Chương 2: Linh kiện thụ động Chương LINH KIỆN THỤ ĐỘNG 2.1 Điện trở 2.1.1 Khái niệm Điện trở (resistor) linh kiện có tính cản trở dịng điện làm số chức khác tùy vào vị trí điện trở mạch điện 2.1.2 Kí hiệu - đơn vị R R Hình 2.1 Kí hiệu điện trở Đơn vị : Ohm () k = 103  M = 103 k = 106  2.1.3 Điện trở dây dẫn Điện trở dây dẫn đại lượng đặc trưng cho tính cản trở dịng điện dây dẫn Kí hiệu: R; đơn vị:  (Ohm) Điện dẫn đại lượng đặc trưng cho tính dẫn điện dây đẫn Điện dẫn nghịch đảo điện trở Kí hiệu: G ; đơn vị: S (siemens) G (2.1a) R Từ thực nghiệm ta rút kết luận: nhiệt độ định, điện trở dây dẫn tùy thuộc vào chất dây, tỉ lệ thuận với chiều dài dây tỉ lệ nghịch với tiết diện dây R ρ l S (2.1b) R: điện trở dây dẫn () l : chiều dài dây dẫn (m) S: tiết diện dây dẫn (m2) : điện trở suất (m) Điện trở suất: Số đo điện trở dây dẫn làm chất có chiều dài m, tiết diện thẳng m2 gọi điện trở suất chất 14 Chương 2: Linh kiện thụ động Với chất khác điện trở suất khác Điện trở suất  biến đổi theo nhiệt độ biến đổi xác định theo công thức sau: ρ = ρ0(1+at) (2.1c) 0: điện trở suất đo C a: hệ số nhiệt độ t: nhiệt độ (0C) : điện trở suất nhiệt độ t Bảng 2.1 đưa trị số trung bình điện trở suất số chất dẫn điện thường gặp: Chất ρ(Ω.m) Chất ρ(Ω.m) Bạc 0,016.106 Kẽm 0,06.106 Đồng 0,017.106 Thép 0,1 106 Nhơm 0,026.106 Photpho 0,11.106 Vonfarm 0,055.106 Chì 0,21.106 Bảng 2.1 Điện trở suất số chất dẫn điện thường gặp 2.1.4 Định luật Ohm a Định luật Ohm cho đoạn mạch điện trở Năm 1926, nhà vật lý người Đức George Simon Ohm thiết lập thực nghiệm định luật sau: cường độ dòng điện đoạn mạch tỉ lệ thuận với hiệu điện hai đầu đoạn mạch tỉ lệ nghịch với điện trở đoạn mạch I U R (2.2) I: cường độ dòng điện (A) U: hiệu điện hai đầu đoạn mạch (V) R: điện trở () b Định luật Ohm tổng quát đoạn mạch V1,r1 V2,r2 A R Hình 2.2 Đoạn mạch AB Dịng điện chạy đoạn mạch tính cơng thức: 15 B Chương 2: Linh kiện thụ động I A  B   V (2.3) Rt A: điện A B: điện B Rt: điện trở đoạn mạch AB Rt = R + r1 + r2 Qui ước nguồn điện tùy theo chiều dòng điện: Nguồn phát (cấp điện), qui ước V > Nguồn thu (tiêu thụ điện), qui ước V < c Định luật Ohm tổng qt cho mạch kín Dịng điện chạy mạch kín tính cơng thức: I V (2.4a) Rt I: cường độ dòng điện chạy mạch kín V: tổng điện có mạch kín Rt: điện trở tồn mạch Thực ra, với đoạn mạch AB (hình 2.2) hai đầu A, B đoạn mạch trùng nhau, ta có mạch kín Khi A = B cơng thức tính dịng điện trở thành: I V  Rt V1  V2 R  r1  r2 Ví dụ khác: Ta có: (2.4b) V1 I I V  V  V Rt R1  R R1 V2 (2.4c) R2 Hình 2.3 Mạch điện kín 2.1.5 Định luật Kirchhoff Thực tế, ta thường gặp mạng điện phân nhánh phức tạp gồm nhiều nút vòng mạng Một nút điện chỗ nối nhánh điện phải có ba nhánh điện trở lên Vòng mạng vòng kín đoạn mạch tạo thành a Định luật Kirchhoff thứ (định luật nút) 16 Chương 2: Linh kiện thụ động Tổng đại số cường độ dòng điện nút không n  ( I k 1 k )0 (2.5a) Tại nút có n nhánh điện Qui ước: cường độ dòng điện tới nút mạng dấu +, cường độ dòng điện khỏi nút mạng dấu - Hay nói cách khác: Tổng cường độ dòng điện tới nút tổng cường độ dòng điện khỏi nút  Ivào =  I (2.5b) I1 Ví dụ: Tại nút A ta có: I 1- I 2- I + I 4+ I 5= Hay I + I + I = I + I I5 I2 A I3 (2.5c) (2.5d) I4 Hình 2.4 Nút A có nhánh điện b Định luật Kirchhoff thứ hai (định luật vòng mạng) Trong vòng mạng, tổng tổng đại số sức điện động tổng đại số độ giảm điện phần tử khác không n, n  ( V )   ( I k 1 k k , 1 k, )R k ,  (2.6a) Qui ước: Sức điện động mang dấu + chiều chọn vòng mạng xuyên vào cực dương nguồn điện Sức điện động mang dấu - chiều chọn vòng mạng xuyên vào cực âm nguồn điện Cường độ dịng điện mang dấu + chiều với chiều chọn mang dấu ngược chiều với chiều chọn V1,r I V2,r II V3,r I1 R1 Ví dụ: Xét mạch hình 2.5 ta có: Vịng I: - V1 + I1(r1 + R1) – I2(r2 + R2) + V2 = I2 I3 (2.6b) R2 Vịng II: R3 Hình 2.5 Mạch điện gồm hai vòng mạng - V2 + I2(r2 + R2) – I3(r3 + R3) + V3 = (2.6c) 2.1.6 Phân loại Điện trở phân loại dựa vào cấu tạo hay dựa vào mục đích sử dụng mà có nhiều loại khác 2.1.6.1 Phân loại theo cấu tạo 17 Chương 2: Linh kiện thụ động a Điện trở than (carbon resistor) Người ta trộn bột than bột đất sét theo tỉ lệ định trị số khác Sau đó, người ta ép lại cho vào ống Bakelite Kim loại ép sát hai đầu hai dây hàn vào kim loại, bọc kim loại bên để giữ cấu trúc bên đồng thời chống cọ xát ẩm Ngoài người ta sơn vòng màu biết trị số điện trở Loại điện trở dễ chế tạo, độ tin cậy tốt nên rẻ tiền thơng dụng Điện trở than có trị số từ vài Ω đến vài chục MΩ Công suất danh định từ 0,125 W đến vài W b Điện trở màng kim loại (metal film resistor) Loại điện trở chế tạo theo qui trình kết lắng màng Ni – Cr thân gốm có xẻ rãnh xoắn, sau phủ lớp sơn Điện trở màng kim loại có trị số điện trở ổn định, khoảng điện trở từ 10 Ω đến MΩ Loại thường dùng mạch dao động có độ xác tuổi thọ cao, phụ thuộc vào nhiệt độ Tuy nhiên, số ứng dụng khơng thể xử lí cơng suất lớn có cơng suất danh định từ 0,05 W đến 0,5 W Người ta chế tạo loại điện trở có khoảng cơng suất danh định lớn từ W đến 1000 W với khoảng điện trở từ 20 Ω đến MΩ Nhóm cịn có tên khác điện trở công suất c Điện trở oxit kim loại (metal oxide resistor) Điện trở chế tạo theo qui trình kết lắng lớp oxit thiếc SiO2 Loại có độ ổn định nhiệt cao, chống ẩm tốt, công suất danh định từ 0,25 W đến W d Điện trở dây quấn (wire wound resistor) Làm hợp kim Ni – Cr quấn lõi cách điện sành, sứ Bên phủ lớp nhựa cứng lớp sơn cách điện Để giảm tối thiểu hệ số tự cảm L dây quấn, người ta quấn ½ số vịng theo chiều thuận ½ số vịng theo chiều nghịch Điện trở xác dùng dây quấn có trị số từ 0,1 Ω đến 1,2 MΩ, công suất danh định thấp từ 0,125 W đến 0,75 W Điện trở dây quấn có cơng suất danh định cao cịn gọi điện trở cơng suất Loại gồm hai dạng: - ống có trị số 0,1 Ω đến 180 kΩ, công suất danh định từ W đến 210 W - khung có trị số Ω đến 38 kΩ, công suất danh định từ W đến 30 W 2.1.6.2 Về mục đích sử dụng a Điện trở cố định Điện trở cố định loại điện trở có trị số cố định không thay đổi Trị số nhà sản xuất ấn định có sai số phạm vi cho phép Nhóm điện trở cố định chia loại: 18 Chương 2: Linh kiện thụ động  Điện trở xác: dạng màng kim loại dây quấn, thiết kế để dùng mạch đòi hỏi sai số phạm vi hẹp, độ ổn định lớn, tiếng ồn thấp hệ số nhiệt độ thấp Loại dây quấn tương đối lớn có khoảng điện trở từ 0,1 Ω đến 1,2 MΩ có độ ổn định cao Các hiệu ứng điện cảm L điện dung C điện trở dây quấn khiến khơng thích hợp để dùng tần số lớn 50 kHz quấn đặc biệt để giảm điện cảm điện dung liên kết Điện trở màng kim loại không bền điện trở dây quấn song có điện cảm nhỏ Điện trở màng kim loại thường có vỏ hàn kín đúc nhựa phenol Nó có khoảng điện trở từ 10 Ω đến 5MΩ  Điện trở bán xác: thiết kế cho mạch địi hỏi độ ổn định nhiệt độ lâu dài Điện trở thường nhỏ điện trở xác rẻ hơn, chủ yếu làm chức hạn dòng giảm áp mạch Loại điện trở Khoảng điện trở Oxit kim loại Kim loại gốm Than kết tủa 10 Ω đến 1,5 MΩ 10 Ω đến 1,5 MΩ 10 Ω đến MΩ Khoảng công suất danh định 0,25 W đến W 0,05 W đến 0,5 W 0,125 W đến W  Điện trở đa dụng: loại nhỏ, rẻ tiền, thường hay dùng mạch điện tử mà dung sai ban đầu khơng quan trọng (ví dụ: 5% lớn hơn), độ ổn định dài hạn khơng quan trọng Khơng dùng điện trở nơi cần hệ số nhiệt độ điện trở thấp mức ồn thấp Khoảng điện trở từ 2,7 Ω đến 100 MΩ Trị số điện trở 0,3MΩ bắt đầu bị giảm tần số xấp xỉ 100 kHz, tần số MHz tất trị số bị giảm Khoảng công suất danh định từ 0,125 W đến W  Điện trở công suất: có dạng dây quấn dạng màng, loại có khoảng cơng suất danh định cao, dùng nguồn công suất, chia áp b Điện trở có trị số thay đổi được:  Biến trở (VR = Variable Resistor): loại điện trở có trị số thay đổi Biến trở dây quấn: dùng dây dẫn có điện trở suất cao, đường kính nhỏ, quấn lõi cách điện sứ hay nhựa tổng hợp hình vịng cung 2700 Hai đầu hàn hai cực dẫn điện A, B Tất đặt vỏ bọc kim loại có nắp đậy Trục vịng cung có quấn dây chạy có trục điều khiển đưa nắp hộp Con chạy hàn với cực dẫn điện C Biến trở dây quấn thường có trị số nhỏ từ vài Ω đến vài chục Ω Cơng suất lớn, tới vài chục W Biến trở than: người ta tráng lớp than mỏng lên hình vịng cung bakelit Hai đầu lớp than nối với cực dẫn điện A B Ở cực C biến trở 19 Chương 2: Linh kiện thụ động chạy kim loại tiếp xúc với lớp than Trục xoay gắn liền với chạy, xoay trục (chỉnh biến trở) chạy di động lớp than làm cho trị số biến trở thay đổi Biến trở than cịn chia làm hai loại: biến trở tuyến tính, biến trở phi tuyến Biến trở than có trị số từ vài trăm Ω đến vài MΩ có cơng suất nhỏ Hình 2.6 Hình dạng kí hiệu biến trở  Nhiệt điện trở loại điện trở mà trị số thay đổi theo nhiệt độ (thermistor) Nhiệt trở dương ( PTC = Positive Temperature Coefficient) loại nhiệt trở có hệ số nhiệt dương Nhiệt trở âm ( NTC = Negative Temperature Coefficient) loại nhiệt trở có hệ số nhiệt âm  VDR (Voltage Dependent Resistor) loại điện trở mà trị số phụ thuộc điện áp đặt vào Thường VDR có trị số điện trở giảm điện áp tăng  Điện trở quang (photoresistor) linh kiện bán dẫn thụ động khơng có mối nối P – N Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang CdS (Cadmium Sulfid), CdSe (Cadmium Selenid), ZnS (sắt Sulfid) tinh thể hỗn hợp khác Ánh sáng CdS Hình 2.7 Cấu tạo điện trở quang Điện trở quang gọi điện trở tùy thuộc ánh sáng (LDR ≡ Light Dependent Resistor) có trị số điện trở thay đổi tùy thuộc cường độ ánh sáng chiếu vào CdS LDR Hình 2.8 Hình dạng kí hiệu điện trở quang Kí hiệu hình dạng điện trở quang hình 2.8 20 Chương 2: Linh kiện thụ động Khi bị che tối điện trở quang có trị số lớn, chiếu sáng độ dẫn điện chất bán dẫn tăng cặp điện tử tự lỗ trống hình thành nhiều tức điện trở giảm nhỏ Điện trở quang có trị số điện trở thay đổi khơng tuyến tính theo độ sáng chiếu vào Khi bóng tối điện trở quang có trị số khoảng vài megaohm, trị số điện trở quang bóng tối với nhiều trường hợp ứng dụng cần phải biết Nó cho ta dòng điện rò lớn với điện điện trở quang Dòng rò lớn dẫn đến sai lệch thiết kế mạch điện Khi chiếu sáng điện trở quang có trị số nhỏ khoảng vài chục đến vài trăm Ohm Hệ số nhiệt điện trở quang tỉ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng Do để giảm bớt thay đổi điện trở quang theo nhiệt độ, điện trở quang cần cho hoạt động với mức chiếu sáng tối đa Ở mức chiếu sáng thấp trị số điện trở quang cao cho ta sai biệt lớn so với trị số chuẩn Điện trở quang ứng dụng làm phận cảm biến quang mạch tự động điều khiển ánh sáng; mạch đo ánh sáng; mạch chỉnh hội tụ số thiết bị; mạch trò chơi điện tử,… c Một số điện trở khác: Điện trở cầu chì Điện trở xi – măng Điện trở chip Điện trở dán… Hình 2.9 Hình dạng số loại điện trở 2.1.7 Cách mắc điện trở a Mắc nối tiếp R1 R2 I1 I2 Rtđ I + + U U Hình 2.10 Mạch điện trở mắc nối tiếp Xét mạch hình 2.10, với: I1: cường độ dòng điện chạy qua R1 I2: cường độ dòng điện chạy qua R2 U1: hiệu điện hai đầu R1 U2: hiệu điện hai đầu R2 21 Chương 2: Linh kiện thụ động Ta có: I1 = I2 = I U = U1 + U Rtđ = R1 + R2 (2.7) (2.8) (2.9a) Nếu có nhiều điện trở mắc nối tiếp Rtđ = R1 + R2 + …+ Rn (2.9b) b Mắc song song I I1 R1 I I2 Rtđ R2 Hình 2.11 Mạch điện trở mắc song song Xét mạch hình 2.11, với: I1: cường độ dịng điện chạy qua R1 I2: cường độ dòng điện chạy qua R2 U1: hiệu điện hai đầu R1 U2: hiệu điện hai đầu R2 Ta có: U1 = U2 = U I = I1 + I2 (2.10) (2.11) 1 1 R1R   hay  R tđ R1 R R tđ R1  R (2.12a) Nếu có nhiều điện trở mắc song song với thì: 1 1     R tđ R1 R Rn (2.12b) 2.1.8 Cách đọc trị số điện trở a Đọc trị số điện trở theo qui ước vòng màu:  Điện trở vòng màu ABCD - Vòng A, B trị số tương ứng với màu - Vòng C hệ số nhân - Vịng D sai số Hình 2.12 Điện trở vòng màu 22 Chương 2: Linh kiện thụ động Ví dụ: Đỏ – tím – đỏ – bạc = 2,7 k 10% Đỏ – tím – đỏ – vàng nhũ = 2,7 k  5% Đỏ – đỏ – đỏ – vàng nhũ = 2,2 k  5% Nâu – lục – đỏ – vàng nhũ = 1,5 k  5% Cam – cam – vàng nhũ – vàng nhũ = 3,3   5% Màu Vòng A, B Vòng C Vòng D Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Lục Lam Tím Xám Trắng Vàng nhũ Bạc Màu thân điện trở - x100 = x1 x101 = x10 x102 = x100 x103 = x1000 x104 = x10000 x105 = x100000 x106= x1000000 x107 = x10000000 x108 = x100000000 x109= x1000000000 x10-1 = x0,1 x10-2 = x0,01 - 1%  2%  3%  5%  10%  20% Bảng 2.2 Bảng qui ước màu điện trở  Điện trở vịng màu: Lần lượt kí hiệu A, B, C Ý nghĩa vòng màu tương tự loại điện trở vòng màu: vòng A, B trị số tương ứng với màu Vòng C hệ số nhân Sai số xem màu thân điện trở Ví dụ: Đỏ – tím – đỏ = 2,7 k  20%  Điện trở vòng màu: Loại điện trở vịng màu kí hiệu vòng A, B, C, D, E: vòng A, B, C trị số tương ứng với màu, vòng D hệ số nhân, vịng E sai số Ví dụ: Nâu – đen – đen – đen – nâu = 100   1% b Đọc trị số điện trở theo qui ước chấm màu 23 Chương 2: Linh kiện thụ động Hệ số tiêu tán DF (Dissipation Factor) tỉ số điện trở tương đương nối tiếp R dung kháng XC DF có đơn vị: % DF xấp xỉ PF PF ≤ 10% Hệ số phẩm chất Q (Quality Factor) nghịch đảo hệ số tiêu tán Nó thường áp dụng cho tụ mạch điều hưởng Dòng điện rỉ (rò) DC dịng chạy qua tụ có đặt điện áp DC vào tụ Điện trở cách điện: tỉ số điện áp đặt vào tụ dòng điện rỉ (rò) thường biểu thị M 2.2.7 Cách mắc tụ điện a Mắc nối tiếp C1 C2 + C tđ + + + + U U Hình 2.20 Mạch tụ điện mắc nối tiếp Điện tích nạp vào tụ tính theo cơng thức: Q  Q1  Q2 Q  C1U1  C2 U  U1  Mặt khác: mà :  Q  Ctđ U  U  (2.20) Q Q ; U2  C1 C2 Q Ctđ U  U1  U (2.21) 1   Ctđ C1 C2 (2.22a) Nếu có nhiều tụ ghép nối tiếp thì: 1 1     Ctđ C1 C2 Cn (2.22b) b Mắc song song C1 + C tđ + + C2 + + U U 29 Chương 2: Linh kiện thụ động Hình 2.21 Mạch tụ điện mắc song song Hiệu điện hai đầu tụ C1, C2: U = U1 = U2 Điện tích nạp vào tụ C1: Q1 = C U Điện tích nạp vào tụ C2: Q2 = C2.U Điện tích nạp vào tụ Ctđ: Q = Ctđ.U Điện tích nạp vào tụ C1, C2 điện tích nạp vào tụ Ctđ nên: Q = Q1 + Q  Ctđ.U = C1U + C2U = (C1 + C2) U  Ctđ = C1 + C2 Nếu có nhiều tụ mắc song song thì: (2.23) (2.24) (2.25a) Ctđ = C1 + C2 + … Cn (2.25b) 2.2.8 Hiện tượng nạp – xả tụ Xét mạch hình 2.18, K R giả sử tụ chưa tích điện, ta bật khóa K sang vị trí số C + + tụ bắt đầu nạp điện, lượng VDC điện tích tích hai tụ tăng dần đến hiệu điện hai đầu tụ gần Hình 2.22 Mạch khảo sát tượng nạp - xả tụ nguồn VDC (99%VDC) trình nạp điện tụ chấm dứt, tụ xem nạp đầy, tác động khác tượng khơng đổi Khi chưa tích điện hiệu điện hai đầu tụ khơng Trong q trình nạp điện hiệu điện hai đầu tụ thay đổi theo dạng hàm số mũ: V C (t)/ IC (t)  t τ vC (t)  VDC (1  e ) (2.26a) e = 2,71828  = R.C (2.26b) R: điện trở () C: điện dung (F) : thời nạp – xả tụ (s) t: thời gian tụ nạp điện (s) Trong q trình nạp điện, tụ có dịng điện nạp thay đổi theo dạng hàm số mũ: 98 99 2 95 1 86 63 37 14 5  2 3 4 5 Hình 2.23 Đặc tuyến nạp tụ 30 t Chương 2: Linh kiện thụ động t i C (t)  VDC  τ e R (2.27) Theo lý thuyết, thời gian để tụ nạp đầy vô hạn (vc(t) = VDC) Trên thực tế, sau thời gian 5 tụ nạp 99%VDC, lúc người ta xem tụ nạp đầy Khi tụ nạp đầy, ta bật K qua vị trí số 2, tụ C xả điện qua R, hiệu điện hai đầu tụ thay đổi theo biểu thức: vC (t)  VDCe   t τ (2.28a) e = 2,71828  = R.C R: điện trở () C: điện dung (F) : thời nạp – xả tụ (s) t: thời gian tụ xả (s) (2.28b) Dòng xả tụ thay đổi theo biểu thức: t V  i C (t)  DC e τ R (2.29) Để ý tốc độ nạp – xả nhanh thời gian lúc đầu từ đến , sau chậm lại thời gian sau 2.2.9 Phân loại a Dựa theo mục đích sử dụng  Tụ cố định: tụ có trị số điện dung cố định Trị số nhà sản xuất ấn định có sai số phạm vi cho phép Nó chia làm hai dạng: - Tụ có cực (polar): tụ có phân cực tính dương âm Tụ khơng phân cực (nonpolar): tụ có hai cực  Tụ biến đổi: loại tụ có trị số điện dung điều chỉnh thay đổi theo yêu cầu sử dụng Hình 2.24 Hình dạng tụ biến đổi b Dựa theo chất điện môi 31 Chương 2: Linh kiện thụ động - Tụ hóa: loại tụ có phân cực tính Tụ hóa có cực nhôm, điện môi lớp oxit nhôm mỏng tạo phương pháp điện phân Điện dung tụ hóa lớn Khi dùng phải ráp cực tính dương âm Điện làm việc thường nhỏ 500V - Tụ hóa tantalum (Ta): tụ có phân cực tính, có cấu tạo tương tự tụ hóa dùng tantalum thay dùng nhơm Tụ Tantalum có kích thước nhỏ điện dung lớn Điện làm việc vài chục volt - Tụ giấy: loại tụ khơng phân cực tính Tụ giấy có hai cực nhơm thiếc, có lớp cách điện giấy tẩm dầu cuộn lại thành ống - Tụ màng: tụ khơng phân cực tính.Tụ màng có chất điện mơi màng chất dẻo như: polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethelene Có hai loại tụ màng chính: loại foil loại kim loại hóa Loại foil dùng miếng kim loại nhơm hay thiếc để tạo cực dẫn điện Loại kim loại hóa chế tạo cách phun màng mỏng kim loại nhôm hay kẽm màng chất dẻo, kim loại phun lên đóng vai trị cực Với giá trị điện dung định mức điện áp đánh thủng tụ loại kim loại hóa có kích thước nhỏ loại foil Ưu điểm thứ hai loại kim loại hóa tự phục hồi Điều có nghĩa điện môi bị đánh thủng điện áp đánh thủng tụ khơng bị hư ln mà tự phục hồi lại Tụ foil khơng có tính - Tụ gốm (ceramic): loại tụ khơng phân cực tính Tụ gốm chế tạo gồm chất điện môi gốm, tráng bề mặt lớp bạc để làm cực - Tụ mica: loại tụ không phân cực tính Tụ mica chế tạo gồm nhiều miếng mica mỏng, tráng bạc, đặt chồng lên miếng mica mỏng xép xen kẻ với miếng thiếc Các miếng thiếc lẻ nối với tạo thành cực, Các miếng thiếc chẵn nối với tạo thành cực Sau bao phủ lớp chống ẩm sáp nhựa cứng Thường tụ mica có dạng hình khối chữ nhật Ngồi ra, cịn có tụ dán bề mặt chế tạo cách đặt vật liệu điện môi gốm hai màng dẫn điện (kim loại), kích thước nhỏ Mạng tụ điện (thanh tụ điện) dạng tụ nhà sản xuất tích hợp nhiều tụ điện bên (vỏ) để tiết kiệm diện tích Người ta kí hịệu chân chung giá trị tụ 32 Chương 2: Linh kiện thụ động Hình 2.25 Hình dạng số loại tụ 2.2.10 Cách đọc trị số điện dung - Tụ có ghi số thân: có nghĩa tụ có điện dung C = 0,1 µF; 01 có nghĩa tụ có điện dung C = 0,01 µF - Tụ có ghi số thân:103K có nghĩa tụ có điện dung: C = 10000 pF ± 10% Hai số đầu số có nghĩa, số thứ ba số nhân Chữ sai số: J = ± 5% K = ± 10%, M = ± 20% - Tụ có ghi hai chữ số thân, ví dụ: 47/50 số đầu điện dung, đơn vị pF, số thứ hai trị số điện áp làm việc, đơn vị volt - Tụ hóa: cực tính ghi dấu + dấu - Đơn vị điện dung microfarad, điện áp làm việc đơn vị volt Ví dụ: thân tụ hóa ghi 2200µF25V có nghĩa tụ có: C = 2200 µF, WV = 25 V Qui ước màu tụ điện tương tự qui ước màu điện trở Tụ điện gốm dạng hình ống có vịng màu có vịng thứ năm cách xa Ý nghĩa vòng màu: vòng thứ nhất, vòng thứ hai số tương ứng với màu, vòng thứ ba số nhân, vòng thứ tư sai số, vịng thứ năm đặc điểm riêng Tụ điện gốm dạng hình ống có vịng màu có vịng thứ năm rộng Ý nghĩa vòng màu: vòng thứ nhất, vòng thứ hai số tương ứng với màu, vòng thứ ba số nhân, vòng thứ tư sai số, vòng thứ năm hệ số nhiệt độ Đặc biệt tụ dán bề mặt có ba cách mã hóa thơng dụng, ba dùng đơn vị pF  Hệ 33 kí hiệu chữ in hoa thường: thân tụ ghi kí hiệu theo sau số (0 ÷ 9) số nhân Kí hiệu Số nhân A – 1.0 H – 2.0 b – 3.5 f – X– 7.5 = x1 B – 1.1 J – 2.2 P – 3.6 T– 5.1 t – 8.0 = x10 C – 1.2 K – 2.4 Q – 3.9 U– 5.6 Y– 8.2 = x100 D – 1.3 a – 2.5 d – 4.0 m – 6.0 y – 9.0 = x1000 E – 1.5 L – 2.7 R – 4.3 V – 6.2 Z – 9.1 = x10000 F – 1.6 M – 3.0 e – 4.5 W – 6.8 = x100000 G – 1.8 N – 3.3 S – 4.7 n – 7.0 … 33 Chương 2: Linh kiện thụ động Ví dụ: J3 = 2.2 x 1000 = 2200 pF P2 = 3.6 x 100 = 360 pF S1 = 4.7 x 10 = 47 pF  Hệ 24 kí hiệu chữ in hoa: thân tụ ghi kí hiệu theo sau số (1 ÷ 9) số nhân Ví dụ: 05 = pF 82 = 82 pF A1 = 10 x 10 = 100 pF N3 = 33 x 1000 = 33000 pF Kí hiệu Số nhân A – 10 F – 16 L – 27 R – 43 W – 68 = x10 B – 11 G – 18 M – 30 S – 47 X– 75 = x100 C – 12 H – 20 N – 33 T– 51 Y– 82 = x1000 D – 13 J – 22 P – 36 U– 56 y – 90 = x10000 E – 15 K – 24 Q – 39 V – 62 Z – 91 = x100000 … Lưu ý: với hệ giá trị nhỏ 100 pF ghi trực tiếp, giá trị lớn 100 pF ghi chữ với số  Hệ 24 kí hiệu chữ in hoa số: thân tụ ghi kí hiệu số nhân qui định màu kí hiệu Kí hiệu Số nhân (màu) A – 1.0 H – 1.6 N – 2.7 V – 4.3 – 6.8 B – 1.1 I – 1.8 O – 3.0 W – 4.7 4– 7.5 đen = x10 C – 1.2 J – 2.0 R – 3.3 X– 5.1 7– 8.2 lục = x100 D – 1.3 K – 2.2 S – 3.6 Y– 5.6 – 9.1 lam = x1000 E – 1.5 L – 2.4 T – 3.9 Z – 6.2 cam = x1.0 tím = x10000 đỏ = x100000 34 Chương 2: Linh kiện thụ động Ví dụ: W màu cam = 4.7 x 1.0 = 4.7 pF 2.11 Ứng dụng Tụ thường dùng làm tụ lọc mạch lọc nguồn, lọc chặn tần số hay cho qua tần số Tụ có mặt mạch lọc thụ động, mạch lọc tích cực,….Tụ liên lạc để nối tầng khuếch đại Tụ kết hợp với số linh kiện khác để tao mạch dao động,….Ngày cịn có tụ nano để tăng dung lượng nhớ nhằm đáp ứng nhu cầu cao người 2.3 Cuộn cảm 2.3.1 Cấu tạo – kí hiệu Cuộn cảm (inductor) / cuộn dây (coil) dây dẫn quấn nhiều vòng liên tiếp lõi Lõi cuộn cảm ống rổng (lõi khơng khí), sắt bụi hay sắt Tùy theo loại lõi, cuộn cảm có kí hiệu khác nhau: lõi khơng khí lõi sắt bụi lõi sắt Hình 2.26 Kí hiệu cuộn cảm 2.3.2 Hệ số tự cảm Hệ số tự cảm đại lượng đặc trưng cho khả tích trữ lượng từ trường cuộn cảm Kí hiệu: L Đơn vị đo: Henri (H) Milihenri: mH = 10-3 H Microhenri: H = 10-6 H Hệ số tự cảm phụ thuộc vào số vòng dây, tiết diện, chiều dài vật liệu làm lõi cuộn cảm 2 L = 0r n S = 0r d (2.30) l 0 = 4 10-7 H/m r: hệ số từ thẩm tương đối vật liệu làm lõi chân khơng n: số vịng dây S: tiết diện lõi (m2) L: chiều dài lõi (m) d: đường kính lõi (m) Mặt khác , hệ số tự cảm tính cơng thức sau: 35 Chương 2: Linh kiện thụ động Ln Δ ΔI (2.31) I: độ biến thiên dịng điện (A) : độ biến thiên từ thơng (Wb)  Năng lượng nạp vào cuộn cảm Dòng điện chạy qua cuộn cảm tạo lượng trữ dạng từ trường WL = LI2 (2.32) 2.3.3 Mạch tương đương cuộn cảm Ngoài hệ số tự cảm L, cuộn cảm thực tế cịn có điện trở tổn hao (điện trở nối tiếp) RS, có kể đến điện dung kí sinh C mạch tương đương hình 2.23 L RS L RS C (a) (b) Hình 2.27 Mạch tương đương chưa kể điện dung kí sinh (a), kể đến điện dung kí sinh (b) Hệ số phẩm chất Q (Quality Factor): Q XL RS (2.33) RS: điện trở nối tiếp (Ω) Cảm kháng đại lượng đặc trưng cho sức cản điện cuộn cảm XL: cảm kháng (Ω) XL = ωL = 2πfL ω: tần số góc (rad/s) L: hệ số tự cảm (H) f: tần số (Hz) (2.34) 2.3.4 Hiện tượng tự cảm Nếu dòng điện I chạy cuộn cảm thay đổi theo thời gian, cuộn cảm tự cảm ứng sinh sức điện động cảm ứng e  n Δ ΔI  L Δt Δt (2.35) I: độ biến thiên dòng điện (A) : độ biến thiên từ thông (wb) t: khoảng thời gian biến thiên (s) 36 Chương 2: Linh kiện thụ động L: hệ số tự cảm (H) e: sức điện động cảm ứng (V) n: số vòng dây quấn cuộn cảm Sức điện động cảm ứng sinh dòng điện gọi dịng điện cảm ứng 2.3.5 Hỗ cảm Khi có hai hay nhiều cuộn cảm thay đổi dịng điện cuộn cảm làm từ thông thay đổi, cuộn cảm lại phản ứng cách sinh sức điện động cảm ứng Khi người ta gọi có tượng hỗ cảm cuộn cảm Kí hiệu: M Đơn vị đo: Henri (H) Ví dụ: có hai cuộn cảm L1, L2 đặt gần Khi dòng qua L1 thay đổi, từ trường sinh từ cuộn L1 làm ảnh hưởng đến cuộn L2 ngược lại Như có tượng hỗ cảm hai cuộn cảm L1, L2 Hệ số hỗ cảm: M  K L1L2 (2.36) L1, L2: hệ số tự cảm (H) M: hệ số hỗ cảm (H) K: hệ số liên kết (hệ số ghép), ≤ K ≤ Hệ số K tùy thuộc cách ghép Nếu hai cuộn dây quấn lõi từ K = 1; hai cuộn dây đặt xa nhau, không ảnh hưởng lẫn hay có chắn từ hay đặt thẳng góc với K = 2.3.6 Cách mắc cuộn cảm a Mắc nối tiếp L1 L2 Ltđ (2.37) Ltđ = L1 + L2 Hình 2.28 Cuộn cảm mắc nối tiếp b Mắc song song L1 Ltđ L2 1   L tđ L1 L 37 (2.38) Chương 2: Linh kiện thụ động Hình 2.29.Cuộn cảm mắc song song 2.3.7 Hiện tượng nạp – xả cuộn cảm Xét mạch hình 2.26, giả sử cuộn cảm chưa tích trữ lượng điện Bật khóa K sang vị trí số cuộn cảm phát sinh sức điện động cảm ứng nguồn VDC ngược dấu để chống lại dòng K R điện nguồn VDC cung cấp, lúc đầu dịng + L điện chạy qua cuộn cảm VDC khơng Sau dịng điện qua cuộn cảm tăng Hình 2.30 Mạch khảo sát tượng nạp - xả cuộn cảm lên theo biểu thức sau: t i L (t)  τ  VDC (1 - e τ ) R (2.39a) L R (2.39b)  thời nạp – xả cuộn cảm Ngược với dòng điện, hiệu điện hai đầu cuộn cảm lúc đầu nguồn VDC sau giảm dần theo biểu thức: v L (t)  VDCe  t τ VL (t)/ IL (t) 95 i L (t)  VDC e R t τ 99 2 1 86 (2.40) 63 Sau thời gian 5 cuộn cảm xem nạp đầy, khơng có tác động khác tượng không thay đổi Khi cuộn cảm nạp đầy ta bật khóa K sang vị trí số Dòng điện xả thay đổi theo hàm số mũ:  98 37 14 5  2 3 4 5 t Hình 2.31 Đặc tuyến nạp cuộn cảm (2.41) Trong trình xả lượng điện hiệu điện hai đầu cuộn cảm thay đổi theo biểu thức: v L (t)  VDCe  t τ (2.42) Sau thời gian 5 cuộn cảm xả hết lượng điện tích trữ 2.3.8 Phân loại – ứng dụng Có nhiều cách phân loại cuộn cảm: 38 Chương 2: Linh kiện thụ động Phân loại theo kết cấu: cuộn cảm lớp, cuộn cảm nhiều lớp, cuộn cảm có lõi khơng khí, cuộn cảm có lõi sắt bụi, cuộn cảm có lõi sắt lá… Phân loại theo tần số làm việc: cuộn cảm âm tần, cuộn cảm cao tần Cuộn cảm lớp lõi khơng khí: gồm số vịng dây quấn vịng sát vịng cách vài lần đường kính sợi dây Dây khung đỡ vật liệu cách điện cao tần (gốm; thủy tinh; nhựa…) hay cuộn cảm đủ cứng khơng cần khung đỡ mà cần hai nẹp giữ hai bên Loại dây sử dụng: dây đồng thường (f > 50 MHz) hay dây Litz (f < MHz) Cuộn cảm nhiều lớp lõi khơng khí: trị số cuộn cảm lớn, cần có số vịng dây nhiều, quấn lớp chiều dài cuộn cảm dài điện dung kí sinh lớn Để kích thước hợp lí giảm điện dung kí sinh, người ta quấn vòng cuộn cảm thành nhiều lớp chồng lên theo kiểu tổ ong (kiểu toàn dụng tiến) Cuộn cảm có lõi sắt bụi (bột sắt từ): để rút ngắn kích thước hai loại cách lồng vào lõi ferit Thân lõi có xoắn ốc Hai đầu có khía rãnh Người ta dùng quay vít nhựa để điều chỉnh lõi lên xuống lòng cuộn cảm để tăng hay giảm trị số điện cảm cuộn cảm Hình dáng lõi có dạng hình trụ hay hình xuyến Tần số làm việc:100 kHz – 100 MHz Cuộn cảm có lõi sắt miếng (sắt lá): dùng dây đồng tráng men cách điện, quấn thành lớp đặn, vòng sát vòng kia, lớp sát lớp lượt giấy bóng cách điện Lõi từ thép Si, thép Si hạt định hướng Hình dáng lõi: dạng chữ E, I, U, T, ….Mỗi thép cách điện lớp phủ mỏng oxit sắt, thép Si varnis Vật liệu cách điện làm tăng điện trở phần cắt ngang lõi để giảm dòng điện xốy cho phép mật độ từ thơng cao qua lõi Hình 2.32 Một số dạng cuộn cảm Hiện nay, nhà sản xuất chế tạo nhiều loại cuộn cảm có sẳn dạng linh kiện dự trữ để ta dùng để đáp ứng nhu cầu riêng ta thiết kế quấn dây, chọn lõi cho cuộn cảm Sau ba cách quấn dây để tham khảo, cách quấn hình (c) có điện dung kí sinh nhỏ hai cách Cuộn cảm ứng dụng làm micro điện động, loa điện động, rờle, biến áp, cuộn dây đầu đọc đĩa,….Trong mạch điện tử, cuộn cảm mạch lọc nguồn, mạch lọc tần số, mạch dao động cộng hưởng, mạch tạo (chỉnh sửa) dạng sóng, dạng xung,… 39 Chương 2: Linh kiện thụ động 2.4 Biến 2.4.1 Khái niệm Biến (transformer) dụng cụ dùng để biến đổi điện áp hay dòng điện xoay chiều giữ nguyên tần số 2.4.2 Cấu tạo – kí hiệu Cấu tạo hình dạng biến hình 2.29 Biến gồm cuộn dây đồng tráng men cách điện quấn lõi thép từ khép kín: cuộn nhận điện áp vào gọi cuộn sơ cấp, cuộn cho lấy điện áp cuộn thứ cấp Lõi từ khối sắt mà gồm nhiều sắt mỏng ghép song song cách điện để tránh dịng điện xốy (Foucoult) làm nóng biến Ngồi ra, lõi biến sắt bụi hay khơng khí Cuon so cap I I Cuon thu cap Hình 2.33 Cấu tạo biến Kí hiệu biến hình 2.30 (a) (b) (c) Hình 2.34 Kí hiệu biến lõi khơng khí (a), lõi sắt bụi (b), lõi sắt (c) 2.4.3 Nguyên lý hoạt động I1 I2 V1 V2 Hình 2.35 Cấu tạo biến Khi cho dòng điện xoay chiều có điện V1 vào cuộn sơ cấp, dịng điện I1 tạo từ trường biến thiên chạy mạch từ sang cuộn dây thứ cấp, cuộn thứ cấp nhận 40 Chương 2: Linh kiện thụ động từ trường biến thiên làm từ thông qua cuộn dây thay đổi, cuộn thứ cấp cảm ứng cho dịng điện xoay chiều có điện V2 V1 = - N1  (2.43) t V2 = -N2  t N1: số vòng dây cuộn sơ cấp N2: số vòng dây cuộn thứ cấp V1: điện áp vào hai đầu cuộn sơ cấp V2: điện áp lấy hai đầu cuộn thứ cấp : độ biến thiên từ thông (wb) t: khoảng thời gian biến thiên (s) (2.44) 2.4.4 Các công thức biến Tỉ lệ điện V2 = N2 V1 N1 (2.45) Tỉ lệ dòng điện: I2 = N1 I1 N2 (2.46) Tỉ lệ cơng suất: P1 = V1 I1 ; Lí tưởng ta có: P1 = P2 P2 = V2I2 (2.47a) V1.I1 = V2 I2 Thực tế: P2 < P1  = P2 100% P1 Hiệu suất: Tỉ lệ tổng trở: R2 = V2 ; I2 (2.47b) (2.47c) R1 = V1 R1 R1 = N1   R2 N2 (2.48) 2.4.5 Phân loại - ứng dụng Dựa theo tần số làm việc: biến âm tần, biến trung tần, biến cao tần Dựa theo cấu tạo: biến có lõi sắt lá, biến có lõi sắt bụi, biến có lõi khơng khí,… Dựa theo mục đích sử dụng: biến nguồn, biến loa, biến xuất âm, biến xung, biến đảo pha,… Ứng dụng chủ yếu biến làm thay đổi điện thế, dòng điện theo yêu cầu thực tế Biến cộng hưởng biến cao tần, cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp mắc song song với tụ điện, hình thành mạch cộng hưởng Nếu hai cuộn có mắc tụ 41 Chương 2: Linh kiện thụ động điện ta có biến cộng hưởng kép Lõi biến cộng hưởng làm ferrite điều chỉnh Một số biến cộng hưởng dùng tần số cao có lõi khơng khí Hình 2.36 Hình dạng biến 42 Chương 2: Linh kiện thụ động CÂU HỎI ƠN TẬP Điện trở gì? Hãy kể tên số loại điện trở nói vài ứng dụng Nêu vài cách đọc trị số điện trở Điện trở dây dẫn gì? Nêu cơng thức tính cho biết tên, đơn vị đại lượng công thức Điện trở dây dẫn phụ thuộc vào yếu tố dây? Tìm hiểu định luật Ohm, định luật Kirchhoff, ứng dụng Điện trở có cách mắc bản? Hãy kể tên vẽ đoạn mạch tương ứng gồm hai điện trở Viết biểu thức quan hệ đại lượng I, U, R đoạn mạch Nêu nhận xét Tụ điện gì? Hãy kể tên số loại tụ điện nói vài ứng dụng Nêu vài cách đọc trị số điện dung Điện dung gì? Nêu cơng thức tính cho biết tên, đơn vị đại lượng công thức Điện dung phụ thuộc vào yếu tố tụ điện? Dung kháng gì? Nêu cơng thức tính cho biết tên, đơn vị đại lượng công thức Dung kháng phụ thuộc vào yếu tố nào? Tụ điện có cách mắc bản? Hãy kể tên vẽ đoạn mạch tương ứng gồm hai tụ điện Viết biểu thức quan hệ đại lượng Q, U, C đoạn mạch Nêu nhận xét Trình bày tượng nạp – xả tụ Viết biểu thức tính dịng điện, hiệu điện hai đầu tụ trình nạp, xả tụ điện Nêu nhận xét 10 Viết cơng thức tính lượng tích trữ vào tụ cho biết tên, đơn vị đại lượng cơng thức 11 Cuộn cảm gì? Hãy kể tên số loại Cuộn cảm nói vài ứng dụng Nêu vài cách đọc trị số điện cảm 12 Hệ số tự cảm gì? Nêu cơng thức tính cho biết tên, đơn vị đại lượng công thức Hệ số tự cảm phụ thuộc vào yếu tố cuộn cảm? 13 Cảm kháng gì? Nêu cơng thức tính cho biết tên, đơn vị đại lượng công thức Cảm kháng phụ thuộc vào yếu tố nào? 14 Trình bày tượng nạp – xả cuộn cảm Viết biểu thức tính dịng điện, hiệu điện hai đầu cuộn cảm trình nạp, xả cuộn cảm Nêu nhận xét 15 Viết công thức tính lượng tích trữ vào cuộn cảm cho biết tên, đơn vị đại lượng công thức 16 So sánh trình nạp – xả tụ với trình nạp – xả cuộn cảm 17 Biến gì? Hãy kể tên số loại biến nói vài ứng dụng 18 Nêu nguyên lí họat động biến 19 Cho biết công thức biến 20 Hãy kể tên vẽ kí hiệu linh kiện học 43 ... chạy qua R1 I2: cường độ dòng điện chạy qua R2 U1: hiệu điện hai đầu R1 U2: hiệu điện hai đầu R2 21 Chương 2: Linh kiện thụ động Ta có: I1 = I2 = I U = U1 + U Rtđ = R1 + R2 (2. 7) (2. 8) (2. 9a) Nếu... Ctđ C1 C2 (2. 22a) Nếu có nhiều tụ ghép nối tiếp thì: 1 1     Ctđ C1 C2 Cn (2. 22b) b Mắc song song C1 + C tđ + + C2 + + U U 29 Chương 2: Linh kiện thụ động Hình 2. 21 Mạch tụ điện mắc... biến Tỉ lệ điện V2 = N2 V1 N1 (2. 45) Tỉ lệ dòng điện: I2 = N1 I1 N2 (2. 46) Tỉ lệ cơng suất: P1 = V1 I1 ; Lí tưởng ta có: P1 = P2 P2 = V2I2 (2. 47a) V1.I1 = V2 I2 Thực tế: P2 < P1  = P2 100%