Đề cương bài giảng hệ thống điện động cơ hệ cao đẳng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN: HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ
SỐ TÍN CHỈ: 02
LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: CAO ĐẲNG CHÍNH QUY
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên, năm 2015


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

CHƢƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG
1.1. Các khái niệm, quy ƣớc và mã cơ bản
1.1.1. Điện áp
Là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau của mạch điện.
UAB = VA – VB
Trong đó UAB là điện áp giữa hai điểm A, B của mạch VA, VB là điện thế của A
và B so với gốc (điểm mát).
Đơn vị: Vôn (V)
1.1.2. Dòng điện
Là dòng chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất, có chiều chuyển
động từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.
Ký hiệu: I
Đơn vị: Ampe (A)
1.1.3. Điện trở
Điện trở có tác dụng cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp để thực hiện các chức

năng tùy theo vị trí của điện trở trong mạch.
Ký hiệu: R
Đơn vị: Ôm (Ω)
1.1.4. Nguồn điện
Là nơi chứa các dạng năng lượng khác có thể chuyển hóa thành điện năng. Ở
đây ta chỉ nói đến nguồn áp.
Ký hiệu: E
Đơn vị: Vôn (V)
1.1.5. Định luật Ohm cho một đoạn mạch
Cho một đoạn mạch có điện trở R đặt vào điện áp
U quan hệ giữa dòng điện và điện áp được biểu diễn theo
định luật Ohm: I = U/R
I - dòng điện trong mạch tỷ lệ thuận với điện áp và tỷ lệ
nghịch với điện trở của toàn mạch.
Hình 1.1: Định luật Ohm
1.1.6. Định luật Ohm cho nhánh có nguồn
Cho nhánh có nguồn có suất điện động E và điện trở trong Ri. Định luật Ohm
cho nhánh có nguồn là: U = E – Ri.I

1


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Hình 1.2: Định luật Ohm cho nhánh có nguồn
Thường điện trở nguồn rất nhỏ khi mạch hở (không tải) I = 0, do đó U = E
Khi điện trở mạch ngoài rất nhỏ so với điện trở trong của nguồn U = 0 gọi
nguồn bị ngắn mạch, lúc đó I = E/Ri

1.1.7. Xung
Là tín hiệu điện áp hay dòng biến đổi theo thời gian dưới dạng rời rạc (gián
đoạn). Nó thay đổi một cách đột biến có quy luật hoặc không có quy luật. Xung điện
có thể là xung một chiều hay xung xoay chiều.

Hình 1.3: Một số dạng xung cơ bản trên ôtô.
1.2. Linh kiện điện và điện tử cơ bản
1.2.1. Linh kiện thụ động
1.2.1.1. Điện trở
a. Khái niệm
Điện trở có tác dụng cản trở dòng điện tạo sự sụt áp để thực hiện các chức
năng tùy theo vị trí của điện trở trong mạch.
Điện trở gồm có 3 dạng là:
-

Điện trở có trị số cố định.
Biến trở.
Điện trở biến thiên.

* Điện trở có trị số cố định
Điện trở có trị số cố định thường được phân loại theo vật liệu cản điện như:
2


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

+ Điện trở than tổng hợp (than nén)
+ Điện trở than nhiệt giải hoặc than màng (màng tinh thể).

+ Điện trở dây quấn gồm sợi dây điện trở dài (dây NiCr hoặc manganin,
constantan) quấn trên một ống gốm ceramic và phủ bên ngoài là một lớp sứ bảo vệ.
+ Điện trở màng kim, điện trở màng oxit kim loại hoặc điện trở miếng: điện
trở miếng thuộc thành phần vi điện tử. Dạng điện trở miếng thông dụng là được in
luôn trên tấm dáp mạch.
+ Điện trở cermet (gốm kim loại)

a

b
Hình 1.4: Điện trở có trị số cố định.
a – Hình dạng thực tế.
b – Ký hiệu trong mạch.
Dựa vào ứng dụng điện trở được phân loại như liệt kê trong bảng 1.1
Bảng 1.1: Các đặc tính chính của điện trở tiêu biểu
Loại điện trở
Chính xác
Dây cuốn
Màng kim
Bán chính xác
Oxit kim loại
Cermet
Than màng
Đa dụng
Than tổng hợp
Công suất
Dây cuốn
Hình ống

Trị số R

Pt.t.max (w)

To làm việc oC

TCR
ppm/oC

0.1
10

1.2
5

1/8 3/4 ở 125oC -55
1/20 1/2 ở 125oC -55

+145
+145

10
25

10
10
10
2.7

15
1.5

5
100

1/4 3 ở 70oC
1/20 1/2 ở
125oC
1/8 1 ở 70oC

-55
-55
-55
-55

+150
+175
+165
+130

200
200
200
500 1500

0.1

180

1/8

2 ở 70oC

-55

+275

200
3


Khoa Cơ khí Động lực
Bắt sườn máy
Chính xác

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

1

3.8

0.1
20

40
2M

1
5
1

21 ở 25oC

30 ở 25oC
10 ở 25oC

Màng kim loại
Điện trở miếng
7 1000 ở 25oC
22M
(màng vi điện tử) 1
Cách đọc giá trị điện trở cố định:
Giá trị điện trở được ghi trực tiếp:

-55
-55
-55

+275
+275
+225

50
20
500

-55

+125

25

200

Hình 1.5: Cách đọc giá trị điện trở
Bảng ghi và đọc giá trị điện trở trực tiếp trên thân theo bảng 1.2
Bảng 1.2: Cách ghi và đọc giá trị điện trở
STT

MÃ GHI

GIÁ TRỊ

1

R22

0.22Ω

2

2R2

2.2Ω

3

47R

47Ω

4

100R

100Ω

5

1K0

1KΩ

6

10K0

10KΩ

7

1M0

1MΩ

Giá trị điện trở được sơn bằng mã màu:
Tùy theo số vòng trên điện trở (4, 5 hay 6 vòng), ý nghĩa của từng vòng được
minh họa bằng hình vẽ sau:

Hình 1.5: Mã màu điện trở
4

Khoa Cơ khí Động lực
-

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Điện trở có 4 màu: đây là điện trở thường gặp nhất.

Hình 1.6: Điện trở có 4 vòng màu.
Vòng thứ nhất: chỉ giá trị hàng trục trong giá trị điện trở.
Vòng thứ hai: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở.
Vòng thứ ba: chỉ hệ số nhân với số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở.
Vòng thứ tư: chỉ sai số điện trở.
Ví dụ: Điện trở có 4 màu theo thứ tự : vàng, tím, cam, nhũ, bạc.
Giá trị điện trở là:
Vàng
4

Tím
7

Cam
000

Nhũ Bạc
±10 %

Kết quả : 47.000Ω hay 47kΩ, sai số ±10 %
Điện trở có 5 vòng màu: là điện trở có độ chính xác cao.

Hình 1.7: Điện trở có 5 vòng màu.

Vòng thứ nhất: chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở.
Vòng thứ hai: chỉ giá trị hàng trục trong giá trị điện trở.
Vòng thứ ba: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở.
Vòng thứ tư: chỉ hệ số nhân với số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở.
Vòng thứ năm: chỉ sai số giá trị điện trở.
Ví dụ: Điện trở có 5 màu, theo thứ tự: Nâu, tím, đỏ, đỏ, nâu.
Giá trị của điện trở:
Nâu
Tím
Đỏ Đỏ
Nâu
1
7
2
00
±1 %
Kết quả: 17200 Ω hay 17.2 kΩ, sai số ±1 %
* Biến trở:
Biến trở có hai dạng. Dạng kiểm soát dòng công suất lớn dùng dây quấn. Loại
này ít gặp trong các mạch điện trở. Dạng thường dùng hơn là chiết áp. Cấu tạo của
biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu con chạy gắn với một
trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở. Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay)
hoặc theo kiểu trượt (chiết áp trượt). Chiết áp có 3 đầu ra, đầu giữa ứng với con trượt
còn hai đầu ứng với hai đầu điện trở.
5


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Hình 1.8a:Biến trở

Hình 1.8b:Kỹ hiệu biến trở
+ Điện trở biến thiên: chia các dạng sau.
Điện trở nhiệt tecmixto: Đây là một loại linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi
theo nhiệt độ. Khi ở nhiệt độ bình thường thì tecmixto là một điện trở, nếu nhiệt độ
càng tăng cao thì điện trở của nó càng giảm.
Hình ảnh thực tế của điện trở nhiệt tecmixto:

a

b

Hình 1.9: Điện trở nhiệt tecmixto
a- Hình ảnh thực tế
b – Ký hiệu trong mạch
Quang trở:
Quang trở: Là một loại điện trở, mà điện trở suất của nó giảm xuống rất nhanh
khi có ánh sáng chiếu vào, làm bằng CdS hoạt dộng trên hiện tượng quang dẫn.

a

b

Hình 1.10: Quang trở
a – Hình ảnh thực tế.
b – Ký hiệu trong mạch.
Đơn vị của điện trở: đơn vị là Ω (Ohm)
1KΩ = 1000Ω

1MΩ = 1.000.000Ω
6


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

1.2.1.2. Tụ điện
a. Khái niệm
Là một thiết bị mà có thể tích trữ các điện tích khi cấp lên nó một điện áp.
Tụ điện là một linh kiện thu động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch
điện tử được cấu tạo từ hai bản cực làm bằng hai chất dẫn điện (kim loại) đặt song
song nhau, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi.
Người ta thường dùng các chất: thủy tinh, gốm sứ, mica, giấy, dầu, paraffin,
không khí… để làm chất điện môi.

Hình 1.11: Cấu tạo tụ điện.
Tụ điện được chia thành những loại sau:
Tụ hóa.
Tụ thường
Tụ điện có điện dung thay đổi.
Chúng ta đi tìm hiểu từng loại tụ điện một
+ Tụ hóa:
Tụ hóa là loại tụ có phân cực. Chính vì thế khi sử dụng tụ hóa yêu cầu người
sử dụng phải cắm đúng chân của tụ điện với điện áp cung cấp. Thông thường, các loại
tụ hóa thường có kí hiệu chân cụ thể cho người sử dụng bằng các ký hiệu + hoặc tương ứng với chân tụ.

a. Hình ảnh thực tế

b. Ký hiệu

Hình 1.12: Tụ hóa.
+ Tụ thƣờng:
Hình 1.13: Ký hiệu trong mạch của tụ thường

7


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

+Tụ điện có điện dung thay đổi:
Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được là loại tụ trong
qua trình làm việc ta có thể điều chỉnh thay đổi trị số điện
dung của chúng.
Hình 1.14: Ký hiệu trong mạch.
b. Cách ghi và đọc giá trị tụ điện
Hai tham số quan trọng nhất thường được ghi trên thân tụ điện là trị số điện
dung (kèm theo dung sai sản xuất) và điện áp làm việc.
Cách ghi trực tiếp:
Ghi trực tiếp là cách ghi đầy đủ các tham số và đơn vị đo của chúng. Cách này
chỉ dùng cho loại tụ điện có kích thước lớn.
-

-

Cách ghi gián tiếp theo quy ước:
Tụ điện có tham số ghi theo qui ước thường có kích thước nhỏ và điện dung

ghi theo đơn vị đo pF.
Có rất nhiều quy ước khác nhau như quy ước mã, quy ước màu … Sau đây ta
chỉ nêu một số quy ước thông dụng.
+ Ghi theo quy ước số: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen.
Ví dụ: Trên thân tụ ghi 47/630, có nghĩa tử số là giá trị điện dung tính bằng pF, 47pF,
mẫu số là điện áp làm việc một chiều, 630Vdc.
+ Ghi theo quy ước mã: Giống như ở điện trở, mã gồm các chữ số chỉ trị số
điện dung và chữ cái chỉ % dung sai.
Tụ có kích thước nhỏ thường được ghi theo quy ước sau: Ví dụ trên tụ ghi 204
nghĩa là trị số của điện dung 20.000 pF Vdc.
Tụ Tantan là tụ phân cực thường được ghi theo đơn vị µF cùng điện áp làm
việc và cực tính rõ ràng.
+ Ghi theo quy ước màu: Tụ điện cũng giống như điện trở được ghi theo quy
ước màu. Quy ước màu cũng có nhiều loại: loại 4 vạch, loại 5 vạch màu. Nhìn chung
các vạch màu quy ước gần giống điện trở.

Hình 1.15: Mã màu của tụ điện

8


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Bảng 1.3: Quy ước mã màu trên tụ điện
Vạch 1

Vạch 2

Vạch 3

Vạch 4

Vạch 4

Vạch 5

Số có
ngĩa

Số có
nghĩa

Số nhân(pF)

UDc(V)
Tụ Tantan

Dung sai

Polyster

Đen

0

0

1

Nâu

1

1

Màu

Đỏ

2

2

Tantan(

-

2PF

20%

-

10

100

0,1PF

1%

-

10

-

100

250

-

2%

250 w

100
Cam

3

3

1K

- -

-

2,5%

Vàng
Lục

4
5

4
5

10K

- 400
6,3

100K

-

-

16

0,5PF

-

5%

Lam

6

6

-

-

630
20

-

Tím

7

7

-

-

-

-

Xám

8

8

0,01
0,01

25

0,25PF
-

-

Trắng

9

9

0,1
0,1

3

1PF

-

Hồng

-

-

-

-

-

-

10%

35

-

Bảng 1.4: Bảng phân loại tụ điện theo vật liệu và công dụng
Loại tụ
+ Chính xác:
-Mica
-Thủy tinh
-Gốm

Điện dung

U làm việc (Vdc)

1

91000 PF

100

1

10000 PF

300

1

1100 PF

150

t0 làm việc

-55

125

500

-55

125

500

-55

85
9


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

-Màng Polystylen

1000

220000 PF

200

-55

85

+ Bán chính xác
-Màng chất dẻo

-Màng chất dẻo giấy

1000

10 F

30

-55

125

4700

10 F

50

400

-55

125

100000 PF

50

200

-55

125

10

300

-55

125

(tráng kim loại)
+ Đa dụng
-Gốm Li-K
-Ta2O3 (nung dính, chất
điện giải rắn có cực tính)
-Màng dính ướt có cực
-Al2O3 khô có cực tính
+ Triệt nuôi
-Giấy
-Mica(hình khuy)
-Gốm
+Thoát
-Giấy

10
1

580 PF

5,6 PF

560 F

4

85

-55

125

150 PF

120000 F

5

450

-40

85

-55

125

-55

125

-55

125

-55

85

5

2400 PF

10000 PF
100
10000

3 F

4500PF
35000PF

100

600

500
500

100

1500

1.2.2. Linh kiện bán dẫn
1.2.2.1. Chất bán dẫn
Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể.
Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là
Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng
kết hợp với 4 điện tử kế cận cấu tạo thành 4 liên kết hóa trị. Vì vậy tinh thể Ge và Si ở
nhiệt độ thấp là các chất cách điện.

ở nhiệt độ thấp (T = 00 K )
nhiệt độ cao (T = 3000 K)
Hình 1.16: Tinh thể chất bán dẫn
Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện
tử và làm gãy một số nối hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di
chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các nối hóa trị
10


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt
năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị.
Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7 eV đối với Ge và
1,12 eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ
trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị. Ta gọi n là mật độ điện tử tự do

trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống trong dải dẫn điện. Nếu n = p ta gọi chất bán
dẫn thuần. Thông thường chế tạo loại chất bán dẫn này rất khó khăn.
+ Chất bán dẫn loại N:
Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng tuần
hoàn các nguyên tố hóa học như Arsenic (As), photpho (P), Antimony (Sb). Bán kính
nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên
tử Si trong mang tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo
thành 4 nối hóa trị, còn dư lại một điện tử của As ở mức năng lượng gần tới dải dẫn
nhiệt. Ở nhiệt độ thấp chất bán dẫn này chưa dẫn điện.

loại N

loại P

Hình 1.17: Tinh thể chất bán dẫn
Khi ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số hóa trị bị gãy, ta có những lỗ trong
trong dải hóa trị và điện tử trong dải dẫn điện. Ngoài ra, hầu hết các điện tử dư của As
đều nhận nhiệt năng để trở thành điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện. Do đó tổng
số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trong dải hóa trị, ta gọi là bán dẫn loại N.
+ Chất bán dẫn loại P:
Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, tap pha vào những
nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), Nhôm (Al)… Bán kính
nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si
trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử
của ba nguyên tử Si có năng lượng trong giải hóa trị không tạo một nối với Indium.
Giữa In và Si có một trạng thái năng lượng trống (lỗ trống).
Khi ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận
năng lượng và trở thành những điện tử trong dải dẫn điện, chừa ra các lỗ trống. Do đó
11

Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

tổng số lỗ trống trong dải hóa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện. Ta gọi là
những chất bán dẫn loại P.
1.2.2.2. Loại tiếp xúc P – N
Tại lớp tiếp xúc xuất hiện các dòng tải điện theo cơ chế khuếch tán: Các lỗ
trống sẽ khuếch tán từ vùng P sang vùng N, các điện tử sẽ khuếch tán từ vùng N sang
vùng P. Quá trình này hình thành lớp điện tích trái dấu ở vùng gần lớp tiếp xúc và
cường độ điện trường ở vùng lân cận tiếp xúc E0. Điện trường tiếp xúc Eo có chiều tác
dụng từ bán dẫn N sang bán dẫn P và tạo nên một hàng rào thế năng ngăn cản sự
khuếch tán của lỗ trống qua lớp tiếp xúc.

Hình 1.18: Lớp tiếp xúc P – N
Khi đặt một nguồn điện áp ngoài lên lớp tiếp xúc P–N có chiều sao cho VP >
VN điện trường này ngược chiều điện trường Eo, làm tăng dòng điện qua lớp tiếp xúc
P – N giảm xuống, có một giá trị rất nhỏ gọi là dòng bão hòa. Ta gọi là phân cực
ngược.

Hình 1.19: Phân cực thuận và phân cực ngược
1.2.2.3. Điốt bán dẫn
a. Khái niệm chung

a

b

Hình 1.20: Điốt bán dẫn

a – Hình ảnh thực tế
b – Ký hiệu trong mạch
12


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Cấu tạo :
Điốt bán dẫn là linh kiện gồm có một lớp tiếp xúc P – N và hai cực là anốt (A)
được nối với bán dẫn P và catốt (K) được nối với bán dẫn N.
Khi UAK > 0 thì điốt sẽ dẫn điện và trong mạch có
dòng điện chạy qua và lúc này tiếp xúc P – N được phân cực
thuận. Khi UAK < 0 điốt sẽ khóa vì tiếp xúc P – N phân cực
ngược, dòng điện ngược rất nhỏ chạy qua.
Hình 1.21: Cấu tạo điốt
b. Đặc tính Vôn – Ampe của điốt bán dẫn
Đặc tính Vôn – Ampe (V – A) biểu thị mối
quan hệ giữa dòng điện qua điốt với điện áp đặt trên
nó UAK.
UD là điện áp thuận ngưỡng của điốt. UD =

-

0.2 V đối với điốt Ge và UD = 0,6 V đối với
điốt Si.
Udt là điện áp đánh thủng.
Ith.max là dòng điện thuận cực đại cho phép,
điốt không được làm việc với dòng điện.

I0 là dòng điện ngược.
Hình 1.22: Đặc tuyến V – A

c. Điốt ổn áp
Khi phân cực thuận đặc tuyến của điốt giống hệt điốt thường. Khi phân cực
ngược ở vùng Zenner, điện thế ngang qua điốt gần như không thay đổi trong khi dòng
điện qua nó biến thiên một khoảng rộng.

Hình 1.23: Ký hiệu và đặc tuyến V – A của điốt Zenner
d. Điốt Tunen (hay điốt xuyên hầm)
Loại điốt này có khả năng dẫn điện cả chiều thuận và chiều ngược. Đặc tính
V-A của điốt tunen ở phần thuận có đoạn điện trở âm AB. Người ta sử dụng đoạn đặc

13


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

tuyến AB này để tạo các mạch dao động phóng nạp. Điốt tunen có kich thước nhỏ, ổn
định cao và tần số làm việc lên tới GHZ.

Hình 1.24: Ký hiệu và đặc tính V – A của điốt tunen
e. Điốt xung
Điốt xung là điốt làm ở tần số cao khoảng vài chục KHz.
Điốt Schốtky là điốt xung điển hình, có thời
gian hồi phục rất nhỏ (đổi trạng thái nhanh) nên được
dùng rất phổ biến trong kỹ thuật số và điều khiển.
Hình 1.25: Ký hiệu của điốt xung

f. Điốt phát quang (LED – Lighting Emitting Diode)
LED là linh kiện bán dẫn quang điện tử. Nó có khả năng phát ra ánh sang khi
có hiện tượng tái hợp xảy ra trong lớp tiếp xúc P – N. Tùy theo vật liệu chế tạo mà ta
có ánh sang bức xạ có màu khác nhau.

a – Hình ảnh thực tế
b- Ký hiệu trong mạch
Hình 1.26: Điốt phát quang
g. Điốt thu quang (Photo diode)
Điốt thu quang làm việc ở chế độ phân cực nghịch vỏ điốt có một miếng thủy
tinh để ánh sang chiếu vào mối P-N dòng điện ngược qua điốt tỉ lệ thuận với cường độ
ánh sáng chiếu qua điốt.

a – Hình ảnh thực tế
b – Ký hiệu trong mạch
Hình 1.27: Điốt thu quang
1.2.2.4. Tranzito bán dẫn
a. Cấu tạo và ký hiệu trong sơ đồ mạch
Tranzito được chế tạo từ một tinh thể chất bán dẫn có 3 miền pha tập khác nhau
để hình thành hai lớp tiếp xúc P-N phân cực ngược nhau như thế có hai loại tranzito
14


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

khác nhau: PNP (tranzito thuận) hoặc NPN (tranzito ngược). Vùng bán dẫn nằm giữa
gọi là Bazơ (B-cực gốc) hai vùng còn lại được gọi là collect (C-cực C) và emitơ (Eemitơ).
Lớp tiếp xúc P-N giữa cự E và B gọi là TE giữa C và B gọi là TC.

Hình 1.28: Ký hiệu và cấu tạo của các tranzito loại P-N-P và N-P-N
b. Nguyên lý làm việc
Khi chưa cung cấp điện áp ngoài lên các cực của tranzito thì hai tiếp xúc phát
TE và góp TC đều ở trạng thái cân bằng và dòng điện tổng chạy qua các cực của
tranzito bằng 0.
Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các cực của nó một điện áp
một chiều thích hợp. Tùy theo điện áp đặt vào các cực mà ta tạo cho tranzito làm việc
ở các chế độ khác nhau. Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-N đều có nguyên lý làm
việc riêng biệt giống hệt nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp là ngược dấu nhau.
Chế độ tích cực (hay chế độ khuyếch đại): cung cấp nguồn điện một chiều lên
các cực sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận và tiếp xúc góp TC phân cực ngược.
Khi tranzito làm vệc ở chế độ này có khả năng khuyếch đại.

Hình 1.29: Các dòng điện và điện áp trên các cực của tranzito PNP ở chế độ tích cực
Hệ số khuếch tán

:

β=
Trường hợp tranzito loại P-N-P: β = 0.98 – 0.995
Hệ số khuếch đại dòng điện emitơ α= ICP/IE(a = 0.90 – 0.995)
Quan hệ giữa 3 thành phần dòng điện trong tranzito là :
IC = α.IE + ICBO
IB = (1-α ).IE - ICB0
IE = I C + I B
15


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

- Chế độ ngắt: Trong chế độ này cả hai tiếp giáp TE và TC đều phân cực ngược. Tức
là: UBE < 0 ; UCE > O và UBE < UCE →
UBC < 0

Hinh 1.30: Chế độ ngắt của tranzito

Lúc này điện trở của tranzito rất lớn, cực E coi như hở mạch. Dòng điện qua
cực B bằng dòng ICB0 nhưng ngược dấu (IB = -ICB0) và UCE = EC.
- Chế độ bão hoà: Ở chế độ
này cả hai tiếp giáp TE và TC
đều phân cực thuận và điện thế
E-B lớn hơn điện thế B-C.
Điện áp UCE rất nhỏ, trong tính
toán thường sử dụng giá trị
UCE = 0.3 V.
Hinh 1.31: Chế độ bão hòa của tranzito
Đặc tuyến truyền đạt của tranzito trong các chế độ làm việc:

Hình 1.32: Đặc tuyến truyền đạt của tranzito
c. Đặc tính V-I của tranzito
Chúng ta khảo sát đặc tính V-I của tranzito mắc theo kiểu cực Bazơ chung.
Mạch điện được mắc như sau:

Hình 1.33: Sơ đồ mạch điện tranzito mắc theo kiểu cực B chung
16

Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

- Đặc tuyến ngõ vào (Input curves): là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi giữa điện áp
vào UBE với dòng điện vào IB. Trên họ đặc tuyến vào
ta thấy điện áp UCE ít ảnh hưởng lên dòng điện IB.

Hình 1.34: Đặc tính ngõ vào của tranzito Ge loại
PNP
- Đặc tuyến ngõ ra (Output
curves): là đặc tuyến biểu diễn sự
thay đổi của dòng điện mạch ra IC
theo điện áp trên mạch ra UCB với
dòng điện cực phát IB làm thông
số.
Hình 1.35: Đặc tuyến ngõ ra của
tranzito Ge loại PNP
d. Ứng dụng
- Điều khiển âm và điều khiển dương:
+ Điều khiển âm: Dòng điện được cấp thẳng tới đầu
dương (đầu vào) của tải còn phía đầu âm (đầu ra) của
tải được điều khiển (ON/OFF).
+ Điều khiển dương: Dòng điện đầu dương (đầu vào)
của tải được điều khiển (ON/OFF) còn đầu âm (đầu ra)
của tải được nối mát.
Hình 1.36: Điều khiển âm và điều khiển dương
- Chế độ làm việc của Tranzito:
+ Chế độ công tắc (ON/OFF): Chế độ này được
dùng trong hệ thống phun xăng, đánh lửa, điều

khiển các loại van điện dùng trong các loại cảm
biến...
`
Hình 1.37: Chế độ công tắc của Tranzito
+ Chế độ vòi nước:
Chế độ này thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tốc độ quạt
gió giàn lạnh, điều khiển môtơ bướm ga, điều khiển các van trong hệ thống số tự động.
17


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

B
h U

I
C
E

Hinh 1.38: Chế độ vòi nước của Tr
1.2.2.5. Tranzito trƣờng (FET _ Field-Efect Transistor)
a. Nguyên lý làm việc
Hoạt động của tranzito trường dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường nghĩa là độ
dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn do điện trường bên ngoài điều khiển. Dòng điện
trong tranzito trường do một loại hạt dẫn tạo nên: Lỗ trống hoặc điện tử nên nó còn
được gọi là cấu kiện đơn cực. Nguyên lý hoạt động cơ bản của tranzito trường là dòng
điện đi qua một môi trường bán dẫn có tiết diện thay đổi dưới tác động của điện trường
vuông góc với lớp bán dẫn đó. Khi thay đổi cường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện

trở của lớp bán dẫn và do đó làm thay đổi dòng điện đi qua nó. Lớp bán dẫn này được
gọi là kênh dẫn điện.
b. Phân loại
Tranzito trường có hai loại chính là:
- Tranzito trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N (hay gọi là tranzito trường mối nối):
Junction field-effect transistor – JFET.
- Tranzito trường có cực cửa cách điện: Insulated-gate field effect transistor-IGFET.
Thông thường lớp cách điện được dùng là lớp oxit nên gọi là Metal-OxideSemiconductor Transistor (MOSFET).
Trong loại tranzito trường có cực cửa cách điện được chia làm hai loại là
MOSFET kênh sẵn và MOSFET kênh cảm ứng. Mỗi loại FET lại được phân chia
thành loại kênh N và loại kênh P.
Tranzito trường có ba chân cực là cực nguồn S (Source); cực cửa G (gate) và
cực máng D (drain).
Cực nguồn S: là cực mà qua đó các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng
điện nguồn IS.
Cực máng D: Là cực mà ở đó các hạt dẫn đa số rời khỏi kênh.
Cực cửa G: Là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh.
c. Một số ƣu nhƣợc điểm của tranzito trƣờng so với tranzito lƣỡng cực
Ƣu điểm:
- Dòng điện qua tranzito chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên, do vậy FET là loại cấu
18


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

kiện đơn cực (unipolar device).
- FET có trở kháng vào rất cao.
- Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với tranzito lưỡng cực.

- Nó không bù điện áp tại dòng ID = 0 và do đó nó là cái ngắt điện tốt.
- Có độ ổn định về nhiệt cao.
- Tần số làm việc cao.
Nhƣợc điểm:
- Hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với tranzito lưỡng cực.
d. Ký hiệu của FET trong các sơ đồ mạch

Hình 1.39: Ký hiệu của FET trong các sơ đồ mạch
e. Tranzito trƣờng loại điều khiển bằng tiếp xúc P-N (JFET)
Cấu tạo:
Tranzito JFET cấu tạo gồm có một miếng bán dẫn mỏng loại N (kênh loại N)
hoặc loại P (kênh loại P) ở giữa hai tiếp xúc P-N và được gọi là kênh dẫn điện. Hai đầu
miếng bán dẫn đó được đưa ra hai chân cực gọi là cực máng D và cực nguồn S. Hai
miếng bán dẫn ở hai bên của kênh được nối với nhau và đưa ra một chân cực gọi là
cửa G. Cho nên, cực cửa được tách khỏi kênh bằng các tiếp xúc P-N.
Các tranzito trường JFET hầu hết là
loại đối xứng, có nghĩa là khi đấu trong
mạch có thể đổi chỗ hai chân cực máng và
nguồn cho nhau thì các tính chất và tham số
của tranzito không hề thay đổi.
Hình 1.40: Cấu tạo của tranzito trường JFET kênh dẫn loại N
Nguyên lý hoạt động của JFET:
Nguyên lý làm việc của tranzito trường JFET kênh loại N và kênh loại P giống
nhau. Chúng chỉ khác nhau về chiều của nguồn điện cung cấp vào các chân cực.
Để cho tranzito trường làm việc ở chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn
điện UGS có chiều sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược. Còn nguồn điện
UDS có chiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S qua kênh về cực
máng D để tạo nên dòng điện trong mạch cực máng ID.
19

Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Hình 1.41: Sơ đồ nguyên lý làm việc của JFET
Xét sơ đồ nguyên lý làm việc của JFET kênh N: Để hai tiếp xúc P-N đều phân
cực ngược ta phải cung cấp nguồn VGG có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm
vào chân cực cửa G. Để cho các hạt dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn về cực
máng thì nguồn điện VD có chiều dương vào
cực máng, chiều âm vào cực nguồn. Khi
UDS> 0, thì điện thế tại mỗi điểm dọc theo
kênh sẽ tăng dần từ cực nguồn S đến cực
máng D. Do vậy tiếp xúc P-N sẽ bị phân cực
ngược.
Hình 1.42: Mô hình đấu nối nguồn cung cấp cho JFET kênh N
Xét khả năng điều khiển của điện áp trên cực cửa UGS đối với dòng điện ID và
đặc tuyến truyền đạt của FET :
Muốn xét khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa phải đặt
lên cực máng một điện áp UDS1> 0 và giữ cố định.
Khi điện áp trên cực cửa UGS = 0V, hai tiếp xúc P-N sẽ được phân cực ngược
mạnh dần từ cực nguồn về phía cực máng, và do đó kênh cũng sẽ hẹp dần về phía cực
máng. Tuy nhiên, ở trường hợp này, tiết diện của kênh là lớn nhất nên dòng điện chạy
qua kênh là lớn nhất, ký hiệu là ID0. Khi đặt điện áp trên cực cửa có trị số âm (UGS <
0), thì tiếp xúc P-N được phân cực ngược càng mạnh hơn, và tiết diện của kênh càng
hẹp lại, điện trở của kênh càng tăng, kéo theo dòng
điện ID giảm xuống. Khi điện áp trên cực cửa giảm
xuống đến một trị số gọi là điện áp ngắt UGS ngắt
thì hai lớp tiếp xúc P-N phủ trùm lên nhau và kênh
hoàn toàn biến mất, dòng điện chạy qua kênh ID= 0.

Quan hệ giữa ID với UGS thể hiện bằng
đường đặc tuyến điều khiển hay còn gọi là đặc
tuyến truyền đạt.
Hình 1.43: Đặc tuyến truyền đạt của JFET kênh loại N
20


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

- Đặc tuyến ra của JFET :
Đặc tuyến ra chỉ mối quan hệ giữa ID và điện áp máng UGS. Đối với JFET kênh
loại N, đặt một trị số UDS= 0 và giữ cố định, sau đó thay đổi trị số điện áp UDS. Khi
điện áp UDS= 0 V thì hai tiếp xúc P-N được phân cực ngược đồng đều từ cực nguồn
đến cực máng, tiết diện của kênh là lớn nhất nhưng dòng điện ID= 0. Đặt UDS > 0, và
có giá trị nhỏ, điện thế tại mỗi điểm dọc theo kênh sẽ tăng dần từ cực nguồn đến cực
máng, làm cho tiếp xúc P-N được phân cực ngược mạnh dần về phía cực máng, đồng
thời các hạt dẫn điện tử sẽ chuyển động về cực máng tạo nên dòng điện cực máng I D.
Tăng dần điện áp UDS hai tiếp xúc P-N càng được phân cực ngược mạnh hơn về phía
cực máng, tiết diện của kênh càng bị hẹp dần về phía cực máng, nhưng dòng điện ID
lại càng tăng tuyến tính với sự tăng của điện áp UDS. Ta có đoạn đặc tuyến dốc đứng
gọi la vùng thuần trở. Khi điện áp UDS tăng đến trị số mà tại đó hai tiếp xúc P-N chạm
nhau, tạo ra “điểm thắt’’ của kênh, thì trị số điện áp đó ta gọi là điện áp UDS bão hoà
hay còn gọi là điện áp thắt. Lúc này dòng điện ID đạt tới trị số dòng điện bão hoà IDbh.
Nếu tiếp tục tăng điện áp cực máng càng dương hơn thì dòng ID không tăng nữa mà
chỉ có tiếp xúc P-N được phân cực ngược mạnh hơn và chúng trùm phủ lên nhau làm
cho một đoạn kênh bị lấp và chiều dài của kênh bị ngắn lại. Lúc này, quan hệ giữa
dòng điện ID với điện áp UDS không theo định luật Ôm nữa, ID gần như không đổi khi
UDS tiếp tục tăng.

Nếu tăng trị số UDS lên quá cao có
thể xảy ra hiện tượng đánh thủng tiếp
xúc P-N và dòng điện ID sẽ tăng vọt lên
gọi là vùng đánh thủng.
Thay đổi trị số điện áp trên cực
cửa và thực hiện lại các bước như trên ta
được họ đặc tuyến ra.
Hình 1.44: Họ đặc tuyến ra của JFET kênh loại N
f. Tranzito trƣờng loại MOSFET kênh sẵn
Cấu tạo :
MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET chế độ nghèo (Depletion-Mode
MOSFET, viết tắt là DMOSFET). Khi chế tạo người ta chế tạo sẵn kênh dẫn, kênh dẫn
loại P hoặc kênh dẫn loại N.

21


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Hình 1.45: Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại P
Nguyên lý làm việc :
Khi làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên US =
0. Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S.
Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực
nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng. Còn
điện áp đặt trên cực cửa có
chiều sao cho MOSFET làm
việc ở chế độ giàu hạt dẫn

hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn.
Nguyên lý làm việc
của hai loại kênh P và kênh N
giống nhau chỉ có cực tính của
nguồn điện cung cấp cho các
chân cực là trái dấu nhau.
Hình 1.46: Sơ đồ nguyên lý của MOSFET kênh sẵn
- Xét khả năng điều khiển của DMOSFET loại P:
Khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa UGS chính là mối
quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UGS khi UDS cố định.
Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một
điện áp trên cực máng UDS1 < 0 và giữ không đổi. Sau đó thay đổi điện áp trên cực cửa
UGS theo chiều dương hoặc theo chiều âm. Khi
UGS= 0 thì dưới tác dụng của điện áp UDS các lỗ
trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo
nên dòng điện ID. Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống được
hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh tăng
lên, độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy
trong kênh tăng lên. Chế độ làm việc này gọi là chế
độ giàu hạt dẫn.
Hình 1.47: Đặc tuyến truyền đạt của MOSFET kênh sẵn loại P
22


Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Nếu UGS > 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh
giảm xuống, độ dẫn điện của của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh ID giảm

xuống. Chế độ làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn.
- Xét họ đặc tuyến ra:
Đặc tuyến ra chỉ mối quan hệ giữa ID và điện áp
UDS khi UGS không đổi.
Hình 1.48: Đặc tính ra của MOSFET kênh sẵn
loại P

Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp UDS = 0 (V) thì dòng điện qua kênh ID= 0, do
đó đặc tuyến xuất phát từ gốc toạ độ. Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị số nhỏ thì
dòng điện ID tăng tuyến tính với sự tăng của điện áp UDS và mối quan hệ này được tính
theo định luật Ôm. Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến.
Khi điện áp UDS đạt tới trị số bão hoà U DSbh thì dòng điện cực máng cũng đạt
tới trị số bão hoà IDbh. Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy của lớp
oxit và kênh có điểm thắt tại cực máng, nên UDSbh còn được gọi là điện áp “thắt“.
Nếu cho | UDS | > |UDSbh| thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão
hoà IDSbh. Đồng thời, tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng mạnh về phía cực máng,
làm cho chiều dài của phần kênh bị “thắt“ tăng lên. Độ chênh lệch của điện áp ∆ UDS =
| UDS | - | UDbh| được đặt lên đoạn kênh bị “thắt“ và làm cho cường độ điện trường ở
đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vượt qua đoạn kênh bị “thắt“ không thay đổi, do vậy
dòng ID giữ không đổi.
Trường hợp nếu đặt UDbh quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc PN ở phía cực máng, dòng điện IDS tăng vọt. Lúc này tranzito chuyển sang vùng đánh
thủng. Qua các họ đặc tuyến của DMOSFET ta thấy nó làm việc ở cả hai chế độ nghèo
và giàu hạt dẫn. DMOSFET có mức ồn nhỏ nên nó được dùng trong các tầng khuếch
đại đầu tiên của thiết bị cao tần. Độ hỗ dẫn của nó phụ thuộc vào điện áp U GS nên hệ
số khuếch đại điện áp thường được tự động điều khiển.
g. Tranzito trƣờng kênh cảm ứng
Cấu tạo:
Tranzito trường kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (EnhancementMode MOSFET, viết tắt là E-MOSFET). Có hai loại là E-MOSFET loại N và loại P.

23

Khoa Cơ khí Động lực

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Hình 1.49: Cấu tạo của MOSFET kênh cảm ứng loại P
Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý làm việc của loại kênh P và kênh N giống hệt nhau, chỉ khác nhau
về cực tính của nguồn cung cấp đặt lên các chân cực. Trước tiên, nối cực nguồn S với
đế và nối đất, sau đó cấp điện áp giữa cực cửa và cực nguồn để tạo kênh dẫn.
Tạo kênh dẫn và khả năng điều khiển của MOSFET kênh cảm ứng loại P: Theo
nguyên tắc cấp nguồn điện cho
các chân cực, ta cấp nguồn điện
UGS < 0 để tạo kênh, còn UDS < 0
để tác động cho các lỗ trống
chuyển động từ cực nguồn về cực
máng tạo nên dòng điện ID.
Hình 1.50: Sự hình thành kênh dẫn của MOSFET loại P
Khi ta đặt một điện áp UGS < 0 đến một giá trị gọi là điện áp ngưỡng (UGSth) thì
một số các lỗ trống được hút về tạo thành một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của
lớp bán dẫn đế Si(N), nối liền cực nguồn với cực máng D và kênh dẫn điện được hình
thành. Khi kênh đã xuất hiện, dưới tác dụng của điện trường cực máng, các lỗ trống sẽ
di chuyển từ cực nguồn qua kênh về cực máng và tạo
nên dòng điện trong tranzito ID. Tiếp tục cho UGS
càng âm hơn, thì số lỗ trống được hút về kênh càng
nhiều, mật độ hạt dẫn trong kênh càng tăng lên, độ
dẫn điện của kênh càng tăng dẫn đến cường độ dòng
điện chạy qua kênh cũng tăng lên.
Hình 1.51: Đặc tuyến truyền đạt của MOSFET kênh cảm ứng loại P

Họ đặc tuyến ra: Họ đặc tuyến ra biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện ID và
điện áp UDS với UGS giữ không đổi trong sơ đồ mắc cực nguồn chung như sau:

24