CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 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 suấ t tức thời tiêu tán bởi diode xác định bằng biểu thức ở phương trình (2.56), DDD ivp = (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 liệ u 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 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 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, R s = 10Ω, và R L = 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, ∫ == /2 0 oavg π 902 90sin 1 T dt T t T V π 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 l ưu 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 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 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 2 V γ . 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 t ế, 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 ( V max ) 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 R L , tức là xuất hiện sự suy giảm theo hàm mũ cho bởi phương trình: CRt τt VVtv L / max / max ee)( − − == (2.57) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 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: CR'T L / e311300 − = trong đó, T’ là khoảng thời gian xã như đã chỉ ở hình 2.28. Ta có thể tính C theo T’ và R L như sau: CR'T L / e311300 − = hay: CR T' L ln1,037 = , và suy ra: L 2828 R T' ,C = Công thức này khó dùng để thiết kế mạch lọc, vì T’ phụ thuộc vào hằng số thời gian R L C, 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, ms 10 100 11 === f T 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: CR V- m L max 1 = đó là độ dốc của đường thẳng A ở hình vẽ. Độ dốc của đường thẳng B ở hình 2.29, là: 2 max 2 /T V m = Suy ra: max L 1 1 ∆∆- V VCR m V t == Sử dụng các tam giác đồng dạng, ta có: max min 21 222 V VTT t T t +=+= và: 2 )/∆(2∆ max max L 1 VVT V VCR t − == thay T = 1/f P , trong đó f P số lượng xung trong một giây (gấp hai lần tần số ban đầu), ta có: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −= ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −= maxPmaxPmax L 2 ∆ 1 1∆ 2 2 1∆ V V fV V fV V CR (2.58) Trong phần lớn các thiết kế mạch lọc, đều đòi hỏi độ gợn cần phải nhỏ hơn nhiều so với biên độ dc, nên: 1 2 ∆ max << V V Và phương trình (2.58) sẽ trở thành: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 38 LP max ∆ RfV V C = (2.59) Công thức (2.59) là kết quả tính của bài toán thiết kế chỉ đúng nếu đường thẳng không thấp hơn V min , đặc tuyến theo hàm mũ sẽ vẫn giữ trên giá trị V min . 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 V max = 311V, ∆V = 11V, và tần số của tín hiệu ra ở mạch nắn toàn kỳ là f P = 100Hz, đối với mạch nắn bán kỳ f P = 50Hz, Vậy, từ phương trình (2.59), ( ) 1 LLLP max Ωs 0,283 100Hz11V 11V3 ∆ − ⋅= ×× == RRRfV V C . 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 V r (rms) sẽ được tính theo: 32 (rms) minmax r VV V − = (2.60) 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 đượ c định nghĩa là: dc r (rms) V V gon soHe = 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 D 1 . Một dòng thành phần chảy qua C 2 nên tụ sẽ nạp lên mức V max . Một dòng thành phần khác thông qua điện trở tải và C 1 . Nếu C 1 đã được nạp lên mức V max trong chu kỳ trước, thì tụ sẽ có mức nguồn điện áp hiệu dụng khác V max 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 nhiệ t. 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 h ạt 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 đ ánh 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 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 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 đượ c 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 đ iển 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, I Zmax 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 V Z (gần điểm khuỷu của đặc tuyến) là 0,1I Zmax . Mức công suất của diode zener có thể chịu đựng (V Z I Zmax ) 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 nguồ n v S thay đổi và dòng tải cũng thay đổi. Nhiệm vụ thiết kế là chọn trị số của R i 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 R i . Phương trình nút của mạch CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 40 là: LZ ZS R ZS i ii Vv i Vv R + − = − = (2.61) Suy ra mức dòng zener i Z , là: L i ZS Z i R Vv i − − = (2.62) Các đại lượng có thể thay đổi trong phương trình (2.62) là v S và i L . 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, i Z là nhỏ nhất (I Zmin ) khi dòng tải, i L là lớn nhất (I Lmax ) và mức điện áp nguồn, v S là nhỏ nhất (V Smin ). 2. Mức dòng chảy qua diode, i Z là lớn nhất (I Zmax ) khi dòng tải, i L là nhỏ nhất (I Lmin ) và mức điện áp nguồn, v S là lớn nhất (V Smax ). Khi các đặc tính của hai mô hình được kết hợp vào phương trình (2.61), ta có: Trạng thái 1: ZminLmax ZSmin i II VV R + − = (2.63) Trạng thái 2: ZmaxLmin ZSmax i II VV R + − = (2.64) Do trị số của R i 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: ))(())(( ZminLmaxZSmaxZmaxLminZSmin IIVVIIVV + − = +− (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: ZmaxZmin 0,1I I = Giải phương trình (2.65) theo I Zmax , trong đó sử dụng tiêu chuẩn thiết kế đã được giới thiệu ở trên, SmaxZSmin ZSmaxLmaxSminZLmin Zmax 0,1 - 0,9 - )( )( VVV VVIVVI I − + − = (2.66) Có thể tính được mức dòng zener lớn nhất, để có trị số của R i 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 R i 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: 533mA 20V0,110V0,914V V)01200mA(20V14V)100mA(10V 0,1 - 0,9 - )( )( SmaxZSmin ZSmaxLmaxSminZLmin Zmax = ×−×− − + − = − +− = VVV VVIVVI I Tiếp theo, từ phương trình (2.64), tính R i như sau: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 41 15,8Ω 100mA533mA 10V20V ZmaxLmin ZSmax i = + − = + − = II VV R Sẽ không đầy đủ nếu chỉ xác định điện trở R i , 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. 6,3W))(( ZSmaxLminZmaxR = − + = VVIIP 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. 5,3W 10V 0,53A ZmaxZR = × = = IVP b) Lặp lại các bước tính trên theo các thông số của phần b, ta có: 4020mA - V410,110V0,910,2V V)01200mA(14V10,2V)20mA(10V 0,1 - 0,9 - )( )( SmaxZSmin ZSmaxLmaxSminZLmin Zmax = ×−×− − + − = − +− = VVV VVIVVI I Trị số I Zmax âm cho biết biên độ giữa V Smin và V Z 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. R F 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 C F tính theo phương trình tương ứng (2.59). Điện trở trong phương trình là điện trở tương đương mắc song song với C F . Diode zener được thay bằng nguồn điện áp V Z . Điện trở tương đương là do mạch song song của R F với R i . Điện trở R i mắc nối tiếp trong mạch để tránh các ngắn mạch hiệu dụng của R L lên diode zener. Do R F lớn hơn nhiều so với R i , nên điện trở song song có trị số gần bằng với R i . Bởi vì điện áp ngang qua R i không thể bằng 0 đối với mạch nắn toàn kỳ, nên V max 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. ip ZSmax F ∆ RVf VV C − = (2.67) Mức điện áp lớn nhất đặt trên bộ ổn áp là V Smax . ∆V là mức gợn đỉnh – đỉnh, và f p 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 n ối 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 R Z . Để thấy rõ các ảnh hưởng của điện trở nối tiếp R Z , ta giả sử rằng diode zener thực tế đã được kết hợp đưa vào ví dụ 2.3a, với điện trở của diode R Z = 2Ω. Giả sử I Zmin bằng 10% của I Zmax , hay bằng 0,053A. Điện áp ra (song song với tải) không lớn hơn mức hằng số 10V do R Z . 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: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 42 ( ) 10,1V2kΩ0,053A10V omin = × + = V ( ) 11,1V2kΩ0,53A10V omax = × + = V 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, 10%0,1 10V 10,1V11,1V % onominal ominomax == − = − = V VV Reg (2.68) 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 chả y 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 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 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. M ột là để diode dẫn cần phải có điện áp trên diode lớn hơn V γ . Thứ hai, khi diode đang dẫn phải tính đến điện trở thuận R f . Hình 2.37a, là mạch đã được sửa đổi. Ảnh hưởng của V γ là tạo mức xén V γ + V B thay cho V B . 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: γBi VVv +< , ta có: io vv = Đối với: γBi VVv +> , ta có: () f γB f f io RR R VV RR R vv + ++ + = 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. [...]... 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 V −V V − VO dt = iL (0 + ) + S O Ton − O Toff (2. 79) Ton L L L Tuy nhiên, mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T Do đó, dòng điện. .. 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... hiện trên đường dây điện vượt quá 320 ,7V đỉnh, thì hai diode zener sẽ dẫn điện ghim mức điện áp vào ở mức 320 ,7V Mức điện áp gợn cao sẽ tạo ra dòng lớn chảy qua hai diode zener, tức là gây ra sự tiêu tán công suất lớn Điều may mắn là xung gợn thường nhỏ hơn một milligiây Các hãng sản xuất cấu kiện BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 56 bán dẫn đã chế... 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,... 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 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 54 liên quan với diode Schottky là cực nhỏ Khi diode Schottky làm việc ở chế độ phân cực thuận, dòng điện được tạo ra bởi sự di chuyển của các điện tử từ... vệ quá điện áp Hình 2. 55, là mạch hai diode zener mắc đối đầu nhau nối ngang qua đường dây nguồn cung cấp ac để bảo vệ thiết bị điện tử không bị quá điện áp nguồn cung cấp ac Điện áp đĩnh của đường dây 22 0Vac là khoảng 310VP Thiết bị điện tử có mạch nguồn cung cấp được thiết kế với điện áp đường dây ac đầu vào và biến đổi điện áp ac thành các mức điện áp dc cần thiết Đôi khi có các thăng giáng điện. .. 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 IS = I O = I Oδ Dòng điện nguồn... 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... 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 =... 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 trong đó: ∆Q = ⎜ r ⎟ = ⎜ on off ⎟ = r (2. 85) Vr = ∫ ir dt = Ton / 2 C C 2 2 ⎠ ⎝ 2 8 ⎠ Tích phân của dòng điện trên tụ . 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 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN. ở hình 2. 35, là 10V, nên ta có thể viết: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 42 ( ) 10,1V2kΩ0,053A10V omin = × + = V ( ) 11,1V2kΩ0,53A10V omax = × + = V. )( SmaxZSmin ZSmaxLmaxSminZLmin Zmax = ×−×− − + − = − +− = VVV VVIVVI I Tiếp theo, từ phương trình (2. 64), tính R i như sau: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 41 15,8Ω 100mA533mA 10V20V ZmaxLmin ZSmax i = + − = + − = II VV R