Giáo trình mô đun Kỹ thuật điện tử (Nghề Cơ điện tử - Trình độ cao đẳng) được biên soạn gồm 14 đơn vị bài học, trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng về: Phân tích cấu tạo, ký hiệu, phân loại và hình dáng của điện trở; phân tích phương pháp đọc và đo điện trở; tính toán được các thông số của mạch phân cực bằng cầu phân áp sử dụng điện trở; phân tích cấu tạo, ký hiệu và phân loại tụ điện, diode, transitor; phân tích được nguyên lý hoạt động của tụ điện, diode và transitor; phân tích cấu trúc, ký hiệu, phân loại và nguyên lý hoạt động của IC ổn áp, IC dao động; nhận dạng chính xác ký hiệu, hình dáng của từng linh kiện điện tử như Điện trỏ, Tụ điện, Diode, Transitor;…
Lắp ráp, khảo sát mạch phân cực bằng cầu phân áp sử dụng điện trở
Điện trở
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
Hình 1.1 Kí hiệu điện trở Đơn vị : Ohm (Ω)
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: Ω (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)
Kết luận từ thực nghiệm cho thấy, tại một nhiệt độ nhất định, điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu dây, tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện của dây.
R: điện trở của dây dẫn (Ω) l : chiều dài của dây dẫn (m) S: tiết diện của dây dẫn (m 2 ) ρ: điện trở suất (Ω m) Điện trở suất:
Số đo điện trở của dây dẫn làm bằng một chất nào đó và có chiều dài 1m, tiết diện thẳng 1m 2 được gọi là điện trở suất của chất đó
Điện trở suất của các chất khác nhau là khác nhau và biến đổi theo nhiệt độ Sự biến đổi này được xác định bằng công thức ρ = ρ0(1+at), trong đó ρ0 là điện trở suất đo ở 0°C, a là hệ số nhiệt độ, và t là nhiệt độ tính bằng độ C.
Bạc 0,016.10 6 Kẽm 0,06.10 6 Đồng 0,017.10 6 Thép 0,1 10 6 Nhôm 0,026.10 6 Photpho 0,11.10 6
Bảng 1.1 Điện trở suất của một số chất dẫn điện thường gặp.
Định luật ohm
2.1 Định luật Ohm cho đoạn mạch thuần điện trở
Năm 1926, nhà vật lý George Simon Ohm đã chứng minh rằng cường độ dòng điện trong một mạch điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế và tỉ lệ nghịch với điện trở của mạch.
U: hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch (V) R: điện trở (Ω)
2.2 Định luật Ohm tổng quát đối với đoạn mạch
Dòng điện chạy trong đoạn mạch được tính bởi công thức:
Rt: điện trở của đoạn mạch AB
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
2.3 Định luật Ohm tổng quát cho mạch kín
Dòng điện chạy trong một mạch kín được tính bởi công thức: t
I: cường độ dòng điện chạy trong mạch kín
V : tổng điện thế có trong mạch kín
Rt: điện trở của toàn mạch
Khi hai đầu A và B của đoạn mạch AB trùng nhau, ta có một mạch kín, dẫn đến điện thế tại A và B bằng nhau ( A = B) Do đó, công thức tính dòng điện sẽ được điều chỉnh tương ứng.
Phân loại
3.1 Phân loại theo cấu tạo
Điện trở than, hay còn gọi là carbon resistor, được sản xuất bằng cách trộn bột than và bột đất sét theo tỉ lệ nhất định, tạo ra các trị số khác nhau Sau khi ép lại, hỗn hợp này được cho vào ống Bakelite, với kim loại được ép sát ở hai đầu và hai dây hàn vào kim loại để đảm bảo kết nối Bên ngoài, kim loại được bọc để bảo vệ cấu trúc bên trong khỏi cọ xát và ẩm Cuối cùng, các vòng màu được sơn lên bề mặt để chỉ rõ trị số điện trở Loại điện trở này nổi bật với khả năng chế tạo dễ dàng và độ tin cậy cao.
Điện trở than là một linh kiện điện tử phổ biến, có giá thành rẻ và đáng tin cậy Chúng có trị số điện trở dao động từ vài Ω đến hàng chục MΩ, với công suất danh định từ 0,125 W đến vài W.
Điện trở màng kim loại (metal film resistor) được sản xuất bằng cách kết lắng màng Ni – Cr trên thân gốm có rãnh xoắn và phủ lớp sơn, với trị số điện trở ổn định từ 10 Ω đến 5 MΩ Loại điện trở này thường được sử dụng trong các mạch dao động nhờ độ chính xác cao và tuổi thọ lâu dài, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Tuy nhiên, nó không thể xử lý công suất lớn, với công suất danh định chỉ từ 0,05 W đến 0,5 W Để đáp ứng nhu cầu công suất cao hơn, người ta chế tạo điện trở có công suất danh định từ 7 W đến 1000 W, với khoảng điện trở từ 20 Ω đến 2 MΩ, thường được gọi là điện trở công suất.
Điện trở oxit kim loại được sản xuất bằng cách kết lắng lớp oxit thiếc trên thanh SiO2, mang lại độ ổn định nhiệt cao và khả năng chống ẩm tốt Công suất danh định của loại điện trở này dao động từ 0,25 W đến 2 W.
Điện trở dây quấn (wire wound resistor) được chế tạo từ hợp kim Ni – Cr quấn quanh lõi cách điện bằng sành hoặc sứ, với lớp ngoài phủ nhựa cứng và sơn cách điện Để giảm hệ số tự cảm L, dây quấn được thực hiện theo chiều thuận và nghịch Điện trở dây quấn có giá trị từ 0,1 Ω đến 1,2 MΩ và công suất danh định thấp từ 0,125 W đến 0,75 W Đối với điện trở dây quấn công suất cao, có hai dạng chính: dạng ống với trị số từ 0,1 Ω đến 180 kΩ và công suất từ 1 W đến 210 W, và dạng khung với trị số từ 1 Ω đến 38 kΩ, công suất từ 5 W đến 30 W.
3.2 Về mục đích sử dụng
Điện trở cố định là loại điện trở có giá trị không thay đổi, được xác định bởi nhà sản xuất với sai số trong mức cho phép Các loại điện trở cố định được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau.
Điện trở chính xác, bao gồm dạng màng kim loại và dây quấn, được thiết kế cho các mạch yêu cầu sai số hẹp, độ ổn định cao, tiếng ồn thấp và hệ số nhiệt độ thấp Dây quấn có khoảng điện trở từ 0,1 Ω đến 1,2 MΩ, mang lại độ ổn định tối ưu, nhưng không phù hợp cho tần số trên 50 kHz do ảnh hưởng của điện cảm và điện dung Ngược lại, điện trở màng kim loại có khoảng điện trở từ 10 Ω đến 5 MΩ, tuy không bền bằng dây quấn nhưng có điện cảm thấp hơn và thường được bọc kín hoặc đúc bằng nhựa phenol.
Điện trở bán chính xác được thiết kế cho các mạch yêu cầu độ ổn định nhiệt độ lâu dài, với kích thước nhỏ hơn và giá thành rẻ hơn so với điện trở chính xác Chức năng chính của nó là hạn dòng và giảm áp trong các mạch điện.
Loại điện trở Khoảng điện trở Khoảng công suất danh định
Điện trở đa dụng là loại điện trở nhỏ, giá rẻ, thường được sử dụng trong các mạch điện tử khi dung sai ban đầu không quan trọng (thường từ 5% trở lên) và độ ổn định lâu dài không cần thiết Tuy nhiên, không nên sử dụng loại điện trở này ở những nơi yêu cầu hệ số nhiệt độ thấp và mức ồn thấp Khoảng giá trị điện trở của chúng dao động từ 2,7 Ω đến 100 MΩ, nhưng từ 0,3 MΩ trở lên, điện trở bắt đầu giảm hiệu suất ở tần số khoảng 100 kHz, và ở tần số 1 MHz, tất cả các trị số đều bị giảm Công suất danh định của điện trở đa dụng dao động từ 0,125 W đến 2 W.
Điện trở công suất là loại điện trở có dạng dây quấn hoặc màng, với công suất danh định cao, thường được sử dụng trong các bộ nguồn công suất và bộ chia áp.
- 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 là thiết bị sử dụng dây dẫn có điện trở suất cao, đường kính nhỏ, được quấn quanh lõi cách điện bằng sứ hoặc nhựa tổng hợp theo hình vòng cung 270 độ Hai đầu dây được hàn vào hai cực dẫn điện A và B, và tất cả được bao bọc trong một vỏ kim loại có nắp đậy Trục quấn dây trên vòng cung có một con chạy với trục điều khiển được đưa ra ngoài nắp hộp, và con chạy này 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 là một thiết bị điện tử được cấu tạo bằng cách tráng một lớp than mỏng lên hình vòng cung bằng bakelit, với hai đầu nối với cực dẫn điện A và B Cực C, là con chạy bằng kim loại, tiếp xúc với lớp than và di chuyển khi trục xoay được chỉnh, từ đó làm thay đổi trị số biến trở Biến trở than được chia thành hai loại: biến trở tuyến tính và biến trở phi tuyến.
Biến trở than có trị số từ vài trăm Ω đến vài MΩ nhưng có công suất nhỏ
Hình 1.4 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
A Voltage Dependent Resistor (VDR) is a type of resistor whose resistance value changes based on the voltage applied to it Typically, the resistance of a VDR decreases as the voltage increases.
Điện trở quang (photoresistor) là linh kiện bán dẫn thụ động không có mối nối P-N, được chế tạo từ các vật liệu như CdS (Cadmium Sulfide) và CdSe.
Cadmium selenide (CdSe) and zinc sulfide (ZnS) are examples of semiconductor materials that can form mixed crystals A light-dependent resistor (LDR) is a type of photoconductive device whose resistance varies based on the intensity of light it receives.
Hình 1.6: Hình dạng và kí hiệu của điện trở quang
Cách mắc điện trở
Các điện trở mắc nối tiếp có giá trị tương đương bằng tổng các điện trở thành phần cộng lại
Hình 1.7: Mạch điện trở mắc nối tiếp
Xét mạch như hình 1.7, với:
I1: cường độ dòng điện chạy qua R1
I2: cường độ dòng điện chạy qua R2
I3: cường độ dòng điện chạy qua R3
U1: hiệu điện thế giữa hai đầu R1
U2: hiệu điện thế giữa hai đầu R2
U3: hiệu điện thế giữa hai đầu R3
Rtđ = R1 + R2 + R3 (1.7) Nếu có nhiều điện trở mắc nối tiếp thì
Hình 1.8: Mạch điện trở mắc song song
Các điện trở mắc song song có giá trị tương đương Rtd được tính bởi công thức
Xét mạch như hình 1.8, với:
I1: cường độ dòng điện chạy qua R1
I2: cường độ dòng điện chạy qua R2
I3: cường độ dòng điện chạy qua R3
U1: hiệu điện thế giữa hai đầu R1
U2: hiệu điện thế giữa hai đầu R2
U3: hiệu điện thế giữa hai đầu R3
Nếu chỉ có 2 điện trở thì R tđ = R 1 R 2
R 1 +R 2 Nếu có nhiều điện trở mắc song song với nhau thì:
Đọc trị số điện trở theo qui ước vòng màu
- Vòng A, B chỉ trị số tương ứng với màu
- Vòng C chỉ hệ số nhân
Ví dụ: Đỏ – tím – đỏ – bạc = 2,7 kΩ ± 10% Đỏ – tím – đỏ – vàng nhũ = 2,7 kΩ ±5% Đỏ – đỏ – đỏ – vàng nhũ = 2,2 kΩ ±5%
Nâu – lục – đỏ – vàng nhũ = 1,5 kΩ ±5%
Cam – cam – vàng nhũ – vàng nhũ = 3,3Ω ±5%
Màu Vòng A, B Vòng C Vòng D Đen
Bảng 1.2: Bảng qui ước màu điện trở
Các vòng màu trên điện trở 4 vòng được ký hiệu lần lượt là A, B, C, trong đó vòng A và B chỉ trị số tương ứng với màu sắc, còn vòng C biểu thị hệ số nhân Sai số của điện trở được thể hiện qua màu sắc của thân Ví dụ, điện trở có mã màu Đỏ – Tím – Đỏ tương đương với giá trị 2,7 kΩ ± 20%.
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
Nâu – đen – đen – đen – nâu = 100 Ω ±1%
- Đọc trị số điện trở theo qui ước chấm màu
Trên thân điện trở, một đầu có màu B khác với màu thân A, và giữa thân có chấm màu C Các màu sắc này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định trị số điện trở.
Một điện trở có thân màu xanh lá cây, một đầu màu đỏ, giữa thân có chấm vàng, trị số của nó là 520 kΩ
Điện trở có ghi số trên thân thường có hai số đầu mang ý nghĩa quan trọng, trong khi số thứ ba chỉ số nhân.
Trên thân điện trở có ghi 103 thì trị số điện trở là 10 kΩ
Ngoài ra trên thân điện trở có ghi con số và chữ thì con số chỉ trị số điện trở, chữ chỉ bội số:
Linh kiện điện trở có thể có giá trị từ rất thấp đến rất cao, với khoảng điện trở thực tế dao động từ 0,1 Ω đến 100 MΩ.
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
Công suất của điện trở
Công suất của điện trở là giá trị tối đa mà nó có thể tiêu tán, được nhà sản xuất ghi rõ trên thân hoặc kích thước của điện trở Thông thường, điện trở có kích thước lớn hơn sẽ có công suất lớn hơn Mối quan hệ giữa kích thước và công suất của điện trở có thể tham khảo qua bảng 2.3.
Công suất Chiều dài Đường kính
Bảng 1.3 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.
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,…
Hình 1.9: Mạch dùng R hạn dòng, giảm áp
Lắp ráp, khảo sát mạch phân cực bằng cầu phân áp sử dụng điện trở….19 Bài 2: Lắp ráp, khảo sát mạch chỉnh lưu một bán kỳ 1 pha dùng Diode
+ Lắp ráp mạch cầu phân áp sử dụng điện trở
+ Tính toán các thông số, giá trị
+ Đo các giá trị điện trở, dòng điện, điện áp
- Bộ thực hành điện tử
- Bộ nguồn, testboard, dây cắm, VOM
- Các linh kiện điện trở
Yêu cầu chuẩn bị các câu hỏi lý thuyết sau:
- Đọc giá trị điện trở
- Đo giá trị điện trở
- Tính toán giá trị điện trở
Bài thực hành số 1: Tính chọn điện trở cho mạch phân cực
- Cho VCC = 5V, V0 =3V dòng điện qua mạch là 0.5 A tính chọn các giá trị điện trở
Bài thực hành số 2: Mạch phân cực điện trở
- Tính dòng điện qua mạch
- Tính giá trị điện áp Vout1
- Tính giá trị điện áp Vout2
❖ Đo các giá trị I, Vout1, Vout2 Với VCC = 5V
+ Thực hành lắp ráp mạch phân áp dùng điện trở theo yêu cầu
+ Nghiên cứu, đo đạc, sửa chữa mạch phân áp dùng điện trở ghi lại kết quả vào bài
- Hình thức tổ chức: tổ chức theo nhóm nhỏ từ 2-3 học sinh
+ Giáo viên hướng dẫn ban đầu, học sinh thực hiện các nội dung dưới sự theo dõi, chỉ dẫn của giáo viên
+Giáo viên nhận xét kết quả thực hiện của học viên
BÀI 2: LẮP RÁP MẠCH CHỈNH LƯU MỘT BÁN KỲ 1 PHA DÙNG
Diode là linh kiện điện tử phổ biến, được sử dụng cho nhiều mục đích như chỉnh lưu, điều chỉnh điện áp và bộ trộn tín hiệu Tùy thuộc vào ứng dụng, diode được chế tạo thành nhiều loại khác nhau Bài viết này sẽ tập trung vào cấu tạo và ứng dụng của diode chỉnh lưu.
Diode và tụ điện là hai linh kiện điện tử quan trọng, mỗi loại có cấu tạo và ký hiệu riêng, cũng như các phương pháp phân loại khác nhau Diode hoạt động dựa trên nguyên lý cho phép dòng điện chỉ đi qua theo một chiều, trong khi tụ điện lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của các linh kiện này, việc đo, đọc và kiểm tra diode và tụ điện là cần thiết, giúp xác định tình trạng và hiệu suất của chúng trong mạch điện.
+ Tính toán được các thông số của mạch chỉnh lưu một bán kỳ 1 pha dùng Diode + Nhận Phân tíchcác lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa
+ Lắp ráp và khảo sát được mạch chỉnh lưu một bán kỳ 1 pha dùng Diode theo đúng yêu cầu kỹ thuật
+ Có ý thức về an toàn lao động, tính cẩn thận, chính xác trong quá trình lắp ráp
Sự dẫn điện của một chất phụ thuộc vào số lượng electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử Dựa trên yếu tố này, người ta có thể xác định khả năng dẫn điện của chất đó.
Chất dẫn điện (conductor) có số điện tử ở lớp ngoài cùng ít hơn nhiều so với số điện tử bão hòa, trong khi chất cách điện (insulator) có số điện tử ở lớp ngoài cùng bằng hoặc gần bằng số điện tử bão hòa Chất bán dẫn (semiconductor) nằm giữa hai loại trên, với độ dẫn điện có thể điều chỉnh Chất bán dẫn nguyên tố thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn, điển hình là Silicium (Si) và Germanium (Ge) Chất bán dẫn hợp chất được tạo thành từ sự kết hợp của các nguyên tố ở nhóm III và V, II và VI, cũng như các hợp chất gồm ba hoặc bốn nguyên tố như AlGaAs, GaAsP, và AlGaAsSb Các hợp chất đặc biệt như SiC và SiGe cũng thuộc nhóm IV.
- Hợp chất gồm hai nguyên tố II và VI : CdSi, CdTe, HgS, ZnS, ZnTe
- Khái niệm: Bán dẫn thuần là bán dẫn duy nhất không pha thêm chất khác vào
Hình 2.1 Cấu trúc tinh thể Si
Bán dẫn thuần, như silicon (Si), có cấu trúc với 4 điện tử ở lớp ngoài cùng, liên kết với 4 điện tử của các nguyên tử lân cận qua liên kết cộng hóa trị Ở nhiệt độ thấp, các liên kết này bền vững, khiến Si không dẫn điện Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng hoặc khi được cung cấp năng lượng, một trong những liên kết có thể bị phá vỡ, tạo ra điện tử tự do và lỗ trống mang điện tích dương Số lượng điện tử tự do và lỗ trống tăng theo nhiệt độ, nhưng mật độ của chúng (ni = pi) vẫn bằng nhau Khi không có điện trường, chúng chuyển động hỗn loạn và không tạo ra dòng điện Khi có điện trường, điện tử di chuyển ngược chiều và lỗ trống di chuyển cùng chiều với điện trường, tạo ra dòng điện trong bán dẫn Dòng điện trong bán dẫn thuần là sự chuyển động có hướng của điện tử tự do và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường.
Bán dẫn tạp chất là loại bán dẫn được pha trộn với các chất khác, tạo ra hai loại chính: bán dẫn loại N và bán dẫn loại P Sự khác biệt giữa hai loại này phụ thuộc vào loại chất tạp chất được thêm vào.
Hình 2.2 Bán dẫn loại N 1.3.1 Bán dẫn loại N
Khi thêm một lượng rất nhỏ phosphore (P) vào chất bán dẫn silicon (Si) với tỉ lệ 1/10^8, khả năng dẫn điện của Si tăng lên gấp 10 lần Phosphore, thuộc nhóm V, có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng, trong đó 4 điện tử liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận Điện tử còn lại không tham gia vào liên kết hóa trị trở thành điện tử tự do, khiến nguyên tử phosphore bị ion hóa và trở thành ion dương Khi có điện trường tác động, các hạt dẫn tự do sẽ di chuyển theo hướng nhất định.
Khi pha chất P trong chất bán dẫn Si tăng lên, độ dẫn điện của nó cũng tăng theo Tạp chất nhóm V, được gọi là tạp chất cho (donor), cung cấp điện tử cho chất bán dẫn cơ bản, tạo thành bán dẫn loại N (Negative) Nồng độ tạp chất trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn được ký hiệu là Nd, và khi được cung cấp năng lượng đầy đủ, các nguyên tử tạp chất sẽ bị ion hóa hoàn toàn, dẫn đến nồng độ điện tử tự do do tạp chất cung cấp là nd = Nd.
Trong chất bán dẫn loại N, ngoài số điện tử tự do do tạp chất cung cấp, vẫn diễn ra quá trình sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống do tác động của nhiệt độ hoặc ánh sáng Tổng nồng độ điện tử tự do được tính bằng công thức nn = Nd + pn, trong đó pn là nồng độ lỗ trống Do nn > pn, bán dẫn loại N có hạt tải dẫn điện đa số là điện tử và thiểu số là lỗ trống Trong một số trường hợp, người ta có thể bỏ qua vai trò của hạt tải dẫn điện thiểu số, dẫn đến gần đúng là nn ≈ Nd.
Pha thêm một lượng rất ít Bore (B) vào chất bán dẫn Si theo tỉ lệ 1/10 8 , sự dẫn điện của
B là chất thuộc nhóm III với 3 điện tử ở lớp ngoài cùng, liên kết với 3 điện tử của 3 nguyên tử Si lân cận Tuy nhiên, B thiếu một điện tử cho liên kết cuối cùng và dễ dàng nhận thêm một điện tử từ nguyên tử gần đó khi có kích thích như nhiệt độ hoặc ánh sáng Khi đó, nguyên tử tạp chất trở thành ion âm, tạo ra một lỗ trống Mỗi nguyên tử tạp chất tạo ra một lỗ trống, do đó nồng độ tạp chất càng cao thì số lỗ trống càng nhiều Khi có điện trường áp dụng, các lỗ trống này sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện.
Tạp chất nhóm III, được gọi là tạp chất nhận (acceptor), nhận điện tử từ chất bán dẫn cơ bản và tạo ra các lỗ trống Khi chất bán dẫn được pha thêm tạp chất nhóm III, nó sẽ trở thành bán dẫn loại P (Positive).
Na là nồng độ tạp chất trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn cơ bản, và khi được cung cấp đủ năng lượng, tất cả các nguyên tử tạp chất sẽ bị ion hóa Nồng độ điện tử tự do được tạo ra từ tạp chất này là một yếu tố quan trọng trong tính chất của chất bán dẫn.
Trong chất bán dẫn loại P, ngoài số lỗ trống do tạp chất tạo ra, còn có sự hình thành các cặp điện tử - lỗ trống do tác động của nhiệt độ hoặc ánh sáng Tổng nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn loại P được ký hiệu là pp, trong khi nồng độ điện tử là np Công thức liên quan giữa các đại lượng này là: pp = Na + np.
Trong bán dẫn loại P, nồng độ hạt tải dẫn điện đa số là lỗ trống, trong khi hạt tải dẫn điện thiểu số là điện tử Thông thường, người ta có thể bỏ qua vai trò của hạt tải dẫn điện thiểu số và áp dụng gần đúng rằng pp ≈ Na.
*Chuyển động biểu kiến của lỗ trống
Khi điện tử di chuyển từ vị trí số 1 sang vị trí số 2, nó để lại một lỗ trống ở vị trí số 1, trong khi lỗ trống được coi là dịch chuyển ngược lại từ vị trí số 2 về số 1 Điều này cho thấy điện tử và lỗ trống chuyển động ngược chiều nhau: điện tử di chuyển từ vùng âm sang vùng dương, trong khi lỗ trống di chuyển từ vùng dương sang vùng âm Khi hai mẫu bán dẫn loại P và N tiếp xúc với nhau, một lớp tiếp xúc P-N (mối nối P-N) hình thành, tại đây xảy ra hiện tượng trao đổi điện tích Điện tử từ vùng N khuếch tán sang vùng P, trong khi lỗ trống từ vùng P khuếch tán sang vùng N, tạo ra dòng thuận (dòng khuếch tán) iF có chiều từ P đến N.
Diode bán dẫn
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 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
Một diode có thể được tạo ra từ mẫu bán dẫn loại N pha tạp chất Nd bằng cách chuyển đổi một phần của nó thành loại P thông qua việc thêm các tạp chất nhận điện tử với Na > Nd Điểm chuyển đổi giữa loại P và loại N được gọi là tiếp xúc luyện kim (mối nối luyện kim) Mẫu bán dẫn loại P tiếp xúc với kim loại tạo ra cực anode (A), trong khi mẫu bán dẫn loại N tiếp xúc với kim loại tạo ra cực cathode (K).
Hình 2.5 Diode bán dẫn: a) cấu tạo b) ký hiệu A: Anode: cực dương K: Cathode: cực âm
Cấu tạo (a), kí hiệu (b) của diode
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
Khi kết nối diode theo mạch phân cực thuận, cực A được nối với cực dương của nguồn và cực K với cực âm Điện tích âm từ nguồn sẽ đẩy điện tử trong vùng N về lớp tiếp xúc, trong khi điện tích dương đẩy lỗ trống trong vùng P cũng về lớp tiếp xúc, làm cho vùng khiếm khuyết hẹp lại Khi lực đẩy đạt đủ mức, điện tử sẽ vượt qua lớp tiếp xúc từ vùng N sang vùng P và đến cực dương của nguồn Lực đẩy đủ lớn xảy ra khi điện áp VAK đạt giá trị Vγ, tại thời điểm này, diode cho phép dòng điện chảy từ A sang K.
K Vγ được gọi là điện thế ngưỡng (điện thế thềm, điện thế mở) Đối với loại Si có Vγ 0,6V÷(0,7 V); Ge có Vγ= 0,2 V
Hình 2.7 Mạch phân cực nghịch diode
Khi kết nối cực âm của nguồn với A và cực dương với K, điện tích âm sẽ hút lỗ trống ở vùng P, trong khi điện tích dương hút điện tử ở vùng N, dẫn đến việc điện tử và lỗ trống càng xa nhau hơn Sự mở rộng của vùng khiếm khuyết làm cho hiện tượng tái hợp giữa điện tử và lỗ trống trở nên khó khăn, do đó không có dòng điện qua diode Tuy nhiên, trong mỗi vùng bán dẫn vẫn tồn tại hạt tải thiểu số, dẫn đến một lượng nhỏ điện tử và lỗ trống tái hợp, tạo ra dòng điện nhỏ từ N qua P, được gọi là dòng nghịch (dòng rỉ, dòng rò) với cường độ chỉ vài nA Trong nhiều trường hợp, diode được coi là không dẫn điện khi phân cực nghịch Khi tăng điện áp phân cực nghịch, dòng điện hầu như không đổi, nhưng nếu vượt quá ngưỡng, diode có thể bị hư hỏng do hiện tượng đánh thủng Nếu xét dòng điện rỉ, diode sẽ có dòng nhỏ chạy từ K về A trong điều kiện phân cực nghịch.
Khi ta dùng nguồn VDC điều chỉnh được và chỉnh về 0, lúc đó mạch có VA = VK = 0 hay
Khi VAK = 0 hoặc VA = VK ≠ 0 nhưng VAK vẫn bằng 0, diode không được phân cực Trong tình huống này, không có sự chênh lệch điện thế, dẫn đến việc không có sự dịch chuyển của các hạt tải và do đó không có dòng điện.
IS: dòng nghịch bão hòa
VB: điện thế đánh thủng k: hằng số Boltzman, k = 1,38.10 -23 J/ 0 K
T: nhiệt độ tuyệt đối của chất bán dẫn, ở nhiệt độ thường T = 3000K
Không phâncực: VD = 0 𝑒 ( 0,026 𝑉𝐷 ) = 1 ID = IS (1 – 1) = 0
Phõn cực nghịch: VD < 0 𝑒 ( 0,026 𝑉𝐷 ) ô 1 ID = IS (– 1) = -IS Dấu (-) chỉ chiều dũng điện qua diode khi phân cực nghịch ngược với chiều dòng điện qua diode khi phân cực thuận
Có hai loại điện trở liên quan đến diode:
- Điện trở tĩnh: điện trở đối với dòng điện một chiều
Khi diode được phân cực thuận, dòng điện lớn chạy qua, dẫn đến điện trở thuận nhỏ Ngược lại, khi diode phân cực nghịch, dòng rỉ nhỏ làm tăng điện trở thuận Đặc tính này được sử dụng để kiểm tra diode bằng máy đo V.O.M.
Điện trở nghịch của diode phụ thuộc vào loại chất bán dẫn, cụ thể là silicon (Si) hoặc germanium (Ge) Đối với diode silicon, điện trở thuận chỉ vài ôm, trong khi điện trở nghịch có thể lên tới vài trăm kilo-ohm.
Bảng 2.1: Điện trở của diode
Kết quả: Điện trở thuận = điện trở nghịch = 0 Ω thì diode bị đánh thủng Điện trở thuận
Khi điện trở nghịch đạt giá trị vô cực (∞), diode sẽ bị đứt Nếu điện trở thuận đúng nhưng điện trở nghịch giảm xuống đáng kể, diode sẽ bị rò rỉ và không còn sử dụng được Để đảm bảo diode hoạt động tốt, điện trở thuận và điện trở nghịch cần phải đúng theo bảng quy định Ngoài ra, điện trở động được xác định là điện trở đối với tín hiệu xoay chiều.
Diode lý tưởng hoạt động như một công tắc, với đặc điểm là không có điện trở khi được phân cực thuận và có điện trở vô cực khi phân cực nghịch Do đó, trạng thái của diode (ON hay OFF) phụ thuộc vào cực tính của điện áp áp dụng.
Mạch tương đương của diode khi xử lý tín hiệu xoay chiều bao gồm các thành phần chính: r1 là điện trở của hai chất bán dẫn, thường được bỏ qua, và rd là điện trở động, tức là điện trở vi phân đối với tín hiệu xoay chiều.
Ct : điện dung tương đương của diode gồm điện dung mối nối Cj và điện dung khuếch tán Cd
Trị số Ct của diode thay đổi theo điện áp đặt vào, với tín hiệu tần số thấp, ảnh hưởng của Ct có thể không đáng kể Tuy nhiên, ở tần số cao, Ct có ảnh hưởng quan trọng, làm giảm trở kháng theo chiều nghịch và làm xấu đặc tính chỉnh lưu của diode Điều này cũng dẫn đến việc làm chậm tốc độ đóng mở khi sử dụng diode như khóa điện tử.
Diode cơ bản là một mối nối P – N, tuy nhiên, dựa vào kết cấu và công dụng, chúng ta có thể phân loại các loại diode khác nhau.
Dựa theo kết cấu lớp tiếp xúc P – N Có hai loại: diode tiếp điểm và diode tiếp mặt
Diode tiếp điểm là loại diode có diện tích tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn P-N rất nhỏ, gần như chỉ bằng một điểm, và được bảo vệ bởi lớp vỏ thủy tinh Loại diode này có dòng điện định mức rất thấp, chỉ khoảng vài chục miliampe, và điện áp ngược không vượt quá vài chục volt.
Diode tiếp mặt là loại diode có mặt tiếp xúc phẳng giữa hai lớp bán dẫn P và N, với lớp vỏ bên ngoài làm bằng nhựa Loại diode này có khả năng chịu dòng điện định mức lớn, từ vài trăm miliampe đến vài trăm ampe, và điện áp ngược có thể lên đến vài trăm volt.
Diode chỉnh lưu là một linh kiện điện tử có hình dạng lớn, thuộc loại tiếp mặt và hoạt động ở tần số thấp, được sử dụng để chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều Loại diode này rất phổ biến, thường được bọc nhựa màu đen với một vạch trắng Khi sử dụng, cần chú ý đến hai thông số quan trọng: điện áp ngược cực đại và dòng thuận tối đa Diode có thể được mắc nối tiếp để tăng điện áp ngược hoặc mắc song song để tăng khả năng chịu dòng.
Tụ điện
Tụ điện (capacitor) là linh kiện có tính tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện trường 3.2 Cấu tạo – kí hiệu
Tụ điện được cấu tạo gồm hai bản cực bằng chất dẫn điện (kim loại) đặt song song gần nhau nhưng cách điện bởi lớp điện môi ở giữa
Kí hiệu của tụ điện:
3.3 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:
Femptofarad (fF) là đơn vị đo điện dung, với 1 fF tương đương 10^-15 farad Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào loại chất điện môi, tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt của bản tụ, và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản tụ, tức là độ dày của lớp điện môi.
S: tiết diện của bản tụ (m 2 ) d: khoảng cách giữa hai bản tụ (m) ε = εr ε0 εr : hằng số điện môi tương đối ε0: hằng số điện môi không khí; ε0 = 8,85.10 -12 F/m Một số chất điện môi thường dùng để làm tụ: Không khí khô, giấy tẩm dầu, gốm, oxit nhôm, mica Điện dung có thể đo bằng tỉ số điện tích của tụ trên hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện
U: hiệu điện thế giữa 2 bản tụ (V)
Năng lượng tích trữ ở tụ điện là:
W: năng lượng (J) C: điện dung (F) U: hiệu điện thế giữa 2 bản tụ (V) 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
❖ Mạch tương đương của tụ điện
Ngoài điện dung, một tụ điện thực tế còn có điện trở và điện cảm như trong mạch tương đương hình
Hình 2.15: Mạch tương dương của tụ điện Với RS là điện trở nối tiếp do các dây dẫn, các đầu tiếp xúc và các điện cực
Điện trở sun (RP) được xác định bởi điện trở suất của chất điện môi và vật liệu làm vỏ, cũng như độ hao điện môi Hệ số tự cảm (L) là điện cảm tạp do dây dẫn và các điện cực Điện trở tương đương nối tiếp (ESR - Equivalent Series Resistance) của tụ điện phản ánh điện trở AC, bao gồm cả điện trở nối tiếp (RS) và điện trở song song (RP) tại một tần số nhất định Độ hao của các phần tử này có thể được 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 ()
Khi làm việc ở tần số cao, tổng trở (điện kháng) cần phải tính thêm điện cảm ở đầu ra Các ký hiệu liên quan bao gồm XC cho dung kháng (Ω), ω cho tần số góc (rad/s), C cho điện dung (F) và f cho tần số (Hz).
R: Điện trở tương đương nối tiếp()
XL: cảm kháng (), XL = ωL = 2πfL
Hệ số công suất (PF) là chỉ số thể hiện độ hao điện trong tụ điện khi hoạt động với điện áp xoay chiều (AC) Trong trường hợp của tụ điện lý tưởng, dòng điện sẽ sớm pha hơn điện áp giữa hai đầu tụ một góc 90 độ.
Tổn hao ở chất điện môi, điện cực và các đầu tiếp xúc dẫn đến góc pha nhỏ hơn 90 độ Hệ số công suất (PF) được định nghĩa là tỷ số giữa điện trở tương đương nối tiếp R và tổng trở Z, với đơn vị tính là phần trăm (%).
Hệ số tiêu tán DF (Dissipation Factor) là tỷ lệ giữa điện trở tương đương nối tiếp R và dung kháng XC, được tính bằng phần trăm (%) Khi hệ số công suất PF nhỏ hơn hoặc bằng 10%, DF có giá trị xấp xỉ bằng PF.
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 DC là dòng điện chạy qua tụ khi có điện áp DC được áp dụng Điện trở cách điện được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp đặt vào tụ và dòng điện rỉ, thường được biểu thị bằng đơn vị Megaohm (MΩ).
Hình 2.16: Mạch tụ điện mắc nối tiếp Điện tích nạp vào tụ được tính theo công thức:
Nếu có nhiều tụ ghép nối tiếp thì:
Hình 2.17: Mạch tụ điện mắc song song Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ C1, C2:
Điện tích nạp vào tụ điện C1 được tính bằng công thức Q1 = C1U, trong khi điện tích nạp vào tụ C2 là Q2 = C2.U Đối với tụ điện Ctđ, điện tích nạp vào được xác định qua Q = Ctđ.U Do đó, điện tích nạp vào các tụ C1 và C2 bằng với điện tích nạp vào tụ Ctđ.
Nếu có nhiều tụ mắc song song thì:
Phân loại
4.1 Dựa theo mục đích sử dụng
Tụ cố định là loại tụ điện có trị số điện dung không thay đổi, được nhà sản xuất xác định với sai số trong giới hạn cho phép Tụ cố định được chia thành hai loại: tụ có cực (polar), với cực dương và âm, và tụ không phân cực (nonpolar), có hai cực giống nhau.
- Tụ biến đổi: là loại tụ có trị số điện dung được điều chỉnh thay đổi theo yêu cầu sử dụng
Hình 2.18: Biến dung 4.2 Dựa theo chất điện môi
Tụ hóa là loại tụ có phân cực tính, với bản cực làm từ lá nhôm và điện môi là lớp oxit nhôm mỏng được tạo ra qua quá trình điện phân Tụ hóa có điện dung lớn, nhưng cần phải lắp đúng cực tính dương và âm, và thường có điện thế làm việc nhỏ hơn 500V Tụ hóa tantalum (Ta) cũng là tụ có phân cực tính, cấu tạo tương tự như tụ hóa nhưng sử dụng tantalum thay vì nhôm, cho kích thước nhỏ gọn và điện dung lớn, với điện thế làm việc chỉ vài chục volt.
Tụ giấy là một loại tụ điện không phân cực, được cấu tạo từ hai bản cực làm bằng nhôm hoặc thiếc, với lớp cách điện là giấy tẩm dầu cuộn lại thành hình ống.
Tụ màng là loại tụ điện không phân cực, sử dụng chất điện môi là màng dẻo như polypropylene, polystyrene, polycarbonate và polyethylene Có hai loại tụ màng chính, bao gồm tụ foil và tụ kim loại hóa.
Tụ điện kim loại hóa sử dụng các lớp kim loại như nhôm hoặc kẽm phun lên màng chất dẻo để tạo ra các bản cực dẫn điện So với tụ foil, tụ kim loại hóa có kích thước nhỏ hơn với 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; nếu điện môi bị đánh thủng do quá điện áp, tụ vẫn có thể phục hồi mà không bị hư hại, điều này không có ở tụ foil.
Tụ gốm là loại tụ điện không phân cực, được sản xuất với chất điện môi là gốm và có lớp bạc tráng trên bề mặt để tạo thành bản cực.
Tụ mica là loại tụ điện 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 kết nối để tạo thành các bản cực, sau đó được bao phủ bằng lớp chống ẩm bằng sáp hoặc nhựa cứng Tụ mica thường có hình dạng khối chữ nhật, bên cạnh đó còn có tụ dán bề mặt với kích thước nhỏ, được làm bằng vật liệu điện môi gốm giữa hai màng dẫn điện Mạng tụ điện là dạng tụ tích hợp nhiều tụ bên trong một thanh để tiết kiệm diện tích, với ký hiệu chân chung và giá trị của các tụ.
❖ Cách đọc trị số điện dung
- Tụ cú ghi số trờn thõn: 1 cú nghĩa là tụ cú điện dung C = 0,1 àF; 01 cú nghĩa là tụ cú điện dung C = 0,01 àF
Tụ điện có ký hiệu 103K trên thân cho biết điện dung của nó là 10000 pF với sai số ± 10% Hai chữ số đầu tiên đại diện cho giá trị điện dung, trong khi chữ số thứ ba chỉ số nhân Các ký hiệu sai số bao gồm: J = ± 5%, K = ± 10%, và M = ± 20%.
Tụ điện có hai chữ số ghi trên thân, chẳng hạn như 47/50, trong đó số đầu tiên thể hiện điện dung tính bằng picoFarad (pF), còn số thứ hai chỉ ra trị số điện áp làm việc tính bằng volt.
Tụ hóa là loại linh kiện điện tử có cực tính được đánh dấu bằng dấu + hoặc - Đơn vị đo điện dung của tụ hóa là microfarad (µF), trong khi điện áp làm việc được đo bằng volt (V) Ví dụ, trên thân tụ hóa ghi 2200µF 25V có nghĩa là tụ có điện dung 2200 microfarad và điện áp làm việc tối đa là 25 volt.
= 2200 àF, 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 được nhận diện qua 5 vòng màu, trong đó 4 vòng đầu có màu sắc giống nhau và vòng thứ năm cách xa hơn Các vòng màu này có ý nghĩa quan trọng: hai vòng đầu tiên thể hiện chỉ số tương ứng với màu sắc, vòng thứ ba chỉ số nhân, vòng thứ tư chỉ sai số, và vòng thứ năm chỉ đặc điểm riêng của tụ điện.
Tụ điện gốm dạng hình ống có bốn vòng màu giống nhau và một vòng thứ năm rộng hơn, với ý nghĩa các vòng màu như sau: vòng thứ nhất và thứ hai thể hiện chỉ số tương ứng với màu, vòng thứ ba chỉ số nhân, vòng thứ tư chỉ sai số, và vòng thứ năm chỉ hệ số nhiệt độ Đặc biệt, tụ dán bề mặt có ba cách mã hóa thông dụng, tất cả đều sử dụng đơn vị pF.
• Hệ 33 kí hiệu chữ in hoa và thường: trên thân tụ ghi một kí hiệu và theo sau là số
• Hệ 24 kí hiệu chữ in hoa: trên thân tụ ghi một kí hiệu và theo sau là số (1 ÷ 9) chỉ số nhân
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
Ví dụ: W màu cam = 4.7 x 1.0 = 4.7 pF
Ứng Dụng của diode
Một ứng dụng phổ biến của diode là sử dụng trong mạch chuyển đổi nguồn AC sang
5.1 Mạch chỉnh lưu bán kì:
Mạch được đặt tên như vậy vì nó chỉ cho phép, dòng điện từ nửa chu kỳ dương của đầu vào để chảy qua điện trở tải, RL
Xét mạch như hình sau:
- Biến thế dùng để giảm điện áp xoay chiều xuống trị số thích hợp
Giả sử bán kì đầu tại A là bán kì dương, D được phân cực thuận nên dẫn điện, có dòng
IL tải có chiều từ trên xuống, tạo ra điện thế v0 trên tải dạng bán kỳ dương gần bằng VA Tại điểm A, bán kỳ tiếp theo là bán kỳ âm, với D phân cực nghịch dẫn đến không có dòng điện qua tải, do đó v0 = 0.
Hình 2.19a Mạch chỉnh lưu bán kỳ Hình 2.19b Mạch chỉnh lưu bán kỳ Nếu điện áp ngõ vào vi có biên độ cực đại và tần số 𝜔
𝑣 𝑖 (𝑡) = 𝑉 𝑚 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 (2.17) điện áp trung bình Vdc trên tải RL là:
Trong đó T là chu kỳ điện áp hình sin qua diode
Vì diode tắt trong khoảng thời gian 1/2T≤ t ≤ T, điện áp ngõ ra là:
5.2 Giá trị hiệu dụng RMS(Root-Mean-Squared) là căn số bậc 2 của trung bình bình phương dòng điện xoay chiều, giá trị này tương đương với giá trị dòng điện 1 chiều sản sinh cùng 1 nhiệt lượng khi đi qua cùng 1 điện trở cố định
Giá trị hiệu dụng của 𝑣 0 (𝑡) là:
Trong thực tế, khoảng thời gian diode ở trạng thái ON rất ngắn, cụ thể là 1/2T ≤ t ≤ T, do ảnh hưởng của điện áp ngưỡng 𝑉 𝛾 Phân tích cho thấy rằng 𝑉 𝑚 thường lớn hơn nhiều so với 𝑉 𝛾 Nếu 𝑉 𝑚 có giá trị rất nhỏ, việc phân tích sẽ trở nên khó khăn Điện áp RMS đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng có thể được xác định thông qua một phương trình cụ thể.
Hiệu suất được xác định:
𝑃 𝑎𝑐 (2.25) trong đó Pac và Pdc lần lượt là các công suất AC và DC Đối với bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ hiệu suất là:
Bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ lý tưởng đạt hiệu quả tối đa, nhưng trong thực tế, hiệu suất thấp hơn do tổn thất điện năng trong điện trở và diode Để chuyển đổi điện áp thành điện một chiều, cần sử dụng một tụ điện lớn song song với điện trở tải, với hằng số thời gian RC phải lớn hơn chu kỳ của dạng sóng đầu ra để san phẳng gợn sóng Do đó, bộ lọc là cần thiết để loại bỏ bất kỳ gợn nào trong dạng sóng đầu ra.
Hình 2.20: dạng sóng ngõ vào và ra mạch chỉnh lưu bán kỳ
Lắp ráp mạch chỉnh lưu dùng Diode
+ Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu dùng diode
+ Tính toán được các thông số của mạch chỉnh lưu dùng diode
+ Nhận Phân tích các lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa
+ Lắp ráp và khảo sát được mạch chỉnh lưu bán kỳ, toàn kỳ theo đúng yêu cầu kỹ thuật 6.2 Dụng cụ thực hành:
- Bộ thực hành điện tử
- Bộ nguồn, testboard, dây cắm, VOM
- Các linh kiện điện trở, diode, biến áp
Yêu cầu chuẩn bị các câu hỏi lý thuyết sau:
- Đo giá trị điện trở
- Tính toán giá trị điện áp ngõ ra, tín hiệu ngõ ra
Bài thực hành số 1: Khảo sát hoạt động của diode
- Thay đổi điện áp đầu vào và đo các thông số, ghi vào bảng giá trị
Bài thực hành số 2: Khảo sát mạch chỉnh lưu bán kỳ
- Lắp mạch điện như sơ đồ
- Khi chưa lắp tụ thay đổi
Ui đo giá trị U0 ghi giá trị vào bảng 1
- Mắc tụ điện vào mạch thay đổi giá trị tụ và điện áp vào Ui đo giá trị U0 ghi giátrị vào bảng 2
Lắp ráp mạch chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha dùng 4 Diode (chỉnh lưu cầu) …
Mạch chỉnh lưu toàn kì
1.1 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 diode Để loại bỏ gợn từ đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng có thể cần một điện dung rất lớn Trong nhiều trường hợp, tụ điện cần thiết để giảm gợn trên điện áp đầu ra được điều chỉnh nửa sóng đến đặc điểm thiết kế mong muốn có thể rất lớn
Mạch chỉnh lưu toàn sóng là giải pháp hiệu quả để giảm gợn trên điện áp đầu ra Khi kết hợp với máy biến áp có điểm giữa, bộ chỉnh lưu này tối ưu hóa quá trình chỉnh lưu, mang lại hiệu suất cao hơn cho hệ thống điện.
Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sử dụng hai diode, với mỗi nửa máy biến áp hoạt động như một bộ chỉnh lưu nửa sóng Diode D1 sẽ dẫn khi điện áp đầu vào 𝑣 𝑖 lớn hơn 𝑉 𝛾, trong khi diode D2 dẫn khi điện áp đầu vào 𝑣 𝑖 cũng lớn hơn 𝑉 𝛾.
Cuộn dây thứ cấp có khả năng cung cấp hai giá trị điện áp trên điện trở tải, trong khi đầu vào của điốt và đầu ra chia sẻ một điểm chung giữa điện trở tải và điểm giữa.
1.2 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 4 diode ( chỉnh lưu cầu) Để thay thế cho bộ chỉnh lưu toàn sóng sử dụng 2 diode với biến áp có điểm giữa người ta bổ sung thêm hai điốt Trong cấu hình thay thế này được gọi là bộ chỉnh lưu cầu
Mạch chỉnh lưu cầu trong mô hình này cho thấy rằng nguồn và tải không được nối chung Hơn nữa, máy biến áp thứ cấp không cần điểm giữa để tạo ra nguồn đối xứng.
Trong mạch chỉnh lưu cầu, điốt D2 và D4 hoạt động trong nửa chu kỳ dương của điện áp thứ cấp máy biến áp, trong khi điốt D1 và D3 không dẫn do điện áp anốt thấp hơn điện áp catốt Hiện tượng này xảy ra do sự sụt áp trên các điốt dẫn và điện trở tải.
Trong nửa chu kỳ âm của điện áp trên thứ cấp máy biến áp, điốt D1 và D3 dẫn điện, trong khi D2 và D4 không dẫn Dòng điện qua điện trở tải luôn theo cùng một chiều trong cả hai chu kỳ Do đó, điện áp đầu ra xuất hiện ở cùng một cực mỗi nửa chu kỳ Kết quả là, điện áp DC đầu ra của mạch chỉnh lưu toàn sóng gấp đôi so với chỉnh lưu nửa sóng, vì chu kỳ của nó chỉ bằng một nửa so với mạch chỉnh lưu nửa sóng.
Giá trị hiệu dụng của mạch chỉnh lưu toàn kỳ là:
Hiệu suất tối đa của bộ chỉnh lưu toàn sóng vượt trội hơn so với bộ chỉnh lưu nửa sóng, vì nó sản xuất điện áp DC từ cả hai bán kỳ dương và âm.
Để tạo nguồn DC từ đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng, cần đặt một tụ điện song song với điện trở tải Hằng số thời gian RC phải đủ dài so với 1/2T để đảm bảo rằng dạng sóng đầu ra được làm mịn hiệu quả.
Hình 3.4: chỉnh lưu cầu có tụ lọc
Hình 3.5: Dạng sóng ngõ vào và ra của mạch chỉnh lưu cầu
Lắp ráp mạch chỉnh lưu cầu dùng Diode
+ Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu dùng diode
+ Tính toán được các thông số của mạch chỉnh lưu dùng diode
+ Nhận Phân tích các lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa
+ Lắp ráp và khảo sát được mạch chỉnh lưu bán kỳ, toàn kỳ theo đúng yêu cầu kỹ thuật 2.2 Dụng cụ thực hành:
- Bộ thực hành điện tử
- Bộ nguồn, testboard, dây cắm, VOM
- Các linh kiện điện trở, diode, biến áp
Yêu cầu chuẩn bị các câu hỏi lý thuyết sau:
- Đo giá trị điện trở
- Tính toán giá trị điện áp ngõ ra, tín hiệu ngõ ra
- Bước 1: Chọn TB – Linh kiện như trên sơ đồ
- Bước 2: Lắp ráp linh kiện lên Board
- Bước 3: Kiểm tra lại mạch
- Bước 4: Cấp điện cho mạch
Tiến hành khảo sát theo yêu cầu sau:
+ Vẽ dạng sóng ngõ ra
+ Mắc các tụ điện với các giá trị khác nhau và lập lại các bước đo trên (khi mắc tụ phải chú ý đến cực tính)
⇒Nhận xét kết quả đo được và giải thích:
