Tự học điện tử 2

Chia sẻ: Bui Duy Hanh | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

152
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Led (Light Emitter Diode) là một mối nối bán dẫn PN, khi bị kích thích bởi dòng điện thì nó phát ra sáng. Như vậy có thể xem Led là một linh kiện chuyển đổi trực tiếp điện năng

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tự học điện tử 2

Dẫn nhập. Led (Light Emitter Diode) là một mối nối bán dẫn PN, khi bị kích thích bởi dòng điện thì nó phát ra sáng. Nh ư v ậy có thể xem Led là một linh kiện chuyển đổi tr ực tiếp điện năng ra quang năng, không như bóng đèn tìm phải chuyển điện năng ra dạng nhiệt, cho đốt nóng một s ợi kim loại trong môi trường khan khí oxy và chờ khi sợi kim loại nóng lên mới phát ra sáng. Từ đó, chúng ta th ấy Led có các đặc tính sau: * Có hiệu suất rất cao, vì nó chuyển thẳng điện năng ra quang năng. * Có quán tính nhỏ, nghĩa là tắt là tắt ngay và cho sáng là sáng ngay, nhấp nháy nhịp rất nhanh. * Có thể làm việc ở mức volt DC thấp và dòng nhỏ, chỉ vài Volt và vài mA. * Kích thước của điểm sáng có thể làm rất nhỏ, lại có nhiều màu. * ...và điều không kém quan trọng nữa là giá tiền rất r ẽ, lại rất bền, nên trở thành rất phổ biến. Với những đặc tính như vậy, Led ngày càng có nhiều ứng dụng rất đặc sắc. Có thể dùng Led làm bảng đèn chữ và hình, có thể dùng Led làm màn hình rộng đ ể hi ện hình
ảnh, có thể dùng Led để chiếu sáng, dùng Led chỉ thị, dùng Led tạo hình 2D, 3D, 4D.... Tôi nghĩ không ai làm nghề điện tử mà không hiểu rõ về Led, nó là một đề tài nhập môn của ngành điện tử học, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu các cách dùng Led để phục vụ cho cuộc sống hiện thực. Vài hình ảnh cho thấy cấu tạo của Led và các cách dùng Led: Hình vẽ cho thấy Led được cấu tạo từ một mối nối bán dẫn PN, khi chất bán dẫn Silicon cho pha Indium (có 3 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một nối thiếu điện tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng ta sẽ có chân bán dẫn loại P và khi cho pha với Phosphor (có 5 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta có chân bán dẫn loại N.
Chất bản dẫn loại P tạo điều kiện dẫn điện bằng các lỗ trống (Hole), đó chính là các nối hóa trị thiếu điện tử. Còn chất bán dẫn loại N có đi ểu ki ện dẫn điện là do các điện tử tự do (điện tử dư ra do phosphor có 5 điện tử hóa trị mà trong kết nối tinh thể chỉ cần có 4 ). Khi mối nối PN được cho phân cực thuận với nguồn pin ngoài, một dòng điện kích thích khi chảy qua mối nối bán dẫn PN sẽ tạo các dao đ ộng của các đi ện tử (Bạn xem hình) và các dao động này sẽ phát ra sóng điện từ trường đó chính là các tia sáng. Tóm lại Led có 2 chân, gọi là chân âm c ực hay Cathode ( do chân này cho nối vào cực âm của pin) và chân dương cực hay Anode (do chân này cho nối vào cực dương của pin), khi chúng ta cho dòng điện chảy qua một Led nó sẽ phát ra chùm tia sáng, và để có điềm sáng đủ mạch, chúng ta dùng vật liệu nhựa trong suốt làm kính hội tụ (Bạn xem hình cấu tạo của Led). Hình chụp trên đây cho Bạn thấy các Led màu có nhiều kích cở, các Led này thường là các điểm sáng nhỏ thường dùng làm các Led chỉ thị. Như: * Chỉ thị mức âm lượng mạnh yếu, người ta tạo ra các vạch sáng bằng Led hình dẹp. * Chỉ thị 3 tranh thái của máy: Đỏ - Xanh - Vàng, người ta dùng Led đôi ra 3 chân. * Chỉ thị máy có mở nguồn hay tắt, người ta dùng Led tròn đỏ, trắng... Dĩ nhiên, mỗi Led được xem là một điểm sáng, mà Ban biết hình ảnh chữ sổ đều có thể tạo ra từ các điểm sáng nhỏ này, do đó Bạn có thể dùng nhiều Led
để ghép theo hình và theo chữ, theo số, như vậy Bạn đã có một bảng đèn hay một vật thể phát sáng nhiều màu, lung linh nhấp nháy trông rất đẹp mắt. Ngày nay người ta muốn dùng Led làm nguồn chiếu sáng mạnh để thay thế các đèn chiếu sáng cổ điển, vì Led có hiệu suất rất cao, an toàn, tuổi thọ dài, ít hao điện và rất dễ dùng. Hình trên đây cho thấy hình dạng của các Led công suất lớn, hiện nó đã là nguồn sáng lạnh rất mạnh và trong một tương lai gần thôi nó sẽ thay thế các đèn chiếu sáng nóng như loại đèn sợi nung, loạiđèn chiếu sáng ồn, gây nhiều nhiễu, như đèn ống huỳnh quang.
Do Led có quán tính nhỏ, nghĩa là nó có thể nhấp nháy với nhịp nhanh, nói cho dễ hiểu, là nó tắt nhanh và sáng nhanh, không như loại đèn sợi nung có quán tính nhiệt quá chậm. Với Led người ta có thể dùng làm loại đèn số theo mã 7 đoạn, dùng loại đèn này để làm các mạch đếm rất tiện (Bạn xem hình, một khối đèn số 7 đoạn có thể cho hiện ra các số thập lục phân).
Nhiều Bạn trẻ thích "ngông", dùng Led tạo hình rồi dùng transistor điều khiển cho các hình nhấp nháy, tạo ra các hình đèn động rất ngộ nghĩnh, như hình đứa trẻ, hình người đạp xe...Còn hình gì nữa, tôi nghĩ chắc Bạn sẽ tự nghĩ ra thôi.
Người ta còn dùng Led để tạo ra hình khối 3D và dùng mạch điện tử làm cho các Led này sáng nhấp nháy rất sinh động.
Dùng Led làm đèn giao thông...
Trước mắt cho dùng nhiều Led siêu sáng ghép lại để làm đèn chiếu sáng mạnh, thay thế các đèn chiếu sáng cổ điển (sắp vào viện bảo tàng). Một chút tính toán để biết cách dùng Led. Đặc tính của môn điện tử là "tính tính toán toán". Khi đã nghĩ ra một mạch điện rồi thì phải biết: * Biết tính toán dòng, áp, công suất tiêu thụ, tính an toàn, độ bền... * Biết tìm linh kiện, làm bo mạch in. * và phải biết ráp mạch * và nếu giỏi nữa thì phải biết dùng kiến thức của mình tạo ra kinh tế cho bản thân.
Ở đây tôi trình bày các mạch điện kinh điển dùng Led và một số tính toán có liên quan (để việc tính toán nhanh và dễ làm tôi dùng phần mềm PSpice của OrCAD). Do có ý là chỉ dùng các linh kiện dễ tìm, tôi chọn kiểu mạch đi ều khi ển kích sáng chủ yếu dùng transistor và chỉ dùng thêm một vài loại ic logic thông dụng. Trước hết là vấn đề kiểm tra các Led mà Bạn có: Khi dùng Ohm kế để kiểm tra Led Bạn nhớ các điểm sau: (1) Lấy thang đo Rx1 để có dòng chảy ra trên dây đo lớn, lúc này dòng ng ắn mạch (chập 2 dây đo lại) , dòng chảy trên dây đo sẽ lớn nhật và thường ở thang Rx1 là 150mA (con số này có ghi trên máy đo). (2) Do dây đo màu đỏ nối vào cực âm của pin (pin 3V trong máy đo), nên dòng điện tử chảy ra từ dây đen và do dây màu đỏ nối vào cực dương của pin nên dòng điện tử sẽ bị hút vào ở dây đỏ. (3) Khi đo Led (hay nói chung là khi Bạn đo các linh kiện có tính phi tuyến như diode, transistor, IC) Bạn nên xem kết quả trên vạch chia LV, vạch LV cho Bạn
biết mức volt hiện có trên vật đo và khi đọc kết quả trên vạch chia LI, v ạch LI cho Bạn biết cường độ dòng điện đang chảy qua vật đo. Vậy với Led, khi dây đen đặt trên chân Cathode và dây đỏ trên chân Anode, Led sẽ sáng. Đọc kết quả trên vạch chia LV Bạn biết điện áp có trên 2 chân của Led và đọc trên vạch chia LI, Bạn biết cường độ dòng điện đang chảy qua Led. Đảo chiều 2 dây đo Led sẽ không sáng, vì nó bị phân cực ngược, khi mối nối bán dẫn PN bị phân cực ngược nó sẽ không cho dòng chảy qua. Tóm tắt cách đo Led bằng hình động sau: Bạn thấy gì: Khi dây đen đặt trên chân cathode của led và dây đỏ trên anode thì Led sáng (vì Led được cho phân cực thuận) và khi đảo dây lại thì Led t ắt (vì Led bị phân cực nghịch).
Lúc đo theo phân cực thuận, Bạn hãy nhìn kim dừng trên vạch chia LV sẽ biết mức ghim áp của Led. Các Led chiếu sáng thông thường thường có mức ghim áp khoảng 2V, với loại Led siêu sáng có mức ghim áp khoảng 3V. Ghi nhận: Với các VOM kế có lỗ cắm dùng đo hệ số khuếch đại dòng của các transistor, Bạn có thể cắm Led vào các lỗi này để kiểm tra Led, làm như vậy sẽ nhanh hơn. trình PSpice của OrCAD để Tiếp theo chúng ta sẽ dùng khảo sát các mạch điện kinh điển dùng Led. Thực hành 1: Dùng luật Ohm để tính trị của điện trở hạn dòng R (Xem sơ đồ mạch thực hành 1).
Trong mạch này dùng 3 chủng loại linh kiện, đó là: Led chi ếu sáng, đi ện tr ở và nguồn điện năng của pin. Trong mạch Bạn luôn phải nhớ dùng điện trở hạn dòng hay còn gọi là đi ện trở định dòng làm việc cho Led. Các Led chiếu sáng thường có mức ghim áp là 2V (loại Led siêu sáng có mức ghim áp là 3V) và dòng làm vi ệc l ấy 10mA là đủ sáng. Vậy chúng ta có thể dùng luật Ohm để tính được trị của điện trở R. Dùng trình PSpice để tính nhanh, từ các trị in ra trong hình, chúng ta thấy với Led có tính ghim áp là 1.18V và trong mạch dùng điện trở hạn dòng R1 là 1K
thì dòng chảy qua led sẽ là 10.82mA, lúc này công suất tiệu thụ trên Led là 12.76mW, rất nhỏ so với công suất làm nóng điện trở R1 là 117.1mW. Vậy nếu muốn giảm dòng chảy qua Led Bạn cho tăng trị của điện trở R1. Điều tối kỵ: Không bao giờ, không bao giờ cho Led nối thẳng vào nguồn pin, không có điện trở hạn dòng, dòng qua Led quá lớn, Led sẽ bị cháy và hư tức khắc (nếu không tin, Bạn có thể làm thử để lấy kinh nghiệm). Thực hành 2: Khảo sát các Led mắc nối tiếp.
Chúng ta tạo ra 4 nhánh với số Led tăng dần, và dùng PSpice đ ể tìm kết quả về dòng và áp trên mạch, chúng ta nhận thấy: * Điện áp của các Led được cho cộng vào nhau. * Do điện trở hạn dòng không thay đổi trị số, nên dòng ở các nhành có nhiều Led sẽ giảm. * Dòng cung cấp của nguồn pin bằng tổng các dòng qua các nhánh cộng lại. Vậy khi mắc nhiều Led nối tiếp chúng ta phải nhớ điều chỉnh lại trị của đi ện trở hạn dòng để dòng qua Led đủ lớn để cho Led sáng mạnh (dòng làm việc của các Led chiếu sáng thường lấy trong khoảng từ 5mA đến 10mA là đủ). Thực hành 3: Khảo sát các Led vừa mắc nối tiếp vừa mắc song song. Bạn mô tả mạch điện muốn ráp trong trình PSpice, và kết quả phân tích của PSpice cho chúng ta số liệu như hình sau:
Qua các số liệu chúng ta thấy: Dòng qua nhánh 2 Led là 4.87mA, và dòng tồng cộng là 9.74mA. Nhánh 3 Led không có dòng. * Các nhánh có Led cùng loại, có số Led bằng nhau mắc song song thì có dòng làm sáng Led. * Nhánh có số Led nhiều hơn, như nhánh 3 Led, nó cần mức áp cao hơn mức ghim áp của nó, do đó nhánh này thiếu áp và sẽ không được cấp dòng, nên các Led không sáng.
Tóm lại, Bạn cần nhớ chỉ dùng cùng loại Led cho mắc nối ti ếp và rồi mắc song song, số Led trên các nhánh phải bằng nhau, lúc đó các nhánh này mới có dòng và Led sẽ sáng . Thực hành 4: Hãy làm quen với tụ điện và mạch RC. Trong mạch điện tụ điện là kho chứa điện, do vậy khi có một tụ đi ện Bạn phải biết: * Điện dung của tụ, đơn vị tính là Faraday, thường dùng ở cấp uF (micro Farad), hay nF (nano Farad) hay pF (pico Farad). * Sức chịu áp của tụ, trên tụ thường ghi mức áp làm việc (WV, Working Volt), đừng cho tụ nạp ở mức áp quá cao, tụ sẽ bị nổ.
Hình vẽ cho thấy hình dạng các loại tụ điện: Thường có 3 nhóm: (1) Nhóm tụ hóa, loại tụ có dung lượng lớn (chứa được nhiều điện tích), loại tụ này có cực tính, khi mắc vào mạch dấu dường ghi trên tụ phải cho bên có mức áp cao. (2) Nhóm tụ thường, loại tụ này có điện dung nhỏ, nhưng sức chịu áp cao. Loại tụ thường không có cực tính. (3) Nhóm tụ xoay, loại tụ này có điện dung thay đổi được, nó thường dùng trong các mạch cộng hưởng dùng làm bẩy sóng.
Để hiểu nguyên lý làm việc của tụ trong mạch, tôi trình bày bằng hình động, trong hình cho thấy 2 quá trình: Quá trình nạp điện và quá trình xả điện. * Khi S1 đóng và S2 hở, lúc này tụ C1 ở quá trình cho nạp điện, dòng điện tích từ nguồn pin cho bơm vào tụ, dòng chảy qua điện trở R1 và mức volt trên tụ tăng dần lên cho đến lúc đầy, tụ đầy được hiểu là mức áp trên tụ đã lên rất gần bằng 12V của nguồn. * Khi S2 đóng và S1 hở, lúc này tụ C1 ở quá trình xả điện, dòng đi ện s ẽ ch ảy qua điện trở R2 và mức áp trên tụ sẽ giảm dần xuống. Khi mức áp trong tụ bằng 0V, chúng ta nói tụ đã xả hết điện. Vậy xuất hiện câu hỏi: Khi nào và bao lâu thì tụ C1 mới nạp đ ầy? Và phải bao lâu thì tụ C1 mới xả hết điện? Nhìn vào mạch Bạn cũng thấy, nếu dùng tụ C1 có dung lượng lớn và điện trở R1 làm ống dẫn có sức cản dòng quá lớn thì thời gian để tụ nạp đầy mức áp của nguồn sẽ rất lâu. Cũng vậy, tụ lớn, điện trở R2 có trị lớn thời gian đ ể tụ xả hết điện cũng sẽ rất lâu. Người ta đưa ra một định nghĩa về thời hằng: Thời hằng của mạch nạp xả của tụ C qua R là thời gian t = RxC. Với thời gian này tụ sẽ nạp được 63% mức điện của nguồn nuôi hay đã xả được 63%
lượng điện mà tụ có. Và mội người đều cho là sau 5t (tức 5xRxC) thì xem như tụ đã nạp đầy hay tụ đã xả hết điện. Thực hành 5: Bây giờ nói đến linh kiện có tính tích cực đây, đó là transistor. Transistor là một linh kiện rất quan trọng, nó tạo ra cuộc cách mạng lông trời lỡ đất của ngành điện tử. Transistor được xếp vào loại linh kiện tích cực vì nó có tính khuếch đại. Ở đây chúng ta chỉ dùng transistor như những khóa điện bán dẫn đóng mở mạch theo mức áp cao hay thấp. Có 2 loại transistor, loại NPN và loại PNP. Mô hình bán dẫn cho thấy người ta sắp xếp các chân bán dẫn loại N, loại P để tạo ra các mối nối EB cà CB và tạo ra các transistor nhị cực NPN hay PNP. Trong hình N là chất bán dẫn Silicon pha Phospho (Phospho với 5 điện tử hóa trị tạo nối), nên khi gắn vào tinh thể Silicon sẽ để dư ra một điện tử tự do, và