zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Giáo trình CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ - Chương số 2

Chia sẻ: Doc Tai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Báo xấu

191
lượt xem 37
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ thì diode sẽ trở nên bị phân cực ngược và dòng sẽ ngưng. g) Khả năng xử lý công suất Các diode được đánh giá tùy theo khả năng xử lý công suất. Các thông số được quy định theo cấu trúc vật lý của diode (tức là, kích thước của tiếp giáp, kiểu vỏ, và kích thước của diode). Các chỉ tiêu kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp, dùng để xác định khả năng về công suất của diode trong khoảng nhiệt độ cho trước. Một số diode như các diode công suất đánh...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ - Chương số 2

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 34 thì diode sẽ trở nên bị phân cực ngược và dòng sẽ ngưng. g) Khả năng xử lý công suất Các diode được đánh giá tùy theo khả năng xử lý công suất. Các thông số được quy định theo cấu trúc vật lý của diode (tức là, kích thước của tiếp giáp, kiểu vỏ, và kích thước của diode). Các chỉ tiêu kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp, dùng để xác định khả năng về công suất của diode trong khoảng nhiệt độ cho trước. Một số diode như các diode công suất đánh giá theo khả năng tải dòng của diode. Mức công suất tức thời tiêu tán bởi diode xác định bằng biểu thức ở phương trình (2.56), pD = vDiD (2.56) Khi các diode dẫn dòng tương đối lớn, thì diode cần phải được lắp đặt sao cho nhiệt tạo ra trong diode có thể tiêu tán ra khỏi diode. Để tiêu tán nhiệt năng phát ra từ bên trong diode, thì phải lắp cánh tản nhiệt cho các diode. h ) Điện dung của diode Mạch tương đương của diode gồm có một tụ nhỏ. Điện dung của tụ tùy thuộc vào biên độ và cực tính của điện áp đặt vào diode cũng như các đặc tính của tiếp giáp hình thành trong suốt quá trình chế tạo. Trong mô hình đơn giản của tiếp giáp diode thể hiện ở hình 2.23, vùng tại tiếp giáp đã được rút hết cả điện tử và lỗ trống. Ở phía p của tiếp giáp có nồng độ lỗ trống cao, còn ở phía n có nồng độ điện tử cao. Sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống xảy ra lân cận tiếp giáp tạo ra dòng khuyếch tán ban đầu. Khi các lỗ trống khuyếch tán qua tiếp giáp vào vùng n, các lỗ trống nhanh chóng kết hợp với các điện tử đa số có trong vùng n và triệt tiêu. Tương tự như vậy, các điện tử khuyếch tán ngang qua tiếp giáp, tái hợp và biến mất, tức là tạo ra vùng nghèo (còn gọi là vùng điện tích không gian) lân cận tiếp giáp, vì rất ít các điện tử và lỗ trống. Khi đặt điện áp phân cực ngược ngang qua tiếp giáp, vùng nghèo sẽ mở rộng, tức là làm tăng kích thước của vùng nghèo. Vùng nghèo đóng vai trò như vùng cách điện, do đó diode phân cực ngược hoạt động giống như một tụ điện có điện dung thay đổi nghịch đảo với căn bậc hai của mức sụt áp ngang vật liệu bán dẫn. Điện dung tương đương của các diode tần số cao nhỏ hơn 5pF, và có thể trở thành điện dung lớn khoảng 500pF ở các diode dòng lớn (tần số thấp). Các thông số của nhà sản xuất cần phải được lưu ý để xác định mức điện dung cho trước theo điều kiện làm việc đã cho. 2.5 MẠCH NGUỒN CHỈNH LƯU Ứng dụng cơ bản trước tiên của diode là chỉnh lưu. Chỉnh lưu (hay nắn) là quá trình chuyển tín hiệu xoay chiều (ac) thành một chiều (dc). Chỉnh lưu được phân loại thành chỉnh lưu bán kỳ hoặc chỉnh lưu toàn kỳ. a) Chỉnh lưu bán kỳ Do một diode lý tưởng có thể duy trì dòng điện chảy chỉ theo một chiều, nên diode có thể dùng để chuyển đổi tín hiệu ac thành tín hiệu dc. Hình 2.24, là mạch chỉnh lưu bán kỳ đơn giản. Khi điện áp vào dương, diode được phân cực thuận nên có thể được thay bằng một ngắn mạch (giả sử diode là lý tưởng). Khi điện áp vào âm, diode được phân cực ngược nên có thể thay bằng một mạch hở. Vậy, khi diode được phân cực BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 35 thuận, điện áp ra trên điện trở tải có thể xác định từ quan hệ mạch phân áp. Mặt khác, ở trạng thái phân cực ngược, dòng điện bằng 0 nên điện áp ra cũng bằng 0. Hình 2.24, thể hiện ví dụ của dạng sóng ra khi cho dạng sóng vào sin có biên độ khoảng 100V, Rs = 10Ω, và RL = 90Ω. Mức điện áp trung bình của hàm tuần hoàn được tính theo tích phân của hàm số trong một chu kỳ của hàm tuần hoàn, tức là bằng số hạng thứ nhất trong khai triển chuổi Fourier của hàm số. Lưu ý rằng, khi tín hiệu vào sin có trị trung bình bằng 0, thì dạng sóng ra có trị trung bình là, 1 T/2 2 πt 90 Voavg = ∫ 90sin dt = T T π 0 Mạch chỉnh lưu bán kỳ có thể dùng để tạo ra tín hiệu ra dc gần như không đổi nếu dạng sóng ra ở hình 2.24, được lọc (xem mục 2.5c). Lưu ý mạch chỉnh lưu bán kỳ có hiệu suất rất thấp. Trong suốt nữa bán kỳ của mỗi chu kỳ tín hiệu vào bị cắt bỏ hoàn toàn khỏi tín hiệu ra. Nếu có thể truyền năng lượng vào đến đầu ra trong suốt bán kỳ đó cần phải tăng mức công suất ra. b) Chỉnh lưu toàn kỳ Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sẽ chuyển đổi năng lượng vào đến đầu ra trong cả hai bán kỳ của tín hiệu vào và sẽ làm cho mức dòng trung bình tăng lên trong một chu kỳ. Có thể sử dụng biến áp trong mạch chỉnh lưu bán kỳ để có được cả hai cực tính âm và dương. Mạch tương đương và dạng sóng ra như ở hình 2.25. Mạch chỉnh lưu bán kỳ sẽ tạo ra mức dòng trung bình gấp đôi mức dòng trung bình của mạch chỉnh lưu bán kỳ (tự kiểm chứng phát biểu này). Chỉnh lưu toàn kỳ có thể không sử dụng biến áp, chẳng hạn như mạch chỉnh lưu cầu ở hình 2.26, cũng thực hiện việc chỉnh lưu toàn kỳ. Khi điện áp nguồn có bán kỳ dương, các diode 1 và 4 sẽ dẫn còn các diode 2 và 3 là hở mạch. Khi điện áp nguồn chuyển sang bán kỳ âm, xảy ra trạng thái ngược lại nên các diode 2 và 3 dẫn, như chỉ rõ ở hình 2.26b. Xét mạch ở hình 2.26a, sẽ cho thấy có thể ngắn mạch thực tế của mạch BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 36 chỉnh lưu cầu, nếu một đầu của nguồn được nối đất, cả hai đầu cực của điện trở tải có thể được nối đất, sẽ tạo ra vòng đất, làm ngắn mạch hiệu dụng một trong các diode. Do đó, cần phải bổ sung một biến áp cho mạch để cách ly hai mức đất tách biệt nhau. Trong trường hợp này biến áp không cần phải có điểm giữa như biến áp của mạch chỉnh lưu toàn kỳ ở hình 2.25. Cũng lưu ý rằng, do có hai diode dẫn nối tiếp, sụt áp của diode là 2Vγ. c) Mạch lọc Các mạch chỉnh lưu sẽ cho điện áp dc dạng xung (đập mạch) ở đầu ra. Các xung ra gọi là gợn sóng ra, độ gợn có thể giảm đáng kể bằng cách lọc tín hiệu ra của mạch chỉnh lưu. Kiểu lọc thông dụng nhất là sử dụng tụ điện một chiều. Hình 2.27a, là mạch chỉnh lưu toàn kỳ có thêm một tụ mắc song song với điện trở tải. Dạng sóng của điện áp ra đã bị thay đổi như ở hình 2.28. Trong ứng dụng thực tế, các diode cần phải mắc ngược lại và đặt gần với mức thế đất như mạch ở hình 2.27b, tức là tạo cho anode có thế đất, nên các diode có thể được gắn với tấm nối đất, bằng cách đó cho phép tiêu tán nhiệt năng đối với các mạch chỉnh lưu công suất lớn. Tụ điện sẽ nạp đến mức điện áp cao nhất (Vmax) khi các mức đỉnh của tín hiệu vào tại giá trị âm và dương nhất. Khi điện áp vào giảm thấp hơn giá trị đỉnh, tụ điện không thể xã qua cả hai diode. Do vậy, tụ xã qua RL, tức là xuất hiện sự suy giảm theo hàm mũ cho bởi phương trình: v (t ) = Vmax e − t/τ = Vmax e − t/RL C (2.57) BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 37 Việc thiết kế mạch lọc bao gồm chọn trị số cho tụ C. Chẳng hạn, cho tín hiệu vào là sóng sin có biên độ 311V và mức điện áp ra thấp nhất có thể nhận ở mạch ứng dụng cho trước là 300V, suy ra: 300 = 311e −T ' /RLC trong đó, T’ là khoảng thời gian xã như đã chỉ ở hình 2.28. Ta có thể tính C theo T’ và RL như sau: T' T' 300 = 311e −T ' /RLC hay: ln1,037 = , và suy ra: C = 28,28 RLC RL Công thức này khó dùng để thiết kế mạch lọc, vì T’ phụ thuộc vào hằng số thời gian RLC, do đó C chưa biết. Lấy gần đúng khi để ý là: T’ < T . Đối với tín hiệu vào có tần số 50Hz, thì tần số cơ bản của tín hiệu ra là 100Hz. Do vậy, 1 1 T= = = 10 ms f 100 Ta có thể tính trị số của tụ lọc cần cho một tải cụ thể bằng cách sử dụng đường thẳng gần đúng như thể hiện ở hình 2.29. Tính C theo đường thẳng gần đúng. Độ dốc thứ nhất của hàm mũ ở phương trình (2.57) là: -V m1 = max RLC đó là độ dốc của đường thẳng A ở hình vẽ. Độ dốc của đường thẳng B ở hình 2.29, là: V m2 = max T /2 - ∆V RLC∆V t1 = = Suy ra: m1 Vmax Sử dụng các tam giác đồng dạng, ta có: T T TV t1 = + t2 = + min 2 2 2Vmax R C∆V T (2 − ∆V/Vmax ) t1 = L = và: Vmax 2 thay T = 1/fP, trong đó fP số lượng xung trong một giây (gấp hai lần tần số ban đầu), ta có: 1⎛ ∆V ⎞ 1 ⎛ ∆V ⎞ ∆V ⎜2 − ⎜ V ⎟ = f ⎜1 − 2V ⎟ = (2.58) RLC ⎟ ⎜ ⎟ Vmax 2 f P ⎝ max ⎠ P⎝ max ⎠ Trong phần lớn các thiết kế mạch lọc, đều đòi hỏi độ gợn cần phải nhỏ hơn nhiều so với biên độ dc, nên: ∆V
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 38 Vmax C= (2.59) ∆Vf P RL Công thức (2.59) là kết quả tính của bài toán thiết kế chỉ đúng nếu đường thẳng không thấp hơn Vmin, đặc tuyến theo hàm mũ sẽ vẫn giữ trên giá trị Vmin. Sử dụng phương trình (2.59) để tính tụ cho ví dụ đã cho ở trên, với giả thiết tín hiệu vào là sóng sin 50Hz, biên độ 311V và để có điện áp ra có thể nhận được thấp nhất là 300V, vậy ta có Vmax = 311V, ∆V = 11V, và tần số của tín hiệu ra ở mạch nắn toàn kỳ là fP = 100Hz, đối với mạch nắn bán kỳ fP = 50Hz, Vậy, từ phương trình (2.59), (s ⋅ Ω −1 ). Vmax 311V 0,283 C= = = ∆Vf P RL 11V × 100Hz × RL RL Mức gợn sóng không tuân theo dạng tiêu chuẩn bất kỳ nào (ví dụ như dạng sin hoặc răng cưa), nên cần phải có một số cách đặc trưng riêng về độ lớn của dạng sóng. Điện áp gợn Vr (rms) sẽ được tính theo: V − Vmin Vr (rms) = max (2.60) 23 Lưu ý rằng, sử dụng 3 ở mẫu số đúng hơn so với 2 vì với chỉ số 2 dùng để tính trị số hiệu dụng của sóng sin bằng biên độ chia cho 2 . Đối với sóng tam giác, trị số hiệu dụng bằng biên độ chia cho 3 . Các chỉ số đó sẽ được kiểm chứng bằng cách lấy căn bậc hai của trị số trung bình bình phương của dạng sóng trong một chu kỳ. Dạng sóng của gợn gần với dạng sóng răng cưa hơn so với sóng sin. Trị số trung bình của điện áp gợn được cho là điểm giữa của dạng sóng (xấp xỉ). Hệ số gợn sẽ được định nghĩa là: V (rms) He so gon = r Vdc d) Mạch nhân đôi điện áp Hình 2.30, là mạch tạo ra mức điện áp bằng khoảng hai lần mức điện áp ra đỉnh lớn nhất (khi không tải), gọi là mạch nhân đôi điện áp. Lưu ý rằng mạch giống như mạch chỉnh lưu cầu toàn kỳ ở hình 2.26a, nếu không có hai diode đã được thay bằng hai tụ. Khi điện áp vào có cực tính như hình vẽ, sẽ có hai thành phần dòng chảy qua diode D1. Một dòng thành phần chảy qua C2 nên tụ sẽ nạp lên mức Vmax. Một dòng thành phần khác thông qua điện trở tải và C1. Nếu C1 đã được nạp lên mức Vmax trong chu kỳ trước, thì tụ sẽ có mức nguồn điện áp hiệu dụng khác Vmax mắc nối tiếp với điện áp ra của biến áp, nên tải sẽ có mức điện áp là gấp hai lần mức điện áp lớn nhất. Các tụ cũng có vai trò làm giảm mức điện áp gợn tại đầu ra. 2.6 DIODE ỔN ÁP (ZENER) Diode zener là cấu kiện bán dẫn được thực hiện pha tạp để tạo thành đặc tuyến điện áp đánh thủng hay điện áp thác lũ rất dốc. Nếu điện áp ngược vượt quá điện áp đánh thủng, thường diode không bị phá hũy với điều kiện dòng chảy qua diode không được vượt quá giá trị lớn nhất đã được quy định trước và diode không bị quá nhiệt. Khi hạt tải điện tạo ra do nhiệt (thành phần dòng ngược bảo hòa) làm giảm được rào thế tiếp giáp (xem mục 2.2) và nhận năng lượng do điện thế ngoài đặt vào, hạt tải điện sẽ va chạm với các ion trong mạng tinh thể và truyền mức năng lượng đáng kể để phá vỡ mối liên kết đồng hóa trị. Ngoài hạt tải điện ban đầu, các cặp hạt tải điện điện tử - lỗ trống cũng được tạo ra. Cặp hạt tải mới có thể nhận mức năng lượng lớn từ điện trường đặt vào để va chạm với ion tinh thể khác và tạo ra ngay cặp điện tử - lỗ trống khác. Tác động liên tục như vậy sẽ bẻ gãy các mối liên kết đồng hóa trị, nên gọi là quá trình đánh thủng thác lũ. Có hai cơ chế phá vỡ các mối liên kết đồng hòa trị. Sử dụng điện trường mạnh tại tiếp giáp có BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 39 thể trực tiếp làm cho mối liên kết bị gãy. Nếu điện trường đặt vào một lực lớn vào điện tử trong mối liên kết, thì điện tử có thể bị bứt khỏi mối liên kết đồng hóa trị, nên tạo ra một số lượng cặp điện tử - lỗ trống hợp thành theo cấp số nhân. Cơ chế đánh thủng như vậy được gọi là đánh thủng zener. Trị số điện áp đánh thủng zener được điều chỉnh bằng lượng pha tạp của diode. Diode được pha tạp đậm đặc sẽ có điện áp đánh thủng zener thấp, ngược lại diode được pha tạp loãng có điện áp đánh thủng zener cao. Mặc dù như mô tả ở trên có hai cơ chế đánh thủng, nhưng thông thường có giao thoa. Tại các mức điện áp cao hơn khoảng 10V, chủ yếu là cơ chế đánh thủng thác. Do hiệu ứng zener (thác lũ) xảy ra tại điểm có thể xác định trước, nên diode có thể sử dụng như một bộ chuẩn điện áp. Mức điện áp ngược mà tại đó xuất hiện đánh thủng thác lũ được gọi là mức điện áp zener. Đặc tuyến của diode zener điển hình thể hiện ở hình 2.31. Ký hiệu mạch của diode zener khác với ký hiệu mạch của diode thông thường, và được thể hiện trong cùng hình vẽ. Mức dòng ngược lớn nhất, IZmax mà diode zener có thể chịu được tùy thuộc vào cách chế tạo và cấu trúc của diode. Giả sử rằng, mức dòng zener nhỏ nhất mà tại đó đặc tuyến vẫn giữ tại VZ (gần điểm khuỷu của đặc tuyến) là 0,1IZmax. Mức công suất của diode zener có thể chịu đựng (VZIZmax) là một yếu tố giới hạn trong việc thiết kế nguồn cung cấp. a) Mạch ổn định bằng diode zener Diode zener có thể sử dụng làm bộ ổn định điện áp như mạch ở hình 2.32. Mạch cho thấy sự thay đổi dòng tải tương ứng với sự thay đổi của điện trở tải. Mạch được thiết kế để diode làm việc ở vùng đánh thủng, nên gần như một nguồn điện áp lý tưởng. Trong các ứng dụng thực tế, điện áp nguồn vS thay đổi và dòng tải cũng thay đổi. Nhiệm vụ thiết kế là chọn trị số của Ri để cho phép diode duy trì mức điện áp ra gần như không đổi, ngay cả khi điện áp nguồn vào thay đổi, cũng như dòng tải thay đổi. Thực hiện phân tích mạch hình 2.36, để xác định đúng trị số của Ri. Phương trình nút của mạch BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 40 vS − VZ vS − VZ Ri = = là: (2.61) iZ + iL iR Suy ra mức dòng zener iZ, là: vS − VZ iZ = − iL (2.62) Ri Các đại lượng có thể thay đổi trong phương trình (2.62) là vS và iL. Để đảm bảo diode vẫn ở vùng điện áp hằng (vùng đánh thủng), ta hãy khảo sát hai mô hình của trạng thái vào/ra như sau: 1. Mức dòng chảy qua diode, iZ là nhỏ nhất (IZmin) khi dòng tải, iL là lớn nhất (ILmax) và mức điện áp nguồn, vS là nhỏ nhất (VSmin). 2. Mức dòng chảy qua diode, iZ là lớn nhất (IZmax) khi dòng tải, iL là nhỏ nhất (ILmin) và mức điện áp nguồn, vS là lớn nhất (VSmax). Khi các đặc tính của hai mô hình được kết hợp vào phương trình (2.61), ta có: Trạng thái 1: V − VZ Ri = Smin (2.63) I Lmax + I Zmin Trạng thái 2: − VZ V Ri = Smax (2.64) I Lmin + I Zmax Do trị số của Ri trong cả hải phương trình (2.63) và phương trình (2.64) là một, nên ta có thể cân bằng hai biểu thức để có: (VSmin − VZ )( I Lmin + I Zmax ) = (VSmax − VZ )( I Lmax + I Zmin ) (2.65) Trong bài toán thực tế, hợp lý nhất là cho biết khoảng điện áp vào, khoảng dòng tải, và mức điện áp zener yêu cầu. Do vậy phương trình (2.65), sẽ tương đương một phương trình theo hai ẩn, dòng zener lớn nhất và nhỏ nhất. Xác định phương trình thứ hai bằng cách xét đặc tuyến hình 2.31. Để tránh phần đặc tuyến không phải hằng số, ta sử dụng quy tắc kinh nghiệm là mức dòng zener nhỏ nhất sẽ bằng 0,1 lần mức dòng zener lớn nhất, tức là: I Zmin = 0,1I Zmax Giải phương trình (2.65) theo IZmax, trong đó sử dụng tiêu chuẩn thiết kế đã được giới thiệu ở trên, I (V − V ) + I Lmax (VSmax − VZ ) I Zmax = Lmin Z Smin (2.66) VSmin - 0,9VZ - 0,1VSmax Có thể tính được mức dòng zener lớn nhất, để có trị số của Ri từ phương trình (2.63) hoặc (2.64). Ví dụ 2.3: Thiết kế bộ ổn định điện áp bằng zener khoảng 10V (hình 2.33) cho các điều kiện như sau: a) Khoảng dòng tải từ 100mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 14V đến 20V. b) Khoảng dòng tải từ 20mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 10,2V đến 14V. Sử dụng diode zener 10V trong cả hai trường hợp. Giải: a) Việc thiết kế bao gồm chọn giá trị điện trở Ri phù hợp, và thông số định mức công suất cho zener. Sử dụng phương trình từ mục trên để tính mức dòng lớn nhất của diode zener và sau đó tính trị số điện trở vào. Từ phương trình (2.66), ta có: I (V − V ) + I Lmax (VSmax − VZ ) 100mA(10V − 14V) + 200mA(20V − 10V) I Zmax = Lmin Z Smin = = 533mA 14V − 0,9 × 10V − 0,1 × 20V VSmin - 0,9VZ - 0,1VSmax Tiếp theo, từ phương trình (2.64), tính Ri như sau: BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 41 VSmax − VZ 20V − 10V Ri = = = 15,8Ω I Lmin + I Zmax 533mA + 100mA Sẽ không đầy đủ nếu chỉ xác định điện trở Ri, nên cũng cần phải chọn công suất định mức thích hợp cho điện trở. Mức công suất lớn nhất cho bởi tích của điện áp và dòng điện, trong đó sử dụng trị số lớn nhất cho mỗi đại lượng. PR = ( I Zmax + I Lmin )(VSmax − VZ ) = 6,3W Cuối cùng, ta phải xác định công suất định mức cho diode zener. Mức công suất lớn nhất tiêu tán ở diode zener được tính bằng tích của điện áp và dòng điện trên zener. PR = VZ I Zmax = 0,53A × 10V = 5,3W b) Lặp lại các bước tính trên theo các thông số của phần b, ta có: I Lmin (VZ − VSmin ) + I Lmax (VSmax − VZ ) 20mA(10V − 10,2V) + 200mA(14V − 10V) I Zmax = = = - 4020mA 10,2V − 0,9 × 10V − 0,1 × 14 V VSmin - 0,9VZ - 0,1VSmax Trị số IZmax âm cho biết biên độ giữa VSmin và VZ là không đủ lớn để cho phép thay đổi dòng tải, nghĩa là, ở trạng thái xấu nhất của điện áp vào là 10,2V và dòng tải là 200mA, thì zener không thể cho khả năng duy trì 10V trên hai cực của diode zener. Do đó, bộ ổn định sẽ không hoạt động đúng đối với trị số chọn nào đó của điện trở, nên ta có thể tăng điện áp nguồn hoặc giảm mức dòng ra yêu cầu. Mạch ổn định bằng zener ở hình 2.33, có thể kết hợp với mạch nắn toàn kỳ ở hình 2.25, để tạo thành mạch nắn toàn kỳ có ổn định điện áp bằng zener như ở hình 2.34. RF là điện trở xã, dùng để tạo đường xã cho tụ khi tháo tải (tải hở). Các điện trở xã thường có trị số điện trở cao để không tiêu thụ nhiều công suất khi mạch hoạt động. Trị số của CF tính theo phương trình tương ứng (2.59). Điện trở trong phương trình là điện trở tương đương mắc song song với CF. Diode zener được thay bằng nguồn điện áp VZ. Điện trở tương đương là do mạch song song của RF với Ri. Điện trở Ri mắc nối tiếp trong mạch để tránh các ngắn mạch hiệu dụng của RL lên diode zener. Do RF lớn hơn nhiều so với Ri, nên điện trở song song có trị số gần bằng với Ri. Bởi vì điện áp ngang qua Ri không thể bằng 0 đối với mạch nắn toàn kỳ, nên Vmax ở phương trình (2.59) cần phải được thay bằng tổng mức dao động điện áp. Vậy, tụ được tính gần đúng bởi phương trình (2.67), trong đó cho tỷ số biến áp a là ½. − VZ V CF = Smax (2.67) ∆Vf p Ri Mức điện áp lớn nhất đặt trên bộ ổn áp là VSmax. ∆V là mức gợn đỉnh – đỉnh, và fp là tần số cơ bản của tín hiệu chỉnh lưu (tức là tần số tín hiệu ra của mạch chỉnh lưu toàn kỳ gấp hai lần tần số nguồn). b) Diode zener thực tế và độ ổn định theo phần trăm Ở mục trên ta giả thiết diode zener là lý tưởng, đó là ở vùng đánh thủng thác lũ, diode làm việc như một nguồn điện áp hằng, có nghĩa rằng đặc tuyến ở hình 2.31, là một đường thẳng dọc theo vùng đánh thủng. Trong thực tế, đoạn đặc tuyến đánh thủng không phải chính xác là một đường dọc mà có độ nghiêng nào đó để dẫn đến một điện trở nối tiếp khác 0. Điện áp đánh thủng tùy thuộc vào mức dòng mà lẽ ra là không đổi. Mô hình diode zener thực tế như ở hình 2.35, thay diode zener thực tế bằng một diode lý tưởng mắc nối tiếp với một điện trở RZ. Để thấy rõ các ảnh hưởng của điện trở nối tiếp RZ, ta giả sử rằng diode zener thực tế đã được kết hợp đưa vào ví dụ 2.3a, với điện trở của diode RZ = 2Ω. Giả sử IZmin bằng 10% của IZmax, hay bằng 0,053A. Điện áp ra (song song với tải) không lớn hơn mức hằng số 10V do RZ. Ta tính các trị số nhỏ nhất và lớn nhất của điện áp ra từ hình 2.34, theo các mức dòng nhỏ nhất và lớn nhất. Mức điện áp ngang qua diode lý tưởng ở hình 2.35, là 10V, nên ta có thể viết: BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 42 Vomin = 10V + (0,053A × 2kΩ ) = 10,1V Vomax = 10V + (0,53A × 2kΩ ) = 11,1V Độ ổn định theo phần trăm được định nghĩa bằng tổng mức dao động điện áp xung quanh mức điện áp ổn định (hay mức ổn định lý tưởng). Độ ổn định theo phần trăm nhỏ hơn sẽ cho ổn định điện áp tốt hơn. Vậy, ở ví dụ trên, − Vomin 11,1V − 10,1V V % Reg = omax = = 0,1 = 10% (2.68) Vonominal 10V Độ ổn định 10% được xem là kém đối với nhiều ứng dụng. Độ ổn định sẽ được cải thiện khi giới hạn mức dòng zener ở giá trị nhỏ hơn, và thực hiện bằng cách sử dụng một mạch khuyếch đại nối tiếp với tải. Tác dụng của mạch khuyếch đại là để giới hạn các biến thiên của dòng chảy qua diode zener. 2.7 MẠCH XÉN VÀ GHIM. Các diode có thể dùng để xén tín hiệu vào hay giới hạn các thành phần của tín hiệu. Diode cũng được dùng để khôi phục mức dc cho tín hiệu vào. a) Mạch xén Mạch xén dùng để xén một phần của dạng sóng phía trên hoặc phía dưới mức chuẩn nào đó. Mạch xén đôi khi còn gọi là mạch hạn chế, mạch chọn biên độ, hay mạch cắt. Mạch chỉnh lưu BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 43 bán kỳ ở phần trước sử dụng hoạt động xén tại mức 0. Nếu thêm một nguồn pin nối tiếp với diode, mạch chỉnh lưu sẽ xén mức trên hoặc mức dưới của mức điện áp nguồn pin, tùy thuộc vào chiều của diode, như minh họa ở hình 2.36. Các dạng sóng ra ở hình 2.36, cho rằng các diode là lý tưởng. Có thể bỏ qua giả thiết lý tưởng bằng cách bổ sung hai thông số ở mô hình diode. Một là để diode dẫn cần phải có điện áp trên diode lớn hơn Vγ. Thứ hai, khi diode đang dẫn phải tính đến điện trở thuận Rf. Hình 2.37a, là mạch đã được sửa đổi. Ảnh hưởng của Vγ là tạo mức xén Vγ + VB thay cho VB. Ảnh hưởng của điện trở là thay đổi hoạt động xén bằng phẳng theo mức tỷ lệ theo điện áp vào (tức là ảnh hưởng của mạch phân áp). Mức điện áp ra được tính như sau (xem hình 2.37b). Đối với: vi < VB + Vγ , ta có: vo = vi + (VB + Vγ ) Rf R Đối với: vi > VB + Vγ , ta có: vo = vi R + Rf R + Rf Ta có thể thực hiện đồng thời cả xén mức dương và xén mức âm bằng các mạch xén phân cực song song, thiết kế bằng hai diode và hai nguồn điện áp mắc theo hai chiều ngược nhau. Mạch sẽ cho dạng sóng ra như ở hình 2.38, trong đó giả thiết hai diode là lý tưởng. Suy rộng cho các diode thực tế mắc song song dẫn đến kết quả ở hình 2.37. Một kiểu xén khác là mạch xén phân cực nối tiếp, như mạch ở hình 2.39. Nguồn pin khoảng 1V mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu vào sẽ làm cho tín hiệu vào được chồng chập lên nguồn điện áp 1V dc, đúng hơn là đối xứng qua trục 0. Giả sử mạch sử dụng diode lý tưởng, diode ở mạch hình 1.43, sẽ dẫn chỉ trong khoảng thời gian tín hiệu vào chuyển sang bán kỳ âm. Khi diode đang dẫn, tín hiệu ra bằng 0. Điện áp ra khác 0 khi diode ngưng dẫn. Ở mạch hình 2.39b, diode được mắc ngược lại cũng tương tự như trên. Khi tín hiệu ở trạng thái dương, diode sẽ dẫn và có tín hiệu ra, nhưng khi diode ngưng, không xuất hiện tín hiệu ra. Mặc dù nguyên lý hoạt động của hai mạch là khác nhau, nhưng hai tín hiệu ra là như nhau. Ở mạch hình 2.39c, và d, nguồn pin được đảo ngược cực tính và dạng sóng ra nhận được như hình vẽ. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 44 Ví dụ 2.4: Tính mức điện áp ra của mạch xén ở hình 2.40a, giả thiết rằng: a) Vγ = 0; và b) Vγ = 0,7V. và Rf = 0 trong cả hai trường hợp. Giải: a) Khi Vγ = 0, với vi dương và vi < 3V, suy ra: vi = vo. Khi vi dương và vi > 3V, suy ra: v − 3V i1 = i 1,5 × 104 Ω vo = 104 Ω × i1 + 3V = 2 × vi + 1 3 Đối với vi = 8V, thì vo = 6,33V. Khi vi âm và vi > - 4V, suy ra: vi = vo. Khi vi âm và vi < - 4V, suy ra: vo = - 4V Dạng sóng ra kết quả như ở hình 2.40b. Khi Vγ = 0,7V, vi là dương, và vi < 3,7V, suy ra: vi = vo. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 45 Khi vi > 3,7V, suy ra: i1 = (vi – 3,7V)/1,5 x 104, vo = 104 Ω × i1 + 3,7V = 2 × vi + 1,23 3 Đối với vi = 8V, thì vo = 6,56V. Khi Vγ = 0,7V, vi âm và vi > - 4,7V, suy ra: vi = vo. Khi vi âm và vi < - 4,7V, suy ra: vo = - 4,7V Dạng sóng ra kết quả như ở hình 2.40c. b) Mạch ghim Dạng sóng điện áp có thể được dịch chuyển bằng cách bổ sung một nguồn điện áp độc lập, hoặc là nguồn hằng hoặc là nguồn phụ thuộc thời gian mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu. Ghim là hoạt động dịch mức mà nguồn bổ sung không còn độc lập với nguồn tín hiệu nữa. Mức dịch tùy thuộc vào dạng sóng thực tế. Hình 2.41, thể hiện ví dụ về việc ghim áp. Dạng sóng vào ở hình 2.41, bị dịch bởi một lượng làm cho mức đỉnh của dạng sóng bị dịch mức tại trị số là VB. Vậy mức dịch là mức chính xác cần để thay đổi mức lớn nhất ban đầu Vm đến mức lớn nhất mới VB. Dạng sóng là “được ghim” đến giá trị VB. Nếu ta đã biết trị số chính xác của mức đỉnh ban đầu Vm, thì ta có thể thực hiện dịch mức đỉnh bằng một nguồn dc độc lập mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu. Đặc trưng riêng của mạch ghim là mạch có thể điều chỉnh dạng sóng mà không cần biết dạng chính xác ban đầu. Mức dịch được xác định bởi dạng sóng thực tế. Nếu dạng sóng vào thay đổi, thì mức dịch sẽ thay đổi theo để dạng sóng ra luôn luôn được ghim ở mức VB. Do vậy, mạch ghim sẽ cung cấp thành phần dc theo mức cần thiết để nhận được mức ghim yêu cầu. Đối với ví dụ, tụ trong mạch ở hình 2.41, sẽ nạp đến giá trị bằng với mức chênh lệch giữa mức đỉnh của dạng sóng ban đầu và VB. Tụ đóng vai trò như nguồn pin có biên độ điện áp VB mắc nối tiếp, do vậy làm dịch dạng sóng đến giá trị thể hiện ở hình 2.41c. Mạch ghim là mạch được kết hợp giữa nguồn pin (hay nguồn dc), diode, tụ điện và điện trở. Điện trở và tụ điện phải được chọn để có hằng số thời gian lớn. Để tụ nạp đến giá trị không đổi và duy trì tại giá trị đó suốt trong chu kỳ của dạng sóng vào. Nếu điện áp trên tụ không duy trì gần như không đổi, thì sẽ dẫn đến méo dạng sóng nhiều hơn so với dịch đơn. Nếu đảm bảo điều kiện hằng số thời gian lớn và điện trở thuận của diode được giả thiết là bằng 0, thì dạng sóng ra là bản sao của dạng sóng vào với mức dịch thích hợp. Mỗi khi mức ra vượt quá VB, diode sẽ được phân cực thuận và sóng ra sẽ được giới hạn ở mức VB. Trong suốt khoảng thời gian đó, tụ sẽ được nạp đến giá trị là: BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 46 VC = Vm − VB Hình 2.42, là mạch ghim cho tín hiệu ra sẽ được ghim ở mức 0 (tức là không có nguồn pin nên VB = 0). Bởi vì diode được mắc ngược lại so với mạch trước, nên mức thấp nhất của tín hiệu ra sẽ được ghim, tức là tụ điện có thể nạp chỉ theo chiều là sẽ cộng thêm với mức điện áp vào. Mạch thể hiện với sóng vuông làm tín hiệu vào. Điều quan trọng là mức điện áp ngang qua tụ sẽ duy trì gần như không đổi trong suốt bán kỳ của dạng sóng vào. Theo kinh nghiệm thiết kế mạch, hằng số thời gian RC thấp nhất bằng 5 lần khoảng thời gian của bán kỳ (tức là 5 lần t1 – t0 hoặc t2 – t1). Nếu tuân theo nguyên tắc thiết kế, thì mạch RC phải có ít nhất là 20% của hằng số thời gian để nạp hoặc xả trong suốt bán kỳ, nghĩa là sẽ thay cho trị số cuối cùng trong khoảng 18% của giá trị ban đầu (tức là, exp(-0,2) = 0,82). Nếu hằng số thời gian quá nhỏ, dạng sóng sẽ bị méo dạng như chỉ ở hình 2.42c. Để làm giảm sai lệch đến mức thấp nhất so với 18%, thì có thể tăng hằng số thời gian (nghĩa là, tăng lên gấp 10 lần khoảng thời gian của bán kỳ). 2.8 BỘ CHUYỂN ĐỔI MỨC ĐIỆN ÁP DC - DC Trong hầu hết các hệ thống điện tử, nguồn cung cấp cần phải có nhiều mức điện áp. Một trong những phương pháp tạo ra các mức điện áp là sử dụng hàng loạt các mạch chỉnh lưu bán kỳ hoặc toàn kỳ. Tuy nhiên, điện áp ra của các mạch chỉnh lưu được quyết định bởi điện áp của biến áp, nên biến áp cần phải có nhiều đầu ra. Ngoài ra, hầu hết các mạch chỉnh lưu thường hoạt động ở tần số thấp 50Hz, hoặc 60Hz nên các biến áp có kích thước và trọng lượng lớn. Một phương pháp linh hoạt hơn là sử dụng các mạch biến đổi dc sang dc hiệu suất cao có thể hoạt động tại các tần số cao hơn nhiều, bằng cách như vậy sẽ làm giảm kích thước và trọng lượng của các cuộn điện cảm trong mạch. Mạch biến đổi dc sang dc sử dụng điện áp vào dc và sẽ cung cấp điện áp ra được điều khiển bằng điện tử với dãi biến đổi liên tục. Mục này sẽ đề cập hai kiểu bộ biến đổi dc sang dc: bộ biến đổi tăng sẽ tạo ra điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, và bộ biến đổi giảm mà điện áp ra sẽ thấp hơn so với điện áp vào. a) Bộ biến đổi kiểu tăng áp Mạch của bộ biến đổi tăng [boost converter] cơ bản như ở hình 2.43a. Phần chính của bộ biến đổi là cuộn cảm L và chuyển mạch S sẽ được chuyển mạch đóng và mở một cách định kỳ, như chỉ rõ ở hình 2.43b. Chuyển mạch sẽ kín mạch trong khoảng thời gian Ton và hở mạch trong khoảng thời gian Toff. Chuyển mạch tuần hoàn theo chu kỳ T = Ton + Toff. Diode D cũng sẽ hoạt động như một chuyển mạch nên diode sẽ ngưng khi S kín mạch và ngược lại. Điện áp vào dc sẽ được cung cấp bởi nguồn VS, còn R và C tương ứng với điện trở tải và tụ lọc. Trong các phân tích sau ta giả thiết là mạch đã được hoạt động ở trạng thái ổn định và bất kỳ quá trình quá độ khi khởi đầu đều được loại bỏ, tức là mạch đang hoạt động ở trạng thái tuần hoàn. Chuyển mạch S đóng Trong khoảng thời gian Ton chuyển mạch S kín mạch, mà điện áp đầu ra xác định được là sẽ lớn hơn 0, diode D1 sẽ phân cực ngược, suy ra mạch tương đương ở hình 2.44a. Để đơn giản sử BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 47 dụng mô hình diode lý tưởng. Điện áp vào dc VS lúc này sẽ xuất hiện trực tiếp trên cuộn cảm, và dòng điện trong cuộn cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian Ton là: Ton V VT V iL (Ton ) = iL (0+ ) + ∫ S dt = iL (0+ ) + S t 0on = iL (0+ ) + S Ton (2.69) L L L 0 Trong khoảng thời gian (0, Ton), dòng chảy qua cuộn điện cảm tăng dần theo tốc độ hằng như thể hiện ở hình 2.45. Vì dòng trong cuộn điện cảm không thể thay đổi tức thời, iL(0+) sẽ bằng với mức dòng ngay trước khi chuyển mạch thay đổi trạng thái. Chuyển mạch S hở mạch Khi chuyển mạch hở mạch, diode sẽ dẫn, tạo đường dẫn cho dòng điện cảm chảy qua diode, điện trở tải R và tụ lọc C như thể hiện ở hình 2.44b. Để đơn giản trong việc phân tích, giả sử rằng điện áp gợn ở tín hiệu ra là đủ nhỏ để điện áp ra phải gần bằng mức điện áp dc, tức là vo ≈ VO. Với giả thiết trên, điện áp trên cuộn điện cảm sẽ không đổi như trước và bằng với VS – VO. Dòng chảy qua cuộn cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian Toff (tức là: t = Ton + Toff = T) là: Ton + Toff V − V V − VO Ton + Toff iL (T ) = iL (Ton ) + ∫ dt = iL (Ton ) + S S O tT (2.70) L L Ton on V −V V iL (T ) = iL (0 + ) + S Ton + S O Toff (2.71) L L Khi VO vượt quá VS, dòng cuộn cảm sẽ giảm theo thời gian trong suốt khoảng thời gian Toff – lặp lại như thể hiện ở hình 2.45. Ngoài ra, do mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T, nên dòng điện cảm tại các thời điểm t = 0+ và t = T cần phải đồng nhất. Vì vậy, V − VS VS iL (T ) = iL (0 + ) nên: Ton = O Toff (2.72) L L Quan hệ cơ bản giữa điện áp ra và vào của mạch biến đổi tăng là: T VS V hay: VO = VS = =S VS (Ton + Toff ) = VOToff (2.73) Toff 1 − Ton 1 − δ T trong đó: δ = Ton / T được gọi là hệ số đầy xung [duty cycle] của dạng sóng chuyển mạch. Điện áp ra có thể thay đổi được bằng cách biến đổi hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do 0 ≤ δ ≤ 1, nên điện áp ra VO ≥ VS; bộ biến đổi “sẽ làm tăng” mức điện áp ra cao hơn mức điện áp vào. Tính mạch lọc Lưu ý rằng, biểu thức của điện áp ra ở phương trình (2.73) là độc lập với L. Thông số thiết kế cần bổ sung để chọn giá trị điện cảm L là dòng gợn trong cuộn điện cảm. Bởi vì điện áp trên cuộn điện cảm là không đổi trong suốt cả hai khoảng thời gian Ton và Toff, dòng điện cảm có dạng sóng răng cưa như mô tả ở hình 2.45 [xem phương trình (2.69) và (2.70)]. Biên độ của dòng gợn Ir được tính theo hai cách: V −V V I r = S Ton I r = O S Toff hoặc (2.74) L L Mức dòng gợn ở hai cách tính cần phải như nhau. Từ phương trình (2.74), rút ra biểu thức cho trị số của cuộn cảm: V T ⎛T ⎞ V V L = S Ton = S ⎜ on ⎟ = S δ (2.75) Ir Ir ⎝ T ⎠ Ir f trong đó, f = 1/T là tần số của chuyển mạch. Từ phương trình (2.75), ta thấy rằng việc chọn tần BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 48 số làm việc cao hơn thì sẽ có trị số điện cảm cần thiết nhỏ hơn. Các bộ biến đổi điện áp dc sang dc có thể hoạt động tại các tần số trên 60Hz để giảm kích thước của L và f thường được chọn cao hơn dãi tần số tín hiệu tai người nghe được (tần số âm tần). Thông thường dãi tần số từ 25kHz đến 100kHz. Dòng vào dc Trong mạch tăng điện áp, dòng điện cảm trung bình IL lớn hơn so với dòng tải dc. Đối với bộ biến đổi lý tưởng, không có cơ chế suy hao trong mạch. Do vậy, công suất được phân bố đến đầu vào của bộ biến đổi cần phải bằng công suất phân chia ở điện trở tải R: V T I VS I S = VO I O hoặc: I S = O I O = I O =O (2.76) Toff 1 - δ VS Từ phương trình (2.76), ta thấy rằng dòng dc trong cuộn điện cảm là lớn hơn so với dòng tải một chiều bằng cùng hệ số khi tăng ở điện áp ra. Lưu ý rằng cuộn điện cảm cần phải được thiết kế chính xác để có khả năng hoạt động với giá trị lớn của dòng trung bình. Điện áp gợn và điện dung của mạch lọc Ở bộ biến đổi tăng áp, tụ lọc C được thiết kế để điều chỉnh mức điện áp gợn Vr theo cách tương tự như tụ lọc trong mạch nắn. Trong suốt khoảng thời gian Ton, diode D ngưng dẫn, như ở mạch hình 2.44a, nên tụ cần phải cung cấp toàn bộ dòng tải. Nếu điện áp gợn được thiết kế có biên độ nhỏ, thì dòng xã gần như không đổi (hằng số) và được tính theo IO ≈ VO/R. Dựa vào mức gần đúng này, điện áp gợn có thể được tính theo: V T ⎛T ⎞ V T I VT Vr ≈ O Ton = O on = O ⎜ on ⎟ = O δ (2.77) C RC RC ⎝ T ⎠ RC Bảng 2.1, tóm tắt các công thức thiết kế cho bộ biến đổi tăng điện áp dc – dc BẢNG 2.1: Thiết kế bộ biến đổi tăng điện áp T VS V VO = VS = =S Toff 1 − Ton 1 − δ Điện áp ra T T IO I IS = I O = =O Toff 1 - Ton 1 - δ Dòng điện nguồn cung cấp T VST ⎛ Ton ⎞ VS VS δ L = Ton = ⎟= ⎜ Cuộn điện cảm Ir Ir ⎝ T ⎠ Ir f V T ⎛T ⎞ V T C = O ⎜ on ⎟ = O δ Tụ lọc Vr R ⎝ T ⎠ RC b) Bộ biến đổi giảm áp Mạch biến đổi giảm áp [buck converter] như ở hình 2.46, được thiết kế để tạo ra điện áp đầu ra là thấp hơn so với điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi giảm áp ở hình 2.46, tương tự hoạt động của bộ biến đổi tăng áp, và chuyển mạch S sẽ hoạt động một cách tuần hoàn với cùng kiểu định thời như ở hình 2.43a. Chuyển mạch S kín mạch Trong khoảng thời gian Ton, chuyển mạch S kín mạch, nên diode D sẽ được phân cực ngược theo điện áp vào dương dẫn đến mạch tương đương ở hình 2.46b. Giả sử điện áp gợn tại đầu ra khá nhỏ để điện áp đầu ra có thể xem gần đúng mức điện áp hằng vO ≈ VO, suy ra mức điện áp trên cuộn điện cảm sẽ bằng VS – VO, và mức dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian Ton sẽ là: Ton V − V V − VO iL (Ton ) = iL (0+ ) + ∫ dt = iL (0+ ) + S (2.78) Ton S O L L 0 Vì dòng chảy trong cuộn điện cảm không thay đổi tức thời, nên iL(0+) sẽ bằng với mức dòng ngay trước khi chuyển mạch thay đổi trạng thái. Chuyển mạch S hở mạch Khi chuyển mạch S chuyển sang hở mạch, diode sẽ chuyển sang dẫn, tạo đường dẫn liên tục cho dòng điện cảm từ điểm đất qua diode đến điện trở tải R và tụ lọc C như mô tả ở hình 3.72c. Điện áp trên điện cảm lúc này bằng với – VO. Dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của Toff là: BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 49 − VO V −V V Ton +Toff iL (T ) = iL (Ton ) + ∫ dt = iL (0 + ) + S O Ton − O Toff (2.79) L L L Ton Tuy nhiên, mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T. Do đó, dòng điện cảm tại các thời điểm t = 0+ và t = T cần phải đồng nhất, nên ta có: V − VS V iL (T ) = iL (0+ ) và: O Ton = O Toff (2.80) L L Rút gọn phương trình sẽ có quan hệ cơ bản giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào của bộ biến đổi giảm áp: T VO = VS on = VSδ (2.81) T Trong đó, δ là hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do Ton ≤ T, điện áp ra VO ≤ VS. Ở bộ biến đổi giảm áp điện áp cuộn điện cảm sẽ “làm giảm” điện áp vào, nên điện áp đầu ra là thấp hơn so với điện áp đầu vào. Điện áp ra của bộ biến đổi giảm áp tỷ lệ thuận với hệ số đầy xung δ. Tính điện cảm Quan hệ giữa điện áp vào và ra được biểu diễn theo phương trình (2.81) lại độc lập với L, nên việc tính trị số điện cảm sẽ được quyết định bởi thông số dòng gợn. Dạng sóng dòng điện cảm của mạch biến đổi giảm áp là rất giống với dạng sóng dòng điện ở mạch biến đổi tăng áp như ở hình 3.73. Biên độ dòng gợn Ir được tính bởi: V −V V I r = S O Ton = O Toff (2.82) L L Từ phương trình (3.93) suy ra biểu thức cho giá trị của cuộn điện cảm: V T ⎛T ⎞ V T ⎛ T ⎞ V V L = O Toff = O ⎜ off ⎟ = O ⎜1 − on ⎟ = O (1 − δ ) (2.83) Ir Ir ⎝ T ⎠ Ir ⎝ T ⎠ Ir f Trong mạch biến đổi giảm áp, dòng dc IL bằng với dòng tải IO. Dòng cần phải được cung cấp từ nguồn VS sẽ được tính theo: BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 50 VO T = I O on = I Oδ VS I S = VO I O IS = I O hoặc: (2.84) VS T Từ phương trình (2.84), ta thấy rằng dòng vào dc đến bộ biến đổi là thấp hơn mức dòng tải. Điện áp gợn và điện dung của tụ lọc Ở mạch biến đổi giảm áp, chỉ dòng gợn cần phải được hấp thụ bởi tụ lọc C. Điện áp thay đổi theo chiều dương trên tụ cần phải cân bằng với điện áp thay đổi theo chiều âm, bằng với điện áp gợn Vr: 1 ⎛ I ⎞ ⎛T +T ⎞ I T 1 Ton +(Toff )/2 ∆Q Vr = ∫ ir dt = trong đó: ∆Q = ⎜ r ⎟ = ⎜ on off ⎟ = r (2.85) C C 2⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ 8 Ton / 2 Tích phân của dòng điện trên tụ là kết quả của tổng thay đổi về điện tích ∆Q trên tụ lọc nên sẽ tương ứng với diện tích vùng tam giác tô đậm ở hình 2.47. Biểu thức của trị số điện dung có thể xác định bằng các phương trình (2.83) và (2.85): I T V T2 (1 − δ ) C= r = O (2.86) 8Vr Vr 8L Bảng 2.2 tóm tắt các công thức cần thiết để thiết kế bộ biến đổi giảm áp. BẢNG 2.2: Thiết kế bộ biến đổi giảm áp T VO = VS on = VSδ Điện áp ra T Ton = I Oδ IS = I O Dòng điện nguồn cung cấp T V T ⎛T ⎞ V L = O ⎜ off ⎟ = O (1 − δ ) Cuộn điện cảm Ir ⎝ T ⎠ Ir f I rT VO T 2 (1 − δ ) C= = Tụ lọc 8Vr Vr 8L 2.9 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA DIODE Có rất nhiều loại diode, và tất cả các loại diode chỉ cho phép dòng điện chảy qua khi được phân cực thuận, và chặn dòng chảy khi được phân cực ngược. Sự khác nhau ở các diode có thể thấy ở các thông số điện được liệt kê ở các trang số liệu về diode. Điện áp ngược lặp lại đỉnh hay đôi khi gọi là điện áp ngược đỉnh (PIV), và dòng thuận trung bình là hai thông số quan trọng nhất khi sử dụng diode. Sáu thông số điển hình thường có ở các trang số liệu về diode. 1. Điện áp ngược lặp lại đỉnh ( VRRM ) là điện áp ngược lớn nhất có thể được áp đặt lặp lại trên diode. Lưu ý rằng thông số này cũng chính là thông số định mức PIV. Thông số điện áp ngược có thể có ở các loại diode trong khoảng từ 5V đến 2000V. 2. Dòng thuận trung bình ( I 0 ) là giá trị dòng điện có thể chảy qua diode liên tục lớn nhất khi diode được phân cực thuận. Mức dòng thuận lớn nhất có thể trong khoảng từ vài mA đến trên 1000A. 3. Dòng thuận xung đỉnh ( I FSM ) là biên độ lớn nhất của xung dòng thuận mà diode có thể chịu đựng được. Giá trị điển hình là từ 10 ÷ 30 lần lớn hơn thông số dòng thuận trung bình. Ví dụ, một diode có mức dòng thuận trung bình là 12A thì có thể có mức xung dòng thuận đỉnh là 250A. 4. Sụt áp thuận ( VF ) là mức sụt áp lớn nhất ngang qua diode khi được phân cực thuận. Mức sụt áp điển hình ngang qua diode silicon khi được phân cực thuận là 0,7V; tuy nhiên, ở các trạng thái dòng cao hơn, mức sụt áp có thể cao hơn đáng kể. Thông thường, sụt áp thuận lớn nhất cho theo mức dòng thuận trung bình lớn nhất ( I 0 ). 5. Dòng ngược ( I R ) là mức dòng rò lớn nhất chảy qua diode khi được phân cực ngược. Dòng ngược bị ảnh hưởng lớn do nhiệt độ làm việc của diode. 6. Thời gian hồi phục ngược ( t rr ) là khoảng thời gian cần thiết để diode ngưng dẫn khi diode được chuyển sang phân cực ngược. Thời gian hồi phục ngược là thông số quan trọng đặc biệt đối với các diode chuyển mạch tốc độ cao. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 51 Cấu tạo của diode sẽ quyết định mức dòng làm việc, mức công suất có thể tiêu tán, và mức điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu được không bị hỏng. Mỗi hãng sản xuất cho tiêu chuẩn theo các trang số liệu về cấu kiện. Các thông số chính có ở trang số liệu của hãng sản xuất đối với một diode chỉnh lưu như sau: 1. Loại cấu kiện với chữ số thông thường hay các số của hãng sản xuất. 2. Điện áp ngược đỉnh (PIV). 3. Dòng ngược lớn nhất tại PIV. 4. Điện áp thuận dc lớn nhất. 5. Mức dòng thuận chỉnh lưu bán kỳ trung bình. 6. Nhiệt độ tiếp giáp lớn nhất. 7. Các đặc tuyến suy giảm mức dòng. 8. Họ đặc tuyến cho các thay đổi về nhiệt độ để cấu kiện có thể bị suy giảm ở các nhiệt độ cao hơn. Trong trường hợp diode zener, các thông số sau thường có ở các trang số liệu: 1. Loại cấu kiện theo chữ số thông thường hay số của nhà sản xuất. 2. Điện áp zener bình thường (điện áp đánh thủng thác). 3. Mức sai số của điện áp. 4. Mức tiêu tán công suất lớn nhất (ở 25oC). 5. Dòng đo thử IZT. 6. Trở kháng động tại mức IZT. 7. Mức dòng khuỷu. 8. Nhiệt độ tiếp giáp lớn nhất. 9. Hệ số nhiệt độ. 10. Họ đặc tuyến suy giảm đối với các nhiệt độ cao hơn. Chọn thông số kỹ thuật ví dụ và xem thông tin cho ở trang số liệu. Sử dụng diode chỉnh lưu 1N4001 thể hiện ở phụ lục D, có các thông số như sau: 1. PIV = 50V. 2. Dòng ngược lớn nhất (tại điện áp dc định mức) ở 25oC là 10µA. Ở 100oC có mức dòng lớn nhất là 50µA. 3. Sụt áp thuận tức thời lớn nhất tại 25oC là 1,1V. 4. Dòng thuận chỉnh lưu trung bình tại 25oC là 1A. 5. Khoảng nhiệt độ làm việc chịu trong thời gian dài của tiếp giáp (TJ) là – 65oC đến + 175oC. Hình 1.49, là đặc tuyến suy giảm dòng điện điển hình, cho biết cần phải điều chỉnh mức dòng định mức khi nhiệt độ tăng vượt qua nhiệt độ môi trường xung quanh. Đặc tuyến tương tự thường cho theo thông số suy giảm công suất. 2.10 CÁC LOẠI DIODE BÁN DẪN ĐẶC BIỆT a) Diode biến dung Diode biến dung hay varactor, là loại cấu kiện bán dẫn có chức năng như một tụ điện có thể thay đổi. Nhắc lại rằng, tụ điện là một linh kiện gồm hai bản cực dẫn điện được cách ly bằng một lớp điện môi (vật liệu cách điện). Trị số điện dung của tụ phụ thuộc vào ba yếu tố: diện tích của hai bản cực, khoảng cách giữa hai bản cực, và loại vật liệu làm điện môi cách ly giữa hai bản cực. Điện dung tỷ lệ thuận với diện tích của hai bản cực (A) và hệ số diện môi ε, tỷ lệ nghịch với khoảng cách (d) giữa hai bản cực: C = εA / d Hình 2.49a, là cấu trúc bên trong của diode khi được phân cực ngược, bao gồm hai vùng có các hạt tải điện (vùng p và vùng n) được cách ly bởi vùng nghèo không có các hạt tải điện. Diode khi được phân cực ngược đóng vai trò tương tự một tụ điện. Hai vùng p và n có chức năng như BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 52 hai bản cực dẫn điện, còn vùng nghèo có chức năng như một lớp điện môi. Hình 2.49b, cho thấy khi điện áp phân cực ngược tăng lên, thì vùng nghèo sẽ rộng ra. Tụ vẫn có điện dung nhưng vì hai vùng dẫn cách xa hơn nên điện dung đã bị giảm xuống. Varactor là một diode được chế tạo để có điện dung tiếp giáp cao. Trị số điện dung của varactor được điều khiển bằng độ lớn của điện áp phân cực ngược đặt vào varactor. Điện áp phân cực ngược lớn hơn thì điện dung của varactor sẽ nhỏ hơn. Hình 2.50, là ký hiệu và đặc tuyến điện dung theo điện áp phân cực ngược của diode biến dung mang số hiệu MVAM 108. Mạch hình 2.51, là mạch điều chỉnh để chọn tần số của tín hiệu từ antenna sử dụng diode biến dung. Khi cộng hưởng, mạch điều hưởng song song có trở kháng cao. Tín hiệu từ antenna tại tần số cộng hưởng của mạch điều hưởng sẽ tạo ra một sụt áp trên trở kháng cao của mạch điều hưởng nên tín hiệu sẽ được khuyếch đại. Các tần số tín hiệu tại các tần số khác sẽ xem mạch điều hưởng như mạch có trở kháng thấp so với đất nên sẽ không được đưa đến mạch khuyếch đại. Giá trị điện dung tương đương của mạch cộng hưởng bằng 500pF mắc song song với nhánh 2 tụ có điện dung 0,1µF và điện dung của diode biến dung. Ví dụ 2.5, là mạch điều hưởng sử dụng diode biến dung MVAM108 để điều chỉnh tần số cộng hưởng. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 53 Ví dụ 2.5: Hãy tính tần số cộng hưởng của mạch điều hưởng [tuner] ở hình 2.51, theo hai mức điện áp đặt vào là (a) 1V và (b) 7V. - Từ đặc tuyến điện dung theo điện áp ngược ở hình 2.50, ta xác định được trị số điện dung của diode biến dung tại điện áp phân cực ngược 1V và 7V: (a) 500pF @ 1V; (b) 55pF @ 7V. - Tính điện dung tương đương của mạch điều hưởng. Vì điện dung tương đương của diode biến dung là nhỏ hơn nhiều so với 0,1µF, nên điện dung của mạch nối tiếp sẽ bằng trị số điện dung của varactor. Tổng điện dung tương đương của mạch cộng hưởng bằng giá trị điện dung của varactor song song với 500 pF. (a) Ceq @ 1V = 500pF + 500pF = 1000pF (b) Ceq @ 7V = 55pF + 500pF = 555pF 1 - Tính tần số cộng hưởng tại cả hai mức điện áp đặt vào diode biến dung: FR = 2π LC 1 1 (a) FR = = 504kHz (b) FR = = 676kHz 2π 100µH ×1000pF 2π 100µH × 555pF b) Các diode chuyển mạch tần số cao. Giới thiệu. Diode biến dung là một ví dụ ứng dụng giá trị điện dung có trong diode tiếp giáp pn khi được phân cực ngược. Tất cả các diode tiếp giáp pn đều có một giá trị điện dung nào đó; điện dung của tiếp giáp pn không đáng kể khi sử dụng diode tiếp giáp ở mạch tần số thấp, nhưng mạch làm việc ở dãi tần số cao, thì dung kháng (XC) của tiếp giáp pn có thể làm giảm đến mức không còn dòng ngược. Thời gian hồi phục ngược (trr) là thời gian cần thiết để diode ngưng dẫn khi diode đã được phân cực ngược. Thông số thời gian hồi phục ngược trở thành yếu tố quan trọng tại tốc độ chuyển mạch cao. Các diode chỉnh lưu tần số thấp có thông số thời gian hồi phục ngược định mức vào khoảng vài microsecond, ngược lại các diode chuyển mạch tốc độ cao có thời gian hồi phục ngược vào khoảng vài nanosecond. Các nhà sản xuất đã chế tạo các diode chuyển mạch tần số cao có thể làm việc tại các tần số trên 3000MHz. Diode hồi phục bậc thang. Diode hồi phục bậc là diode tiếp giáp pn. Vật liệu p và n gần tiếp giáp được pha tạp loãng. Sự pha tạp ở vật liệu bán dẫn sẽ được tăng dần theo khoảng cách tăng lên từ tiếp giáp. Diode hồi phục bậc sẽ làm giảm điện dung tiếp giáp nên cho phép diode hồi phục bậc làm việc ở tần số cao. Ký hiệu mạch của diode hồi phục bậc như với diode thông thường. Diode PIN. Hình 2.52, là cấu tạo của diode PIN, với vùng vật liệu bán dẫn P và N được pha tạp đậm đặc cách ly bằng một vùng không pha tạp hay vật liệu bán dẫn thuần. Tên gọi diode PIN bắt nguồn từ loại vật liệu bán dẫn được sử dụng trong cấu trúc của diode. Vật liệu thuần đóng vai trò như chất điện môi phân cách hai vùng dẫn. Sự ngăn cách hai vùng dẫn sẽ làm giảm điện dung tiếp giáp của diode nên diode PIN có thể được sử dụng ở tần số cao. Ký hiệu mạch của diode PIN như ký hiệu của diode thông thường. Diode Schottky. Diode Schottky còn được gọi là diode hạt tải nóng [hot - carrier diode] không có tiếp giáp pn, mà tiếp giáp của diode Shottky được tạo thành bằng một tấm chắn kim loại (vàng, platinum, bạc) và vật liệu bán dẫn - n (hình 2.53). Diode Schottky có đặc tuyến dòng – áp tương tự như diode tiếp giáp pn, ngoại trừ điện áp mở thuận Vγ trong khoảng từ 0,3V đến 0,6V. Điện dung BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.