Giáo trình Điện tử cơ bản (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Chia sẻ: Hayato Gokudera | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện tử cơ bản (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) được thiết kế theo mô đun thuộc hệ thống mô đun/môn học của chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở cấp trình độ Cao đẳng nghề, và được dùng làm giáo trình cho học viên trong các khóa đào tạo. Giáo trình kết cấu gồm 9 bài và chia thành 2 phần, phần 2 trình bày những nội dung về: tranzitor trường; một số linh kiện đặc biệt; mạch nguồn 1 chiều; mạch khuếch đại tín hiệu; khuếch đại thuật toán;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử cơ bản (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BÀI 5: TRANSISTOR TRƢỜNG Mã bài: MĐ14.05 Giới thiệu: Bài học giới thiệu về transistor trường JFET, MOSFET về cấu tạo, ký hiệu, đặc tuyến và các mạch cơ bản. Mục tiêu: - Trình bày được cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động của transistor trường. - Trình bày đúng các đặc tuyến, thông số cơ bản của transistor trường. - Trình bày đúng các kiểu mắc mạch, các đặc tính cơ bản của các kiểu mạch transistor trường. - Lắp ráp, hiệu chỉnh được các kiểu mạch của transistor trường. - Nghiêm túc, cẩn thận, an toàn. Nội dung chính: 1. Cấu tạo Transistor trình bày trước được gọi là transistor mối nối lưỡng cực (BJT = Bipolar Junction Transistor). BJT có điện trở ngõ vào nhỏ ở cách mắc thông thường CE, dòng IC = IB, muốn cho IC càng lớn ta phải tăng IB (thúc dòng lối vào). Đối với transistor hiệu ứng trường có tổng trở vào rất lớn. Dòng điện ở lối ra được tăng b ng cách tăng điện áp ở lối vào mà không đòi hỏi dòng điện. Vậy ở loại này điện áp sẽ tạo ra một trường và trường này tạo ra một dòng điện ở lối ra. Field Effect Transistor (FET) FET có hai loại: JFET và MOSFET. JFET được gọi là FET nối hay thường gọi là FET 1.1. JFET
1.1.1. Cấu tạo Hình 5.1. Cấu tạo của JFET kênh N và P Nếu so sánh với BJT, ta thấy: cực thoát D tương đương với cực thu C, cực nguồn S tương đương với cực phát E và cực cổng G tương đương với cực nền B. JFET kênh N tương đương với transistor NPN. JFET kênh P tương đương với transistor PNP.
Hình 5.2. Sơ đồ chân tương đương JFET với transistor BJT Cũng giống như transistor NPN được sử dụng thông dụng hơn transistor PNP do dùng tốt hơn ở tần số cao. JFET kênh N cũng thông dụng hơn JFET kênh P với cùng một lý do. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động Về cơ bản nguyên lý hoạt động của 2 loại JFET tương đối giống nhau, chỉ khác nhau về chiều dòng điện. Ở chế độ khuếch đại, ta phải cấp nguồn U GS để 2 tiếp xúc P-N phân cực ngược. Nguồn UDS làm cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D => tạo dòng ID trong mạch cực máng Hình 5.3. Mạch FET kênh N và kênh P - Ta xét JFET kênh N:
Hình 5.4. Mạch FET kênh N  Điện áp VGG đặt tới cực G và S để phân cực ngược cho tiếp giáp P-N. Điện áp VDD đặt tới D và S để tạo ra dòng điện chảy trong kênh dẫn.  Điện áp phân cực ngược đặt tới G và S làm cho vùng nghèo dọc theo tiếp giáp P-N được mở rộng ra chủ yếu về phía kênh dẫn, điều này làm kênh hẹp lại hơn do đó điện trở kênh dẫn tăng lên và dòng qua kênh dẫn giảm đi. Với cách phân cực trên thì điện áp phân cực giữa G và D lớn hơn điện áp phân cực ngược giữa G và S làm cho vùng nghèo mở rộng không đều. Hình 5.5. Nguyên lý hoạt động của FET kênh N 1.2. MOSFET 1.2.1. Cấu tạo Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết. Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở. Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng
điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu. Hình 5.6. Cấu tạo của MOSFET kênh N Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N G: Gate gọi là cực cổng S: Source gọi là cực nguồn D: Drain gọi là cực máng Trong đó: G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. Ký hiệu: Hình 5.7. Ký hiệu MOSFET kênh N, P Qua đó ta thấy Mosfet này có chân tương đương với Transitor + Chân G tương đương với B
+ Chân D tương đương với chân C + Chân S tương đương với E 1.2.2. Nguyên lý hoạt động Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng . Mạch điện tương đương của Mosfet. Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó. Ở đây tôi không nói rõ chi tiết cấu trúc bán dẫn của nó để nó đóng hoặc mở. Các bạn hiểu như sau: + Đối với kênh P: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0. Điện áp điều khiển đóng là Ugs 0V  đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng. Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên. Q1 khóa ==>Bóng đèn tắt.
=> Từ thực nghiệm trên ta thấy r ng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GS như trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm cho điện trở RDS giảm xuống 2. Đặc tính làm việc Mục tiêu: - Trình bày được đặc tính làm việc của JFET 2.1. JFET Đặc tuyến ra: Xét trường hợp JFET phân cực với điện áp VDD = 0 Hình 5.9. Phân cực với điện áp VDD Hình 5.10. Đường đặc tính của JFET Tăng dần VDD thì VDS tăng và ID tăng tuyến tính theo. Khi tăng VDD thì vùng nghèo có xu hướng rộng ra, tuy nhiên khi VDD chưa đủ lớn thì bề rộng của vùng nghèo chưa đủ rộng để gây ảnh hưởng tới I D => ID và VDS có mối quan hệ tuyến tính khi VDD đủ nhỏ. Mối quan hệ này thể hiện ở đặc tuyến ra A → B (Miền OHM).
- VDD đủ lớn, khi đó VDS đủ lớn, lúc này bề rộng vùng nghèo bắt đầu gây ảnh hưởng dòng ID. Nó kiềm hãm sự tăng của dòng ID trước sự tăng của VDS. Mối quan hệ này thể hiện ở đặc tuyến ra B → C (Miền không đổi) - VDD tiếp tục tăng đến giá trị đủ lớn để đánh thủng tiếp giáp P-N thì ID tăng đột ngột theo VDS, miền này gọi là miền đánh thủng; JFET làm việc ở chế độ này sẽ bị hỏng • Đặc tuyến truyền đạt: Ta thấy VGS(0 → VGS off) điều khiển dòng ID. Với JFET kênh N VGS off < 0, JFET kênh P VGS off > 0. Đồ thị thể hiện mối quan hệ VGS và ID là đặc tuyến truyền đạt, có dạng: Hình 5.11. Đặc tính truyền đạt JFET kênh N Đường cong này chính là đặc tuyến truyền đạt của JFET kênh N, cho ta biết giới hạn hoạt động của JFET. 3. Thực hành Mục tiêu: - Nhận dạng và phân loại được JFET và MOSFET - Kiểm tra được chất lượng của JFET và MOSFET Chuẩn bị: Một đồng hồ vạn năng với 2 que đo, để đồng hồ thang x1KΩ, kiểm tra dây đo còn tốt, dụng cụ kẹp linh kiện cố định hay miếng lót cách điện. Trước khi đo Mosfet – FET (FET) dùng dây dẫn hay tô vít nối tắt 3 chân của MosFet – FET lại để khử hết điện tích trên các chân (lý do FET là linh kiện rất nhạy cảm, điện tích trên các chân có thể ảnh hưởng đến kết quả đo)
 Mosfet – Fet còn tốt thì kết quả đo sẽ như sau: Hình 5.12. Đo giữa G và S Bước 1: Đo giữa G và S cả hai chiều kim không lên (tiếp giáp GS chưa bị thủng) Hình 5.13. Đo giữa G và D Bước 2. Đo giữa G và D cả hai chiều kim không lên (tiếp giáp G D chưa bị thủng) (Hình 5.13) Hình 5.14. Dùng tô vít nối tắt chân G và chân D Bước 3. Dùng Tô vít nối tắt G vào D để thoát điện tích trên cực G (do quá trình đo đã để lại điện tích trên chân G) (Hình 5.14)
Hình 5.15. Đo giữa chân D và S Bước 4. Đo giữa D và S (Sau khi G đã thoát điện cực G thì ) có một chiều kim không lên (có đảo que đo) (Hình 5.15)  Các trường hợp sau là Mosfet – Fet bị hỏng Đo giữa G và S kim lên => là chập G S Đo giữa G và D kim lên là chập G D
Dùng tô vít chập chân G D để thoát điện tích chân G Đo giữa D và S kim vẫn lên sau khi đã thoát điện cực G là bị chập DS.
BÀI 6: MỘT SỐ LINH KIỆN ĐẶC BIỆT Mã bài: MĐ14.06 Giới thiệu: Bài học giới thiệu về các linh kiện đặc biệt được ứng dụng rất nhiều trong các mạch điện tử điều khiển. Mục tiêu: - Trình bày đúng cấu tạo, kí hiệu quy ước, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các linh kiện quang. - Xác định đúng cực tính, chất lượng của các linh kiện quang. - Nghiêm túc, cẩn thận, an toàn. Nội dung chính: 1. Các phần tử quang 1.1. Điốt quang 1.1.1. Cấu tạo Diode quang hay Photodiode là một loại Diode bán dẫn thực hiện chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện. Các photon có thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia gamma. Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của photodiode là tiếp giáp p- n hoặc cấu trúc PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dòng điện. Tùy theo cách thức chế tạo, mà dòng điện này nhỏ và photodiode dùng làm cảm biến photon, hay dòng điện đủ lớn để làm nguồn điện như trong pin mặt trời. Hình 6.1. Cảm biến photodiode Cảm biến photodiode có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin, điều khiển,…
1.1.2. Nguyên lý hoạt động Photodiode được làm b ng một số chất bán dẫn liệt kê dưới đây, và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi của ánh sáng nhìn thấy là từ 380 nm đến 780 nm. Photodiode có cấu trúc lớp hoạt động là tiếp giáp p-n, loại mới hơn thì là cấu trúc PIN. Khi photon có năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp hoạt động này sẽ bị hấp thụ, và theo hiệu ứng quang điện tạo ra cặp điện tử-lỗ trống. Nếu hấp thụ xảy ra trong vùng nghèo của tiếp giáp hoặc vùng khuếch tán, điện trường của vùng nghèo làm các hạt mang điện dịch chuyển, lỗ trống về anode còn điện tử về cathode, làm phát sinh dòng điện. Thông thường thì diode có dòng điện dò, ở photodiode gọi là dòng tối, là dòng khi không có photon chiếu vào. Dòng điện qua photodiode là tổng của dòng quang điện và dòng dò. Để tăng độ nhạy cảm biến thì công nghệ chế tạo phải hạn chế được dòng dò. Hiệu ứng quang điện là hiện tượng gắn liền với chất bán dẫn, nên khi chế các linh kiện không hoạt động với photon thì phải bố trí che ánh sáng đi. Các che chắn không phải là tuyệt hoàn hảo, nên máy điện tử có thể lỗi hoặc hỏng khi vào vùng nhiễu cao, chẳng hạn vùng chiếu tia X, tia gamma mạnh hay trong vũ trụ Hình 6.2. Điốt quang ứng dụng trong sản xuất đèn chiếu sáng
1.2. Tranzitor quang Mục tiêu: - Cấu tạo của transistor quang. - Nguyên lý hoạt động của transistor quang. - Các ứng dụng. 1.2.1. Cấu tạo Cấu tạo bán dẫn của transistor quang coi như gồm có một diode quang và một transistor quang. Ký hiệu: Hình 6.3. Ký hiệu tranzitor quang 1.2.2. Nguyên lý hoạt động Quang transistor là nới rộng đương nhiên của quang diode. Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở. Quang transistor có một thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N giữa thu và nền. Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuậnchút ít do các dòng điện rỉ (điện thế VBE lúc đó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác động. Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên có dòng rỉ Ico chạy giữa cực thu và cực nền. Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nên dòng điện cực thu là Ico(1+β). Đây là dòng tối của quang transistor.
Hình 6.4. Ký hiệu, cấu tạo và đặc tính làm việc của transistor quang Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền thì sự xuất hiện của các cặp điện tử và lỗ trống như trong quang diode làm phát sinh một dòng điện I λ do ánh sáng nên dòng điện thu trở thành: IC=(β+1)(Ico+Iλ) Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng đều được nhân lên (β+1) lần so với quang diode nên dễ dàng sử dụng hơn. Hình 6.4 trình bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thông là một thông số. Ta thấy đặc tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung. 2. Các bộ ghép quang
2.1. Điốt – Tranzitor quang Bộ ghép quang transistor (Opto – transistor) Hình 6.5. Sơ đồ chân của đi ốt – tranzitor quang Thứ cấp của bộ ghép quang này là phototransistor loại Silic. Đối với bộ ghép quang transistor có bốn chân thì transistor không có cực B. Trường hợp bộ ghép quang có sáu chân thì cực B được nối ra ngoài như hình 6.5. Bộ ghép quang không có cực B có lợi điểm là hệ số truyền đạt lớn, tuy nhiên loại này có nhược điểm là độ ổn định nhiệt kém Các bộ ghép quang thường được chế tạo dưới dạng IC cho phép cách ly phần điện công suất mà thường là cao thế khỏi mạch điều khiển tinh vi ở phía LED. Đây là một ưu điểm rất lớn của nối quang. 2.2. Triac quang 2.2.1. Cấu tạo Hình 6.6. Cấu tạo triac quang
Triac quang có 4 chân, là một linh kiện bán dẫn có 3 cực 5 lớp bán dẫn, làm việc như hai thysistor mắc song song ngược chiều nhau, có thể dẫn điện theo hai chiều. Cụ thể cấu tạo chúng như sau: - Triac quang là sự kết hợp giữa photo quang và triac trong một linh kiện duy nhất - Chân 1 và 2 được nối đến các cực T1 và T2 của triac công suất trong triac quang - Chân 3 và 4 được nối đến đi ốt phát quang thông qua một điện trở khoảng 2K  - Bên thu quang là một triac thu quang, triac này có 2 cực T1 và T2, trong đó T2 của triac thu quang nối với cực G của triac công suất. - Điện áp điều khiển đi vào đi ốt phát quang là 9V đến 12V, bên phía triac công suất khi đó sẽ cho dòng điện xoay chiều đi qua như một công tắc điện từ (rơ le). 2.2.2. Nguyên lý hoạt động Hình 6.7. Triac không được dẫn khi công tắc mở
Hình 6.8. Triac dẫn điện công tắc đóng - Triac quang có thể được sử dụng để thay thế cho một rơ le hoặc một mạch điện kết hợp giữa photo quang và triac. - Từ nguồn điện 220VAC, người ta đem đấu nối tiếp chân 1 và chân 2 của triac quang với tải tiêu thụ, tải là bóng đèn hoặc mô tơ quạt nóng, quạt lạnh, … - Khi có điện áp điều khiển, dòng điện đi từ chân 3 qua điện trở 2K  , rồi đi qua đi ốt phát quang làm cho đi ốt phát sáng và chiếu sáng triac thu quang, triac thu quang dẫn sẽ điều khiển cho triac công suất dẫn. - Khi triac công suất dẫn sẽ cho dòng điện xoay chiều đi qua như một công tắc điện từ. 3. Vi mạch 3.1. Khái niệm Mạch tích hợp (Integrated circuit), viết tắt là IC, còn được gọi là vi mạch hoặc chip là những linh kiện điện tử có lõi làm b ng vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn có rất nhiều loại nhưng phổ biến là Silicon (Si) và Germanium (Ge). Hiểu đơn giản, vi mạch là mạch điện tử rất nhỏ được đóng gói thành một linh kiện hoàn chỉnh.
Hình 6.9. Vi mạch là mạch điện tử rất nhỏ được đóng gói thành một linh kiện hoàn chỉnh 3.2. Cấu tạo Cấu tạo cơ bản của một vi mạch (chip) gồm có vỏ chip (cover), lõi (core) và chân (pin). Hình 6.10. Cấu tạo cơ bản của vi mạch Lõi (CORE hoặc DIE) vi mạch là mạch điện gồm các thành phần thụ động hoặc tích cực hoặc cả hai. Các thành phần thụ động gồm có điện trở, tụ điện, cuộn cảm. Các thành phần tích cực gồm có diodes, transistor, NMOS, PMOS,... Cụm từ "thiết kế vi mạch" được ngầm hiểu là thiết kế phần lõi vi mạch thông qua các công cụ phần mềm chuyên dụng. Việc chế tạo phần lõi và sản xuất ra chip thuộc về nhà máy chế tạo chip. Chân chip (PIN hoặc LEAD) là vật liệu dẫn điện được kết nối đến lõi thông qua các dây dẫn điện, gọi là BOND WIRE. Các dây này thường làm b ng vàng. Vỏ là thành phần bao bọc và cố định lõi, dây dẫn và các chân, được làm b ng vật liệu cách điện như nhựa, gốm, thủy tinh,... 3.3. Công dụng của IC
IC giúp mạch tích hợp giảm đi các kích thước của mạch điện. Đồng thời nhờ vào IC mà độ chính xác của thiết bị tăng lên. Đặc biệt công dụng của IC còn tăng lên rất nhiều trong các mạch logic. Có hai loại IC chính gồm lập trình được và cố định chức năng, không lập trình được. Mỗi IC có tính chất riêng về nhiệt độ, điện thế giới hạn, công suất làm việc, được ghi trong bảng thông tin. Hiện nay, công nghệ silicon đang tiến tới những giới hạn của vi mạch tích hợp và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra một loại vật liệu mới có thể thay thế công nghệ silicon này. 3.4. Phân loại IC Ta có thể phân loại IC dựa vào một vài tiêu chí như: tín hiệu xử lí, công nghệ, mức độ tích hợp, công dụng. Các IC được thiết kế đa dạng với những đặc điểm khác biệt nhau có thể kể đến. Theo tín hiệu xử lí:  IC digital: Xử lý các tín hiệu Digital  IC analog xử lý tín hiệu Analog  IC hỗn hợp: Xử lý 2 loại tín hiệu trên cùng nhau. Theo công nghệ:  Monolithic: tất cả các phần tử đặt trên một miếng nền vật liệu bán dẫn đơn tinh thể  Mạch màng mỏng hay mạch phim là những phần tử được tạo b ng lắng đọng hơi trên nền thủy tinh. Nó thường là các mạng điện trở  Lai mạch màng dày kết hợp một số chip, vết mạch in đường dây dẫn, linh kiện điện tử thụ động. Nền thường là gốm và thường được nhúng tráng. Theo công dụng  CPU được xem là bộ vi xử lý của máy tính ngày nay.  Memory, bộ nhớ lưu trữ dữ liệu digital  Công nghệ RFID để giám sát sử dụng cho khóa cửa điện tử chống trộm cao cấp hiện nay