Diode và mạch ứng dụng

1
I. Cấu tạo, ký hiệu và hình dạng:
- Diode là dụng cụ bán dẫn có một tiếp xúc p-n và 2 điện cực kim
koại
diode chỉnh lưu
diode chỉnh lưu cầu
diode led
diode tách sóng
Chương 2. Diode và mạch ứng dụng
Hình 1.1. Cấu trúc và ký hịêu của diode
Phân cực thuận
Phân cực ngược
2
II. Đặc tuyến V-A của diode:
Được chia làm 3 vùng:
. Vùng 1: vùng phân cực thuận
. Vùng 2: vùng phân cực ngược
. Vùng 3: vùng đánh thủng
Hình 1.2. Đặc tuyến V-A của diode
3
III. Các ứng dụng của diode:
1. Diode trong mạch điện 1 chiều (DC):
1.1. Diode phân cực thuận:
* Xác định điểm làm việc của diode:
Ta có mạch điện như hình vẽ:
4
- Gọi I
D
là dòng điện chạy trong chạy qua diode và V
D
là hiệu điện

thế 2 đầu diode, ta có:
.( 1)
D
T
V
V
D DSS
I I e
η
= −
(1.1)
Trong đó:
I
DSS
: dòng điện bảo hòa
0.026
T
KT
V v
q
=
ở nhiệt độ phòng (25
0
C)
η = 1 khi I
D
nhỏ và diode cấu tạo bằng Ge
η = 2 khi I
D
nhỏ và diode cấu tạo bằng Si

- Phương trình này được gọi là đường thẳng lấy điện. Giao điểm của
đường thẳng này với đặc tuyến của diode I
D
=f(V
D
) là điểm
Q(quiescent).
D R
E V V= +
(1.2)
* Từ mạch điện ta có:
5
1.2. Diode phân cực ngược:
-
Khi D mắc như hình vẽ thì D phân cực ngược, nên:
I
D
= I
R
= 0mA ; V
R
= I
R
.R = 0V ; V
D
= E-V
R
= E
2. Diode trong mạch điện xoay chiều(AC) – mạch chỉnh lưu:
-

Mạch chỉnh lưu là ứng dụng thông dụng và quan trọng nhất của
diode bán dẫn, có mục đích đổi từ điện xoay chiều(AC) thành điện
1 chiều(DC)
6
2.1. Trị trung bình:
(1.3)
1 2
0
DC
S S
V
T
+
⇒ = =
1 2
0
DC
S S
V
T
+
⇒ = >
1 2
0
DC
S S
V
T
+
⇒ = <

0
0
1
( ).
T
DC
V V t dt
T
=
∫
7
2.2. Trị hiệu dụng:
-
Ví dụ dòng điện là trị số tương đương của dòng điện 1 chiều I
DC

mà khi chạy qua 1 điện trở R trong 1 chu kì sẽ có năng lượng tỏa
nhiệt bằng nhau:
2 2
0
2 2
0
. ( ).
1
( ).
T
DC
T
DC
RI T R i t dt

I i t dt
T
=
⇒ =
∫
∫
Trị hiệu dụng dòng điện ký hiệu:
2 2
0
2
0
1
( ).
1
( ).
T
rms
T
rms
I i t dt
T
I i t dt
T
=
⇒ =
∫
∫
Nếu là điện áp ta có:
2
0

1
( ).
T
rms
V v t dt
T
=
∫
8
0
2
DC
m
rms
V
V
V
=
=
2
2
m
DC
m
rms
V
V
V
V
π

=
=
2
m
DC
m
rms
V
V
V
V
π
=
=
0
3
DC
m
rms
V
V
V
=
=
=>
=>
=>
=>
9
2.3. Ứng dụng:

2.3.1. Mạch chỉnh lưu nửa sóng(một bán kỳ):
Giả sử ta có V
i
(t)=V
m
sinωt.dt
Ta có dạng mạch căn bản cùng dạng sóng ngõ vào và ra như sau:
Bán kỳ dương, D dẫn, lúc này biên độ đỉnh của V
o
(t):
V
dcm
= V
m
- 0,7v
10
Điện áp trung bình ngõ ra:
0
0
1
( ).
T
DC
V V t dt
T
=
∫
Dòng trung bình qua tải:
DC
DC

L
V
I
R
=
Trị đỉnh dòng qua tải:
dcm
dcm
L
V
I
R
=
Bán kỳ âm, D ngắt, lúc này điện thế đỉnh phân cực ngược của diode
là:
V
RM
= V
m
Ta cũng có thể chỉnh lưu lấy bán kỳ âm bằng cách đổi đầu diode
11
2.3.2. Mạch chỉnh lưu tòan kỳ với biến áp có điểm giữa:
Mạch cơ bản và dạng sóng 2 đầu cuộn thứ cấp như hình vẽ:
Bán kỳ dương, D
1
dẫn, D
2
ngắt, ta có dạng mạch như hình vẽ:
12
Bán kỳ âm, D

1
ngắt, D
2
dẫn, ta có dạng mạch như hình vẽ:
Ta để ý trong 2 trường hợp I
L
đều chạy qua R
L
theo chiều từ trên
xuống và dòng điện đều có mặt ở 2 bán kỳ, lúc này điện áp trên 2
đầu R
L
là:
V
dcm
= V
m
- 0,7v
Điện áp trung bình ngõ ra:
0
0
1
( ).
T
DC
V V t dt
T
=
∫
13

Dòng trung bình qua tải:
DC
DC
L
V
I
R
=
Vậy dạng sóng thường trực trên 2 đầu R
L
có dạng như sau:
Ta cũng có thể chỉnh lưu lấy điện áp âm bằng cách đổi đầu diode
14
2.3.3. Mạch chỉnh lưu tòan kỳ dùng cầu diode:
Bán kỳ dương, D
2
,D
4
dẫn, D
1
, D
3
ngắt, ta có dạng mạch như hình vẽ:
15
Bán kỳ âm, D
2
,D
4
ngắt, D
1

, D
3
dẫn, ta có dạng mạch như hình vẽ:
V
dcm
= V
m
- 1,4v
Điện áp trung bình ngõ ra:
0
0
1
( ).
T
DC
V V t dt
T
=
∫
Điện áp trên 2 đầu R
L
là:
Dòng trung bình qua tải:
DC
DC
L
V
I
R
=

16
2.3.5. Mạch cắt:
2.3.5.1. Mạch cắt nối tiếp:
Mạch này dùng cắt 1 phần tín hiệu xoay chiều.
Dạng sóng
Đáp ứng
17
Nếu ta mắc thêm nguồn 1 chiều V nối tiếp với diode, giả sử tín
hiệu vào có dạng Sin với điện thế đỉnh là V
m
, thì ngõ ra sẽ có dạng
như hình vẽ với điện thế đỉnh V
m
-V tức V
0
=V
i
-V (coi diode lý tưởng)
2.3.5.2. Mạch cắt song song:
18
Dạng sóng
Đáp ứng
* Mạch có phân cực:
Ta có thể mắc thêm nguồn 1 chiều V nối tiếp với diode, dạng
sóng ngõ ra sẽ tùy thuộc vào cực tính của nguồn điện 1 chiều và D.
19
Ví dụ: Ta xác định V
0
của mạch khi V
i

có dạng tam giác và diode
xem như lý tưởng.
-
Khi diode dẫn điện: V
0
=V=4v
-
Khi V
i
= V = 4v , diode đổi trang
thái từ ngưng dẫn sang dẫn điện
hoặc ngược lại.
-
Khi V
i
< V = 4v , diode dẫn điện
=> V
0
= V = 4v
-
Khi V
i
> V = 4v , diode ngưng
dẫn => V
0
= V
i
20
2.3.6. Mạch ghim áp:
Đây là mạch đổi mức DC của tín hiệu. Mạch có 1 tụ

điện, 1 diode và 1 điện trở. Trị số của R và C phải lựa
chọn sao cho thời hằng τ=RC đủ lớn để hiệu thế 2 đầu tụ
giảm không đáng kể khi tụ phóng điện (trong suốt thời
gian D không dẫn điện).
21
2.3.7. Mạch dùng diode Zener:
Ký hiệu:
Diode zener làm việc ở chế độ ngược so với diode chỉnh lưu.
2.3.7.1. Với điện áp vào V
i
và tải R
L
cố định:
22
2.3.7.2. Với điện áp vào V
i
cố định và tải R
L
thay đổi:
23
2.3.7.3. Với điện áp vào V
i
thay đổi và tải R
L
cố định:
24
2.3.8. Mạch chỉnh lưu tăng áp:
2.3.8.1. Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện áp:
Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện áp 1 bán kỳ:
Sơ đồ mạch:

Đáp ứng ngõ ra:
25
Ta cũng có thể mắc mạch tăng đôi điện áp theo chiều dương:
Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện áp 2 bán kỳ dùng rất phổ biến:
-
Ở bán kỳ dương thì D
1
dẫn, C
1
nạp
điện V
C1
=V
m
, trong lúc D
2
ngưng dẫn.
-
Ở bán kỳ âm D
2
dẫn, C
2
nạp điện
V
C2
=V
m
, trong lúc D
1
ngưng dẫn.

-
Điện áp ngõ ra V
0
=V
C1
+V
C2