cách sử dụng linh kiện bán dẫn trong điện tử

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 điều khiển
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
ngắn 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, vạch 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 tắt (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.




Tiếp theo chúng ta sẽ dùng trình PSpice của
OrCAD để 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 chiếu sáng,
điện trở và nguồn điện năng của pin.



Trong mạch Bạn luôn phải nhớ dùng điện trở hạn dòng hay còn gọi là
điện 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 việc lấy 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 để 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
điện 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 tiếp 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 điện
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 điện sẽ
chảy 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 đầy? 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 để 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 chính điện tử dư ra này là phần tử dẫn điện trong
chất bán dẫn loại N, khi cho N pha đậm, người ta sẽ ghi là n+ và pha
nhạt hơn thì ghi là n Tương tự chất P là chất bán dẫn Silicon cho pha
Indium ( Indium có 3 điện tử nối hóa trị nên khi gắn vào tinh thể
Silicon sẽ có một nối trống vì thiếu điện tử), chính các lỗ trống này tạo
ra điều kiện dẫn điện trong chất bán dẫn loại P.

Bạn thấy chân E có kích thước thu nhỏ, vì sao?. Vì nó là chân dùng cho
phun ra các hạt tải điện, chân C có kích thước rộng là vì nó là chân
được dùng để thu gốp các hạt điện phun ra từ chân E.




Trên đây là hình vẽ cấu trúc bán dẫn của một transistor NPN. Trong
chất bán dẫn loại N phần tử làm công việc dẫn điện là các hạt điện tử
(dư ra do phospho cho) và trong chất bán dẫn loại P phần tử dẫn điện
là các lỗ trống trên các nối (do Indium tạo ra), các lỗ được cho đồng
nghĩa là các hạt tải điện dương (nên ghi bằng dấu +). Vậy nếu chân E
phun ra dòng, dòng này sẽ chảy vượt qua vùng B và sẽ được thu gốp
lại trên chân C.




Nhìn các hình chụp trên Bạn thấy transistor có 3 chân:

* Chân E được pha đậm để có tính dẫn điện tốt, nó là chân phun ra các
hạt tải điện. Với chất bán dẫn loại N thì phun ra các hạt điện tử dư (do

chất pha phospho cung cấp) với chất bán dẫn loại P thì phun ra các lỗ
(các nối trống do Indium tạo ra). E là Emitter, nghĩa là chân phát, chân
phun ra các hạt tải điện.

* Chân C được pha vừa, nó có tính dẫn điện khá, nó là chân thu gôm
các hạt tải điện phun ra từ chân E, nghĩa la các hạt tải điện phun ra từ
chân E đều được "hút vào" chân C và chảy ra trên chân C. C là
Collector, nghĩa là chân gốp, thu gốp các hạt điện phun ra từ chân E.

* Chân B được làm rất mỏng, nó là chân nền kẹp giữa chân E và chân
C, người ta thêm chân B ở giữa để "control" dòng điện chảy từ E vào C.
Nó điều khiển dòng điện đi từ E vào C. Người ta làm chân B thật mỏng
để tránh sự thất thoát của điện tử lúc vượt qua chân này. B là Base,
nghĩa là chân nền, kẹp giữa E và C, dùng kiểm soát cường độ dòng
điện chảy từ E vào C.

Nhìn vào cấu trúc bán dẫn của transistor, chúng ta thấy chỉ có thể có 2
loại sắp xếp, đó là NPN hay PNP. Như vậy dù với kiểu sắp xếp nào trong
transistor cũng có 2 mối nối PN, mối nối EB và mối nối CB, do đó người
ta gọi loại transistor này là transistor nhị cực hay transistor BJT (BJT,
Bipolar Junction Transistor).

Trên các sơ đồ mạch điện, chúng ta dùng ký hiệu của transistor để vẽ
mạch, với các ký hiệu của các linh kiện bán dẫn, Bạn nhớ chiều chỉ của
mũi tên, mũi tên chỉ vào chân nào chân đó được hiều là chân có chất
bán dẫn loại N.

Transistor là linh kiện thuộc nhóm tích cực (các linh kiện như điện trở,
tụ điện, biến áp thuộc nhóm linh kiện thụ động), có thể dùng
transistor để khuếch đại tín hiệu, nghĩa là biến một tín hiệu có công

suất yếu ra một tín hiệu có công suất mạnh hơn, transistor còn có thể
dùng làm một khóa điện để đóng mở mạch theo mức áp. Tuy nhiên
muốn dùng transistor để khuếch đại hay làm khóa điện, trước hết Bạn
phải cho phân cực các mối nối trong transistor. Người ta phân ra 4 vùng
tùy theo tính phân cực của 2 mối nối bán dẫn EB và CB.

* Nếu cả 2 mối nối EB và CB đều cho phân cực ngược, người ta nói
transistor ở trong vùng ngưng dẫn (Cut-off), lúc này không có dòng
chảy trên các chân của transistor. Nếu xem nó như một khóa điện, thì
transistor ngưng dẫn giống như một khóa điện làm hở mạch.

* Nếu cả 2 mối nối EB và CB đều cho phân cực thuận, người ta nói
transistor ở trong vùng bão hòa (Saturation), lúc này dòng chảy ra ở
chân C đã đặt đến mức không thể tăng hơn được nữa. Nếu xem nó
như một khóa điện, thì transistor bão hòa xem như một khóa điện đóng
lại, cho dòng chảy qua.

* Nếu chân EB cho phân cực thuận và chân CB cho phân cực nghịch,
người ta nói transistor ở trong vùng khuếch đại (Action), lúc này chỉ với
một tác động điện áp nhỏ trên chân B cũng sẽ kiểm soát được dòng
chảy mạnh yếu ra trên chân C, trạng thái này của transistor được dùng
nhiều nhất.

* Nếu chân EB cho phân cực nghịch và chân CB cho phân cực thuận,
người ta nói transistor ở trong vùng khuếch đại ngược (Rev-Action), lúc
này chỉ với một tác động điện áp nhỏ trên chân B cũng sẽ kiểm soát
được dòng chảy mạnh yếu ra trên chân E, Bạn thấy người ta đã cho
đảo ngược, lấy chân C làm chân phun hạt tải điện và lấy chân E làm
chân gốp. Trạng thái khuếch đại này của transistor ít được dùng vì nó
cho độ lợi nhỏ.

Hãy tìm hiểu các đo các transistor NPN và PNP, loại công suất
nhỏ:


Đo transistor nhị cực (BJT transistor):

Transistor nhị cực bên trong có hai mối nối PN, quen gọi là transistor
bipolar (BJT). Nó có 2 loại, transistor NPN và transistor PNP. Bạn có thể
dùng một Ohm kế (kim) để kiểm tra các loại transistor bipolar. Trình tự
thường làm là:

(1) Trước hết hãy tìm ra chân B.



Bạn lấy thang đo Rx1, lần lượt tìm đo trên hai chân của transistor, đo
chiều này kim không lên, đảo dây đo, kim cũng không lên, vậy đó là hai
chân E (Emitter) và C (Collector) của transistor. Như vậy có thể nói
chân còn lại sẽ chính là chân B của transistor.

(2) Hãy kiểm tra 2 diode tạo bởi mối nối B-E và mối nối B-C.

Bạn có thể xem transistor tương tự như 2 diode (2 mối nối PN), nên
việc kiểm tra một transistor tốt/xấu trở thành kiểm tra 2 diode (diode B-E
và diode B-C). Với transistor NPN, nếu dây đen (chân hút dòng, vì bên
trong máy đo nó nối vào cực dương của pin) đặt trên chân B, dây đỏ
(nơi dòng điện tử chảy ra) đặt trên chân C, lúc này kim phải lên do
diode được cho phân cực thuận và dây đỏ dời qua chân E kim cũng

phải lên (vì cũng được phân cực thuận). Ngược lại, đặt dây đỏ trên
chân B, dây đen trên chân C rồi qua chân E, cả 2 lần đo này kim đều
không lên, vì cả 2 diode đều bị phân cực nghịch.

Chú ý: với các transistor loại PNP thì kết quả đo sẽ ngược lại. Nghĩa là
dây đỏ trên chân B, dây đen trên chân E, rồi trên chân C, kim sẽ lên là
do 2 diode phân cực thuận và dây đen trên chân B, dây đỏ trên chân C,
rồi trên chân E, kim không lên vì 2 diode bị phân cực nghịch.



Hình vẽ cho thấy, dây đen trên chân B (cho hút dòng điện tử ra trên
chân B), dây đỏ trên chân E (cho bơm dòng điện tử vào chân E), kim
phải lên là vì lúc này diode B-E đang phân cực thuận.

Nếu đặt dây đỏ trên chân B, lấy dây đen đặt lên chân E, diode phân cực
nghịch, kim không lên và dây đen trên chân C, kim cũng phải không lên.

(3) Hãy xác định chân E và chân C.

Chúng ta biết, mối nối bán dẫn B-C chịu volt nghịch cao (thường trên
60V), trong khi đó mối nối B-E chịu volt nghịch thấp (thường khoảng
9V).


Do đó, Bạn hãy đặt thang đo Ohm ở vị trí Rx10K, lúc này trên hai dây
đo sẽ có 12V (mức volt DC của nguồn pin trong máy đo), dùng mức áp
này đo nghịch trên mối nối B-C (kim sẽ không lên) và khi đo nghịch trên
mối nối B-E, kim sẽ lên, vì sao? vì mối nối B-E chịu áp nghịch có 9V và
nó đã bị đánh thủng với mức áp 12V của máy đo. Qua dấu hiệu này

Bạn dễ dàng xác định được chân C và chân E.

Đến đây Bạn đã biết được chân B, chân C và chân E của transistor rồi.

(4) Hãy xác định độ lợi dòng điện (gọi là hệ số beta) của transistor.

Bạn lấy thang đo Ohm Rx10, cho chập hai đầu dây đo lại, chỉnh kim về
vạch 0 Ohm.


Cắm transistor 2SC1815 vào đúng chân C, B, E của 3 lỗ cắm NPN trên
máy đo. Chờ kim lên, Bạn đọc kết quả trên vạch chia HEF. Kim chỉ vị trí
200, có nghĩa là độ lợi dòng điện (beta) của transistor 2SC1815 là 200
lần. Nnó có nghĩa là dòng điện I
C
(chảy ra trên chân C) lớn hơn dòng
điện I
B
(chảy ra trên chân B) là 200 lần. Tham số beta còn gọi là hệ số
HFE của transistor.

Với transistor PNP cũng làm tương tự, cắm transistor vào đúng 3 chân
C, B, E của bộ chân cắm PNP và đọc kết quả trên vạch chia HFE, Bạn
sẽ biết được độ lợi dòng điện (HFE) của transistor.

Hình chụp sau đây cho thấy cách đo hệ số khuếch đại dòng HFE trên
một VOM có chân cắm transistor.

Sau đây là hình vẽ cho thấy 4 vùng làm việc của một transistor
NPN.


Khi transistor làm việc qua lại nhanh giữa vùng ngưng dẫn và vùng bão
hòa, người ta nói lúc này transistor làm việc như một khóa điện bán
dẫn, ngưng dẫn tương tự như một khóa điện hở và bão hòa tương
đương với một khóa điện đóng kín.

Khi transistor làm việc trong vùng khuếch thuận người ta nói nó biến
một tín hiệu nhỏ yếu ra một tín hiệu lón mạnh.

Khi muốn có mạch khuếch đại ít bị ảnh hưởng của nhiệt, người ta cũng
có dùng đến kiểu khuếch đại nghịch (tuy nhiên kiểu khuếch đại này rất
ít thấy dùng đến).


Hình vẽ sau đây cho thấy cách phân cực mối nối EB và CB để transistor
loại PNP làm việc trong 4 vùng: Ngưng dẫn, bão hòa, khuếch đại thuận,
khuếch đại nghịch.



Bạn làm quen với các kiểu mạch khuếch đại dùng transistor
(phần thí dụ, dùng transistor NPN 2SC1815)

Muốn dùng 1 transistor làm tầng khuếch đại, Bạn chia nó ra làm 3 lớp
trong 3 bước:

Bước 1: Lớp phân cực DC, dùng các điện trở để cấp áp DC cho các mối
nối EB và CB để transistor làm việc trong vùng khuếch đại.

Bước 2: Lớp Khuếch đại, sau khi đã lấy đúng phân cực, chúng ta sẽ
cho tín hiệu vào và khảo sát tính khuếch đại của mạch, như tính độ lợi,
xem méo

Bước 3: Lớp ổn định, chúng ta sẽ dùng kỹ thuật hồi tiếp để cải thiện
mạch khuếch đại, giữ cho nó ổn định hơn, khuếch đại tín hiệu ít bị méo
hơn.

Phần thực hành.

Bước 1: Bạn xem hình, các kiểu mạch phân cực DC kinh điển thường
dùng để transistor làm việc trong vùng khuếch đại:


Khi phân cực DC, Bạn dùng các điện trở để cấp mức áp DC trên các
chân B, chân E chân C, sao cho mối nối EB phân cực thuận để chân E
phun ra dòng hạt tải và sao cho mối nối CB phân cực nghịch để chân C
hút gần hết dòng phun ra từ chân E. Chúng ta dùng trình PSpice để
tính các mức áp phân cực cho mạch điện trên, với các mức áp như hình
vẽ, các transistor đã lấy đúng phân cực.

Chúng ta hãy xem dòng làm việc chảy qua các transistor (Bạn xem
hình).



Khi dùng các transistor cho làm việc với các tín hiệu nhỏ, dòng làm việc

của các transistor lấy trong khoảng 300uA đến 2mA là được. Dòng Ic
lấy càng nhỏ transistor khuếch đại ít ồn (ít tiếng sôi) nhưng cho độ lợi