DIODE 1 / 7 Chương 2. DIODE 1. Cấu tạo, kí hiệu và phân loại: Diode c k hiu v hnh dng như (Hnh 2.1). Hai đu gi l Anode v Katod. Chiu phân cc thun k hiu l F v chiu phân cc ngưc k hiu l R. (a) K hiu diode chnh lưu (b) Hnh dng Diode Hnh 2.1 - K hiu v hnh dng Diode Diode cấu tạo gồm 2 lớp bán dẫn P và N nối với nhau. Do có s chênh lch mt độ 1 đin tử giữa 2 lớp, tại vùng tiếp giáp P-N (depletion region) có s dịch chuyển đin tử (electron) từ vùng N (mt độ đin tử lớn) sang vùng P (mt độ lỗ trống lớn). S dịch chuyển ny lm cho vùng N tch đin dương (do mất electron) v vùng P tch đin âm, v do đ hnh thnh nên một hiu đin thế tiếp giáp. S dịch chuyển đin tử do chênh lch mt độ càng lớn th đin thế tiếp giáp càng lớn v đến một lúc no đ tạo ra s cân bằng động: số lưng đin tử dịch chuyển từ N sang P (do chênh lch mt độ) bằng với số lưng đin tử dịch chuyển từ P sang N (do đin thế tiếp giáp). Hnh 2.2 - Mối nối P-N phân cc ngưc Khi đặt đin áp âm vào cc P v dương vo cc N ( 2 ) : (Hnh 2.2) Đin thế đặt vào cùng chiu với đin thế tiếp giáp, vùng tiếp gip đưc mở rộng ra. Khi p ngoi chưa đủ lớn, sẽ không c dòng đin qua diode. Khi p ngoi đủ lớn 3 , c dòng đin qua diode nhưng đồng thời cũng đnh thủng diode. 1 Đin tử sẽ dịch chuyển từ nơi c mt độ cao sang nơi c mt độ thấp hơn. 2 Gi là phân cc ngưc. 3 Với diode chỉnh lưu đin p ny thường phải rất lớn vi trăm volt đến vài nghìn volt DIODE 2 / 7 Hnh 2.3 - Mối nối P-N phân cc thun Khi đặt đin p dương vo cc P v đin áp âm vào cc N: (Hnh 2.3) Vùng chuyển tiếp thu hẹp lại. Nếu áp ngoài lớn hơn đin áp chuyển tiếp, sẽ c dòng đin qua diode. Lúc ny diode đưc gi l phân cc thun. Da vào ứng dụng của Diode, người ta chia Diode thành các loại sau:  Line frequency Diode: Loại Diode ny thường đưc dùng trong các ứng dụng chỉnh lưu. Chúng có thông số v đin áp (~5kV) v dòng đin (~5kA) hoạt động cao nhất trong các loại diode, đặc tính chịu quá dòng, quá áp rất tốt (giá trị gai khoảng gấp 6 ln giá trị trung bình). Bù lại chúng có cc đặc tính phục hồi ngưc lớn (Q rr và t rr ).  Fast recovery diodes: Loại Diode ny c đặc tính phục hồi ngưc bé (~1 us). Chúng có thể đạt công suất cao v thường đưc dùng trong các ứng dụng đng ngắt nhanh như mạch DC-DC, chỉnh lưu.  Schottky rectifiers: Là loại diode chỉnh lưu nhanh nhất, không bị hin tưng phục hồi ngưc, đin áp phân cc thun thấp (0.2V). Tuy nhiên chúng chỉ có thể đạt đin áp chịu đng hng trăm volts. Chúng thường đưc sử dụng trong các ứng dụng đo lường. 2. Đặc tính hoạt động: 2.1. Đặc tính lý tưởng - Diode là một kha điện t: Hình 2.4 - Mô hình diode lý tưởng Đặc tnh lý tưởng Diode là một kha đin tử. Khóa hở khi phân cc ngưc, kha đng khi phân cc thun. Khi đng (nối mạch), c rơi p qua diode. Với diode Si, rơi p khoảng 0.7V ; với diode Ge, rơi p khoảng 0.2V. Ví dụ: Tnh dòng đin và công suất chạy qua diode trong mạch đin sau: DIODE 3 / 7 D1 DIODE R1 2k2 2.2. Đặc tính thực tế: - Khi phân cc thun: Đin áp phân cc thun càng lớn th rơi p cng lớn (do ảnh hưởng của đin trở dẫn R ON .). Quan h dòng và áp lúc này gn như tuyến tính: V AK = V J + R ON .I F - Khi phân cc ngưc: Luôn có dòng rò (leakage current) rất nhỏ đi qua diode. Dòng rò ny không phụ thuộc vo p ngưc nhưng rất nhạy cảm với nhit độ mối nối P-N Khi áp phân cc ngưc đủ lớn V BR thì diode bị đnh thủng, lúc ny dòng ngưc tăng nhanh gây hỏng Diode Hình 2.5 - Đặc tính thc tế của Diode 2.3. Đặc tính đng ngắt: (Switching Characteristics of Power Diodes) Diode cn một khoảng thời gian để chuyển từ trạng thái ngừng dẫn (OFF) sang trái thái dẫn (ON) và ngưc lại. Cn chú ý đến ảnh hưởng của khoảng thời gian chuyển tiếp này vì: - Hin tưng quá dòng, quá áp lúc mới đng ngắt diode có thể gây hỏng hoặc kích dẫn không mong muốn các linh kin khác. - Dòng v p qua diode thay đổi lúc đng ngắt lm tăng công suất tiêu tán trên diode. Tn số đng ngắt diode càng cao càng gây tiêu tốn công suất nhiu. Đặc tnh đng (ON) theo thời gian t của Diode đưc cho trong hnh bên dưới. DIODE 4 / 7 Hnh 2.6 – Đặc tnh đng (ON) của Diode Đin áp phục hồi thun V FR (forward recovery voltage) thường lớn hơn đin áp phân cc thun V F nhiu ln (có thể gây kích dẫn hoặc hư hỏng các thiết bị khác). Giá trị V FR khoảng 10-30V, và thời gian phục hồi thun t FR khoảng 10us. Đặc tính ngắt (OFF) theo thời gian t của Diode đưc cho trong hnh bên dưới. Hình 2.7 – Đặc tính mở (OFF) của Diode [1] Khi ngừng dẫn, đin tích 1 trên Diode đưc xả đin, làm Diode dẫn đin ngưc trong một khoảng thời gian ngắn ngay sau khi mở (OFF). Vy để đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi cc xung đin p v dòng đin gây ra do đặc tnh đng v mở của Diode như trên, trong ứng dụng đng ngắt diode, người ta phải “chờ” cho cc xung ny mất đi rồi mới thay đổi trạng thi đng ngắt của Diode. Chnh điu này làm giới hạn tn số đng ngắt tối đa của Diode Một số lưu ý: Khi cho Diode ngừng dẫn, dòng diode không ngừng giảm tại 0 mà bị dẫn ngưc với dòng I RR (peak reverse recovery current). Trong một số mạch dòng này có thể chạy qua tải hoặc kích dẫn các thiết bị đng ngắt khác. 1 Đin tích tại mối nối P-N của Diode. Đin tch ny cũng gây ra s rơi p qua Diode khi phân cc thun DIODE 5 / 7 Tại cuối thời gian đng, nếu thời gian dẫn ngưc quá nhanh (giá trị S nhỏ) thì V RR lớn có thể gây hỏng linh kin. Thời gian dẫn ngưc t rr ảnh hưởng đến công suất tiêu tn trên diode. Đặc bit khi tn số đng ngắt càng lớn thì công suất tiêu tán càng lớn. 2.4. Phân tích mạch Diode: Vic phân tích mạch diode da vo đặc tính của diode: Kha đin tử với đin áp mở khóa V k Trong các ví dụ sau, cho V f = 0.7V, tính I F ? a) VCC=5V D1 DIODE R1 10k c) VCC=4V D1 DIODE R1 5.1k D2 DIODE e) R2 10k R1 10k D1 DIODE VCC=5V g) D2 DIODE R1 10k R4 15k V1=10V D1 DIODE V2= -15V i) R1 15k R4 10k D1 DIODE V2= -10VV1=15V D2 DIODE b) D1 DIODE VCC=5V R2 22K R1 12k d) D2 DIODE D1 DIODE VCC=5V R1 10k f) D2 DIODE R4 5k V1=15V V2= -10V R1 10k D1 DIODE h) D1 DIODE D3 DIODE V1= 10V V2= -20V V3= -10V R2 10k R3 10k R1 10k D2 DIODE j) R2 10k D2 DIODE V1= 10V V2= 5V V4= -5V D3 DIODE R1 10k D1 DIODE V3= 0V R3 12k DIODE 6 / 7 Bi giải gi ý: Xét mạch i. Giả sử Diode D1 v D2 cùng dẫn. Rơi p qua D1, D2 l 0.7V. Ta c: Dòng đin qua R1 l mA kR V I R 953.0 15 7.015 1 7.01 1      Dòng đin qua R2 là mA kR V I R 07.1 10 )10(7.0 4 27.0 2      Dòng đin qua D2 là mAIII RRD 117.007.1953.0 212  . Như vy giả thiết không hp lý Giải thiết D1 dẫn và D2 không dẫn. Dòng qua D1 là mA kRR VV I D 972.0 25 )10(7.015 41 27.01 1       Rơi p qua R1 l VkRIVV RD 42.0972.0.15151 112  . Đin áp qua D2 là 0.42V<0.7 nên D2 không dẫn, điu này phù hp với giả thiết. Vy kết lun I D1 =0.972mA; I D2 = 0mA 2.5. Các thông số quan trọng của Diode:  Đin áp phân cc thun - Forward Voltage Drop , Vf Khi đưc phân cc thun vưt quá 0.7V với diode Silison và 0.3 với diode Germanium. Diode bắt đu cho dòng đin đi qua n. Trong tnh trạng phân cc thun: Rơi p V f gn như không đổi. Dòng đin qua diode phụ thuộc vào quan h áp - tải bên ngoài.  Dòng rò: Leakage current - Dòng đin nhỏ chạy qua diode khi phân cc nghịch.  DC Blocking Voltage (VRDC): L đin áp một chiu phân cc ngưc Diode không làm hỏng diode  RMS Reverse Voltage (VRMS): Là giá trị hiu dụng của đin áp xoay chiu đặt vào diode mà không dây hư hỏng diode do đnh thủng phân cc ngưc.  Peak Repetitive Reverse Voltage (VRRM): L đin p ngưc đặt vào diode chịu đng trong ngắn hạn có lặp lại theo chu kỳ (thường là nửa chu k dòng đin, ví dụ 10ms). Bài tập tính toán và mô phỏng: 01. Phân tính các mạch trong phn 2.4 (bài giảng chương 2) v tnh ton dòng đin, công suất qua mỗi Diode. Giả sử rơi p qua Diode khi phân cc thun là 0.7V 02. Sử dụng công cụ (proteus, matlab,…) mô phỏng mạch như hnh bên dưới (dòng đin hình sin tn số 50Hz, áp hiu dụng 23V) trong hai trường hp có tải R và không có tải R. R1 2 D1 DIODE C1 10uF V1 VSINE V1(+) D1(K) (a) Đưa ra cc đồ thị (tất cả 6 đồ thị)  Đin áp nguồn  Đin áp V AK qua diode  Đin áp qua tải (b) Từ cc đồ thị cho biết giá trị V RRM của Diode là bao nhiêu ? (trong hai trường hp) DIODE 7 / 7 Bài tập đọc tài liệu: [1] Fast Recovery Epitaxial Diodes for use in High Frequency Rectification - Philips Semiconductors (10 trang) [2] Rectifier Diode Specifications and Ratings - ON semiconductor (13 trang) [3] Basic Diode Functions in Power Electronics - ON semiconductor (17 trang) [4] Datasheet Ratings for Diodes – Semikron (8 trang) [5] Lecture notes on Snubber Circuits - William P.Robbins (Mạch RC snubber là gì và tại sao cn mạch này? Qui trình thiết kế mạch RC Snubber cho Diode? Ví dụ cụ thể ?) [6] Designing an RC Snubber - CORNELL DUBILIER (3 trang) Lưu ý: tải tài liu tại web khoa: http://ic.ute.edu.vn . Lecture notes on Snubber Circuits - William P.Robbins (Mạch RC snubber là gì và tại sao cn mạch này? Qui trình thiết kế mạch RC Snubber cho Diode? Ví dụ cụ thể ?) [6] Designing an RC Snubber - CORNELL. công suất tiêu tán càng lớn. 2.4. Phân tích mạch Diode: Vic phân tích mạch diode da vo đặc tính của diode: Kha đin tử với đin áp mở khóa V k Trong các ví dụ sau, cho V f = 0.7V, tính. thun. Khi đng (nối mạch) , c rơi p qua diode. Với diode Si, rơi p khoảng 0.7V ; với diode Ge, rơi p khoảng 0.2V. Ví dụ: Tnh dòng đin và công suất chạy qua diode trong mạch đin sau: DIODE