CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Các loại vật liệu điện
Người ta chia ra làm 3 loại vật liệu điện chính là:
Chất dẫn điện là những chất có cấu trúc nguyên tử với một hoặc hai electron ở tầng ngoài cùng, cho phép chúng dễ dàng trở thành electron tự do.
Các chất dẫn điện tốt nhất là vàng, bạc, đồng, nhôm…
Các chất có cấu trúc nguyên tử với tầng ngoài cùng đã đạt hoặc gần đạt số electron tối đa sẽ ít có khả năng tạo ra electron tự do, do đó được gọi là chất cách điện.
Các chất cách điện tốt nhất là: thủy tinh, sành, cao su, giấy…
Chất bán dẫn có cấu trúc nguyên tử với bốn electron ở tầng ngoài cùng, mang điện trở lớn hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện Silicium và germanium là hai loại chất bán dẫn phổ biến.
Các hạt mang điện và dòng điện trong các môi trường
2.1 Dòng điện trong kim loại a Cấu trúc tinh thể của kim loại
Trong 2 phần “Vật lí phân tử và nhiệt học” ta đã biết rằng các kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể, nghĩa là các iôn kim loại được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian, tạo thành mạng tinh thể Êlectrôn ở lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại dễ mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử và trở thành êlectrôn tự do trong kim loại Do bị mất êlectrôn nên các nguyên tử trong mạng tinh thể trở thành những iôn dương Như vậy, trong tinh thể kim loại, ở các nút mạng là các iôn dương, xung quanh iôn dương là các êlectrôn tự do Giữa các iôn dương kim loại và êlectrôn tự do có lực hút tĩnh điện Điện tích âm của tất cả các êlectrôn tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng điện tích dương của các iôn cho nên vật thể bằng kim loại trung hoà về điện ở nhiệt độ bình thường, các iôn trong mạng tinh thể chỉ dao động quang các vị trí cân bằng của chúng, nói chung trật tự sắp xếp các iôn không thay đổi, còn các êlectrôn tự do thì có thể chuyển ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 7 động tự do trong khoảng không gian giữa các iôn bên trong vật thể kim loại Chính vì vậy kim loại là vật thể dẫn điện tốt b Bản chất dòng điện trong kim loại
Bằng nhiều thí nghiệm người ta đã xác nhận rằng tính dẫn điện của kim loại được gây nên bởi chuyển động của các êlectrôn tự do
Khi không có điện trường, các êlectrôn tự do trong kim loại chỉ chuyển động hỗn loạn, tương tự như chuyển động nhiệt của các phân tử trong khí Tính trung bình cho thấy số lượng êlectrôn chuyển động theo một chiều bằng với số lượng êlectrôn chuyển động theo chiều ngược lại Do đó, khi không có điện trường, kim loại sẽ không có dòng điện.
Khi có điện trường tác dụng lên kim loại, các êlectrôn tự do sẽ di chuyển theo một chiều xác định, ngược với chiều điện trường, bên cạnh chuyển động nhiệt hỗn loạn Sự chuyển động có hướng này của êlectrôn dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện, được hiểu là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện trong kim loại.
Vận tốc của chuyển động có hướng trong dây dẫn kim loại rất nhỏ, chỉ dưới 0,2 mm/s, và không nên nhầm lẫn với vận tốc lan truyền của điện trường lên tới 300.000 km/s Mặc dù vận tốc di chuyển của điện tử thấp, nhưng khi đóng mạch điện, ngọn đèn sẽ phát sáng gần như ngay lập tức, ngay cả khi ở khoảng cách xa Nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn kim loại và hiện tượng tỏa nhiệt liên quan đến sự va chạm giữa các electron tự do và ion trong mạng tinh thể của kim loại.
Khi các êlectrôn tự do chuyển động trong một kim loại, chúng thường bị cản trở bởi sự va chạm với các iôn kim loại tại nút mạng tinh thể, dẫn đến hiện tượng điện trở Trong khoảng thời gian giữa các va chạm, êlectrôn được gia tốc bởi lực điện trường và thu nhận năng lượng, ngoài năng lượng từ chuyển động nhiệt hỗn loạn Khi va chạm xảy ra, một phần năng lượng chuyển động có hướng của êlectrôn được truyền cho các iôn, làm cho chúng dao động quanh vị trí cân bằng, từ đó chuyển hóa thành nhiệt Do đó, khi dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại, nó sẽ làm cho dây dẫn nóng lên.
Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể và mật độ electron tự do khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong khả năng "ngăn cản" chuyển động có hướng của electron tự do Điều này giải thích tại sao điện trở suất của các kim loại cũng khác nhau.
Điện trở của dây dẫn kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng do các ion kim loại dao động mạnh hơn và vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt của các electron cũng gia tăng Sự tăng cường va chạm giữa các electron tự do và ion kim loại dẫn đến sự gia tăng điện trở.
2.2 Dòng điện trong chất điện phân a Hiện tượng điện phân Bản chất dòng điện trong chất điện phân
* Hiện tượng điện phân Cũng như chất rắn, chẩt lỏng nói chung có thể là chất cách điện hoặc dẫn điện
Khi nhúng hai điện cực bằng than chì vào một bình thủy tinh chứa nước cất và kết nối qua một miliampe kế với nguồn điện, kim của miliampe kế không chỉ Điều này cho thấy nước cất không dẫn điện.
Khi hòa nước cất với muối ăn natri clorua hoặc bất kỳ loại muối, axit hay bazơ nào khác, chúng ta nhận thấy miliampe kế chỉ ra dòng điện Điều này cho thấy dung dịch của các muối, axit và bazơ có khả năng dẫn điện Thêm vào đó, trong thí nghiệm với dung dịch đồng sunfat, sau một thời gian, một lớp đồng mỏng sẽ bám vào cực âm, hiện tượng này được gọi là điện phân.
Các dung dịch muối, axit, bazơ gọi là những chất điện phân
* Bản chất dòng điện trong chất điện phân
Theo thuyết điện li, khi muối, axit và bazơ được hòa tan trong nước, chúng phân li thành các ion trái dấu Quá trình này được gọi là sự phân li của phân tử trong dung dịch Các ion này có thể va chạm và tái hợp thành phần tử trung hòa trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn Ở mỗi nhiệt độ nhất định trong một dung dịch cụ thể, số lượng phân tử bị phân li là cố định; do đó, số phân tử tái hợp cũng tương đương với số phân tử bị phân li thêm.
Khi không có điện trường, các ion chuyển động nhiệt một cách hỗn loạn, không tạo ra dòng điện nào trong dung dịch điện phân Khi áp dụng một hiệu điện thế giữa hai điện cực, điện trường xuất hiện và tác động lên các ion, khiến chúng chuyển động theo hướng của điện trường: ion dương di chuyển về cực âm (catôt) và ion âm di chuyển về cực dương (anôt) Sự chuyển động có hướng của các ion này tạo ra dòng điện trong bình điện phân.
Vậy: Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển rời có hướng của các iôn dương theo chiều điện trường và các iôn âm ngược chiều điện trường
Trong quá trình điện phân, các ion di chuyển về các điện cực và truyền điện tích cho chúng Cụ thể, các ion âm di chuyển đến anôt và nhường electron, trong khi các ion dương đến catôt và thu electron Kết quả là các ion này biến đổi thành các nguyên tử hoặc phân tử trung hòa.
Các nguyên tử hoặc phân tử trung hòa được hình thành tại các điện cực có thể bám vào điện cực, bay lên khỏi dung dịch điện phân, hoặc tương tác với điện cực và dung môi, dẫn đến các phản ứng hóa học khác Những phản ứng hóa học này được gọi là phản ứng phụ hay phản ứng thứ cấp, thường có tính chất phức tạp và phụ thuộc vào bản chất của điện cực, dung môi, cùng nhiều điều kiện khác.
Trong trường hợp phản ứng phụ xảy ra khi chất điện phân là dung dịch đồng sunfat, với anôt bằng đồng và catôt là một kim loại khác, có hiện tượng cực dương tan Điều này cho thấy sự tương tác giữa các thành phần trong quá trình điện phân, ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của phản ứng.
Khi dòng điện chạy qua bình điện phân, các ion di chuyển đến catôt, nhận hai electron và biến thành nguyên tử bám vào catôt Ngược lại, các ion di chuyển về anôt, phản ứng với nguyên tử đồng tại cực, tạo thành phân tử và nhường hai electron cho anôt Muối đồng sunfat được tạo thành sẽ tan ngay trong dung dịch, dẫn đến việc anôt bằng đồng bị hao mòn, trong khi đồng bám vào catôt Hiện tượng này cho thấy dòng điện “chuyển chở” đồng từ anôt sang catôt, và được gọi là cực dương tan, xảy ra trong mọi trường hợp điện phân dung dịch muối kim loại với anôt làm bằng chính kim loại đó.
LINH KIỆN THỤ ĐỘNG
Điện trở
1.1 Chức năng của điện trở Điện trở là đặc trưng cơ bản của chất dẫn điện Là phần tử gây cản trở trong mạch điện; có đơn vị đo là Ohm (Ω)
Điện trở của một dây dẫn phụ thuộc vào loại vật liệu, với điện trở tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện của dây dẫn.
Rt = Ro (1 + α.t o ) Trong đó: Rt, Ro : là điện trở ở nhiệt độ t o Cvà 0 o C α :là hệ số nhiệt điện trở (độ -1 )
: Điện trở suất (Ωm) l: Chiều dài dây dẫn (m) s: Tiết diện dây dẫn(m 2 )
Lưu ý: Điện trở suất có trị số thay đổi theo nhiệt độ và được tính theo công thức:
Điện trở, ký hiệu là ρ, được xác định bởi công thức ρ = ρ0(1 + αt), trong đó ρ0 là điện trở tại 0 độ C, α là hệ số nhiệt và t là nhiệt độ tính bằng độ C Đây là một linh kiện điện tử thụ động quan trọng, thường được sử dụng trong các thiết bị điện và điện tử để khai thác điện áp khi có dòng điện chạy qua, cũng như để khai thác dòng điện khi có điện áp đặt lên nó.
TheoĐịnh luật ohm phỏt biểu như sau ô Cường độ dũng điện trong mach tỉ lệ thuận với điện áp và tỉ lệ nghịch với điện trở trong mạch
I =U Trong đó : I – dòng điện trong mạch (A)
U – điện áp (V) ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 19
Ký hiệu của điện trở :
1.2.1 Phân loại theo cấu tạo
Dựa vào cấu tạo điện trở dược phân thành 4 loại :
- Điện trở than: dùng bột than ép lại thành dạng thanhcó trị số điện trở từ vài ohm đến vài chục mega ohm, công suất từ 1/8w đến vài w
- Điện trở màng kim loại: dùng chất niken – Crom có trị số ổn định hơn điện trở than, giá thành cao Công suất điện trở thường là 1/2w
- Điện trở oxit kim loại: dùng oxit – thiếc, điện trở này chịu được nhiệt độ và độ ẩm cao Công suất điện trở thường là 1/2w
Điện trở dây quấn được chế tạo từ các loại dây hợp kim, mang lại giá trị điện trở nhỏ và khả năng chịu đựng dòng điện cao Công suất của loại điện trở này thường dao động từ vài watt đến vài chục watt.
1.2.2 Phân loại theo công dụng a Biến trở (Variable resistor – VR)
Biến trở, hay còn gọi là chiết áp, là một linh kiện điện tử được cấu tạo từ một điện trở màng than hoặc dây quấn có dạng hình cung với góc quay 270 độ Nó có một trục xoay ở giữa, kết nối với con trượt làm bằng than (đối với biến trở dây quấn) hoặc kim loại (đối với điện trở than) Khi con trượt ép lên mặt biến trở, nó tạo ra kiểu nối tiếp tiếp xúc, làm thay đổi trị số của điện trở khi trục được xoay Bên cạnh đó, nhiệt trở (Thermistor - Th) cũng là một loại linh kiện quan trọng trong các ứng dụng điện tử.
Nhiệt trở là loại điện trở có giá trị thay đổi theo nhiệt độ, thường được sử dụng để ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại công suất và linh kiện cảm ứng trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ Có hai loại nhiệt trở chính, mỗi loại phục vụ cho những ứng dụng khác nhau trong công nghệ điều khiển.
- Nhiệt trở có số nhiệt âm: là loại nhiệt trở mà trị số của nó giảm khi nhiệt độ tăng
- Nhiệt trở có số nhiệt dương: là loại nhiệt trở mà trị số của nó tăng khi nhiệt độ giảm c Quang trở (photo Resistor)
Quang trở, thường được làm từ Sunfua Cadmium (CdS), là loại điện trở có giá trị phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Khi cường độ chiếu sáng tăng, giá trị điện trở giảm và ngược lại.
Quang trở thường được dùng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánh sáng hoặc báo động d Điện trở cầu chì
Có tác dụng bảo vệ quá tải trong các mạch điện như hệ thống mạch điện trong nhà, mạch nguồn hay các mạch có dòng tải lớn
Khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép của cầu chì, điện trở sẽ nóng lên và có thể bị đứt Giá trị của điện trở trong cầu chì thường rất nhỏ, điều này giúp bảo vệ mạch điện khỏi các sự cố do quá tải.
Điện trở tuỳ áp là loại điện trở có giá trị thay đổi theo điện áp đặt vào hai cực Khi điện áp đạt giá trị quy định, điện trở tuỳ áp sẽ có giá trị lớn hơn Loại điện trở này thường được mắc song song với các cuộn cảm có hệ số tự cảm lớn nhằm giảm thiểu điện áp cảm ứng quá cao khi cuộn cảm mất dòng đột ngột, từ đó bảo vệ các linh kiện khác trong mạch.
1.3 Các thông số của điện trở
Giá trị điện trở trong các điện trở được gọi là trị số danh định, vì các nhà sản xuất chỉ có thể chế tạo điện trở với các trị số theo tiêu chuẩn, không thể sản xuất một cách liên tục từ nhỏ đến lớn.
Thông thường điện trở than là loại điện trở công suất nhỏ và trị số được ghi bằng các vạch màu
Màu Giá trị Bội số Sai số Đen 0 10 0
Bạc 10 -2 ± 10% ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 22
Trong trường hợp đặc biệt, nếu không có vòng số 4 (ioại điện trở có 3 vạch màu) thì sai số là 20%
Hiện nay, các loại điện trở than với 5 vạch màu đang được chế tạo, mang lại độ chính xác cao hơn Các vạch màu trên điện trở này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định giá trị và độ chính xác của chúng.
- Vạch số 1: ghi số thứ nhất
- Vạch số 2: ghi số thứ hai
- Vạch số 3: ghi số thứ ba
Trên thị trường, các điện trở được sản xuất theo các trị số tiêu chuẩn thay vì có đầy đủ mọi trị số từ nhỏ nhất đến lớn nhất Những trị số tiêu chuẩn phổ biến bao gồm 10, 12, 15, 18, 22, 33 và 39 ohm.
43, 47, 51, 56, 68, 75, 82, 91 ngoài các loại điện trở trênthì là điện trở đặc biệt và thường chỉ có trong kỹ thuật đo lường
1.3.2.Công suất của điện trở
Công suất của điện trở được tính bằng công thức P = I²R, thể hiện mức công suất tối đa mà điện trở có thể tiêu tán khi có dòng điện chạy qua Nếu công suất vượt quá giá trị này, điện trở sẽ bị hỏng hoặc cháy Do đó, việc chọn công suất cho điện trở cần được thực hiện cẩn thận dựa trên công thức này.
Hệ số an toàn trong tính toán điện trở được ký hiệu là PR≥2P, trong đó 2 là giá trị tối thiểu, nhưng có thể điều chỉnh cao hơn trong một số trường hợp đặc biệt Đối với điện trở than, công suất của nó thay đổi tùy thuộc vào kích thước của điện trở.
1.4 Phương pháp kiểm tra chất lượng điện trở dùng đồng hồ vạn năng
Bước 1: Sử dụng đồng hồ thang đo ôm hợp lý ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 23
Bước 2: Đặt hai que đo lên hai đầu điện trở, đồng thời quan sát và ghi kết quả điểm kim dừng trên vạch chia
Bước 3: Tính kết quả của phép đo (theo bài sử dụng đồng hồ chế độ đo Ohm)
Nếu gọi: A là giá trị thang đo Ω đang sử dụng
B là giá trị điểm kim dừng trên vạch chia thang đo Ω
Kết qủa phép đo: R1= A x B ( Đơn vị là đơn vị của thang đo đang sử dụng)
Bước 4: Đánh giá phẩm chất của điện trở:
Gọi kết quả đo được bằng đồng hồ vạn năng là R1
Gọi giá trị xác định bằng mã hóa hay số thực trên thân của linh kiện là R2
Quá trình kiểm tra sẽ xảy ra một trong các trường hợp sau:
- Nếu R1 = ( ≈) R2 thì linh kiện đó còn tốt
- Nếu R1> R2 thì linh kiện đó kém phẩm chất hoặc bị hỏng ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 24
1.5.Các kiểu ghép điện trở
1.5.1 Ghép nối tiếp Áp dụng định luật Ohm ta có điện áp tổng trên ba điện trở chính là điện áp nguồn nên: U = U1 + U2 + U3
Khi giá trị của các điện trở không đồng nhất, công suất tiêu tán sẽ khác nhau, làm cho việc tính toán trở nên phức tạp Do đó, trong thực tế, người ta thường sử dụng các điện trở có trị số bằng nhau để đơn giản hóa quá trình tính toán.
1.5.2 Ghép song song ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 25
Tụ điện
Tụ điện là linh kiện thụ động, có tác dụng hở mạch dòng một chiều và lọc bỏ các tần số cần thiết trong các mạch lọc
2.2 Cấu tạo và ký hiệu của tụ điện ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 26
Tụ điện là một loại linh kiện thụ động trong mạch điện tử, tụ điện viết tắt là C (capacitor)
Tụ điện là một thiết bị bao gồm hai bản cực làm bằng chất dẫn điện được đặt song song, với chất cách điện gọi là điện môi ở giữa Các loại chất cách điện phổ biến được sử dụng cho điện môi bao gồm giấy, dầu, mica, gốm và không khí.
Tụ điện được phân làm hai loại chính là:
- Tụ điện có phân cực tính
- Tụ điện không phân cực tính
2.3.1 Tụ oxit hóa (thường gọi là tụ hóa)
Tụ hóa là loại tụ điện phân cực với điện dung lớn, dao động từ 1µF đến 10.000µF Chúng được chế tạo từ bản cực nhôm, trong đó cực dương có lớp oxit nhôm và lớp bọt khí để tạo thành chất điện môi cách điện Khi sử dụng tụ hóa, cần chú ý đến cực tính, vì điện áp làm việc của chúng thường nhỏ hơn 500V.
Tụ gốm có điện dung từ 1pF đến 10μF, không có cực tính và có thể chịu được điện áp lên đến vài nghìn volt Tụ gốm có nhiều hình dạng, chủ yếu là hình đĩa, và có nhiều cách ghi trị số khác nhau.
Quy ước về sai số của tụ là:
Tụ điện không có cực tính được cấu tạo từ hai bản cực kim loại dài, với lớp cách điện là giấy tẩm dầu cuộn lại thành ống Điện áp đánh thủng của loại tụ này có thể lên đến vài trăm volt.
Là loại tụ không có cực tính, điện dung từ 1pF đến 1000F, điện áp làm việc rất cao trên 1000V
Tụ mica có giá thành cao hơn tụ gốm do sở hữu độ sai số thấp, đáp ứng tần số tốt và độ bền cao Trên bề mặt tụ mica, có sơn chấm màu để chỉ thị trị số điện dung, cách đọc tương tự như đọc trị số điện trở.
Tụ điện polyester (PE) và polyetylen (PS) là loại tụ có chất điện môi, với điện dung từ vài trăm pF đến hàng chục µF và điện áp làm việc lên đến hàng nghìn volt.
Là loại tụ có phân cực tính, điện dung cao, kích thước nhỏ, điện áp làm việc thấp chỉ vài chục volt Tụ tung tan thường có dạng viên
2.4 Các thông số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện
Khi sử dụng tụ điện phải biết hai thông số chính của tụ điện:
2.4.1 Điện dung của tụ ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 28 Điện dung của tụ là khả năng tích điện của tụ điện
Điện dung của tụ điện (C) được xác định bởi diện tích bản cực (s), hằng số điện môi (ع) và khoảng cách giữa hai bản cực (d), với đơn vị đo là Fara (F).
Hằng số điện môi của một số chất điện môi trông dụng:
Chất điện môi Hằng số điện môi
2.4.2 Đặc tính của tụ đối với dòng một chiều
Giữa hai bản cực của tụ là lớp cách điện nên không có dòng điện một chiều chạy qua Do I = 0 nên R = →
Tụ điện có sức cản vô cực ohm đối với dòng điện một chiều, với điện tích nạp tụ tỉ lệ thuận với điện áp và năng lượng nạp tỉ lệ với bình phương điện áp Tuy nhiên, việc tăng điện áp nạp tụ quá cao có thể dẫn đến sự bức xạ electron thành electron tự do, gây ra dòng điện chạy qua điện môi và làm tụ bị đánh thủng Điện áp của điện môi tỉ lệ với bề dày của điện môi, do đó, thường có công thức để xác định trị số điện trường đánh thủng là: b = d.
Trong đó: ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 29
D – bề dày của điện môi (cm)
- Điện thế nạp của tụ tăng theo hàm số mũ:
Trong đó: UC(t) là điện thế nạp tức thời của tụ
UDC là điện áp nguồn DC nạp cho tụ
ﺡ = RC là hằng số thời gian
- Dòng điện nạp ban đầu I = UDC/R sau đó giảm I = 0 theo hàm số mũ
- Khi tụ phóng điện, điện thế của tụ giảm theo hàm số mũ:
2.4.3 Đặc tính của tụ đối với dòng điện xoay chiều
Ta có công thức tính cường độ dòng điện là: t I t Q
I = Q = Đối với tụ điện, điện tích nạp tụ được tính theo công thức
Điện nạp trên tụ là quá trình tích tụ dòng điện vào tụ theo thời gian Đối với dòng điện xoay chiều hình sin, điện áp tức thời được biểu diễn bằng công thức u(t) = Um.sin(ωt).
Hệ thức liên hệ giữa dòng điện i(t) và điện áp uc là: t U d C t d i m t q .cos )
Như vậy, dòng điện i(t) trên tụ cũng là một tri số thay đổi theo dòng điện xoay chiêu hình sin
Biên độ cực đại ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 30 Điện áp tức thời của dòng điện xoay chiều hình sin được biểu diễn theo công thức: t U t u( )= m sin và
So sánh biểu thức u(t) với biểu thức tính điện áp trên tụ ta có: fC
= 2 Đây là điện áp cực đại được nạp trên tụ
- Sức cản của tụ đối với dòng AC Định luật ohm áp dụng trên điện trở cho ta công thức :
R=U Áp dụng với điện áp xoay chiều ta có:
So sánh hai trường hợp ta thấy
1 có ý nghĩa là điện trở, đối với tụ điện gọi là dung kháng ký hiệu XC Ta có: fC
Trong đó: XC – dung kháng () f – tần số (Hz) C – điện dung (F)
Dung kháng XC của tụ điện tỉ lệ nghịch với tần số f và điện dung C Dung kháng cũng có đơn vị tính là ohm như điện trở
2.4.4 Điện thế làm việc của tụ điện
Khi nạp điện, điện tích của tụ nạp tỉ lệ thuận với điện thế Tuy nhiên, điện thế không được tăng quá cao vì sẽ tạo ra lực điện trường mạnh, dẫn đến sự bức xạ các điện tử thành điện tử tự do Khi dòng điện chạy qua chất điện môi và gây ra hiện tượng đánh thủng, tụ sẽ bị hỏng Do đó, điện thế cần được kiểm soát để tránh hiện tượng đánh thủng tụ.
Do đó khi sử dụng tụ điện để nạp và phóng thìđiện áp một chiều phải bé hơn điện áp đánh thủng: Uđánh thủng = E d
Như vậy: Trên mỗi tụ điện cho biết điện áp giới hạn của tụ gọi là điện áp làm việc của tụ ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 31
2.5 Phương pháp kiểm tra chất lượng tụ điện
Để kiểm tra chất lượng của tụ điện, chúng ta sử dụng đồng hồ Megaôm để đo giá trị điện dung, quá trình này tương tự như cách đo điện trở.
B ước 1: Cắm hai que đo vào hai vị trí của tụ điện trên đồng hồ
B ước 2: Sử dụng thang đo ôm hợp lý
Bước 3: Đặt hai que đo lên hai cực của tụ, đồng thời quan sát và ghi lại giá trị hiển thị trên mặt đông hồ
Gọi kết quả đo được bằng đồng hồ vạn năng là R1
Gọi giá trị xác định bằng mã hóa hay số thực trên thân của linh kiện là R2
Quá trình kiểm tra sẽ xảy ra một trong các trường hợp sau:
+/ Nếu R1 = ( ≈) R2 thì linh kiện đó còn tốt
+/ Nếu R1> R2 thì linh kiện đó bị khô → tụ bị hỏng
+/ Nếu R1< R2 thì linh kiện đó bị rò rỉ → tụ bị hỏng
+/ Nếu R1 =0 thì linh kiện đó bị thủng → tụ bị hỏng
- Dùng đồng hồ vạn năng để kiểm tra quá trình phóng nạp của tụ (áp dụng tụ phân cực)
Để đo điện dung của tụ điện, bước đầu tiên là chọn đồng hồ thang đo phù hợp Nếu giá trị điện dung của tụ nhỏ, hãy sử dụng thang đo lớn; ngược lại, nếu giá trị điện dung của tụ lớn, hãy chọn thang đo nhỏ.
Bước 2: Dùng phần kim loại đồng nối tắt hai cực của tụ để tụ phóng hết điện
Bước 3: Đặt hai que đo lên hai cực của tụ điện và quan sát quá trình di chuyển của tụ Quá trình đo có thể xảy ra trong một số trường hợp nhất định.
- Nếu kim đồng hồ tiến về vị trí 0 sau đó kim tra từ từ về vị trí ∞, chứng tỏ chất lượng tụ đó còn tốt
- Nếu kim đồng hồ tiến về vị trí 0 và nằm ngay tại vị trí 0, chứng tỏ tụ đó bị chập
→ chất lượng tụ đó bị hỏng
Khi kim đồng hồ di chuyển đến vị trí 0 và sau đó quay trở lại vị trí ∞ nhưng chỉ dừng lại ở khoảng nửa đường, điều này cho thấy tụ điện bị rò rỉ, chứng tỏ chất lượng của tụ điện đó kém.
- Nếu kim đồng hồ chỉ ở vị trí ∞, chứng tỏ tụ bị khô → tụ đó bị hỏng
Chú ý: Nếu tụ có giá trị điện dung càng lớn thì dùng giá trị thang đo ôm càng nhỏ và ngược lại
2.6 Các kiểu ghép tụ điện
2.6.1 Tụ điện ghép nối tiếp
Tụ điện ghép nối tiếp có điện dung C1 và C2, với dòng điện nạp I, dẫn đến điện tích nạp vào hai tụ sẽ bằng nhau, theo công thức Q = I.t Điện tích nạp vào tụ được tính bằng công thức này.
Gọi c là tụ tương đương của tụ C1, C2 ghép nối tiếp thì:
C = + Công thức tính tụ điện ghép nối tiếp có dạng như công thức tính điện trở ghép song song
Cuộn cảm
3.1 Cấu tạo và phân loại
Cuộn cảm là một thiết bị điện gồm dây dẫn được bọc lớp sơn cách điện, khác với dây dẫn thông thường Nó thường được tạo thành từ dây điện từ quấn nhiều vòng quanh một lõi sắt Tuy nhiên, lõi của cuộn cảm có thể là ống rỗng, bao gồm lõi không khí, sắt bụi hoặc sắt lá, tùy thuộc vào loại lõi mà cuộn cảm sử dụng.
Cuộn cảm có lõi sắt lá thích hợp cho dòng điện xoay chiều tần số thấp, trong khi lõi sắt bụi được sử dụng cho tần số cao và lõi không khí là lựa chọn tối ưu cho tần số rất cao.
Cuộn cảm có lõi tạo ra cường độ từ trường lớn hơn nhiều so với cuộn cảm không khí Tỷ số giữa từ trường của cuộn cảm có lõi và không có lõi được xác định bởi hệ số từ thẩm tương đối (μ) của vật liệu lõi.
Khi dòng điện chạy qua cuộn cảm, nó sẽ tạo ra một từ trường đồng nhất trong lõi, với chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai Nếu lõi có chiều dài trung bình là l và cường độ từ trường sinh ra trong lõi là H, thì mối quan hệ giữa số vòng dây quấn n và dòng điện I được biểu diễn qua công thức n.I = H.l.
H – cường độ từ trường ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 36 l – chiều dài trung bình lõi từ
Do lõi có hệ số từ thẩm tương đối nên cường độ từ cảm B được tính là :
Trong biểu thức , n, l là hằng số nên H và B chỉ thay đổi theo I Nếu IDC thì H và
B là từ trường đều, nếu IAC thì H và B có cường độ thay đổi và chiều của từ trường cũng thay đổi theo chiều của dòng điện AC
3.2 Các thông số kỹ thuật của cuộn cảm
3.2.1 Hệ số tự cảm (độ tự cảm) L
Dòng điện trong cuộn dây tạo ra từ trường, và khi từ trường này thay đổi, nó sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng Để xác định mối quan hệ giữa dòng điện và từ trường, người ta sử dụng hệ số tự cảm L của cuộn cảm.
Hệ số tự cảm L tuỳ thuộc vào cấu tạo của cuộn cảm và được xác định dợa vào công thức :
Trong đó : àr : Hệ số từ thẩm của lừi đối với khụng khớ ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 37 n : Số vòng dây l : Chiều dài của dây dẫn s : Tiết diện dây dẫn
3.2.2 Đặc tính của cuộn cảm đối với dòng điện một chiều
Khi cấp nguồn một chiều cho cuộn dây, một điện thế cảm ứng được sinh ra bằng điện thế nguồn nhưng có dấu hiệu ngược lại, dẫn đến dòng điện iL bằng 0 Sau đó, dòng điện iL tăng theo hàm số mũ với công thức IL = UDC(1-e -t/ﺡ )/R.
Với ﺡ = L/R là hằng số thời gian của cuộn dây
3.2.3 Đặc tính của cuộn cảm đối với dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều có biên độ tức thời dược tính theo công thức : u(t) = Um sin t và i(t) = Imsint
So sánh biẻu thức u(t) và công thức tính điện áp uL trên cuộn cảm ta có
Um = .L.Im = 2f.L.Im Đây là điện áp cực đại trên cuộn cảm
- Sức cản của cuộn cảm đối với dòng AC
Theo định luật ohm ta có :
R = U Áp dụng trên cuộn cảm đối với AC ta có : fL
So sánh hai trường hợp ta thấy L có ý nghĩa như là điện trở, đối với cuộ dây gọi là cảm kháng, ký hiệu là XL Ta có : fL L
Trong đó : L – hệ số tự cảm (H) ; f – tần số (Hz) ; XL - cảm kháng ()
Cảm kháng XL tỉ lệ với tần sồ và hệ số tự cảm L cảm kháng cũng có đơn vị là như điện trở
Trong mạch điện chỉ có cuộn cảm và nguồn xoay chiều, định luật Ohm có thể được áp dụng để tính toán các thông số của mạch Giả sử nguồn điện xoay chiều được biểu diễn bằng công thức us(t) = Umsin(ωt), việc sử dụng định luật này giúp xác định các yếu tố quan trọng như điện trở và dòng điện trong mạch thuần cảm.
Dòng điện vào vuộn dây trể pha hơn 90 o nên :iL(t) = Imsin(t - 90 o )
Biên độ cực đại là :
3.3 Phương pháp kiểm tra chất lượng cuộn cảm
Để kiểm tra giá trị điện cảm của cuộn dây, chúng ta sử dụng đồng hồ Megaôm Các thao tác thực hiện tương tự như khi đo điện dung của tụ điện, nhưng đơn vị đo là Henri (H).
Để kiểm tra chất lượng của cuộn cảm, bạn có thể sử dụng đồng hồ Megaôm để đo giá trị điện cảm hoặc đồng hồ vạn năng Quá trình đo có thể dẫn đến một trong những trường hợp sau.
Bước 1: Dùng đồng hồ thang đo ôm nhỏ nhất
Đặt hai que đo lên hai đầu cuộn cảm và quan sát sự di chuyển của tụ Trong quá trình đo, sẽ có một trong các trường hợp xảy ra.
- Nếu kim đồng hồ tiến về vị trí 0 chứng tỏ cuộn cảm bị chập => chất lượng cuộn cảm đó bị hỏng
Hình 2.28: ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 39
- Nếu kim tiến về vị trí 0 sau đó trả về vị trí và dừng lại một gái trị lớn, chứng tỏ cuộn cảm bị chập một số vòng => hỏng
- Nếu kết quả phép đo bằng ∞, chứng tỏ cuộn cảm bị đứt => hỏng
- Nếu kết quả phép đo nhỏ =>chứng tỏ chất lượng cuộn cảm còn tốt
3.4.1 Ghép nối tiếp cuộn cảm
3.4.2 Ghép song song cuộn cảm
1/L = 1/L1 + 1/L2 + +1/Ln ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 40
LINH KIỆN BÁN DẪN
Khái niệm chất bán dẫn
Hai chất bán dẫn thông dụng là silicium và germanium có điện trở suất là:
Điện trở suất của chất bán dẫn rất lớn so với các chất dẫn điện như đồng và nhôm, nhưng lại nhỏ hơn nhiều so với các chất cách điện như thủy tinh, gốm, và giấy Điện trở của chất bán dẫn thay đổi đáng kể theo nhiệt độ; khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm và ngược lại Tính chất này cho phép chế tạo các điện trở phụ thuộc nhiệt độ, được gọi là điện trở nhiệt (Thermistor) Khi chất bán dẫn được đặt trong môi trường kín không có ánh sáng, điện trở của nó rất lớn, nhưng khi có ánh sáng chiếu vào, điện trở giảm xuống Mức độ giảm điện trở tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng, dẫn đến việc chế tạo ra điện trở phụ thuộc ánh sáng, hay còn gọi là điện trở quang (photo resistor).
Điện trở của khối bán dẫn tinh khiết rất lớn, nhưng khi pha trộn với một tỉ lệ nhỏ các chất thích hợp, điện trở sẽ giảm rõ rệt Tỉ lệ pha càng cao thì mức điện trở càng nhỏ, cho thấy điện trở của bán dẫn phụ thuộc vào độ tinh khiết Tính chất này là cơ sở để chế tạo diode và transistor.
Chất bán dẫn là những vật liệu có tính chất trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện Về mặt hóa học, bán dẫn có cấu trúc với 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử, điển hình là các chất Germanium (Ge) và Silicium (Si).
Để tạo ra Diode hoặc Transistor, cần bắt đầu từ các chất bán dẫn tinh khiết và chế tạo hai loại bán dẫn: bán dẫn loại N và bán dẫn loại P Sau đó, việc ghép nối các miếng bán dẫn loại N và P lại với nhau sẽ tạo ra các linh kiện điện tử quan trọng này.
Silic (Si) và Germanium (Ge) đều có hoá trị 4, với lớp electron ngoài cùng chứa 4 electron Trong trạng thái tinh khiết, các nguyên tử Si và Ge liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hoá trị.
Khi xem xét sự liên kết giữa các nguyên tử, chỉ lớp ngoài cùng được chú trọng Trong chất bán dẫn tinh khiết, các nguyên tử liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị, với bốn electron của mỗi nguyên tử kết nối với bốn electron của các nguyên tử xung quanh, tạo thành bốn mối nối chặt chẽ Điều này khiến cho các electron khó tách rời khỏi nguyên tử, dẫn đến việc chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn.
Khi thêm một lượng nhỏ Indium (In) có hoá trị 3 vào chất bán dẫn Silicon (Si), mỗi nguyên tử Indium sẽ liên kết với bốn nguyên tử Silicon thông qua liên kết cộng hoá trị Do thiếu một điện tử, nguyên tử Indium tạo ra lỗ trống mang điện dương, hình thành nên chất bán dẫn loại P.
Quá trình chuyển động của các lỗ trống này sẽ tạo dòng điện, có chiều cùng chiều di chuyển của lỗ trống (dòng dương)
Chất bán dẫn loại N, hay còn gọi là chất bán dẫn loại âm, và chất bán dẫn loại P, hay chất bán dẫn loại dương, không mang điện tích dương hay âm mà đều trung hòa về điện trong trạng thái bình thường Thuật ngữ "chất bán dẫn âm" đề cập đến khả năng của loại N trong việc tạo ra electron tự do, trong khi "chất bán dẫn dương" chỉ khả năng của loại P trong việc nhận electron tự do.
Khi pha một lượng nhỏ Phospho (P) có hoá trị 5 vào chất bán dẫn Silicon (Si), mỗi nguyên tử P sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si thông qua liên kết cộng hoá trị Tuy nhiên, nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia vào liên kết và còn lại 1 điện tử dư thừa, trở thành điện tử tự do Do đó, chất bán dẫn này sẽ trở thành thừa điện tử, mang điện âm và được gọi là bán dẫn N (Negative).
Quá trình chuyển động của các điện tử tự do này sẽ tạo dòng điện, có chiều ngược chiều di chuyển của điện tử tự do (dòng âm).
Diode
2.1 Cấu tạo, ký hiệu và ứng dụng của Diode a Cấu tạo và ký hiệu
Khi kết hợp hai chất bán dẫn P và N, ta tạo ra một Diode thông qua tiếp giáp P-N Tại bề mặt tiếp xúc giữa hai loại bán dẫn này, các điện tử dư thừa từ bán dẫn N sẽ khuếch tán sang vùng bán dẫn P, nhằm lấp đầy các lỗ trống.
=> tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn ( hình 2.41a )
* Ở hình trên là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn
Khi hai chất bán dẫn loại N và P được ghép lại tạo thành một tiếp giáp P-N, các điện tử tự do từ vùng N sẽ di chuyển và tái hợp với các lỗ trống trong vùng P.
Khi chất bán dẫn đạt trạng thái trung hòa điện, vùng tiếp giáp P-N sẽ hình thành ion dương ở vùng N và ion âm ở vùng P Sự chênh lệch điện tích tại vùng này tạo nên hàng rào điện thế, như thể hiện trong hình c).
A: Là cực Anot mang cực tính dương
K: Là cực Kanot mang cực tính âm b Ứng dụng: Diode được dùng trong các mạch chỉnh lưu, mạch hạn chế biên độ (mạch ghim điện áp), bộ chỉnh lưu công suất
Ta có thể phân loại diode theo nhiều cách khác nhau
- Phân loại theo nguyên lý hoath động: Diode chỉnh lưu, Diode ổn áp (Zener), Diode biến dung (Varricap), Diode ngược(Tunel)
- Phân loại theo đặc điểm cấu tạo: Diode tiếp điểm và diode tiếp mặt
- Phân loại theo công suất: Diode công suất bé, diode công suất trung bình và diode công suất lớn a Diode zener
Diode Zener có cấu trúc tương tự như diode thông thường, nhưng được pha tạp chất với tỷ lệ cao hơn Thường được làm từ silicon, diode Zener hoạt động chủ yếu ở chế độ phân cực ngược.
Diode Zener thường được sử dụng để ổn định điện áp một chiều Khi điện áp phân cực nghịch đạt đến giá trị nhất định, diode Zener bắt đầu dẫn điện với dòng điện lớn, và điện áp này được gọi là điện áp đánh thủng Uz Các diode Zener thường có điện áp trong khoảng từ 1V đến 200V Khi điện áp nghịch thấp hơn điện áp Uz, diode sẽ không dẫn.
- Ký hiệu, trị số và giá trị giới hạn
Ký hiệu và dạng cấu tạo của diode Zener được cho như hình trên
Ký hiệu trên vỏ linh kiện thường bắt đầu bằng các chữ cái như Z , BZ , hoặc 1N Chữ cái tiếp theo trong ký hiệu Z hoặc BZ thể hiện giá trị điện áp đánh thủng UZ Ví dụ, diode Z 24V có UZ = 24V, trong khi diode BZ 3V3 có UZ = 3,3V (chữ V ở đây đóng vai trò như dấu phẩy).
Công suất P của diode phải luôn nằm dưới giá trị tối đa Ptot, và dòng IZ không được vượt quá UZmax; nếu không, diode sẽ bị hư hỏng.
Ví dụ: Diode Zener ZPD 12 có công suất Ptot = 0,5 W Từ công suất này ta có:
Giá trị của diode Zener được đảm bảo ở nhiệt độ 25°C; tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên, áp suất tổng Ptot sẽ giảm Đường đặc tính của diode Zener được thể hiện qua hình vẽ.
Z tot ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 45
Trạng thái phân cực thuận: Diode Zener có đặc tính giống như diode nắn điện thông thường
Trong trạng thái phân cực nghịch, diode Zener có dòng điện rỉ nhỏ khoảng vài µA Khi đạt đến điện áp UZ, dòng IZ sẽ tăng nhanh chóng, trong khi điện áp trên diode gần như giữ ổn định ở mức hằng số, ví dụ như 5,6V Phạm vi ổn định của diode nằm giữa hai điểm A (IZmin) và B (IZmax), trong đó dòng IZmin là cần thiết để duy trì điện áp UZ trên diode Đường hyperbol công suất xác định giới hạn cho giá trị dòng điện và điện áp.
Diode Zener được sử dụng để ổn định và giới hạn điện áp, điều này rất quan trọng khi điện áp nguồn có sự dao động hoặc khi tải thay đổi.
Trong trường hợp lý tưởngthì điện áp UZ luôn giữ là hằng số
Trên thực tế, tại các điểm làm việc khác nhau, dòng điện không giống nhau Dựa vào hình vẽ, ta có thể xác định được điện trở động rZ.
Diode tách sóng thuộc vào loại linh kiện bán dẫn xưa nhất Thường là loại Germanium
- Dòng điện chịu đựng nhỏ (vài chục mA)
- Điện áp ngược cực đại thấp (URmax= vài chục V)
Điện dung ký sinh thấp Cj < 1pF, nhờ vào diện tích tiếp xúc nhỏ của mối nối pn, cho phép ứng dụng hiệu quả trong kỹ thuật cao tần.
- Điện áp ngưỡng thấp (UTO< 0,3V) c Diode biến dung
Diode biến dung là loại diode có điện dung ký sinh thay đổi theo điện áp phân cực.Hoạt động của diode biến dung
Diode biến dung được cấu tạo dựa trên nguyên lý tương tự như diode tiếp mặt Silicon Mối nối PN tạo ra một lớp chắn nghèo hạt tải điện, hình thành lớp cách điện giữa vùng P và N, hoạt động giống như điện môi trong tụ điện Độ rộng của lớp chắn này phụ thuộc vào điện áp ngược UR được áp dụng lên diode; khi điện áp phân cực ngược tăng, lớp chắn sẽ dày lên, dẫn đến việc điện dung của lớp chắn giảm xuống.
Diode biến dung được xem như là tụ điện có thể thay đổi được điện dung của nó bằng điện áp ngược Ứng dụng:
Diode biến dung dược sử dụng trong kỹ thuật cao tần để thay đổi tần số của mạch cộng hưởng d Photodiode (Diode quang)
Photodiode có cấu tạo tương tự như diode thông thường, nhưng được trang bị một lớp vỏ cách điện có phần kính hoặc thủy tinh trong suốt, giúp thu nhận ánh sáng từ môi trường bên ngoài chiếu vào mối nối pn Hình vẽ bên dưới minh họa cấu tạo và ký hiệu của photodiode.
Transistor lưỡng cực PJT
Transistor là từ viết tắt của “ Transfer resistor” là một linh kiện điện tử tích cực còn gọi là BJT (viết tắt của Bipolar Junction Transistor)
Cấu tạo của thiết bị bao gồm các miền bán dẫn P và N được xếp xen kẽ, tạo ra hai loại cấu trúc điển hình là PNP và NPN, tùy thuộc vào trình tự sắp xếp của các miền này.
Transistor bao gồm ba miền chính: miền emiter (E) có nồng độ tạp chất lớn nhất, miền base (B) với nồng độ tạp chất nhỏ nhất và độ dày chỉ khoảng micromet, và miền collector (C) với nồng độ tạp chất trung bình Tiếp giáp p-n giữa miền emiter và base được gọi là tiếp giáp emiter (je), trong khi tiếp giáp p-n giữa miền base và collector là tiếp giáp collector (jc) Ký hiệu của transistor có mũi tên chỉ từ bán dẫn p sang bán dẫn n giữa cực emiter và cực base Cấu trúc của transistor có thể được hình dung như hai diode mắc nối tiếp, nhưng việc chỉ đơn giản là mắc hai diode không thể thực hiện chức năng của transistor, vì hiệu ứng transistor chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa hai tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn.
Mỗi transistor đều có 3 chân là:
Cực phát e và cực thu c đều sử dụng cùng loại chất bán dẫn, nhưng do sự khác biệt về kích thước và nồng độ tạp chất, chúng không thể thay thế cho nhau.
3.2 Phân loại Transistor ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 58
3.3 Nguyên lý hoạt động của Transistor lưỡng cực Để transistor có thể hoạt động được cần phải đặt điện áp vào Colector-Emiter và điện áp phân cực cho Base Ở đây sự ổn định điểm làm việc về nhiệt độ đóng một vai trò rất quan trọng Vì nếu không nhiệt độ môi trường tăng thì dòng trong transistor cũng tăng theo Nếu dòng tăng thì nhiệt độ tinh thể bán dẫn cũng tăng và khả năng dẫn của chất bán dẫn cũng tăng theo đến một lúc nào đó thì công suất tiêu tán vượt quá giới hạn thì transistor sẽ bị hỏng
Transistor có thể hoạt đông trong 3 cách mắc cơ bản, đó là:
Mạch điện tử có ba loại chính: mạch cực phát chung, mạch cực thu và mạch cực nền chung, mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng Mạch cực phát chung là loại phổ biến nhất, trong khi mạch cực thu thường được sử dụng để phối hợp tổng trở Mạch cực nền chung đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật cao tần Trong thực tế, transistor sẽ được kết nối theo một trong ba cách này, với các linh kiện phụ trợ như điện trở và tụ điện đóng vai trò quan trọng trong chức năng của transistor Nhiệm vụ của transistor có thể được phân loại thành khuếch đại điện áp một chiều, khuếch đại điện áp xoay chiều, khuếch đại công suất và chuyển mạch điện tử, trong đó transistor loại NPN là một ví dụ điển hình.
The NPN transistor consists of three layers: the collector, which is made of N-type semiconductor; the base, a thin layer of P-type semiconductor with very low impurity concentration; and the emitter, which is also N-type semiconductor but has a high impurity concentration.
Khi áp dụng điện áp U1 tại tiếp giáp JE của transistor, các điện tử từ vùng emitter sẽ di chuyển vào vùng bán dẫn base Tuy nhiên, chúng không thể đi vào cực collector do tiếp giáp JE bị phân cực nghịch Sự khác biệt về nồng độ tạp chất giữa lớp bán dẫn loại N (cao) và lớp bán dẫn loại P (thấp) dẫn đến hiện tượng "nghẽn mạch điện tử" Để khắc phục tình trạng này, người ta sẽ thêm một nguồn điện áp U2 giữa cực C và cực E của transistor.
U2> U1 Trường hợp này xẩyra như sau:
Tiếp giáp JE được phân cực thuận dẫn đến hiện tượng dẫn điện, khi electron từ vùng bán dẫn N của cực E di chuyển sang vùng bán dẫn P để tái hợp với lỗ trống Điều này khiến vùng bán dẫn P của cực B nhận thêm electron, tạo ra điện tích âm Cực B nối vào cực âm của nguồn U1, hút một số electron từ vùng bán dẫn P, hình thành dòng điện IB Đồng thời, cực C nối vào cực dương của U2, hút hầu hết electron trong vùng bán dẫn P sang vùng bán dẫn N của cực C, tạo thành dòng điện IC Cực E được kết nối với nguồn điện áp âm, ảnh hưởng đến vùng N của cực.
E bị mất electron thì sẽ hút electron từ cực âm của nguồn lên thế chỗ tạo thành dòng điện
IE ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 60
Như vậy số lượng electron bị hút từ cực E chạy hầu hết qua cực C và B nên ta có:
Số lượng điện tử đến cực C lớn gấp khoảng 30…300 lần số lượng điện tử trực tiếp chảy từ cực Base về nguồn U1 b Transistor loại PNP
The PNP transistor consists of three layers: the collector layer, which is made of P-type semiconductor; the base layer, a thin and lightly doped N-type semiconductor; and the emitter layer, which is a heavily doped P-type semiconductor.
Khi đặt một điện áp âm giữa cực B và cực E, tiếp giáp JE sẽ được phân cực thuận, cho phép các hạt tải điện dương (lỗ trống) di chuyển vào vùng Base Tuy nhiên, trong vùng Base xảy ra hiện tượng "nghẽn mạch" do chỉ một số ít hạt tải điện dương có thể chạy vào cực âm của nguồn U1, cùng với việc tiếp giáp PN trên bị phân cực ngược.
Khi thêm một nguồn điện áp U2 vào giữa cực C và cực E của transistor, với U2 lớn hơn U1, sẽ tạo ra một điện trường giữa hai cực này Điện trường này tăng tốc các hạt tải điện dương hướng về cực C, với lực kéo mạnh mẽ khiến hầu hết các hạt tải điện từ vùng Base đi qua vùng chắn đến cực C Chỉ có một lượng nhỏ hạt tải điện dương quay về nguồn U1, trong khi số lượng hạt tải điện đến cực C gấp khoảng 30 đến 300 lần so với số hạt tải điện trực tiếp chảy từ cực Base về nguồn U1.
Dòng điện và điện áp ỏ transistor ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 61
Tất cả các dòng điện ở transistor được cho ỏ chiều dòng điện kỹ thuật (hình vẽ) Dòng điện IE là tổng của dòng điện IC và IB
3.4.Phương pháp kiểm tra Transistor
Căn cứ vào ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý và trên panel để nhận dạng Transistror
3.4.2 Xác định cực tính, loại và phẩm chất của Transistor a Xác định cực tính dựa vào ký hiệu Đối với các loại linh kiện Transistor thì đa số các hãng sản xuất nếu quay phần ghi tên ký hiệu linh kiện về phía mắt người đọc để xác định thứ tự các chân như sau: ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 62 Đa số Transistor loại nghịch có chữ cái Cxxx, Dxxx, Hxxx, DTCxxx (số); Transistor loại thuận có cữ cái là Axxx, Bxxx, DTAxxx (số), RNxxx (số)
Transistor trường có chữ cái Kxxx, 2SKxxx, BCxxx, P3Nxxx b Xác định cực tính dựa vào đồng hồ vạn năng
Một số hãng sản xuất linh kiện có thể không tuân theo quy định về thứ tự chân, vì vậy việc sử dụng đồng hồ vạn năng để xác định cực tích và loại linh kiện là rất cần thiết để đảm bảo chính xác.
* Xác định cực Bazơ và loại của Transistor thường:
Bước1: Sử dụng đồng hồ thang đo Ω nhỏ nhất
Bước 2: Sử dụng một que cố định (que đen) và đặt lên một chân cố định bất kỳ (chân thứ nhất) Sau đó, di chuyển que đo còn lại lên hai chân khác (chân thứ 2 và chân thứ 3), đồng thời ghi lại kết quả của hai phép đo này.
Lần đo thứ nhất ta có kết quả của hai phép đo R1-1 = R1-2.= 10Ω
Bước 3: Di chuyển que cố định sang chân thứ hai, thực hiện như bước 2
Lần đo thứ hai ta có kết quả của hai phép đo R2-1 = 5Ω và R2-2 = 500Ω ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 63
Bước 4: Di chuyển que cố định sang chân thứ ba, thực hiện như bước 2
Lần đo thứ ba ta có kết quả của hai phép đo R3-1 Ω và R3-2 5Ω
Bước 5: Xác định cực Bazơ và loại Transistor:
Kết quả từ ba lần đo sẽ được so sánh để xác định lần đo nào có hai kết quả phép đo bằng nhau hoặc gần bằng nhau và nhỏ nhất, cụ thể là lần đo thứ nhất, từ đó làm căn cứ để xác định cực Bazơ và loại.
●Tại que đo cố định là cực Bazơ của Transistor
●Nếu que đo cố định là que đen thì Transistor là loại nghịch (N-P-N) Còn nếu que đo cố định là que đỏ thì Transistor là loại thuận (P-N-P)
Transistor trường ( FET: Field Effect Transistor)
Transistor trường (FET - Field Effect Transistor) là loại transistor có tổng trở ngõ vào rất lớn, khác với transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar Junction Transistor) loại NPN hay PNP, vốn có tổng trở ngõ vào tương đối nhỏ trong cấu hình lắp thông thường kiểu E.
Transistor trường (FET) khác với transistor lưỡng cực ở chỗ dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo ra, nhờ vào nguyên lý hiệu ứng trường điều khiển độ dẫn điện của bán dẫn FET sử dụng điện trường ngoài để điều chỉnh hoạt động của nó, mang lại nhiều ưu điểm như xử lý và gia công tín hiệu hiệu quả, độ tin cậy cao và mức tiêu hao năng lượng thấp.
4.2 Transistor có cực cửa tiếp giáp ( JFET)
4.2.1 Cấu tạo và ký hiệu quy ước ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 84
JFET còn được gọi là transistor trường tiếp xúc P- N hay FET nối Gọi tắt là JFET JFET có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P
Cấu tạo của JFET kênh N bao gồm một tấm bán dẫn N, xung quanh được tạo lớp bán dẫn P có nồng độ cao hơn, cùng với ba điện cực: nguồn (Source), máng (Drain) và cổng (Gate) Kênh dẫn điện loại N nối giữa hai cực D và S, cách ly với cực G, được sử dụng để điều khiển Tương tự, JFET kênh P có cấu tạo tương đồng Để điều khiển dòng điện ở JFET kênh N, cần áp dụng điện áp âm vào cực G, trong khi đối với JFET kênh P, điện áp dương được đưa vào cực G.
Hình cắt, ký hiệu và đường đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 86
4.2.2 Nguyên lý hoạt động của JFET và MOSFET
Nguyên lý hoạt động của JFET kênh N dựa vào việc phân cực bằng hai nguồn điện áp UDS> 0 và UGS< 0 Đối với JFET kênh P, chiều điện áp phân cực sẽ ngược lại để đảm bảo tiếp giáp P-N xung quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược Nhờ vào điện trường này, trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID (dòng điện tử ở kênh N) di chuyển từ cực D đến cực S, với độ lớn phụ thuộc vào giá trị của UDS và UGS Điều này cho thấy rằng độ dẫn điện của kênh chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ cả hai điện trường này.
Khi áp dụng điện áp -UGS giữa cực G và cực S, cả hai tiếp giáp P-N đều bị phân cực nghịch, dẫn đến việc hình thành vùng chắn trong chất bán dẫn loại P và N, ngăn cản dòng điện chảy qua Vùng chắn này ngày càng mở rộng, làm cho dòng điện trong kênh giảm dần, với dòng điện lớn nhất gần cực Source và nhỏ hơn về phía cực Drain Điện áp -UGS càng lớn thì vùng chắn càng lớn, kéo theo dòng điện trong kênh càng nhỏ Độ lớn của điện trở RDS giữa cực S và cực D của JFET phụ thuộc vào điện áp -UGS, cho phép điều chỉnh điện trở RDS Khi vùng chắn tiếp xúc, dòng điện ID sẽ bị gián đoạn và trở về 0, chỉ còn một dòng điện rỉ rất nhỏ do tiếp giáp PN phân cực nghịch, giúp việc điều khiển dòng điện ID bằng điện áp -UGS tiêu tốn rất ít năng lượng.
* Nguyên lý hoạt động của Mosfet kênh P
Xét thí nghiệm nhỏ sẽ thấy được nguyên tắc hoặt động của nó ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 87
Khi cấp nguồn một chiều UD qua bóng đèn D vào hai cực D và S của Mosfet Q với phân cực thuận cho Mosfet ngược, bóng đèn không sáng, cho thấy không có dòng điện chạy qua DS.
Khi công tắc K1 đóng, nguồn UG được cấp vào hai cực GS, tạo ra điện áp UGS>0 khiến đèn sáng Độ sáng của đèn phụ thuộc vào mức điện áp đưa vào cực G Đối với kênh P, điện áp vào G là điện áp âm, trong khi đối với kênh N, điện áp vào G là điện áp dương.
4.2.3 Hình dáng của transistor trường
4.2.4 Đường đặc tính a Đặc tính ngõ vào Đường đặc tính ngõ vào của JFET không giống như transistor BJT(biểu diễn sự phụ thuộc giữa điện áp ngõ vào và dòng điện ngõ vào) Bởi vì JFET không có dòng điện ngõ vào Do đó đặc tính ngõ vào của JFET biểu diễn sự phụ thuộc giữa điện áp cực G và cực S
Trong hệ thống UGS, dòng điện ID tại một UDS cụ thể được kiểm soát bởi điện trở R1, có chức năng giới hạn dòng điện khi U1 bị đảo cực Đồng thời, RGS đảm bảo an toàn, ngăn ngừa sự nạp điện không mong muốn khi điện áp U1 bằng 0.
Cách thức để lấy đường đặc tính ngỏ vào như sau:
• Điều chỉnh U1 = 6V ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 88
• Điều chỉnh U2 để có giá trị UDS mong muốn và giữ bằng hằng số trong khi đo UDS = 1V
• Đóng công tắc S1 và giảm UGS từng bước nhỏ từ 6V đến 0V
• Đọc giá trị dòng ID ở mỗi UGS
• Mở công tắc S1, để JFET không bị nóng quá
• Lập lại phép đo cho UDS = 5V và UDS = 10V Đặc tính ngỏ vào của JFET kênh N (còn gọi là đặc tính truyền dẫn):
Từ đường đặc tính ngỏ vào ta thấy UDS có ảnh hưởng rất ít đến đặc tính ngỏ vào
Khi điện áp UGS càng âm, dòng điện ID sẽ giảm dần cho đến khi đạt giá trị ID = 0 Điện áp UDS sẽ thay đổi tương ứng với dòng ID.
= 0 được gọi là điện áp khóa UGS (P) (pinch - off) hay UGS(off)
Dòng điện ID đạt giá trị cực đại IDMAX khi điện áp UGS bằng 0V Đối với JFET kênh P, đường đặc tính ngỏ vào tương tự như kênh N nhưng có dòng điện và điện áp ngược dấu Đặc tính ngõ ra thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện cực máng ID và điện áp UDS khi UGS được giữ cố định.
Sơ đồ mạch để lấy đường đặc tính ngỏ ra của JFET kênh N ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 89
Sơ đồ mạch lấy đường đặc tính ngỏ ra như sơ đồ mạch lấy đường đặc tính ngỏ vào
Cách thức lấy đường đặc tính ngỏ vào như sau:
• Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0V
• Đặt U1 ở giá trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số
• Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau
• Đọc dòng ID ở mổi giá trị UDS
• Mở công tắc S1, chỉnh U2 về 0 và U1 ở giá trị điện áp tiếp theo
• Lập lại quá trình đo như trên
Vùng tuyết tính của JFET là khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS Trong vùng này, JFET hoạt động như một điện trở thuần cho đến khi đường cong đặc tính bị uốn mạnh.
Vùng bão hòa là trạng thái khi UDS đạt giá trị lớn, khiến cho dòng ID phụ thuộc yếu vào UDS và chủ yếu phụ thuộc vào UGS Trong vùng này, JFET hoạt động như một thiết bị khuếch đại, trong đó dòng ID được điều khiển bởi điện áp UGS.
Khi UDS đạt giá trị cao, ID sẽ tăng đột biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, dẫn đến hiện tượng thác lũ gần cực D do điện áp ngược lớn nhất tại khu vực này Đặc tính ngỏ ra của JFET kênh N là yếu tố quan trọng trong hiện tượng này.
Qua đồ thị đặc tính ngõ ra ta thấy rằng :
Khi trị số UGS âm dần, điểm uốn A xác định ranh giới giữa hai vùng tuyến tính và bảo hòa dịch dần về phía gốc tọa độ Điểm A, tương ứng với một trị số UGS nhất định, cho phép xác định giá trị điện áp bão hòa cực máng UDS sat, hay còn gọi là điện áp thắt kênh Khi |UGS| tăng, điện áp UDS sat sẽ giảm.
* Tương tự với điểm B: ứng với các giá trị UDS âm hơn, việc đánh thủng tiếp giáp
PN xẩy ra sớm hơn, với các giá trị UDS nhỏ hơn
4.2.5 Các tham số của JFET
Các tham số của JFET gồm hai nhóm:
- Tham số làm việc a Tham số giới hạn
Diac - SCR - Triac
Diac được viết tắt bởi Diode AC (semiconductor switch) công tắc bán dẫn xoay chiều hai cực
5.1.1 Cấu tạo và ký hiệu
Diac là một linh kiện điện tử có cấu trúc gồm ba lớp bán dẫn khác loại được ghép nối tiếp, tương tự như transistor nhưng chỉ có hai chân, vì vậy nó được coi là một transistor không có cực nền Hai chân ở hai đầu được gọi là T1 và T2, và do tính chất đối xứng của diac, không cần phân biệt giữa T1 và T2.
5.1.2 Nguyên lý hoạt động ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 98
Xét mạch thí nghiệm như hình vẽ: nguồn
VCC có khả năng điều chỉnh từ mức thấp đến cao, ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện qua diode Khi VCC ở mức thấp, dòng điện chỉ là dòng rỉ với trị số rất nhỏ Tuy nhiên, khi điện áp VCC tăng lên đến trị số đủ lớn, gọi là VBO, dòng điện sẽ đạt mức ngập IBO Điện áp này thường nằm trong khoảng từ 20V đến 40V, và dòng điện IBO có thể dao động từ vài chục microampe đến vài trăm microampe.
5.1.3 Đặc tính Volt – Ampe của DIAC Đặc tính Volt – Ampecủa diac hơi giống hai đặc tính của diode Zener gép nối tiếp nhưng ngược chiều nhau
Khi điện áp được áp dụng lên hai chân T1 – T2 của hai diode Zener Z1 và Z2, một diode Zener sẽ được phân cực thuận, tạo ra điện áp ra UD khoảng 0,7V Đồng thời, diode Zener còn lại sẽ bị phân cực ngược, dẫn đến hiệu ứng Zener và tạo ra điện áp VZ.
Như vậy, điện áp UBO của Z1 - Z2 chính là:
Khi đổi chiều dòng điện ngược lại thì chỉ có Zener phân cực thuận và 1 Zener phân cực ngược nên ta có điện áp UBO theo công thức trên
5.1.4 Các tham số kỹ thuật của DIAC
Khi sử dụng Diac, hai thông số quan trọng mà người dùng thường chú ý là dòng tải và áp giới hạn Áp giới hạn của Diac thường nằm trong khoảng từ 20V đến 40V.
5.2.1 Cấu tạo, ký hiệu và hình dáng của SCR a Cấu tạo ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 99
Thyristor còn được viết tắt là SCR ( Silicon Controlled Rectifier) bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng chất silicon
SCR gồm có 4 lớp bán dẵn PN ghép nối tiếp lại với nhau và được nối ra thành 3 chân đó là:
Anod ( dương cực); Katod (âm cực); Gate ( cực điều khiển) được biểu diễn trên hình bên b Ký hiệu và hình dáng của SCR
5.2.2 Nguyên lý hoạt động của SCR Để phân tích nguyên lý hoạt động của SCR, người ta có thể coi SCR như là 2 Transitor, gồm 1 loại NPN và 1 loại PNP, ghép lại theo kiểu cực C của NPN nối với cực
B của PNP và ngược lại, cực C của PNP nối với cực B của NPN
Gọi T1 là Transistor NPN và T2 là Transistor PNP a Xét trường hợp cực G để hở (hay điện áp U G = 0V) ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 100
Khi cực G có UG = 0V, transistor T1 không được phân cực tại cực B1, dẫn đến tình trạng T1 ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn, dòng IB1 và IC2 đều bằng 0, khiến T2 cũng ngưng dẫn Do đó, trong trường hợp này, SCR không dẫn điện, với dòng điện qua SCR là IA = 0 và UAK < UCC.
Khi điện áp nguồn UCC được tăng lên mức đủ lớn, điện áp UAK cũng tăng đến mức ngập UB0, dẫn đến việc điện áp UAK giảm xuống như một diode và dòng điện IA tăng nhanh Tại thời điểm này, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện Dòng điện tương ứng khi điện áp UAK giảm nhanh được gọi là dòng điện duy trì IH Sau đó, đặc tính của SCR sẽ tương tự như một diode nắn điện Trong trường hợp điện áp G có UAK > 0V.
Khi khóa K được đóng để cấp nguồn UDC cho cực G qua RG, SCR sẽ chuyển từ trạng thái khóa sang dẫn điện Lúc này, Transistor T1 được phân cực ở B1, dẫn đến dòng điện IG vào cực cổng là IB1, khiến T1 dẫn ra dòng IC1, tương ứng với dòng điện IB2 Đồng thời, T2 cũng dẫn điện và tạo ra dòng IC2, mà dòng này lại cung cấp ngược cho T1, với IC2 bằng IB1 Nhờ cơ chế này, SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà không cần dòng điện bổ sung.
Ta có: IC1 = IB2 và IC2 = IB1
Theo nguyên lý này, dòng điện đi qua hai transistor sẽ được khuếch đại dần, khiến cho hai transistor hoạt động ở trạng thái bão hòa Khi đó, điện áp UAK giảm gần bằng 1V và dòng điện qua SCR sẽ đạt giá trị tương ứng.
Qua thực nghiệm, khi dòng điện cấp cho cực G tăng, điện áp ngập UBo giảm, cho thấy SCR dễ dẫn điện hơn Trong trường hợp phân cực ngược của SCR, tình trạng này cũng cần được xem xét.
Khi phân cực ngược cho SCR bằng cách nối Anôt với âm nguồn và Katôt với dương nguồn, SCR sẽ không dẫn điện nhưng vẫn có một dòng điện nhỏ gọi là dòng điện rò Khi điện áp ngược đạt giá trị đủ lớn, SCR sẽ bị đánh thủng và cho phép dòng điện chạy theo chiều ngược Giá trị điện áp ngược cần thiết để đánh thủng SCR được gọi là UBR.
UBo bằng nhau và ngược dấu
5.2.3 Đặc tính Volt - Ampe ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 101
Qua thực nghiệm, khi dòng điện cung cấp cho cực G tăng lên, điện áp ngập UBo sẽ giảm, cho thấy SCR dễ dẫn điện hơn Đặc tính Volt – Ampe của SCR thể hiện rõ mối quan hệ này.
3 trường hợp IG = 0, IG2> IG1> 0
5.2.4 Các thông số kỹ thuật của SCR
Các thông số kỹ thuật của SCR rất quan trọng trong việc sửa chữa và thay thế, vì chúng quyết định tuổi thọ và sự ổn định của mạch điện Việc nắm rõ các thông số này là cần thiết, bởi chúng không được vượt quá giới hạn cho phép để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
- Điện áp thuận cực đại (Uth max): Điện áp thuận lớn có thể đặt lâu dài lên thyrisistor mà thyrisistor vẫn giữ được trạng thái khoá
Điện áp ngược cực đại (Ung max) là điện áp lớn nhất có thể duy trì lâu dài trên thyrisistor mà không gây ra hiện tượng đánh thủng Dòng điện ngược tương ứng với điện áp này nằm trong khoảng 10 đến 20mA.
- Điện áp định mức (Uđm): Điện áp cho phép đặt lâu dài lên thyristor ở cả chiều thuận và chiều ngược
- Sụt áp định mức: Điện áp rơi trên thyristor ở trạng thái thông với dòng định mức
Điện áp chuyển đổi là yếu tố quan trọng trong mạch điện, với điện áp thuận nhỏ nhất a Dòng điện thuận cực đại I Amax hay I Fmax là trị số dòng điện tối đa mà SCR có thể chịu đựng liên tục Nếu dòng điện vượt quá giá trị này, SCR sẽ bị hỏng Khi SCR đã dẫn điện, điện áp UAK khoảng 1V, cho phép tính toán dòng điện thuận chạy qua SCR theo công thức xác định.
