Giáo trình Mạch điện tử - Chương 1: Mạch Diode

Chương 1: Mạch Diode

CHƯƠNG I

MẠCH DIODE

Trong chương này, chúng ta khảo sát một số mạch ứng dụng căn bản của diode bán

dẫn (giới hạn ở diode chỉnh lưu và diode zener - Các diode đặc biệt khác sẽ được bàn đến

lúc cần thiết). Tùy theo nhu cầu ứng dụng, các mô hình lý tưởng, gần đúng hay thực sẽ được

đưa vào trong công việc tính toán mạch.

1.1 ÐƯỜNG THẲNG LẤY ÐIỆN (LOAD LINE):

Xem mạch hình 1.1a

Nguồn điện một chiều E mắc trong mạch làm cho diode phân cực thuận. Gọi I_Dlà

dòng điện thuận chạy qua diode và V_Dlà hiệu thế 2 đầu diode, ta có:

Trong đó:

I₀là dòng điện rỉ nghịch

η=1 khi I_Dlớn (vài mA trở lên)

η=1 Khi I_Dnhỏ và diode cấu tạo bằng Ge

η=2 Khi I_Dnhỏ và diode cấu tạo bằng Si

Ngoài ra, từ mạch điện ta còn có:

E - V_D- V_R= 0

E = V_D+ RI_D

Tức

(1.2)

Trương Văn Tám

I-1

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Phương trình này xác định điểm làm việc của diode tức điểm điều hành Q, được gọi là

phương trình đường thẳng lấy điện. Giao điểm của đường thẳng này với đặc tuyến của diode

I_D= f(V_D) là điểm điều hành Q.

1.2. DIODE TRONG MẠCH ÐIỆN MỘT CHIỀU

- Ngược lại khi E < V_K, mạch được xem như hở, nên:

I_D= I_R= 0mA ; V_R= R.I_R= 0V ; V_D= E - V_R= E

1.3. DIODE TRONG MẠCH ÐIỆN XOAY CHIỀU - 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 (mà thường là dạng Sin hoặc vuông) thành điện một chiều.

1.3.1. Khái niệm về trị trung bình và trị hiệu dụng

1.3.1.1. Trị trung bình: Hay còn gọi là trị một chiều

Trị trung bình của một sóng tuần hoàn được định nghĩa bằng tổng đại số trong

một chu kỳ của diện tích nằm trên trục 0 (dương) và diện tích nằm dưới trục 0 (âm)

chia cho chu kỳ.

Một cách tổng quát, tổng đại số diện tích trong một chu kỳ T của một sóng tuần

hoàn v(t) được tính bằng công thức:

Một vài ví dụ:

Trương Văn Tám

I-2

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Dạng sóng

Trị trung bình

1.3.1.2. Trị hiệu dụng:

Người ta định nghĩa trị hiệu dụng của một sóng tuần hoàn( thí dụ dòng điện) là trị

số tương đương của dòng điện một chiều I_DCmà khi chạy qua một điện trở R trong một chu

kì sẽ có năng lượng tỏa nhiệt bằng nhau.

Trương Văn Tám

I-3

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Vài thí dụ:

Dạng sóng

Trị trung bình và hiệu dụng

Trương Văn Tám

I-4

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Hình 1.6

Trương Văn Tám

I-5

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

1.3.2. Mạch chỉnh lưu nửa sóng (một bán kỳ)

Trong mạch này ta dùng kiểu mẫu lý tưởng hoặc gần đúng của diode trong việc phân tích

mạch.

Dạng mạch căn bản cùng các dạng sóng (thí dụ hình sin) ở ngõ vào và ngõ ra như hình 1.7

Diode chỉ dẫn điện khi bán kỳ dương của v_i(t) đưa vào mạch

Ta có:

- Biên độ đỉnh của v_o(t)

V_dcm= V_m- 0.7V

(1.6)

- Ðiện thế trung bình ngõ ra:

- Ðiện thế đỉnh phân cực nghịch của diode là:

V_RM=V_m

(1.8)

Ta cũng có thể chỉnh lưu lấy bán kỳ âm bằng cách đổi đầu diode.

Trương Văn Tám

I-6

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

1.3.3. Chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa

Mạch cơ bản như hình 1.8a; Dạng sóng ở 2 cuộn thứ cấp như hình 1.8b

- Ở bán kỳ dương, diode D₁phân cực thuận và dẫn điện trong lúc diode D₂phân cực

nghịch nên xem như hở mạch (hình 1.9)

- Ở bán kỳ âm, diode D₂phân cực thuận và dẫn điện trong lúc diode D₁phân cực nghịch

nên xem như hở mạch (Hình 1.10)

Ðể ý là trong 2 trường hợp, I_Lđều chạy qua R_Ltheo chiều từ trên xuống và dòng điện

đều có mặt ở hai bán kỳ. Ðiện thế đỉnh ở 2 đầu R_Llà:

V_dcm=V_m-0,7V

(1.9)

Và điện thế đỉnh phân cực nghịch ở mỗi diode khi ngưng dẫn là:

V_RM=V_dcm+V_m=2V_m-0,7V

(1.10)

- Dạng sóng thường trực ở 2 đầu R_Lđược diễn tả ở hình 1.11

Trương Văn Tám

I-7

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Người ta cũng có thể chỉnh lưu để tạo ra điện thế âm ở 2 đầu R_Lbằng cách đổi cực của

2 diode lại.

1.3.4. Chỉnh lưu toàn sóng dùng cầu diode

Mạch cơ bản

- Ở bán kỳ dương của nguồn điện, D₂và D₄phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D₁

và D₂phân cực nghịch xem như hở mạch. Dùng kiểu mẫu điện thế ngưỡng, mạch điện được

vẽ lại như hình 1.13

Trương Văn Tám

I-8

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

- Ở bán kỳ âm của nguồn điện, D₁và D₃phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D₂, D₄

phân cực nghịch xem như hở mạch (Hình 1.14)

Từ các mạch tương đương trên ta thấy:

- Ðiện thế đỉnh V_dcmngang qua hai đầu R_Llà:

V_dcm=V_m-2V_D=V_m-1.4V

(1.12)

(1.13)

- Ðiện thế đỉnh phân cực nghịch V_RMở mỗi diode là:

V_RM=V_dcm+V_D=V_m-V_D

V_RM=V_m-0,7V

Ðể ý là dòng điện trung bình chạy qua mỗi cặp diode khi dẫn điện chỉ bằng 1/2

dòng điện trung bình qua tải.

Trương Văn Tám

I-9

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

1.3.5. Chỉnh lưu với tụ lọc

Ta xem lại mạch chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa. Như kết qủa phần

trên:

- Ðiện thế đỉnh ở 2 đầu R_Llà: V_dcm=V_m-0,7V

- Ðiện thế trung bình ở 2 đầu R_Llà: V_DC=0,637V_dcm

Nếu ta thay R_Lbằng 1 tụ điện có điện dung C. Trong thời điểm từ t=0 đến t=T/4, tụ C

sẽ nạp nhanh đến điện thế đỉnh V_dcm. Nếu dòng rỉ của tụ điện không đáng kể, tụ C sẽ không

phóng điện và điện thế 2 đầu tụ được giữ không đổi là V_dcm. Ðây là trường hợp lý tưởng.

Thực tế, điện thế trung bình thay đổi từ 0,637V_dcmđến V_dcm. Thực ra nguồn điện phải cung

cấp cho tải, thí dụ R_Lmắc song song với tụ C. Ở bán ký dương tụ C nạp điện đến trị V_dcm.

Khi nguồn điện bắt đầu giảm, tụ C phóng điện qua R_Lcho đến khi gặp bán kỳ kế tiếp tụ C

mới nạp điện lại đến V_dcmvà chu kỳ này cứ lặp đi lặp lại. Hình 1.16 mô tả chi tiết dạng sóng

ở 2 đầu tụ C (tức R_L). Hiệu thế sóng dư đỉnh đối đỉnh được ký hiệu là V_r(p-p)

.

Do điện thế đỉnh tối đa là V_dcmnên điện thế trung bình tối thiểu là

V_dcmin=V_dcm-V_r(p-p)

Trương Văn Tám

I-10

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

* Hệ số sóng dư: (ripple factor)

Ta xem lại dạng sóng ở 2 đầu R_L. Bằng nguyên lý chồng chất, ta có thể xem như điện

thế 2 đầu tải bằng tổng của thành phần một chiều V_DCvới thành phần sóng dư xoay chiều có

tần số gấp đôi tần số của nguồn điện chỉnh lưu.

Vì thời gian nạp điện thường rất nhỏ so với thời gian phóng điện nên dạng của thành

phần sóng dư có thể xem gần đúng như dạng tam giác

Trương Văn Tám

I-11

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Hệ số sóng dư quyết định chất lượng của mạch chỉnh lưu.

* Phương trình điện thế sóng dư

Nếu gọi i_clà dòng phóng điện của tụ điện có điện dung C và V_Clà điện thế 2 đầu tụ

điện thì:

Nếu sự thay đổi điện thế 2 đầu tụ là tuyến tính thì dòng điện i_clà dòng điện một

chiều.

Nếu coi sóng dư có dạng tam giác thì dòng phóng của tụ là hằng số và ký hiệu là I_DC.

Ðó chính là dòng điện qua tải

Với f là tần số của nguồn điện chỉnh lưu.

Nếu gọi f_rlà tần số sóng dư, ta có

Như vậy sóng dư tỉ lệ thuận với dòng điện trung bình qua tải và tỉ lệ nghịch với điện

dung C. Sóng dư sẽ tăng gấp đôi khi chỉnh lưu nửa sóng vì lúc đó f=f_r

1.4. MẠCH CẮT (Clippers)

Mạch này dùng để cắt một phần tín hiệu xoay chiều. Mạch chỉnh lưu nửa sóng là một

thí dụ đơn giản về mạch cắt.

Trương Văn Tám

I-12

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

1.4.1. Mạch cắt nối tiếp

Dạng căn bản như hình 1.20. Hình 1.21 cho thấy đáp ứng của mạch cắt căn bản đối

với các dạng sóng thông dụng khi coi diode là lý tưởng.

Bây giờ nếu ta mắc thêm một nguồn điện thế một chiều V nối tiếp với diode như hình

1.22b. Nếu tín hiệu vào v_i(t) có dạng hình sin với điện thế đỉnh là Vm thì ngõ ra sẽ có dạng

như hình vẽ 1.22c với điện thế đỉnh V_m-V tức V₀=V_i-V (coi diode lý tưởng)

1.4.2. Mạch cắt song song

* Mạch căn bản có dạng

Trương Văn Tám

I-13

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Hình 1.24 là đáp ứng của mạch cắt song song căn bản với các dạng sóng thông dụng

(diode lý tưởng)

* Mạch có phân cực

Ta cũng có thể mắc thêm một nguồn điện thế 1 chiều V nối tiếp với diode. Dạng

sóng ngõ ra sẽ tùy thuộc vào cực tính của nguồn điện một chiều và diode.

Thí dụ: ta xác định v₀của mạch điện hình 1.25 khi v_icó dạng tam giác và diode xem như lý

tưởng

- Khi diode dẫn điện: v₀=V=4V

- Khi v_i=V=4V, Diode đổi trạng thái từ ngưng dẫn sang dẫn điện hoặc ngược lại

- Khi v_i<V=4V, diode dẫn điện ⇒ vo=V=4V

- Khi v_i>V=4V, diode ngưng dẫn ⇒ V_o= v_i

Hình

1.26 là dạng và biên độ

của ngõ ra

v0

Trương Văn Tám

I-14

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

1.5. MẠCH GHIM ÁP (Mạch kẹp - clampers)

Ðây là mạch đổi mức DC (một chiều) của tín hiệu. Mạch phải có một tụ điện, một

diode và một điện trở. Nhưng mạch cũng có thể có một nguồn điện thế độc lập. Trị số của

điện trở R và tụ điện C phải được 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 diode không dẫn điện). Mạch

ghim áp căn bản như hình 1.27

Dùng kiểu mẫu diode lý tưởng ta thấy:

- Khi t: 0 → T/2 diode dẫn điện,tụ C nạp nhanh đến trị số V và v₀=0V

- Khi t: T/2 → T, diode ngưng, tụ phóng điện qua R. Do τ=RC lớn nên C xả điện

không đáng kể, (thường người ta chọn T≤10τ).

Lúc này ta có: v₀=-2V

Ðiểm cần chú ý là trong mạch ghim áp biên độ đỉnh đối đỉnh của vi và v_oluôn bằng

nhau.

Sinh viên thử xác định v₀của mạch điện hình 1.29

Trương Văn Tám

I-15

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

1.6. MẠCH DÙNG DIODE ZENER:

Cũng tương tự như diode chỉnh lưu, với diode zener ta cũng dùng kiểu mẫu gần đúng

trong việc phân giải mạch: Khi dẫn điện diode zener tương đương với một nguồn điện thế

một chiều v_z(điện thế zener) và khi ngưng nó tương đương với một mạch hở.

1.6.1. Diode zener với điện thế ngõ vào v_ivà tải R_Lcố định

Mạch căn bản dùng diode zener có dạng như hình 1.30

Khi v_ivà R_Lcố định, sự phân tích mạch có thể theo 2 bước:

- Xác định trạng thái của diode zener bằng cách tháo rời diode zener ra khỏi mạch và

tính hiệu thế V ở hai đầu của mạch hở

Trương Văn Tám

I-16

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Công suất tiêu tán bởi diode zener được xác định bởi

P_z=V_z.I_z

(1.23)

Công suất này phải nhỏ hơn công suất tối đa P_ZM=V_ZI_ZMcủa diode zener (I_ZM: dòng

điện tối đa qua zener mà không làm hỏng)

Diode zener thường được dùng trong các mạch điều hòa điện thế để tạo điện thế

chuẩn. Mạch hình 1.30 là 1 mạch điều hòa điện thế đơn giản để tạo ra điện thế không đổi ở

2 đầu R_L. Khi dùng tạo điện thế chuẩn, điện thế zener như là một mức chuẩn để so sánh với

một mức điện thế khác. Ngoài ra diode zener còn được sử dụng rộng rãi trong các mạch

điều khiển, bảo vệ...

1.6.2. Nguồn V_icố định và R_Lthay đổi

Khi V_icố định, trạng thái ngưng hoặc dẫn của diode zener tùy thuộc vào điện trở tải R_L

Do R cố định, khi Diode zener dẫn điện, điện thế V_Rngang qua điện trở R sẽ cố định:

V_R=Vi - Vz

Do đó dòng I_Rcũng cố định:

Dòng I_Zsẽ nhỏ nhất khi I_Llớn nhất. Dòng I_Zđược giới hạn bởi I_ZMdo nhà sản xuất cho

biết, do đó dòng điện nhỏ nhất qua R_Llà I_Lminphải thỏa mãn:

Trương Văn Tám

I-17

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Cuối cùng khi V_icố định, R_Lphải được chọn trong khoảng R_Lminvà R_Lmax

1.6.3. Tải RL cố định, điện thế ngõ vào Vi thay đổi

Xem lại hình 1.30

Nếu ta giữ R_Lcố định, vi phải đủ lớn thì zener mới dẫn điện. Trị số tối thiểu của V_iđể

zener có thể dẫn điện được xác định bởi:

1.7. MẠCH CHỈNH LƯU BỘI ÁP

1.7.1. Chỉnh lưu tăng đôi điện thế

Hình 1.31 mô tả một mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế một bán kỳ

- Ở bán kỳ dương của nguồn điện, D₁dẫn ,D₂ngưng. Tụ C₁nạp điện đến điện thế đỉnh V_m

- Ở bán kỳ âm D₁ngưng và D₂dẫn điện. Tụ C₂nạp điện đến điện thế C₂=V_m+V_C1=2V_m

- Bán kỳ dương kế tiếp, D₂ngưng, C₂phóng điện qua tải và đến bán kỳ âm kế tiếp C₂lại

nạp điện 2V_m. Vì thế mạch này gọi là mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế một bán kỳ. Ðiện thế

đỉnh nghịch ở 2 đầu diode là 2V_m.

- Ta cũng có thể dùng mạch ghim áp để giải thích hoạt động của mạch chỉnh lưu tăng đôi

điện thế.

Trương Văn Tám

I-18

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

- Ta cũng có thể mắc mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế theo chiều dương

- Ở bán kỳ dương của nguồn điện D₁dẫn, C₁nạp điện V_C1=V_mtrong lúc D₂ngưng.

- Ở bán kỳ âm D₂dẫn, C₂nạp điện V_C2=V_mtrong lúc D₁ngưng.

- Ðiện thế ngõ ra V₀=V_C1+V_C2=2V_m

1.7.2. Mạch chỉnh lưu tăng ba, tăng bốn

Trương Văn Tám

I-19

Mạch Điện Tử

Chương 1: Mạch Diode

Ðầu tiên C₁nạp điện đến V_C1=V_mkhi D₁dẫn điện ở bán kỳ dương. Bán kỳ âm D₂dẫn

điện, C₂nạp điện đến V_C2=2V_m(tổng điện thế đỉnh của cuộn thứ cấp và tụ C₁). Bán kỳ

dương kế tiếp D₂dẫn, C₃nạp điện đến V_C3=2V_m(D₁và D₂dẫn, D2 ngưng nên điện thế

2V_mcủa C₂nạp vào C₃). Bán kỳ âm kế tiếp D₂, D₄dẫn, điện thế 2V_mcủa C₃nạp vào C₄...

Ðiện thế 2 đầu C₂là 2V_m

2 đầu C₁+C= là 3V_m

2 đầu C₂+C₄là 4V_m

BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG 1

******

Dùng kiểu mẫu điện thế ngưỡng để giải các bài tập từ 1 đến 8

Bài 1: Xác định V_D, V_Rvà I_Dtrong mạch điện hình 1.36

Bài 2: Xác định V_D2và I_Dtrong mạch điện hình 1.37

Bài 3: Xác định V₀, và I_Dtrong mạch điện hình 1.38

Bài 4: Xác định I, V₁, V₂và V₀trong mạch hình 1.39

Bài 5: Xác định V₀, V₁, I_D1và I_D2trong mạch hình 1.40

Trương Văn Tám

I-20

Mạch Điện Tử

Giáo trình Mạch điện tử - Chương 1: Mạch Diode - Trương Văn Tám