thái bền vững được gọi là trung hòa điện Những chất này không có khả năng dẫn điện và được phân loại là chất cách điện.
Các liên kết trong lớp vỏ ngoài cùng với số lượng proton không bằng số lượng electron sẽ tạo ra ion, dẫn đến khả năng dễ dàng cho và nhận electron Những chất này được gọi là chất dẫn điện.
Trong điều kiện nhiệt độ bình thường dưới 25°C, các nguyên tử duy trì liên kết bền vững Khi nhiệt độ tăng, động năng trung bình của các nguyên tử gia tăng, dẫn đến việc các liên kết trở nên yếu dần và một số electron thoát khỏi liên kết, trở thành electron tự do Khi có điện trường tác động, vật chất có khả năng dẫn điện.
Khi một điện trường được áp dụng lên bề mặt vật chất, nó tạo ra lực điện trường E, ảnh hưởng đến các electron (e ) Nếu lực điện trường đủ mạnh, các electron sẽ di chuyển ngược chiều với điện trường, dẫn đến sự hình thành dòng điện Độ lớn của lực điện trường phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai điểm và độ dày của vật dẫn.
Tóm lại: Sự dẫn điện hay cách điện của vật chất phụ thuộc nhiều vào các yếu tố:
Cấu tạo nguyên tử của vật chất
Nhiệt độ của môi trường làm việc
Hiệu điện thế giữa hai điểm đặt lên vật chất Độ dày của vật chất
Vật dẫn điện là những vật liệu có khả năng dẫn điện trong trạng thái bình thường, nhờ vào sự hiện diện của các điện tích tự do Điều này cho phép chúng tạo ra dòng điện khi cần thiết.
1.1.1.Các đặc tính của vật dẫn điện, vật cách điện
- Các đặc tính của vật liệu dẫn điện
Các thông số và phạm vi ứng dụng của các vật liệu dẫn điện thông thường được giới thiệu trong (Bảng 1.1)
Bảng 1.1: Vật liệu dẫn điện
TT Tên vật liệu Điện trở suẩt
Tỷ trọng Hợp kim Phạm vi ứng dụng Ghi chú
1 Đồng đỏ hay đồng kỹ thuật
0,0175 0,004 1080 8,9 Chủ yếu dùng làm dây dẫn
3 Nhôm 0,028 0,0049 660 2,7 - Làm dây dẫn điện
- Làm lá nhôm trong tụ xoay
- Dùng làm tụ điện (tụ hoá)
- Bị ôxyt hoá nhanh, tạo thành lớp bảo vệ, nên khó hàn, khó ăn mòn
- Bị hơi nước mặn ăn mòn
4 Bạc 960 10,5 - Mạ vỏ ngoài dây dẫn để sử dụng hiệu ứng mặt ngoài trong lĩnh vực siêu cao tần
5 Nic ken 0,07 0,006 1450 8,8 - Mạ vỏ ngoài dây dẫn để sử dụng hiệu ứng mặt ngoài trong lĩnh vực siêu cao tần
Có giá thành rẻ hơn bạc
6 Thiếc 0,115 0,0012 230 7,3 Hợp chất dùng để làm chất hàn gồm:
- Hợp kim thiếc và chì có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của từng kim loại thiếc và chì
Chất hàn dùng để hàn trong khi lắp ráp linh kiện điện tử
7 Chì 0,21 0,004 330 11,4 - Cầu chì bảo vệ quá dòng
- Dùng trong ac qui chì
Dùng làm chát hàn (xem phần trên)
8 Sắt 0,098 0,0062 1520 7,8 - Dây săt mạ kem làm dây dẫn với tải nhẹ
- Dây lưỡng kim gồm lõi sắt vỏ bọc đồng làm dây dẫn chịu lực cơ học lớn
- Dây sắt mạ kẽm giá thành hạ hơn dây đồng
- Dây lưỡng kim dẫn điện gần như dây đồng do có hiệu ứng mặt ngoài
Dây điện trở nung nóng
- Dùng làm dây đốt nóng (dây mỏ hàn, dây bếp điện, dây bàn là)
- Các đặc tính của vật liệu cách điện Độ bền về điện
Các thông số và phạm vi ứng dụng được trình bày ở (Bảng 1.2)
Bảng 1.2: Vật liệu cách điện
TT Tên vật liệu Độ bền về điện (kV/mm) t0C chịu đựng
Góc tổn hao Tỷ trọng Đặc điểm Phạm vi ứng dụng
1 Mi ca 50-100 600 6-8 0,0004 2,8 Tách được thành từng mảnh rất mỏng
- Dùng làm vật cách điện trong thiết bị nung nóng (VD:bàn là)
6-7 0,03 2,5 - Giá đỡ cách điện cho đường dây dẫn
- Dùng trong tụ điện, đế đèn, cốt cuộn dây
4 Gốm không chịu được điện áp cao không chịu được nhiệt độ lớn
0,02-0,03 4 - Kích thước nhỏ nhưng điện dung lớn
7 Pretspan 9-12 100 3-4 0,15 1,6 Dùng làm cốt biến áp
9 Cao su 20 55 3 0,15 1,6 - Làm vỏ bọc dây dẫn
Sáp 20-25 65 2,5 0,0002 0,95 Dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm
Paraphin 20-30 49-55 1,9-2,2 Dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm
Nhựa thông 10-15 60-70 3,5 0,01 1,1 - Dùng làm sạch mối hàn
- Hỗn hợp paraphin và nhựa thông dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm Êpoxi 18-20 1460 3,7-3,9 0,013 1,1-
Hàn gắn các bộ kiện điện-điện tử
Dùng làm chất cách điện
1.2 Điện trở cách điện của linh kiện và mạch điện tử Điện trở cách điện của linh kiện là điện áp lớn nhất cho phép đặt trên linh kiện mà linh kiện không bị đánh thủng (phóng điện)
Các linh kiện có giá trị điện áp ghi trên thân linh kiện kèm theo các đại lượng đặc trưng
Tụ điện có thông số ghi trên thân như 47μF/25V, cho thấy giá trị điện dung là 47μF và điện áp tối đa mà tụ có thể chịu được là 25V.
Linh kiện thụ động
Điện trở
2.1.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
2.1.2 Cách đọc, đo và cách mắc điện trở
2.1.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
2.2.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
2.2.2 Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện
2.2.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
3.1.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo
3.1.2 Cách đọc, đo và cách mắc
3.1.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng
4 Bài 3: Linh kiện bán dẫn
3.1 Khái niệm chất bán dẫn
3.2 Tiếp giáp P-N; điôt tiếp mặt
3.3 Cấu tạo, phân loại và các ứng dụng cơ bản của điôt
3.4.2 Các tính chất cơ bản
3.5.1 Phân loại, cấu tạo, ký hiệu
3.5.2 Các cách mắc, ứng dụng
5 Bài 4: Các mạch khuếch đại dùng tranzitor
4.2.3 Mạch khuếch đại vi sai
4.3 Mạch khuếch đại công suất
4.3.2 Mạch khuếch đại đẩy kéo
6 Bài 5: Các mạch ứng dụng dùng
5.2.3 Mạch xén 2 mức độc lập
Bài mở đầu Khái quát chung về linh kiện điện tử Mục tiêu
- Trình bày được khái quát về sự phát triển công nghệ điện tử
- Trình bầy được vật liệu điện tử,phân loại và ứng dụng của linh kiện điện tử
- Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập
1 Lịch sử phát triển công nghệ điện tử
Các cấu kiện bán dẫn như diode, transistor và mạch tích hợp (IC) hiện diện rộng rãi trong đời sống hàng ngày, từ Walkman, TV, ô tô đến máy giặt, máy điều hòa và máy tính Những thiết bị này không chỉ có chất lượng ngày càng cao mà còn có giá thành ngày càng rẻ hơn.
PCs minh hoạ rất rõ xu hướng này
Yếu tố quan trọng nhất góp phần vào sự phát triển thành công của ngành công nghiệp máy tính là việc ứng dụng các kỹ thuật và kỹ năng công nghiệp tiên tiến để chế tạo transistor có kích thước ngày càng nhỏ Điều này không chỉ giúp giảm giá thành sản phẩm mà còn làm giảm công suất tiêu thụ.
- 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”)
- 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode”)
- 1906 Lee de Forest (“Triode”)Vacuum tube devices continued to evolve
- 1955 First field effect transistor – FET
- 1960 First MOSFET fabricated At Bell Labs by Kahng
- 1961 First commercial ICs Fairchild and Texas Instruments
- 1963 First PMOS IC produced by RCA
- 1963 CMOS invented Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor
2.Phân loại linh kiện điện tử
2.1.Phân loại dựa trên đặc tính vật lý
Linh kiện điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt, bao gồm các thành phần như điện trở bán dẫn, diode, BJT, JFET, MOSFET và điện dung MOS Các IC có thể được phân loại từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI, cho phép phát triển công nghệ điện tử tiên tiến.
Linh kiện quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện bao gồm quang trở, photođiot, PIN, APD và CCD Ngoài ra, còn có các linh kiện phát quang như LED và LASER, cùng với các thiết bị chuyển hóa năng lượng quang điện như pin mặt trời Các linh kiện hiển thị và IC quang điện tử cũng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực này.
Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến, bao gồm các loại như sensor nhiệt, điện, từ, hóa học, cùng với sensor cơ, áp suất, quang bức xạ và sinh học Ngoài ra, còn có các loại IC thông minh được phát triển dựa trên sự kết hợp giữa công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo sensor.
Các linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và các hiệu ứng mới, được chế tạo bằng công nghệ nano với cấu trúc siêu nhỏ Những linh kiện này bao gồm bộ nhớ một điện tử, transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử, cũng như linh kiện xuyên hầm một điện tử.
2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu ( hình 0.1)
Hình 0.1 : Phân loại linh kiện dựa trên chức năng xử lí tín hiệu
2.3.Phân loại theo ứng dụng
Vi mạch và ứng dụng: (hình 0.2;hình 0.3)
- Memory chips : RAM, ROM, EEPROM
- Analog : Thông tin di động ,xử lý audio/video
- Embedded systems : Thiết bị ô tô, nhà máy , Network cards
Hình 0.2: Ứng dụng của vi mạch
Hình 0.3 : Ứng dụng của linh kiện điện tử
Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET…
Vi mạch tích hợp IC: IC tương tự, IC số, Vi xử lý…
Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển
Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang
3 Giới thiệu về vật liệu điện tử
3.1.Chất cách điện (chất điện môi) Định nghĩa : Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao
(107 ÷1017Ω.m) ở nhiệt độ bình thường.Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ
Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện
- Các tính chất của chất điện môi
- Độ thẩm thấu điện tương đối(hằng số điện môi - ε)
- Độ tổn hao điện môi (Pa)
- Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t)
- Dòng điện trong chất điện môi (I)
- Điện trở cách điện của chất điện môi
3.2.Chất dẫn điện Định nghĩa : Là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất của nó
Chất dẫn điện có độ dẫn điện khoảng 10^-8 đến 10^-5 Ωm, thấp hơn so với nhiều loại vật liệu khác Trong tự nhiên, chất dẫn điện có thể tồn tại dưới dạng chất rắn như kim loại, chất lỏng như kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân, hoặc khí trong điều kiện điện trường cao.
Các tính chất của chất dẫn điện
- Hệ số nhiệt của điệntrở suất(α)
- Công thoát của điện tử trong kim loại
3.3.Vật liệu từ Định nghĩa: Vật liệu từ là vật liệu khi đặt vào trong một từ trường thì nó bị nhiễm từ
- Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ
- Từ trở và từ thẩm
- Độ từ thẩmtương đối(μr)
Bài 1 Các khái niệm cơ bản Mục tiêu
- Trình bày được tính chất, điều kiện làm việc của dòng điện trên các linh kiện điện tử theo nội dung bài đã học
- Tính toán được điện trở, dòng điện, điện áp trên các mạch điện một chiều theo điều kiện cho trước
- Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập
1.1.Vật dẫn điện và cách điện
Trong kỹ thuật người ta chia vật liệu thành hai loại chính:
Vật cho phép dòng điện đi qua gọi là vật dẫn điện
Vật không cho phép dòng điện đi qua gọi là vật cách điện
Tuy nhiên khái niệm này chỉ mang tính tương đối Chúng phụ thuộc vào cấu tạo vật chất, các điều kiện bên ngoài tác động lên vật chất
Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, bao gồm hạt nhân với proton mang điện tích dương và neutron không mang điện, cùng với lớp vỏ chứa electron mang điện tích âm Sự liên kết giữa các nguyên tử tạo ra tính bền vững của vật chất.
Hình 1.1: Cấu trúc mạng liên kết nguyên tử của vật chất
Các liên kết trong lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có số lượng proton bằng số lượng electron, tạo ra trạng thái bền vững và được gọi là trung hòa về điện Những chất này không dẫn điện và được phân loại là chất cách điện.
Các liên kết tạo ra lớp vỏ ngoài cùng với số lượng proton khác số lượng electron sẽ hình thành ion, khiến chúng dễ dàng cho và nhận điện tử Những chất này được gọi là chất dẫn điện.
Trong điều kiện nhiệt độ bình thường dưới 25°C, các nguyên tử liên kết bền vững Khi nhiệt độ tăng, động năng trung bình của các nguyên tử tăng lên, làm yếu đi các liên kết, dẫn đến một số electron thoát khỏi liên kết và trở thành electron tự do Khi có điện trường tác động, vật chất có khả năng dẫn điện.
Khi một điện trường được áp dụng lên bề mặt vật chất, lực điện trường E sẽ xuất hiện, tác động lên các electron (e ) Nếu lực điện trường đủ mạnh, các electron sẽ di chuyển ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện Độ lớn của lực điện trường phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai điểm và độ dày của vật dẫn.
Tóm lại: Sự dẫn điện hay cách điện của vật chất phụ thuộc nhiều vào các yếu tố:
Cấu tạo nguyên tử của vật chất
Nhiệt độ của môi trường làm việc
Hiệu điện thế giữa hai điểm đặt lên vật chất Độ dày của vật chất
Vật dẫn điện là những vật liệu có khả năng dẫn điện trong trạng thái bình thường, nhờ vào sự hiện diện của các điện tích tự do Những chất này có thể tạo thành dòng điện khi có sự chênh lệch điện thế, cho phép dòng điện lưu thông dễ dàng.
1.1.1.Các đặc tính của vật dẫn điện, vật cách điện
- Các đặc tính của vật liệu dẫn điện
Các thông số và phạm vi ứng dụng của các vật liệu dẫn điện thông thường được giới thiệu trong (Bảng 1.1)
Bảng 1.1: Vật liệu dẫn điện
TT Tên vật liệu Điện trở suẩt
Tỷ trọng Hợp kim Phạm vi ứng dụng Ghi chú
1 Đồng đỏ hay đồng kỹ thuật
0,0175 0,004 1080 8,9 Chủ yếu dùng làm dây dẫn
3 Nhôm 0,028 0,0049 660 2,7 - Làm dây dẫn điện
- Làm lá nhôm trong tụ xoay
- Dùng làm tụ điện (tụ hoá)
- Bị ôxyt hoá nhanh, tạo thành lớp bảo vệ, nên khó hàn, khó ăn mòn
- Bị hơi nước mặn ăn mòn
4 Bạc 960 10,5 - Mạ vỏ ngoài dây dẫn để sử dụng hiệu ứng mặt ngoài trong lĩnh vực siêu cao tần
5 Nic ken 0,07 0,006 1450 8,8 - Mạ vỏ ngoài dây dẫn để sử dụng hiệu ứng mặt ngoài trong lĩnh vực siêu cao tần
Có giá thành rẻ hơn bạc
6 Thiếc 0,115 0,0012 230 7,3 Hợp chất dùng để làm chất hàn gồm:
- Hợp kim thiếc và chì có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của từng kim loại thiếc và chì
Chất hàn dùng để hàn trong khi lắp ráp linh kiện điện tử
7 Chì 0,21 0,004 330 11,4 - Cầu chì bảo vệ quá dòng
- Dùng trong ac qui chì
Dùng làm chát hàn (xem phần trên)
8 Sắt 0,098 0,0062 1520 7,8 - Dây săt mạ kem làm dây dẫn với tải nhẹ
- Dây lưỡng kim gồm lõi sắt vỏ bọc đồng làm dây dẫn chịu lực cơ học lớn
- Dây sắt mạ kẽm giá thành hạ hơn dây đồng
- Dây lưỡng kim dẫn điện gần như dây đồng do có hiệu ứng mặt ngoài
Dây điện trở nung nóng
- Dùng làm dây đốt nóng (dây mỏ hàn, dây bếp điện, dây bàn là)
- Các đặc tính của vật liệu cách điện Độ bền về điện
Các thông số và phạm vi ứng dụng được trình bày ở (Bảng 1.2)
Bảng 1.2: Vật liệu cách điện
TT Tên vật liệu Độ bền về điện (kV/mm) t0C chịu đựng
Góc tổn hao Tỷ trọng Đặc điểm Phạm vi ứng dụng
1 Mi ca 50-100 600 6-8 0,0004 2,8 Tách được thành từng mảnh rất mỏng
- Dùng làm vật cách điện trong thiết bị nung nóng (VD:bàn là)
6-7 0,03 2,5 - Giá đỡ cách điện cho đường dây dẫn
- Dùng trong tụ điện, đế đèn, cốt cuộn dây
4 Gốm không chịu được điện áp cao không chịu được nhiệt độ lớn
0,02-0,03 4 - Kích thước nhỏ nhưng điện dung lớn
7 Pretspan 9-12 100 3-4 0,15 1,6 Dùng làm cốt biến áp
9 Cao su 20 55 3 0,15 1,6 - Làm vỏ bọc dây dẫn
Sáp 20-25 65 2,5 0,0002 0,95 Dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm
Paraphin 20-30 49-55 1,9-2,2 Dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm
Nhựa thông 10-15 60-70 3,5 0,01 1,1 - Dùng làm sạch mối hàn
- Hỗn hợp paraphin và nhựa thông dùng làm chất tẩm sấy biến áp, động cơ điện để chống ẩm Êpoxi 18-20 1460 3,7-3,9 0,013 1,1-
Hàn gắn các bộ kiện điện-điện tử
Dùng làm chất cách điện
1.2 Điện trở cách điện của linh kiện và mạch điện tử Điện trở cách điện của linh kiện là điện áp lớn nhất cho phép đặt trên linh kiện mà linh kiện không bị đánh thủng (phóng điện)
Các linh kiện có giá trị điện áp ghi trên thân linh kiện kèm theo các đại lượng đặc trưng
Tụ điện có thể được ghi thông tin như sau: 47μ/25V, trong đó giá trị điện dung là 47μ và điện áp tối đa mà tụ có thể chịu đựng là 25V.
Tụ điện
2.2.1.Cấu tạo, phân loại a Cấu tạo
Tụ điện là linh kiện điện tử có khả năng tích trữ năng lượng điện, bao gồm hai bản cực phẳng làm từ chất dẫn điện (kim loại) được đặt song song Giữa hai bản cực là chất điện môi, giúp cách điện và tăng khả năng lưu trữ năng lượng.
Hình 2.11: Cấu tạo và ký hiệu của tụ điện b Phân loại
Tùy theo chất điện môi mà người ta phân loại tụ và đặt tên cho tụ như sau:
Tụ hóa là loại tụ điện có phân cực dương và âm, với bản cực được làm từ những lá nhôm Lớp điện môi của tụ hóa là oxýt nhôm rất mỏng, được hình thành qua phương pháp điện phân Đặc biệt, tụ hóa có điện dung lớn, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong điện tử.
Khi sử dụng phải ráp đúng cực tính dương và âm, điện thế làm việc thường nhỏ hơn 500V
Tụ hóa tantalum (Ta) là loại tụ điện có phân cực, được cấu tạo tương tự như tụ hóa thông thường nhưng sử dụng tantalum thay vì nhôm Với kích thước nhỏ gọn nhưng điện dung lớn, tụ Tantalum thường có điện thế làm việc chỉ vài chục volt.
Tụ giấy là loại tụ điện không phân cực, bao gồm hai bản cực làm từ nhôm hoặc thiếc, được ngăn cách bởi lớp giấy tẩm dầu và cuộn lại thành hình ống.
Tụ màng là loại tụ không phân cực, sử dụng chất điện môi từ các màng dẻo như polypropylene, polystyrene, polycarbonate và polyethylene Có hai loại tụ màng chính: loại foil và loại kim loại hóa Tụ foil sử dụng các miếng kim loại như nhôm hoặc thiếc để tạo bản cực dẫn điện, trong khi tụ kim loại hóa được chế tạo bằng cách phun lớp mỏng kim loại như nhôm hoặc kẽm lên màng chất dẻo, với kim loại đóng vai trò là bản cực Tụ kim loại hóa có kích thước nhỏ hơn so với tụ foil khi cùng giá trị điện dung và định mức điện áp đánh thủng Một ưu điểm nổi bật của tụ kim loại hóa là khả năng tự phục hồi, cho phép nó khôi phục chức năng sau khi bị đánh thủng do quá điện áp, điều mà tụ foil không có.
Tụ gốm là loại tụ điện không có phân cực, được sản xuất với chất điện môi từ gốm và được phủ một lớp bạc trên bề mặt để tạo thành bản cực.
Tụ mica là loại tụ không phân cực, được chế tạo từ nhiều miếng mica mỏng tráng bạc, xếp chồng lên nhau hoặc xen kẽ với các miếng thiếc Các miếng thiếc lẻ và chẵn được nối với nhau để tạo thành các bản cực Sau đó, tụ mica được bao phủ bằng lớp chống ẩm bằng sáp hoặc nhựa cứng, thường có hình dạng khối chữ nhật.
Tô gèm đơn khối (dạng trục)
Tô gèm đơn khối (DIP)
Hình 2.12: Các dạng tụ điện thông dụng
Tụ dán bề mặt được chế tạo bằng cách đặt vật liệu điện môi gốm giữa hai màng dẫn điện, có kích thước rất nhỏ Mạng tụ điện, hay còn gọi là thanh tụ điện, là dạng tụ tích hợp nhiều tụ điện bên trong một thanh để tiết kiệm diện tích Các chân chung và giá trị của các tụ được ký hiệu rõ ràng.
2.2.2 Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện a Các thông số kỹ thuật cơ bản của tụ điện
- Dung sai của tụ điện: là tham số chỉ độ chính xác của trị số dung lượng thực tế so với trị số danh định của nó
Dung sai của tụ điện:
- Điện áp làm việc là điện áp đặt lên tụ trong thời gian làm việc dài mà tụ không bị đánh thủng (Khoảng 10 000 giờ)
Giá trị ghi trên thân tụ thường là điện áp làm việc, nhưng nhiều tụ hiện nay từ Việt Nam và Trung Quốc lại ghi điện áp đánh thủng Do đó, khi thay thế tụ trong quá trình sửa chữa, cần chọn tụ mới có điện áp lớn hơn để đảm bảo an toàn.
- Điện áp đánh thủng là điện áp mà quá điện áp đó thì chất điện môi của tụ bị đánh thủng
Trị số danh định của tụ điện được đo bằng Fara, với các đơn vị nhỏ hơn như microfarad (μF - 10^-6 F), nanofarad (nF - 10^-9 F) và picofarad (pF - 10^-12 F) thường được ghi trên tụ điện theo mã quy ước Để đọc trị số trên tụ điện, người dùng cần hiểu cách mã hóa này.
Hai thông số quan trọng nhất trên thân tụ điện là trị số điện dung cùng với dung sai sản xuất và điện áp làm việc (điện áp lớn nhất) Có hai cách ghi cơ bản cho những thông số này.
Ghi trực tiếp: Cách ghi đầy đủ các tham số và đơn vị đo của chúng.Cách này chỉ dùng cho các loại tụ điện có kích thước lớn
Ví dụ: trên thân một tụ mi ca có ghi: 5.000PF ± 20% 600V
Ghi gián tiếp theo qui ước:
+ Qui ước số: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen
Số không kèm theo dấu chấm hay phẩy : đơn vị pF.Cách đọc như điện trở
Số kèm theo dấu chấm hay phẩy : đơn vị μF Vị trí của dấu thể hiện chữ số thập phân
Ví dụ 1: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tức giá trị điện dung là 47 pF,điện áp làm việc một chiều là 630 Vdc
Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tức là giá trị điện dung là 0,0 μF và điện áp làm việc một chiều là 100 Vdc
+ Quy ước theo mã: Giống như điện trở: 123K/50V 000 pF ±10% và điện áp làm việc lớn nhất 50 Vdc
Hai vạch đầu là số có nghĩa thực của nó
Vạch thứ ba là số nhân (đơnvị pF) hoặc số số 0 cần thêm vào
Vạch thứ tư chỉ điện áp là
Ba vạch màu đầu giống như loai 4 vạch màu
Vạch màu thứ tư chỉ % dung sai
Vạch màu thứ 5 chỉ điện áp làm việc c Cách mắc tụ điện
Trong thực tế, cách mắc tụ điện thường ít được sử dụng do công dụng chủ yếu của chúng trong mạch điện là lọc và truyền tín hiệu, cho phép sai số lớn mà không ảnh hưởng đến mạch Tuy nhiên, trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như mạch dao động và mạch điều chỉnh, việc mắc tụ điện theo yêu cầu chính xác trở nên cần thiết.
Mạch mắc nối tiếp: (hình:2.13)
Hình 2.13: Tụ điện mắc nối tiếp
Ctd: Điện dung tương đương của mạch điện
Giá trị của tụ điện được sản xuất theo bảng 2-1 tương tự như điện trở Trong mạch điện mắc song song, điện dung tương đương luôn nhỏ hơn hoặc bằng điện dung nhỏ nhất trong mạch.
Ví dụ: Cho tụ hai tụ điện mắc nối tiếp với C1= 1mF, C2= 2,2mF tính điện trở tương đương của mạch điện
Giải: Từ công thức tính ta có: Ctd = 1 2
= 0,6875mF Mạch mắc song song: (hình 2.14)
Hình 2.14: Tụ điện mắc song song
Công thức tính: Ctd = C1+ C2 + + Cn
Ctd: Điện dung tương đương của mạch điện
Ví dụ: Tính điện dung tương đương của hai tụ điện mắc nối tiếp, Với C1 3,3mf; C2=4,7mF
Giải: Từ công thức ta có: Ctd = C1+ C2 = 3,3 + 4,7 = 8mF
2.2.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng a Các linh kiện cùng nhóm (Tụ điện có trị số điện dung thay đổi )
Tấm tĩnh được cấu tạo từ các lá nhôm hoặc đồng xếp xen kẽ, trong đó một số lá có thể thay đổi vị trí Tấm này không gắn với trục xoay, trong khi tấm động gắn với trục xoay và diện tích tiếp xúc giữa hai lá thay đổi tùy theo góc xoay.
Diện tích đối ứng lớn của tụ điện dẫn đến điện dung cao, trong khi diện tích nhỏ sẽ tạo ra điện dung thấp Giữa hai lá nhôm của tụ, không khí được sử dụng làm chất điện môi Tụ loại biến đổi, còn được biết đến là tụ không khí hay tụ xoay.