Tài liệu Chuyển Mạch Điện Tử docx

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 43
CHƯƠNG 3.
CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ

Các linh kiện điện tử như diode, transistor, đèn chân không được gọi là các linh
kiện chuyển mạch vì chúng có hai vùng hoạt động: vùng tắt và vùng dẫn. Ở
vùng tắt, các linh kiện chuyển mạch được xem như không dẫn điện/dẫn điện ở
vùng phân cực nghòch/bão hòa. Do đó, muốn hiểu rõ nguyên lý hoạt động các
mạch biến đổi xung, trước hết cần nắm vững về cấu trúc và bản chất lý thuyết
của những linh kiện trên.
Khảo sát các phần tử ở 2 chế độ: chế độ xác lập và chế độ quá độ
I. CHẾ ĐỘ XÁC LẬP

1. Diode

Đường Đặc Tính Của Diode và mạch tương đương

Quan hệ Volts – Amperes của Diode được mô tả như sau:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−= 1
0
nkT
qv
D

D
eIi
(1)
Các số hạng trong phương trình được đònh nghóa như sau :
i
D
: Dòng qua diode (A)
v
d
: Hiệu điện thế rơi trên Diode (V)
I
o
: Dòng bão hòa ngược
q : Điện tích electron, 1,6.10
-19
J/V ( C )
k : Hằng số Boltzmann , 1,38.10
-23
J/
o
k
T : Nhiệt độ tuyệt đối (
o
K)
n : Hằng số kinh nghiệm , 1 ≤ n ≤ 2
Ở nhiệt độ phòng (300
o
K)
V
T

= k.T/q = 25 (mV)
Do đó phương trình (1) có thể viết lại là
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 44
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−= 1
0
T
D
nV
v
D
eIi
(2)
Phương trình (2) cho ta thấy:
Nếu v
D
≤ V
T
thì dòng i
D
là dòng bão hòa nghòch -I
o

, I
0
hầu như không phụ
thuộc điện áp phân cực nghòch
Tùy theo cách chế tạo I
0

≈
nA đối với Si và I
0

≈

μ
A đối với Ge
I
0
rất nhạy với nhiệt độ: tăng 2 lần khi T tăng 6
0
C đối với Si, va khi T tăng
10
0
C đối với Ge
Mạch tương đương diode phân cực nghòch là

Hoặc


nếu v
D

> V
T
và hoạt động ở nhiệt độ 25
o
C thì dòng điện thuận của Diode
được giản lược như sau:

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
=
T
D
nV
v
D
eIi
0

Những phương trình trên được minh họa ở hình sau cho cả hai vật liệu
Sillicon và Germanium.

Hình 3.1: Đặc tuyến Volts- Amperes
A
K

R

Io
A

K
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 45
Đặc tuyến thực của Diode có dạng hàm mũ. Khi phân cực thuận mối nối p-n,
ở bên phải đặc tuyến V-A, thì điện trở tiếp xúc của chất liệu bán dẫn tỉ lệ
thuận với điện trở thuận. Khi phân cực nghòch mối nối p-n, bên trái đặc tuyến
V-A, thì dòng điện rỉ I
o
tỉ lệ nghòch với điện trở nghòch. Khi Diode chòu một
điện áp ngược lớn sẽ làm phá hủy tiếp giáp p-n.
Điện áp rơi trên Diode khi được phân cực thuận là
V
γ
= 0,1
v
đến 0,3
v
(chọn 0,2
v
) , Đối với Diode loại Ge.
V
γ
= 0,6
v
đến 0,8

v

(chọn 0,7
v
) , Đối với Diode loại Si.
Mạch tương của Diode khi được phân cực thuận là:




r
d
: Điện trở động
r
d
= nV
T
/ (i
D
+ I
o
) ≈ nV
T
/ i
D

Diode lý tưởng có r
d
= 0 và V
γ

= 0.
Trong khi sử dụng diode P-N làm chuyển mạch ở chế độ xác lập phân cực
thuận, tùy trường hợp ta có thể xem như





2. Diode ổn áp bán dẫn (diode zener)

a. Đại cương






Hình 3.2
Mối nối P-N được chế tạo đặc biệt để có đặc tuyến V-A như hình vẽ
N
P
A
K
Si
+ pha tạp chất đặc biệt
r
d
V
γ
Diode lý tưởng

A
K
K
A
A
K
K

A

r
d
V
γ
V
γ
V
γ
V
z
I
zmin
I
ZMax

I
0

V
Dz

I
Dz
A
K
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 46
Khi phân cực thuận
Diode Zener hoạt động như diode nắn điện Si bình thường V
γ
= 0.6V
Khi phân cực nghòch
Khi V < V
Z
thì I
zener
= I
0
dòng bão hòa
Khi V > V
Z
thì V
D
= V
Z

Các giá trò giới hạn
Sử dụng diode Zener ta phải quan tâm đến
• V
Z

• P
Zmax
hay I
Zmax
(dòng tối đa qua zener)
Nhà sản xuất thường cho P
Zmax

Thông thường V
Z
= 2
÷
200V
P
Zmax
= 0.5W
÷
100W
Chú ý
Khi sử dụng diode zener luôn luôn phải có điện trở hạn chế dòng (điện trở
xác đònh dòng)





Hình 3.3


LL

Z
II
VV
R
2.0+
−
=

Từ đó tính được công suất trên zener là
ZL
Z
DZ
VI
R
VV
P .
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
=

0.2.I
L
R
I
L
V
R
L
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 47
b. Mạch tương đương
Từ đó ta có mạch tương đương như sau:







Hình 3.4

I
V
R
Z
Δ
Δ
=

3. Transistor

Transistor thuộc họ linh kiện ba cực, bao gồm hai bán dẫn loại p và một bán
dẫn loại n đối với loại PNP, hai bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p đối với
loại NPN.
Sơ đồ ký hiệu của Transistor được mô tả ở hình 1.8.
Chiều dòng điện được qui ước theo chiều của mũi tên.




Ký hiệu
B
E
C
NPN
Ký hiệu
B
C
E
PNP

Hình 3.5



I
V
ΔI
ΔV
V

γ
V
z
V
γ
Mô hình
PCN

Mô hình
PCT

Vz
Rz
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 48
Đường cong đặc tính của Transistor được biểu diễn như sau


Hình 3.6
Đường đặc tính này là đường cong đặc tính Collector – Emitter, với thông số
ngõ vào là dòng i
B
và v
BE
theo quan hệ như sau i
B
= f(v
BE
) và thông số ngõ ra
là i

C
và v
CE
theo quan hệ như sau i
C
= f(v
CE
).
Nhìn trên đường đặc tính

ta có thể phân

thành ba vùng làm việc của
Transistor như sau :
Vùng tắt
Transistor rơi vào vùng hoạt động này khi thõa mãn điều kiện sau: Mối nối
BE phải được phân cực nghòch . Khi đó, các thông số ngõ ra là dòng i
C
gần
như bằng 0 và điện áp v
CE
gần bằng V
CC
.




`

Hình 3.7
Transistor được xem là tắt hoàn toàn nếu I
E
= 0
I
E
= 0
B
C
E
I
CO
R
L
R
L
C
VccVcc

Vout = Vcc neu R
L
>> Rc
Rb

E
RcRc