Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
...........................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................

GVHD: …………

1


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các
thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều
trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội.
Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ
biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng
cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng... Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một
chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động
máy bay, tầu thuỷ, xe lửa...
Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tử
công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại. Vì vậy
để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng
em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một
pha”. Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và
nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho
việc hoàn thiện sản phẩm. Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn
A cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành
xong đồ án của mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không
tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được
nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện
hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

GVHD: …………

2


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử

TÊN ĐỀ TÀI
Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha
* Số liệu cho trước
- Các giáo trình và tài liệu chuyên môn
- Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm.
*Nội dung cần hoàn thành:
-

Lập kế hoạch thực hiện.

- Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha.
- Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một
và ba pha.
- Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu:
+ Điện áp đầu vào một chiều U = 12V.
+ Điện áp đầu ra xoay chiều U = 220V - f = 50HZ .
+ Bảo vệ quá điện áp đầu ra 10%
+ Bảo vệ quá dòng điện, quá nhiệt độ cho phần tử công suất
+ Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm.
- Sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật. Quyển thuyết
minh.và các bản vẽ Ao, Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài.

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Văn A

GVHD: …………

3


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử

PHẦN I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ
CÁC VAN BÁN DẪN
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 lượng điện
với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có
thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải. Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công
suất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các
phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán
dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, 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 các
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 nhưng các phần tử điều khiển

chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng
nhỏ.
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 lượng sử dụng các van công suất được 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 được hiệu
suất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng 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 lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hoá.
Đây là đặc tính của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm
hoặc kiểu điện tử không thể có được
.

GVHD: …………

4


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
1.1 . Lịch sử phát triển và ứng dụng của điện tử công suất:
Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng trong lĩnh
vực biến đổi tần số cao và trong dân dụng. Sự phát triển của truyền động điện nó đã
thúc đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những năm 1950. Tuy nhiên, những ứng
dụng của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất có hiệu suất
cao, kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không và có

khí, các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển công
nghiệp.
Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockly tại
phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước
phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử. Đến những năm 1960 do sự hoàn thiện của
kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor,
tranzitor công suất ra đời.
Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên
những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và
nó đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện. Kể từ đây, kỹ thuật điện và điện tử
cùng hội nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển.
Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điện
lớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn.
Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong các
ngành công nghiệp hiện đại. 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 như truyền động điện tự động,
giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ,
các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất và trong rất nhiều các thiết bị công
nghiệp và dân dụng khác nhau... Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các
phần tử bán dẫn công suất đó có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn

GVHD: …………

5


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sử
dụng ngày càng dễ dàng hơn.
Trong thực tế bộ biến đổi được chế tạo rất đa dạng để có thể hiểu và phân tích được
nguyên lý của các bộ biến đổi, trước hết ta phải tìm hiểu các phần tử bán dẫn công suất.
1.2.Các phần tử bán dẫn công suất và việc điều khiển chúng:
1.2.1. Chất bán dẫn
Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện
trở suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn). Chất không dẫn điện còn
gọi là chất cách điện hay là chất điện môi.
Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổi
trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ). Nói
cách khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở
nhiệt độ thấp. Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện)
Trong
bảng
tuần
hoàn
(Mendeleep) các nguyên tố bán dẫn
chiếm vị trí trung gian (Hình 1.2.1)
giữa các kim loại và á kim. Điển hình
là Ge, Si… Vì ở phÂn nhóm IV, lớp
ngoài cùng của Ge, Si có 4 điện tử
(electron) và chúng liên kết đồng hoá
trị với nhau tạo thành một mạng bền
Hình 1.2.1-1 Các nguyên tố bán dẫn
vững (Hình 1.2.1-2-a).
Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết
trong bán dẫn, dẫn đến những khuyết tật trong mạng tinh thể: nút chân không, nguyên
tử hay ion giữa các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì trường điện tuần hoàn

của tinh thể bị biến đổi và chuyển động của các điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện của
bán dẫn cũng thay đổi.

GVHD: …………

6


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn như In, thì do lớp
điện tử ngoài cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo cặp điện tử đồng
hoá trị. Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiện
một lỗ trống (hole) dương
(Hình 1.2.1-b). Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác để
trung hoà và biến nguyên tử Ge sau thành một lỗ trống mới. Quá trình cứ thế tiếp diễn
và bán dẫn Ge được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P –
Positive).
Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn như
As, thì do lớp điện tử ngoài cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp điện tử đồng
hoá trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử. Điện tử này dễ dàng
rời khỏi nguyên tử As và trở thành điện tử tự do. Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử
hay bán dẫn Âm (bán dẫn loại N – Negative).
Khi nhiệt độ chất bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển động
của các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn.

GVHD: …………

7


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Hình 1.2.1-2 Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)
Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B,
C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất như ZnS, CdSb,
AlSb…các ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các
sulfua như ZnS, CdS….
Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiều
trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống.

1.2.2.Diode công suất
a>Cấu tạo đặc điểm và phân loại:
-Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN. Diện tích bề mặt tiếp giáp
được chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm 2. Mật độ
dòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một số
loại diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như
BB2-1250. Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.2.2-1

Hình 1.2.2-1: Cấu trúc và ký hiệu của diode công suất
-Điode có 2 loại thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu công suất lớn:

GVHD: …………

8


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
*Diode chỉnh lưu Gecmani (Ge):
Tiếp giáp của diode Ge phần lớn được chế tạo bằng phương pháp làm nóng chảy IN
(indi) với nhiệt độ thích hợp, trong bán dẫn Ge loại N. Miếng bán dẫn Ge được hàn với
nền bằng thép. Tinh thể Ge được đặt trong vỏ bọc hợp kim cova để bảo vệ và liên kết
với bộ phận tản nhiệt.
-Đặc điểm của Diode Ge là điện áp chịu đựng được khoảng 400V, nhưng sụt áp trên
Diode nhỏ nên được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu điện áp thấp. Diode Ge thường bị
đánh thủng do nhiệt độ. Nhiệt độ cho phép của Diode Ge là 75 0C, nên khi làm việc ở
nhiệt độ cao dòng điện ngược tăng lên đáng kể dẫn đến chất lượng chỉnh lưu thấp, do
vậy ta có thể coi nhiệt độ cho phép là nhiệt độ tới hạn của Diode Ge.
*Diode chỉnh lưu silic (Si):
-Diode chỉnh lưu Si được chế tạo bằng cách làm nóng chảy nhôm trong tinh thể Si loại
N, hoặc làm nóng chảy hợp kim thiếc phốt pho, hay vàng antimoan trong tinh thể silic
loại P. Ngoài ra người ta còn chế tạo bằng phương pháp khuếch tán
Phốt pho vào tinh thể Si loại N. Công nghệ chế tạo kiểu khuếch tán thường được áp
dụng cho các loại diode công suất lớn.
-Tinh thể Si và tiếp giáp PN được bọc bởi vỏ kim loại, tinh thể bán dẫn được hàn bằng
hợp kim bạc- antimoan hay vàng- antimoan.
- Diode Si có điện áp ngược cho phép cỡ 2500V, nhưng độ xụt diện áp trên Diode Si
cũng cao hơn Diode Ge. Nhiệt độ cho phép của Diode Si khá cao
tmax = 1250C, và hiện tượng đánh thủng chủ yếu cũng là do nhiệt độ.

b>Nguyên lý làm việc và đặc tính vôn – ampe:
-Khi tiếp giáp PN của diode được đặt đưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện
trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ được mở rộng
ra, nên điện trở tương đương của diode càng lớn và dòng điện xẽ không thể chạy qua.
Lúc này toàn bộ điện áp xẽ được đặt lênvùng nghèo điện tích, ta nói rằng diode bị phân
cực ngược. Hình 1.2.2-2.

GVHD: …………

9


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
-Khi điện trường ngoài ngược chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ bị
thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn 0,65V thì vùng nghèo điện tích xẽ thu hẹp
lại đến bằng không, và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc của diode.
Dòng điện đi qua diode lúc này chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài. Khi đó ta
nói rằng diode được phân cực thuận.
Hình 1.2.2-3.

E

E

ng

-

n

p

+
+
+

ng

+

+

+

-

E

-

-

p

n

+

+
+

-

+
+

-

vùng nghèo các điện tích

Hướng di chuyển các các điện tích

Hình 1.2.2-2.

Hình 1.2.2-3.

*Đặc tính vôn – ampe:

A

U

A

A

U

n g ,m a x

0

U

U
0

D0

m A
§ Æc tÝn h t h ù c tÕ c ñ a d i o d e

U

U
0

D0

m A
§ Æc t Ýn h tu y Õn tÝn h h ã a c ñ a d i o d e

m A
§ Æc t Ýn h l ý t ë n g c ñ a d i o d e

Hình 1.2.2-4.

GVHD: …………

10


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ
nhất ứng với UAK > 0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với
UAK < 0 hình1.2.2-4.
-Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp U AK được tăng dần từ 0 đến vượt
quá giá trị UD0 ≈ 0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng
điện đi qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như
không đổi.
-Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp U AK được tăng dần từ 0 đến giá trị
Ungmax thì dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng dò. Cho đến khi U AK đạt
đến giá trị lớn hơn U ngmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản
trở dòng điện của diode theo chiều ngược bị phá vỡ. Đây là hiện tượng diode bị đánh
thủng.
-Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính
hóa của diode. Biểu thức toán học của đường đặc tính này là:
u = UD0 + iDRD
Trong đó: UD0(V); ID (A); RD (Ω).
-Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và
điện áp ngược mà diode chịu được. Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương
của diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng ∞ theo chiều ngược.

c> Biểu thức giải tích đặc tính V-A
- Đặc tính V-A của diode được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức:
q .U

I = Is( e k .T - 1)
Trong đó:

Is - Dòng điện rò khoảng vài trục mA.

q - Điện tích của điện tử (q = 1,59.10-19 C).
k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K).

GVHD: …………

11


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
T = 2730 + t0 - Nhiệt độ nhiệt đối (0K).
t0 - Nhiệt độ môi trường 0C
u – Điện áp đặt trên diode (V)
d>Các tham số cơ bản của Diode
-Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, I D . Trong
quá trình làm việc dòng điện chạy qua diode sẽ làm phát nóng tinh thể bán dẫn của
diode. Công suất tổn hao của diode khi đó sẽ bằng tích dòng điện chạy qua nó với điện

áp rơi trên diode. Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anốt đến catot. Điều này có
nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với dòng điện trung bình qua diode, Vì vậy giá trị I D
là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode trong một ứng dụng cụ thể.
-Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chiệu đựng được, Ung,max.
Ung,max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được, đây
cũng là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode. Như ở đặc tính
vôn – ampe đã chỉ ra, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược
được, vì vậy trong các ứng dụng thực tế khi lựa chọn diode phải luôn đảm bảo U AK <=
Ung,max .
-Tần số làm việc của diode.
Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode. Trong
các khoảng thời gian diode mở ra hoặc khóa lại công suất tổn hao tức thời u(t).i(t) có
giá trị lớn hơn luc diode dẫn dòng hoặc lúc đạng bị khóa. Vì vậy nếu tần số đóng cắt
cao, hoặc trong trường hợp thời gian đóng cắt của diode
So sánh được với khoảng dẫn dòng hoặc khóa thì tổn thất trên diode lại bị quy định chủ
yếu bởi tần số làm việc chứ không phải chỉ có giá trị dòng điện trung bình. Các diode
được chế tạo để phù hợp với các dải tần số làm việc khác nhau, nên khi lựa chọn diode
cần phải quan tâm dến tần số làm việc của diode.
-Thời gian phục hồi tr.

GVHD: …………

12


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử

Trong các bộ biến đổi thường sẩy ra quá trình chuyển mạch giữa các phần tử, nghĩa
là quá trình dòng điện chuyển từ một phần tử này sang một phần tử khác. Các diode
khi khóa lại có dòng ngược có thể có biên độ rất lớn để di tản các điện tích ra khỏi cấu
trúc bán dẫn của mình trong khoảng thời gian t r, gọi là thời gian phục hồi. Thời gian
phục hồi cũng quyết định tổn thất công suất trong diode. Các diode có thời gian phục
hồi rất ngắn cỡ µs, gọi là các diode cắt nhanh. Cần phải phân biệt các diode cắt nhanh
với các diode tần số cao, và tr là một thông số cần quan tâm khi chọn diode.

1.2.3. Tranzitor công suất - (Bipolar Junction Transistor)- (BJT)
a> Cấu tạo và đặc điểm chung
Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tương tự như Transitor thường với các
loại như NPN hay PNP. Nó cũng được cấu tạo bởi ba miền bán dẫn, được ghép liên
tiếp nhau, miền ở giữa luôn khác tên với 2 miền bên cạnh, tạo nên hai lớp tiếp giáp PN.
Nếu miền bán ở giữa là loại N thì 2 miền bên cạnh là loại P khi đó ta có loại transitor
thuận PNP. Ngược lại nếu miền bán ở giữa là loại P thì 2 miền bên cạnh là loại N khi
đó ta có loại transitor ngược NPN.
- Transior công suất đưa ra ngoài ba cực, cực nối với lớp bán dẫn ở giữa gọi là cực gốc
B (bazơ), cực nối với lớp bán dẫn mà khi làm việc có điện trường ngoài ngược chiều
với điện trường trong gọi là cực phát E (Emitor), cực nối với lớp bán dẫn còn lại là cực
C (Collector).

GVHD: …………

13


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Collector

Collector

C

p
J1
Baz¬

J1

B

n

Baz¬

J2
p

Emitor

C

n

E

B

p
J2
n

E

Emitor

Hình 1.2.3-1: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngược

Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sử
dụng như 1 khoá đóng - cắt điện tử. Tiếp giáp của Transitor công suất lớn có diện tích
hàng trục mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục đến hàng trăm Ampe, chịu
được tần số đóng cắt tương đối cao và điện áp làm việc khá lớn, nó còn được gọi là
phần tử khuếch đại chuyển mạch. Transitor có hai điểm làm việc khác biệt. Hình 1.2.32 mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch.

Hình 1.2.3-2. Bộ khuếch đại chuyển mạch
Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc ở
hai trạng thái đóng hoặc cắt hay dẫn - không dẫn.

GVHD: …………

14


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
b>. Đường đặc tính làm việc
Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng - cắt được trình bày
như hình vẽ 1.2.3-3. Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc:
đóng hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn.

Hình 1.2.3-3 Điểm làm việc của công tắc Transitor
Hình vẽ 1.2.3-3. cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dòng điện I B
= 0) chỉ có một dòng điện rò ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn.
Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến
A2. Ở đây dòng điện IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn
thì điểm làm việc sẽ chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4. Đến đÂy dòng điện I C tăng rất
ít, có nghĩa là Transitor bị điều khiển quá mức. ở đÂy điên áp U CE giảm xuống bé hơn
điện áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là: UCErest
c>Sự điều khiển quá mức của Transitor
Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng
điện IB quá lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng I C đạt tới cực đại.
Ở điều khiển quá mức thì dòng điện I C thay đổi không còn tuyến tính với dòng I B nữa.
Điểm điều khiển quá mức đạt đến nếu

GVHD: …………

15


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
UBE = UCEsat có nghĩa là UCB = 0. Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làm
việc như là một công tắc.
Sự điều khiển quá mức có ưu điểm là điện áp dư U CErest rất nhỏ, làm cho công suất tổn
hao bé.
Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức u nó
chính là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến
giới hạn UCB = 0.
u = IB/IB’,
Thông thường tỉ số này được chọn từ u = 2-5.
d> Khuếch đại chuyển mạch với tải là điện trở
Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộ
chuyển mạch công suất. Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cực
Collector. Hình 1.2.3-4 và 1.2.3-5 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch công
suất với tải là điện trở thuần và miền đặc tính lí tưởng của mạch.
Độ dốc của đường làm việc trên hình 1.2.3-5 được xác định qua độ lớn của điện
trở tải. Ở điểm làm việc A1 (I B = 0A) Transitor không dẫn. ở điểm A2 thì Transitor dẫn.
Vì Transitor điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ. Như vậy trong khi
đóng cũng như trong khi cắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữa điểm
làm việc A1 đến A2 dọc theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xác định.
Trong thực tế không chỉ có các tải điện trở thuần mà có khi còn có tải điện dung hoặc
điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn dây Rơle hoặc cuộn dây của nam châm điện,
độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở ngại đến quá trình chuyển mạch tiếp giữa các
điểm làm việc. Khi ngắt mạch nhanh các điện cảm này có thể xuất hiện đỉnh điện áp
lớn hơn điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, do vậy mà có thể dẫn tới tình trạng phá
hỏng Transitor. Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ cho các van công suất.

GVHD: …………

16

Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử

Hình 1.2.3-4

Hình 1.2.4-5

e> Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện
Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được mô
tả trên hình 1.2.3.-6 và 1.2.3 -7 Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu
không sẽ không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh.

Hình 1.2.3.-6

Hình 1.2.3-7

Chuyển mạch công suất với tải tụ điện

Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện

f> Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây
Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuển mạch công suất với tải là cuộn dây và
đường đặc tính tương ứng mô tả trên hình 1.2.3-8 và 1.2.3-9.

GVHD: …………

17


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn nên không có dòng điện chạy qua
Rload và Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc đóng
mạch khi có dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng. Lúc
đầu nó nhỏ hơn điện áp nguồn nuôi U S và nó nhỏ dần. Chính sức điện động cảm ứng
này sinh ra dòng điện có chiều ngược với chiều dòng I C, nên dòng IC bị tác động chỉ
tăng từ từ. Điểm làm việc chuyển dời trong pham vi quá độ trên đường đặc tính mô tả
là phía dưới theo chiều mũi tên tới làm việc A2.

Hình 1.2.3-8

Hình 1.2.3-9

Chuyển mạch công suất với tải điện cảm

Đường đặc tính làm việc với tải điện cảm

Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định. Dòng này chạy
qua Rload và Lload. Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường. Trong
khoảnh khắc ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một sự cùng đổ vỡ của
từ trường và năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng. Nó xuất hiện một sức điện động tự
cảm UL mà cực dương của nó đặt trực tiếp vào cực C của Transitor, độ lớn của sức điện

động tự cảm này phụ thuộc vào năng lượng dự trữ và sự nhanh hay chóng của quá trình
ngắt (thời gian quá trình ngắt). Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá
độ trên đường đặc tính phía trên theo hướng mũi tên tới điểm làm việc A1.

GVHD: …………

18


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Qua hiện tượng tự cảm, trong quá
trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên
cực C của Transitor một điện áp quá cao,
cao hơn cả điện áp US. Điều này có thể
dẫn tới tình trạng làm hỏng Transitor, do
đó các mạch có tải là các cuộn dây
thường cần có biện pháp bảo vệ.
Một trong những biện pháp bảo vệ
là người ta thực hiện theo sơ đồ
hình 1.2.3-10

Hình 1.2.3-10 Mạch bảo vệ bằng Diode
cho mạch khuếch đại chuyển mạch công
suất

1.2.4. TRANSITOR TRƯỜNG – FIELD EFFECT TRANSISTOR

Transitor trường được viết
tắt là FET (Field effect Transitor)
là loại Transitor có tổng trở đầu
vào rất lớn khác với Transitor
lưỡng cực BJT

Đường điện tử

1.2.4.1. Khái niệm

Tinh thể bán dẫn loại N

Điện trường

( Bipolar Junction Transitor) loại
NPN hay PNP có tổng trở đầu vào
tương đối nhỏ ở cách lắp ráp thông
thường kiểu E chung.
Hình 1.2.4-1. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của FET

GVHD: …………

19


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc với
đường dòng điện. Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928. Nhưng ứng dụng
thực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời. Hình
1.2.4-1 mô tả nguyên lí làm việc của FET.
Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vật
liệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bán
dẫn nêu trên. Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bán
dẫn kênh N. Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P. Sơ đồ dưới đây
mô tả các loại khác nhau của Transitor trường.

Các Transitor trường có 3 chân:
Cực máng D (Drain),
Cực nguồn (Source),
Cực cổng (Gate).
Các cực của Transitor trường so sánh với Transitor BJC
Cực S tương đương với cực Emitter
Cực G tương đương với cực Base
Cực D tương đương với cực Collector
Mỗi loại Transitor trường có một kí hiệu riêng. Nó được tóm tắt trên
hình 1.2.4-2

GVHD: …………

20


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Transitor trường (FETs)

JFETs (PNFETs)

Hìnhkênh
1.2.4-2
JFETs
N

MOSFETs (IGFETs)

Các loại
trường
MOSFETs
JFETsTransitor
kênh P
kênh đặt sẵn

MOSFETs

Loại5

kênh cảm ứng

đặc biệt

Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 10 9Ω, ở
MOSFETs thậm chí khoảng 1015 Ω) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitor

trường có công suất tổn hao gần bằng không. Vì vậy việc ứng dụng Transitor trường rất
rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs.
Kênh N

Kênh P

Kênh N

Loại
JFETs

MOSFETs

Kênh P

Loại kênh N

VMOSFETs

Loại kênh PSIPMOSFETs

Cổng đôi

D
G

S

D
G

D

D

MOSFETs loại kênh liên tục
G

S

S

G

S

MOSFETs loại kênh gián đoạn

Hình 1.2.4-3. Ký hiệu Transitor trường
1.2.4. 2. Transitor JFET (Junction FET)
a, Cấu tạo, nguyên lí làm việc
JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối. Gọi tắt là FET.
JFET có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P.

GVHD: …………

21


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ. Cấu tạo của nó bao gồm
có một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó một
lớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cực
nguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate).
Như vậy hình thành một kênh
dẫn điện loại N nối giữa hai cực D và
S, cách li với cực cổng G dùng làm
cực điều khiển bởi một lớp tiếp xúc
bao quanh kênh dẫn. Đối với JFET
kênh P thì hoàn toàn tương tự. Ký
hiệu và cực tính điện áp phÂn cực
cũng như dòng điện và đặc tính điều
khiển cho các JFET loại kênh N và
kênh P như hình 1.2.4-5.

Hình 1.2.4 -4. Mặt cắt của một JFET kênh N

b, Nguyên lí hoạt động
Để phân cực JFET kênh N người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là U DS > 0 và
UGS < 0 như hình vẽ Hình 1.2.4 -4 (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ
ngược lại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược). Do
tác dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện
tử đối với loại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là dòng điện cực máng I D.
Dòng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ
thuộc mạnh vào cả hai điện trường này. Điều này có thể giải thích như sau:

GVHD: …………

22


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
ID

-ID

D
G
S
+

-U

D
U

DS

-

G S

G

+

S
+
-

ID

-U G S

U

-U

D S

-

-U

D

+

G S

- ID

UG S

Hình .1.2.4-5. Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P

Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 1.2.4-4) thì cả hai tiếp giáp PN
đều bị phân cực ngược. Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành vùng chắn
làm cho dòng điện không còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp PN phân cực
ngược. Khi vùng chắn cứ rộng mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ dần đi. Trong kênh
gần cực Source là rộng nhất và phía cực Drain thì nhỏ hơn.
Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy nhiêu
và dòng điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu. Độ lớn của điện trở R DS giữa
Source và Drain của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp U GS. Như vậy điện áp có
thể làm thay đổi được điện trở RDS. Khi các vùng chắn tiếp xúc với nhau thì dòng điện
sẽ bị gián đoạn và kênh lúc này bị thắt lại. Dòng điện I D lúc này sẽ bằng không. Vì tiếp
giáp PN phÂn cực ngược nên chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điều
khiển dòng điện ID bằng điện áp -UGS có công suất tổn hao rất nhỏ.

GVHD: …………

23


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử
c, Đường đặc tính ra của JFET
Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng I D và
điện áp UDS khi UGS bằng hằng số.

Vùng tuyến tính
Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS. Đây là
vùng làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh
Vùng bão hoà
Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu vào UDS và phụ thuộc mạnh vào U GS. Đây
là vùng làm việc mà JFET giống như một phần tử khuếch đại, dòng điện I D được điều
khiển bằng điện áp UGS.
Vùng đánh thủng
Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, hiện
tượng thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên tiếp giáp PN tại
vùng này là lớn nhất.
d, Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:
• Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0
• Đặt U1 ở gái trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số
• Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau
• Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS
• Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 thay đổi các giá tri khác nhau
• Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS
• Giữ nguyên U2 điều chỉnh thay đổi U1
• Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS

GVHD: …………

24


Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên

Đồ án môn học

Khoa Điện – Điện tử

Phương pháp lấy đặc tính ra của MOSFETs

Đặc tuyến đầu ra của JFET
e, Các tham số của JFET
Tham số giới hạn
Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0)
Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép
Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép
Điện áp khoá UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dòng ID = 0

GVHD: …………

25