Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp - CĐ/TC) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (2021)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp - CĐ/TC) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên mô tả được đặc trưng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO; Giải thích được dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC; Giải thích được nguyên lý làm việc và tính toán những bộ biến đổi DCDC. 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 công suất (Nghề: Điện công nghiệp - CĐ/TC) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (2021)

SỞ LAO ĐỘNG TB & XH TỈNH HÀ NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: Điện tử công suất NGHỀ: Điện công nghiệp TRÌNH ĐỘ: Cao đẳng/Trung cấp (Ban hành kèm theo Quyết định số: 835/QĐ- CĐN ngày 31 tháng 12 năm 2021 của Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam) Hà Nam, năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Dựa theo giáo trình này, có thể sử dụng để giảng dạy cho các trình độ hoặc nghề ngành/ nghề khác của nhà trƣờng. 1
LỜI GIỚI THIỆU Nhằm thống nhất nội dung giảng dạy và đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu của sinh viên. Tác giả đã xây dựng giáo trình áp dụng chƣơng trình đào tạo Cao đẳng nghề Điện công nghiệp. Đây là tài liệu giảng dạy của giảng viên và học tập, nghiên cứu của sinh viên trƣờng Cao đẳng nghề Hà Nam. Nội dung giáo trình đƣợc xây dựng trên cơ sở thừa kế những nội dung giảng dạy của các giảng viên trƣờng Cao đẳng nghề Hà Nam và kết hợp với các tài liệu tham khảo trong và ngoài nƣớc. Giáo trình do các nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm tham gia giảng dạy và đóng góp ý kiến. Giáo trình đƣợc biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, định hƣớng kiến thức theo quan điểm phát triển công nghệ ứng dụng không đi nghiên cứu sâu các kiến thức hàn lâm mà chủ yếu nghiên cứu hệ quả của quá trình phân tích các mạch công suất. Tuy tác giả đã có nhiều cố gắng biên soạn, nhƣng giáo trình chắc không tránh khỏi khiếm khuyết. Hy vọng nhận đƣợc sự góp ý của bạn đọc. Mọi góp ý xin liên hệ về tác giả theo địa chỉ mail: thucdnhanam@gmail.com xin chân thành cảm ơn! Hà Nam, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Đặng Thị Nguyệt Thu 2
MỤC LỤC Trang BÀI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 6 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ...................................... 6 1. Khái niệm chung về điện tử công suất .......................................................... 7 1.1. Khái niệm chung .................................................................................. 7 1.2. Ứng dụng của điện tử công suất........................................................... 7 2. Các khái niệm cơ bản .................................................................................... 7 2.1. Trị trung bình của một đại lƣợng ......................................................... 7 2.2 Công suất trung bình ............................................................................. 8 2.3 Trị hiệu dụng của một đại lƣợng ........................................................... 8 2.4 Hệ số công suất .................................................................................... 8 BÀI 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN ....................... 10 1. Đặc điểm, phân loại các phần tử bán dẫn công suất ................................. 10 1.1. Đặc điểm ............................................................................................ 10 1.2. Phân loại ............................................................................................. 11 2. Các phần tử bán dẫn công suất .................................................................. 11 2.1. Diode công suất .................................................................................. 11 2.2. Transistor công suất ................................................................................. 17 2.3. Transistor trường - MOSFET................................................................... 20 2.4. IGBT................................................................................................... 25 Insulated Gate Bipolar Transitor - Transistor có cực điều khiển cách ly. 25 2.5. Thyristor - SCR ................................................................................. 26 2. 6. Triac ................................................................................................... 30 2.7 GTO ..................................................................................................... 32 Gate Turn off Thyristor - Thyristor khóa đƣợc bằng cực điều khiển........ 32 BÀI 2: BỘ CHỈNH LƢU ................................................................................ 34 1. Khái niệm chung ........................................................................................ 35 1.1 Định nghĩa và cấu trúc ........................................................................ 35 1.2 Phân loại mạch chỉnh lƣu .................................................................... 35 2. Mạch chỉnh lƣu không điều khiển.............................................................. 35 2.1 Chỉnh lƣu hình tia một pha không điều khiển..................................... 35 2.3 Chỉnh lƣu cầu 1 pha không điều khiển ............................................... 40 2.4 Chỉnh lƣu cầu 3 pha không điều khiển .............................................. 41 3. Chỉnh lưu có điều khiển ............................................................................. 43 3.1. Chỉnh lƣu tia 1 pha có điều khiển ..................................................... 43 3.2. Chỉnh lƣu tia 3 pha có điều khiển ..................................................... 50 3.3. Chỉnh lƣu cầu 1 pha có điều khiển (đối xứng và bất đối xứng)......... 54 3.4. Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển (đối xứng và bất đối xứng) .............. 59 BÀI 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ........................................... 67 1. Khái niệm chung ......................................................................................... 67 2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha ..................................................... 68 2.1. Trƣờng hợp tải thuần trở R................................................................ 69 2.2. Trƣờng hợp tải L ................................................................................ 70 3
3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha ...................................................... 72 3.1. Sơ đồ mạch ......................................................................................... 72 3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch .......................................................... 72 BÀI 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU ............................................ 78 1. Khái niệm chung ......................................................................................... 78 2. Bộ giảm áp ................................................................................................. 79 2.1. Sơ đồ mạch ........................................................................................ 80 2.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................... 80 3. Bộ tăng áp .................................................................................................. 82 3.1. Sơ đồ mạch ......................................................................................... 82 3.2. Nguyên lý hoạt động. ......................................................................... 82 BÀI 5: BỘ NGHỊCH LƢU VÀ BỘ BIẾN TẦN ............................................ 85 1. Khái niệm chung ......................................................................................... 86 2. Bộ nghịch lưu áp một pha ........................................................................... 86 3. Bộ nghịch lưu dòng điện ............................................................................. 90 3.1 Bộ nghịch dòng một pha ..................................................................... 90 3.2. Bộ nghịch lƣu dòng ba pha ............................................................... 91 4 Bộ biến tần gián tiếp ................................................................................... 92 4.1 Các cấu trúc của biến tần ......................................................................... 93 4.2 Biến tần gián tiếp với bộ NLĐL nguồn dòng..................................... 94 4.3 Biến tấu gián tiếp với bộ NLĐL nguồn áp ......................................... 96 Danh mục tài liệu tham khảo ............................................................................ 99 4
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Điện tử công suất Mã mô đun: MĐ29 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: - Vị trí: Trƣớc khi học mô đun này cần hoàn thành các môn học, mô đun cơ sở, đặc biệt là các môn học, mô đun: Mạch điện; Điện tử cơ bản. - Tính chất: Là mô đun kĩ thuật chuyên môn, thuộc mô đun đào tạo nghề bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò của mô đun: có vị trí quan trọng trong chƣơng trình đào tạo nghề điện công nghiệp. Mục tiêu của mô đun: - Về kiến thức: + Mô tả đƣợc đặc trƣng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO. + Giải thích đƣợc dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC. + Giải thích đƣợc nguyên lý làm việc và tính toán những bộ biến đổi DC- DC. - Về kỹ năng: + Vận dụng đƣợc các kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung và biến đổi dạng xung. + Vận dụng đƣợc các loại mạch điện tử công suất trong thiết bị điện công nghiệp. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Nghiêm túc học tập, tích cực luyện tập, đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị, tổ chức nơi làm việc gọn gàng ngăn nắp. Nội dung của mô đun: 5
BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã bài: MĐ 29 - 00 Giới thiệu Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất. Nhằm khống chế nguồn năng lƣợng điện với các tham số không thay đổi đƣợc thành nguồn năng lƣợng điện với các tham số có thể thay đổi đƣợc để cung cấp cho các phụ tải. Nhƣ vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tƣợng nghiên cứu cơ bản của môn học điện tử công suất. Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Quá trình biến đổi năng lƣợng sử dụng các van công suất đƣợc thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Các bộ biến đổi công suất không những đạt đƣợc hiệu suất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lƣợng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lƣợng phù hợp trong các hệ thống tự động. Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử thông thƣờng không thể có đƣợc. Điện tử công suất hầu hết đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại cũng nhƣ trong dân dụng. Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất nhƣ truyền động điện tự động, giao thông đƣờng sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất. Trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và trong dân dụng ngày nay đƣợc sử dụng khá rộng rãi nhƣ các bộ điều khiển ánh sáng, chuyển đổi điện DC sang AC hay bộ băm xung áp…Những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vƣợt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng ƣu vƣợt và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Mục tiêu: - Trình bày đƣợc các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất - Tính toán đƣợc các đại lƣợng trong điện tử công suất. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tƣ duy sáng tạo và khoa học. Nội dung chính: 6
1. Khái niệm chung về điện tử công suất 1.1. Khái niệm chung Điện tử công suất là tập hợp những thiết bị sử dụng để biến đổi, điều khiển dòng năng lƣợng điện thông qua các dụng cụ bán dẫn công suất. Theo nghĩa rộng thì điện tử công suất là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về quá trình phát triển và ứng dụng các thiết bị dùng để biến đổi, điều khiển năng lƣợng điện. 1.2. Ứng dụng của điện tử công suất Điện tử công suất đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại. Theo đó lĩnh vực ứng dụng điện tử công suất nhiều nhất có thể kể đến là: Máy tính, ô tô, điện tử viễn thông, máy điện, hàng không, vũ trụ, chuyển đổi nguồn năng lƣợng, chiếu sáng... Những ứng dụng chính của điện tử công suất đƣợc kể đến là: - Truyền tải điện năng - Hệ truyền động của động cơ một chiều, động cơ xoay chiều. - Hệ thống nguồn liên tục UPS. - Hệ truyền động máy điện tích hợp nam châm vĩnh cửu. - Điều khiển một số thiết bị điện đặc biệt: động cơ bƣớc, miện điện từ trở vi bƣớc ... 2. Các khái niệm cơ bản 2.1. Trị trung bình của một đại lƣợng 2.1.1 Giá trị trung bình của dòng điện, điện áp Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Trị trung bình của đại lƣợng i, ký hiệu là IAV đƣợc xác định nhƣ sau: t 0 T 1 I AV  Tp  i(t )dt t0 Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ đƣợc lấy tích phân Trong nhiều trƣờng hợp, thực hiện tích phân theo hàm biến đổi thời gian phức tạp hơn thực hiện tích phân theo biến góc X với X=  .t Với  là tần số góc nào đó xác định. Khi đó, trị trung bình đại lƣợng theo góc X tính theo hệ thức: t 0 T x0  T p 1 1 Id  Tp t i(t )dt  X p  i( X )dX x0 0 Với X 0 .t 0 ; X p  .T p ; X  .t; ; dX  d (t ) 7
Ví dụ: Tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu của bộ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển. Điện áp chỉnh lƣu có dạng u= Umsin  t với Um= 220 2 (V);  = 314 (rad/s). Giải: Chu kỳ của điện áp trên là Tp= 0.01 (s) Đặt X=314t; Xp=314.0,01 =  (rad) x0  X p  1 1 Ta có U d  Xp  u ( X )dX  x0   220 0 2 sin X .dX  0,9.220  198(V ) 2.2 Công suất trung bình Công suất tức thời của một tải tiêu thụ đƣợc xác định bằng tích điện áp và dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t) = u(t).i(t). Công suất trung bình đƣợc xác định bằng cách áp dụng tính trung bình vào đại lƣợng công suất tức thời p(t), tức là: Tp Tp 1 1 Pd  Tp 0 p(t )dt T p  u(t ).i(t )dt 0 Hoặc theo X  .t Xp Xp 1 1 Pd  Xp 0 p( X )dX X p  u( X ).i( X )dX 0 với X p  .T p Trƣờng hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian I=const = Id, công suất trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình: Pd= Ud.I = Ud.Id. Trƣờng hợp điện áp đặt lên tải không đổi theo thời gian u=const = U d, công suất trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình: Pd= U.Id = Ud.Id. 2.3 Trị hiệu dụng của một đại lƣợng Gỉa thiết đại lƣợng i biến thiên theo thời gian theo một hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp hoặc với chu kỳ theo góc X p  .T p . Trị hiệu dụng của đại lƣợng i đƣợc tính theo công thức: t 0 T p x0  X p 1 1  i dt  i 2 2 I RMS dX Tp 0 Xp 0 Chỉ số RMS (Root Mean Square) có nghĩa là trị hiệu dụng. 2.4 Hệ số công suất Hệ số công suất cos - PF (Power Factor) đối với một tải đƣợc định nghĩa bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho P tải đó cos   . S 8
Trong trƣờng hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử R, L, C không đổi và sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải sẽ có dạng sin cùng tần số của nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn bằng  . Ta có hệ thức tính hệ số công suất nhƣ sau: P P  m.U .I . cos  ; S  m.U .I ; cos   S Trong đó: U, I - là các trị hiệu dụng của điện áp pha và dòng điện qua tải; m - là tổng số pha. Câu hỏi ông tập 1. Tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu của bộ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển. Điện áp chỉnh lƣu có dạng u= U msin  t với Um= 200 2 (V);  = 314 (rad/s). 2. Nêu cách xác định trị hiệu dụng của một đại lƣợng và hệ số công suất. 9
BÀI 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN Mã bài: MĐ 29 - 01 Giới thiệu Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất đƣợc sử dụng nhƣ các khóa bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi van bán dẫn mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn còn khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhƣng các phần tử điều khiển chúng lại đƣợc tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ. Quá trình biến đổi năng lƣợng sử dụng các van công suất đƣợc thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lƣợng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lƣợng phù hợp trong các hệ thống tự động. Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử thông thƣờng không thể có đƣợc. Nhƣợc điểm: Khó vận hành, sửa chữa. Mục tiêu: - Nhận dạng đƣợc các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện điện tử. - Trình bày đƣợc cấu tạo các loại linh kiện điện tử công suất - Giải thích đƣợc nguyên lý làm việc các loại linh kiện. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tƣ duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn, tiết kiệm. Nội dung chính: 1. Đặc điểm, phân loại các phần tử bán dẫn công suất 1.1. Đặc điểm - Các linh kiện bán dẫn công suất (van bán dẫn) trong lĩnh vực điện tử công suất có 2 chức năng cơ bản: Đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. + Trạng thái đóng (linh kiện dẫn điện): linh kiện có tác dụng nhƣ 1 điện trở rất bé (gần bằng 0). Độ lớn dòng điện qua linh kiện phụ thuộc trạng thái mạch điện, độ sụt áp trên linh kiện nhỏ (tối đa khoảng vài V, lý tƣởng coi bằng 0). 10
+ Trạng thái ngắt (linh kiện không dẫn điện): linh kiện có tác dụng trong mạch nhƣ một điện trở rất lớn. Dòng điện qua linh kiện có độ lớn không đáng kể (lý tƣởng coi bằng 0), độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của mạch điện bên ngoài. - Các van bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, từ trạng thái ngắt (không dẫn điện) sang trạng thái đóng (dẫn điện) và ngƣợc lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cực điều khiển của các linh kiện. Ta gọi linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển là: dòng điện, điện áo, ánh sáng với công suất thƣờng nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của nguồn và tải. 1.2. Phân loại Theo chức năng đóng, ngắt dòng điện và theo khả năng điều khiển các chức năng này, chia thành 3 nhóm chính: - Nhóm 1: Van không điều khiển - là các linh kiện không có cực điều khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của van xảy ra dƣới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra. VD: Đi ôt, Diac. - Nhóm 2: Van điều khiển không hoàn toàn, gồm các linh kiện điều khiển kích đóng đƣợc là các linh kiện có có cực điều khiển, thông qua cực điều khiển tín hiệu chỉ tác động đến chức năng đóng dòng điện mà không thể tự động làm ngắt dòng điện qua nó. VD: SCR, Triac. - Nhóm 3: Van điều khiển hoàn toàn, gồm các linh kiện điều khiển kích ngắt đƣợc là các linh kiện có thể thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt điện và ngƣợc lại thông qua tác dụng của tín hiệu điều khiển. VD: BJT, MOSFET, IGBT, GTO… 2. Các phần tử bán dẫn công suất 2.1. Diode công suất 2.1.1. Chất bán dẫn và sự phân cực của mặt ghép N-P. a. Chất bán dẫn * Chất bán dẫn thuần Chất bán dẫn thuần là những nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleep, điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si). Ở điều kiện bình thƣờng chúng là những chất cách điện. Khi đƣợc một nguồn năng lƣợng bên ngoài kích thích, sảy ra hiện tƣợng ion hoá các nguyên tử nút mạng và sinh ra từng cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại một liên kết bị khuyết (lỗ trống). 11
* Chất bán dẫn loại N Ngƣời ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm V bảng tuần hoàn Mendeleep vào mạng tinh thể bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 đƣợc một chất bán dẫn tạp chất loại n. Hình 1-1. Chất bán dẫn loại N Hình 1-2. Chất bán dẫn loại P * Chất bán dẫn tạp chất loại P Ngƣời ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm III bảng tuần hoàn Mendeleep và mạng tinh thể bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt đƣợc một tạp chất bán dẫn loại P, với đặc điểm chủ yếu là nguyên tử tạp chất thiếu một điện tử vành ngoài nên một liên kết hoá trị (ghép đôi) bị khuyết, ta gọi đó là lỗ trống liên kết có khả năng n hận điện tử. Khi nguyên tử tạp chất bị ion hoá sẽ sinh ra đồng thời một cặp ion âm tạp chất – lỗ trống tự do. b. Mặt ghép P-N b. a. Hình 1 – 3. Mặt ghép p-n và sự hình thành vùng chuyển tiếp Khi hai đơn tinh thể bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau, các hiện tƣợng vật lý sảy ra tại nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hết các thiết bị bán dẫn hiện đại: - Các lỗ của vùng p tràn sang vùng n là nơi có ít lỗ - Các điện tử vùng n chạy sang vùng p là nơi có ít điện tử 12
Đó là hiện tƣợng khuếch tán, kết quả là miền –h < x < 0 nghèo đi về điện tích dƣơng và giầu lên về điện tích âm. Ngƣời ta nói xuất hiện một điện – tích – không - gian âm. Miền 0 < x < + h mất điện tích âm và đƣợc điện tích dƣơng, vậy trong miền này xuất hiện một điện – tích – không – gian dƣơng. Ta gọi p là mật độ lỗ, n là mật độ điện tử rộng khoảng 10 -8/10-6m , p và n đều nhỏ, do đó vùng chuyển tiếp dẫn điện kém. Ngƣời ta nói nó mất các điện tích cơ động và trở thành vùng cách điện. Trong vùng chuyển tiếp hình thành một điện – trƣờng – nội – tại , ký hiệu là Ei , có chiều từ vùng n hƣớng về vùng p, và còn gọi điện trƣơng nội tại này là barie điện thế. Điện trƣờng nội tại Ei ngăn cản sự di động của các điện tích đa số (điện tử của vùng n và lỗ của vùng p) và làm dễ dàng cho sự di động của các điện tích thiểu số (điện tử vùng p và lỗ vùng n). Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành dòng điện ngƣợc còn gọi là dòng điện rò. c. Sự phân cực của mặt ghép p - n * Phân cực thuận Ei p n i R + - Hình 1 - 4. Sự phân cực thuận Khi thiết bị bán dẫn, gồm hai mặt ghép p và n, đƣợc đặt lƣới điện áp nguồn có cực tính nhƣ trên hình 1-4, chiều của điện trƣờng E ngƣợc với chiều của điện trƣờng nội tại E i (thông thƣờng E > E i) thì dòng điện i chạy rất dễ dàng trong mạch. Trong trƣờng hợp này, điện trƣờng tổng có chiều của điện trƣờng ngoài. Điện trƣờng tổng hợp làm dễ dàng cho sự di chuyển của điện tích đa số. Các điện tử tái chiếm vùng chuyển tiếp, khiến nó trở thành dẫn điện. Ngƣời ta nói mặt ghép p – n đƣợc phân cực thuận, vậy sự phân cực thuận hạ thấp điện trƣờng nội tại * Phân cực ngược Điện trƣờng ngoài E tác động cùng chiều với điện trƣờng nội tại Ei . Điện trƣờng tổng hợp cản trở sự di chuyển của điện tích đa số. 13 Hình 1 - 5. Sự phân cực
Các điện tử vùng n chạy thẳng về cực dƣơng của nguồn E, khiến cho điện thế của vùng này đã cao (so với vùng p) lại càng cao hơn. Vùng chuyển tiếp, cũng là vùng cách điện lại càng rộng ra. Không có dòng điện nào chạy qua mặt ghép p – n hình 1-5, ngƣời ta nói mặt ghép p – n phân cực ngƣợc. 2.1.2. Cấu tạo và ký hiệu của diode a. Cấu tạo và ký hiệu A A p n k k Hình 1 - 6a. Cấu trúc của diode Hình 1 - 6b. Ký hiệu của diode Điode bán dẫn có cấu tạo là một vùng chuyển tiếp p – n với hai điện cực đƣợc nối ra bên ngoài. Phía miền p gọi là anốt, phía miền n gọi là catốt. Cấu trúc và ký hiệu đƣợc vẽ trên hình 1-6a và hình 1-6b. b. Nguyên lý hoạt động của diode + uS u uS - a. b. Hình 1-7. Nguyên lý hoạt động của diode Khi tác động lên điốt một điện áp xoay chiều, trong nửa chu kì dƣơng của điện áp nguồn, điốt đƣợc phân cực thuận cho dòng điện chạy qua, ta nói điốt ở chế độ bão hoà S. Trong nửa chu kỳ âm, điốt bị phân cực ngƣợc, trở thành vật cách điện, ta nói điốt ở chế độ bão hoà B. Việc chuyển từ chế độ này sang chế độ kia không thể thực hiện một cách ngay tức khắc. 14
c. Từ chế độ S sang chế độ B Khi đƣợc đặt dƣới điện áp dƣơng, nhiều điện tử từ vùng n vƣợt mặt ghép sang vùng p để đến cực dƣơng của nguồn. Nếu điốt bị đặt dƣới điện áp âm, các điện tử đang có mặt ở vùng p phải quay trở về vùng n. Sự di động quay trở về này của các điện tử làm nên dòng đi ện ngƣợc chạy qua điốt từ C tới A trong khoảng thời gian ngắn, nhƣng cƣờng độ lớn hơn nhiều so với dòng điện ngƣợc bình thƣờng.Cƣờng độ dòng điện ngƣợc này ban đầu lớn, sau suy giảm và sau khoảng thời gian đƣợc ký hiệu là t off nó giảm gần bằng 0. Thời gian t off tính bằng 10 -6 s. d. Từ chế độ B sang chế độ S Đang ở chế độ khoá, dòng điện ngƣợc rất nhỏ, không đáng kể, nếu điốt bị đặt dƣới điện áp thuận, dòng điện i cũng không thể ngay lập tức đạt giá trị U/R mà phải sau một khoảng thời gian đƣợc ký hiệu t on để các điện tích đa số hoạt động di động, t on tính bằng 10 -6 s. 2.1.3. Đƣờng đặc tính vôn - ampe của điốt (V-A) Đƣờng đặc tính V-A của điốt bao gồm 2 nhánh: nhánh thuận 1 và nhánh ngƣợc 2 hình 1- 8a. Dƣới điện áp U > 0, điốt đƣợc phân cực thuận, bare điện thế giảm xuống gần bằng 0. Khi tăng U, lúc đầu dòng tăng từ từ, sau khi U lớn khoảng 0,1V thì i tăng nhanh, đƣờng đặc tính có dạng hàm mũ. Dƣới điện áp U < 0 điốt bị phân cực ngƣợc. Khi tăng |U|, dòng điện ngƣợc cũng tăng từ từ và khi |U| > 0,1V, dòng điện ngƣợc dừng lại ở giá trị vài chục mA, dòng điện này ký hiệu là IS, do sự di chuyển của các điện tích thiểu số tạo nên. Nếu cứ tiếp tục tăng |U|, các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỷ lệ thuận với điện trƣờng tổng hợp. 15
Hình 1.8 Đặc tuyến V-A của đi ốt Khi |U| = |UZ| thì các điện tích thiểu số cao tốc này sẽ do va chạm bẻ gãy được các liên kết nguyên tử trong vùng chuyển tiếp, làm xuất hiện những điện tử tự do mới. Đến lượt những điện tử này chịu sự tác động của điện tử tổng hợp lại bắn phá các nguyên tử khác, kết quả là một phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng ào ào và bắn phá hỏng điốt. Thông thường chỉ cho điốt làm việc dưới điện áp U = (0,7/ 0,8)UZ. * Một vài thông số kỹ thuật của diode: - Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận ID (Is). - Giá trị điện áp ngƣợc lớn nhất mà diode có thể chịu đƣợc: Ungmax - Thời gian phục hồi của diode: tr - Chất bán dẫn chế tạo để có V (V) . F - Dòng điện thuận tối đa: I Fmax - Điện áp ngƣợc tối đa: U (Uim) (R) max - Dòng điện nghịch tối đa: I Rmax - Sụt áp thuận; Sụt áp của diode : U - Tổn hao công suất: P - Nhiệt độ làm việc cho phép: Tcp - Dòng điện rò: Irò Ví dụ: Mã số Chất I U (ID) I Công dụng Fmax Rmax s 1N4001 Si 1A 50 V 5A Nắn dòng 1N4002 Si 1A 100 V 5A Nắn dòng 1N4004 Si 1A 400 V 5A Nắn dòng 1N4007 Si 1A 1000 V 5A Nắn dòng 1N5404 Si 3A 400 V 5A Nắn dòng 1N5408 Si 3A 1000 V 5A Nắn dòng Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số diode * Hình dạng bên ngoài của diode: 16
Hình 1-8b. Hình dạng bên ngoài của một số diode công suất 2.2. Transistor công suất 2.2.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động và ký hiệu của transistor lƣỡng cực BJT a. Cấu tạo Hình 1-9a. Cấu trúc của Transistor Hình 1-9b. Ký hiệu của Transistor loại pnp loại pnp Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tuỳ theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có 2 loại cấu trúc điển hình là npn và pnp nhƣ hình 1-9a,b; 1-10a, b. Hình 1-10a. Cấu trúc của Transistor loại Hình 1-10b. Ký hiệu của Transistor pnp loại pnp 17
Hình 1-11. Hình dạng của một số loại Transistor - Cực E (Emitter): đƣợc gọi là cực phát, đƣợc pha đậm tạp chất nên nồng độ hạt dẫn đa số của nó lớn, do đó khả năng sinh dòng lớn. - Cực C (Collector): đƣợc gọi là cực thu, vùng này cũng đƣợc pha ít tạp chất (ít hơn vùng E) để có độ dẫn điện tốt. - Cực B (Bazo): đƣợc gọi là cực nền, vùng này đƣợc pha rất ít tạp chất (ít nhất trong ba vùng), bề dầy rất mỏng (cỡ 10 -4 cm), cực B dùng để điều khiển dòng hạt tải phát ra từ cực E. b. Nguyên lý làm việc Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy Transistor pnp làm ví dụ. Dòng hạt đa Dòng hạt thiểu số số C E C E p n p p p n Vùng nghèo B Vùng nghèo B a. b. Dòng hạt đa số Dòng hạt thiểu số E C p n p IE IC IB c.B Hình 1-12. Nguyên lý hoạt động của tranzitor - Trên hình 1-12a, khi tiếp giáp colector không đƣợc phân cực, tiếp giáp emitor đƣợc phân cực thuận. Độ rộng vùng điện tích không gian giữa p và n 18
(còn gọi là vùng nghèo) sẽ bị giảm, mức giảm tuỳ theo điện áp phân cực, kết quả là dòng của các hạt đa số (các lỗ trống) khuếch tán từ miền bán dẫn p (cực E) sang miền bán dẫn n (cực B). - Khi tiếp giáp emitor không đợc phân cực, tiếp giáp colector phân cực ngƣợc, không có dòng của các hạt đa số (điện tử ở bán dẫn n) chỉ có dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở bán dẫn n) hình 1-12 b. - Trƣờng hợp tiếp giáp emitor phân cực thuận, tiếp giáp colector phân cực ngƣợc hình 1-12c. Khi tiếp giáp emitor phân cực thuận, các hạt đa số khuếch tán qua tiếp giáp tới miền bazơ taọ nên dòng IE. Tại miền bazơ các hạt đa số này lại chuyển thành các hạt thiểu số, một phần bị tái hợp với các điện tử tạo thành dòng IB, phần còn lại do độ rộng của miền bazơ rất mỏng, tiếp giáp colector phân cực ngƣợc nên các lỗ trống ở miền bazơ bị cuốn sang miền colector taọ lên dòng Ic. Dòng Ic này đƣợc tạo bởi hai thành phần: dòng của các hạt đa số từ miền emitor, và dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở miền bazơ khi cha có sự khuếch tán từ emitor sang). Qua việc phân tích trên ta rút đƣợc hệ thức cơ bản về các dòng điện trong Transistor: I E = I B +I C Để đánh giá đƣợc mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng Bazơ ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện  ủa Transistor:  = IC /IE Để đánh giá tác dụng điều khiển dòng điện I B tới dòng IC ta định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện  của Transistor:  = IC/IB * Trạng thái ngắt của Transistor tuỳ thuộc vào mức điện áp phân cực B của nó. Trong hình 1-13 Transistor có địên áp Ui = 0V nên UB = 0V, transistor không đƣợc phân cực nên ngừng dẫn, trạng thái này là IB = 0 và IC = 0. Điện áp ngõ ra ở cực C của Transistor là: U0 = VC = VCC +V C R RB U0 U0 =0 Hình 1-13. Trạng thái ngắt của Transistor * Trạng thái dẫn bão hoà của Transistor 19