Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 2: Phân tích mạch chứa diode
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
2
Phân tích mạch chứa
diode
2-1 Giới thiệu
Trong chương 1 ta đã học về cấu trúc và tính chất của chuyển tiếp PN và đã tìm hiểu qua linh
kiện diode. Diode là một chuyển tiếp PN được đặt vào trong một vỏ linh kiện và kết nối với bên
ngoài thông qua các chân linh kiện. Diode bán dẫn cũng có thể là một phần của một mạch tích hợp
(integrated circuit) lớn hơn, trong trường hợp này, diode có thể có hoặc không có các chân nối với
bên ngoài.
Trong chương này, ta sẽ xây dựng mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong diode. Dựa vào
đó, chúng ta sẽ học các phân tích mạch chứa diode bằng cách thay diode bằng một mạch tương
đương đơn giản hơn. Ta sẽ thấy rằng việc chọn phần tử mạch tương đương là phụ thuộc vào điện áp
và dòng điện qua diode, tức là phụ thuộc vào điểm làm việc của diode, và phụ thuộc vào độ chính
xác mà ta cần khi phân tích mạch.
2-2 Diode là một linh kiện phi tuyến
Sự tuyến tính là một khái niệm quan trọng trong điện tử. Khái niệm này rất rộng, tuy nhiên,
trong khía cạnh mà ta đang xem xét, ta có thể xem một linh kiện tuyến tính là một linh kiện mà đồ
thị quan hệ của điện áp và dòng điện của linh kiện là một đường thẳng. Quan hệ này có thể được
biểu diễn dưới dạng
V = K1I + K2
I = K1'V + K2'
(2-1)
(2-2)
Trong mối quan hệ này, tần số được giả sử là không đổi. Hình 2-1 là đồ thị vẽ điện áp trên một
điện trở 200 Ω và dòng điện qua nó. Đây là một quan hệ tuyến tính với V = 200I . Cần lưu ý rằng
∆V
độ dốc của đặc tuyến là r =
= 200 , và mối quan hệ tuyến tính là đúng cho cả phần âm lẫn phần
∆I
dương của đặc tuyến. Việc thay đổi cực tính của điện áp trên điện trở và dòng điện ngang qua nó
không làm thay đổi tính chất tuyến tính. Cũng cần chú ý là độ dốc của đặc tuyến (nghịch đảo của
đạo hàm) tại mọi điểm trên đặc tuyến là không đổi.
1/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 2-1
Đồ thị điện áp – dòng điện
của điện trở. Điện trở là
linh kiện tuyến tính, và giá
trị ∆V ∆I là như nhau tại
mọi điểm.
Thông thường, trong điện tử, khi biểu diễn mối quan hệ của điện áp – dòng điện, người ta
thường vẽ dòng điện là trục tung và điện áp là trục hoành, đảo ngược so với hình 2-1. Dĩ nhiên
trong trường hợp này đồ thị vẫn là đường thẳng; dạng biểu diễn của nó tương đương với biểu thức
∆I
2-2, với độ dốc có đơn vị là điện dẫn, G =
=1/ R (siemens) , thay vì điện trở.
∆V
Trong chương 1 ta đã biết là mối quan hệ của dòng điện và điện áp trên diode (tức là trên
chuyển tiếp PN) có dạng
I = Is (eV ηV −1)
(2-3)
T
với IS = dòng ngược bão hòa
VT = điện thế nhiệt (xem biểu thức 2-11)
η = hệ số phát, là hàm của V, có giá trị từ 1 đến 2
Biểu thức 2-3 không có dạng của biểu thức 2-1 hoặc 2-2, vì vậy mối quan hệ dòng – áp của
diode không đạt tiêu chuẩn của một linh kiện tuyến tính. Ta kết luận diode là một linh kiện phi
tuyến. Hình 2-2 là đặc tuyến I −V của một diode silicon thông thường trong vùng phân cực thuận.
Đồ thị rõ ràng không phải là một đường thẳng.
2/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 2-2
Đặc tuyến phân cực
thuận của diode. Giá trị
∆V ∆I phụ thuộc vào
điểm được tính.
Hình 2-2 trình bày cách tìm ∆V và ∆I tại hai điểm khác nhau của đặc tuyến I −V . Dùng các
∆V
giá trị này ta có thể tính điện trở của diode tại hai điểm từ r =
I = 30 mA , ta có
. Tại điểm V = 0.65 V và
∆I
∆V
0.015 V
r =
=
= 0.75 Ω
∆I 20×10−3 A
Tại điểm V = 0.58 V và I = 2.2 mA , ta có
∆V 0.04 V
r =
=
=10 Ω
∆I 4×10-3 A
Ta thấy rằng điện trở của diode thay đổi hơn 10 lần khi điện áp trên diode thay đổi từ 0.65 V
đến 0.58 V . Không giống như một linh kiện tuyến tính, điện trở của một linh kiện phi tuyến phụ
thuộc vào điện áp trên linh kiện hoặc dòng điện qua linh kiện, có nghĩa là điện trở phụ thuộc vào
điểm mà tại đó ∆V và ∆I được tính. Trong trường hợp của diode ta cần phải lưu ý hơn nữa là đặc
tuyến I −V gần như trở nên nằm ngang ở dòng điện thấp và trong vùng phân cực ngược. Do đó,
trong các vùng này, một sự thay đổi lớn trong điện áp, ∆V , chỉ tạo ra một thay đổi rất nhỏ trong
∆V
dòng điện, ∆I , vì vậy giá trị của r =
rất lớn.
∆I
Điểm nằm trên đặc tuyến I −V mà ở đó diode chuyển từ giá trị điện trở cao sang giá trị điện
trở thấp được gọi là điểm gián đoạn (break point hoặc knee) của đặc tuyến. Trong hình 2-2, điểm
gián đoạn của đặc tuyến xuất hiện trong khoảng I ≈1 mA đến I ≈ 5 mA . Khi dòng điện qua diode
là lớn hoặc nhỏ hơn nhiều so với dòng điện tại điểm gián đoạn, ta nói rằng diode được phân cực
trên hoặc dưới điểm gián đoạn (back bias).
2-3 Điện trở ac và dc
∆V
∆I
Điện trở đã tính trong phần trên bằng cách dùng biểu thức
được gọi là điện trở ac (hoặc
điện trở động của diode). Nó được gọi là điện trở ac bởi vì ta quan tâm đến những thay đổi nhỏ
trong điện áp, ∆V , mà sẽ gây ra sự thay đổi trong dòng điện, ∆I . Trong cách sử dụng phương
pháp đồ thị để tính điện trở ac, sự thay đổi của ∆V và ∆I phải đủ nhỏ để đảm bảo đoạn làm việc
3/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
có độ dốc không thay đổi nhiều. Lúc này ta mới có thể xem diode tương tự như một linh kiện tuyến
tính. Ví dụ như trong hình 2-2, ta không nên tính điện trở ac giữa V = 0.55 V và V = 0.65 V bởi vì
độ dốc của đặc tuyến thay đổi rất lớn giữa hai điểm này.
Ký hiệu cho điện trở ac là
r , với qui ước chữ thường dành cho các đại lượng ac
∆
∆
V
rD
=
(Ω)
(2-4)
I
Khi một điện áp dc được đặt lên hai đầu của diode, một dòng dc sẽ chảy qua nó. Điện trở dc
của một diode được tính bằng cách lấy điện áp dc trên diode chia cho dòng điện dc chảy qua diode.
Vì vậy điện trở dc còn được gọi là điện trở tĩnh, và được tính bằng định luật Ohm
V
RD
=
Ω
( )
(2-5)
I
Cũng giống như điện trở ac, giá trị điện trở dc có thể thay đổi khác nhau tùy thuộc vào điểm
làm việc trên đặc tuyến I −V mà tại đó ta cần tính điện trở. Ví dụ, trong hình 2-2, điện trở dc tại
điểm gần điểm gián đoạn là RD = (0.58 V) /(2.2 mA)
=
263.6
Ω trong khi điện trở dc tại điểm trên
điểm gián đoạn là RD = (0.65 V) /(30 mA) 21.6
=
Ω. Đối với diode có đặc tuyến như hình 2-2,
dòng ngược xấp xỉ khoảng −1 µA khi V = −1 V , vì vậy điện trở dc trong trường hợp này là
RD = (−1 V)/(−10−6 A) =1 MΩ . Diode là một linh kiện phi tuyến trong cả chế độ ac lẫn dc.
Khi phân tích hoặc thiết kế một mạch chứa diode, thông thường ta không có sẵn đặc tuyến
diode. Trong hầu hết các thiết kế thực tế, điện trở ac của một diode không được tính bằng đồ thị
như đã làm ở phần trên mà có thể tính bằng các công thức xấp xỉ. Nếu cần tính điện trở ac của
diode trong trường hợp diode được phân cực sao cho dòng dc của diode nằm trên điểm gián đoạn,
VT
ta có thể chứng minh được là điện trở ac có thể được tính xấp xỉ rD
≅
, với VT là điện thế nhiệt
I
và
I
là dòng dc qua diode. Ở nhiệt độ T = 300 K
,
VT khoảng 26 mV , vì vậy tại nhiệt độ phòng
này ta có
0.026
rD
≅
Ω
( )
(2-6)
I
Biểu thức xấp xỉ này đúng cho cả diode silicon và germanium. Để minh họa cho việc sử dụng
công thức 2-6, xét điểm nằm trên điểm gián đoạn của đặc tuyến I −V trong hình 2-2. Tại điểm
này, dòng dc là 30 mA , vì vậy theo biểu thức 2-6, rD = (0.026 V) /(3×10−3 A) = 0.86 Ω . Giá trị
này gần bằng với giá trị 0.75
Ω mà ta đã tính ở phần trên bằng cách dùng đồ thị.
Diode còn có một thành phần điện trở khác nên được xem xét là điện trở gộp (bulk resistance)
bao gồm điện trở của vật liệu bán dẫn và điện trở tiếp xúc mà tại đó các chân linh kiện được gắn
với chuyển tiếp PN. Chúng được gọi là điện trở bulk
và cũng thay đổi tùy theo dòng dc trong diode. Điện trở này trở nên khá nhỏ khi dòng điện lớn,
giá trị của nó thường khoảng 0.1 . Điện trở ac tổng cộng của diode là rD + rB , tuy nhiên khi dòng
rB . Giá trị của điện trở bulk thường khoảng
1
Ω
Ω
cao thì rD lớn hơn nhiều so với rB do đó có thể bỏ qua điện trở bulk.
Khi một diode được kết nối trong mạch sao cho nó phân cực thuận, luôn luôn cần phải có một
điện trở mắc nối tiếp với diode để xác định dòng cho nó. Ta xem ví dụ sau.
Ví dụ 2-1
Cho mạch điện như hình 2-3, mạch được kết nối để tìm mối quan hệ của điện áp và dòng điện trong
diode. Biến trở
R được điều chỉnh đến các giá trị khác nhau để điều khiển dòng qua diode, đồng
thời điện áp trên diode cũng được ghi lại tại các điểm này. Các kết quả được trình bày trong bảng
trong hình 2-3.
4/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 2-3
Ví dụ 2-1
1. Tìm điện trở dc của diode khi điện áp trên diode là 0.56 V , .
0.62 V và 0.67 V
2. Tìm điện trở ac của diode khi điện áp trên diode thay đổi giữa 0.55 V và 0.57 V , giữa 0.61 V
và 0.63 V và giữa 0.66 V và 0.68 V .
3. Tìm điện trở ac xấp xỉ khi điện áp trên diode là 0.56 V ,
0.62 V và 0.67 V . Giả sử điện trở bulk
tương ứng là 0.8
Ω , 0.5 Ω và 0.1 Ω.
Hướng dẫn
1. Trước tiên cần phải tính dòng điện qua diode cho mỗi trường hợp. Ta đã biết là điện áp rơi trên
điện trở VR = −VD , vớiVD là điện áp rơi trên diode. Dòng qua diode bằng dòng qua điện trở và là
I = 5−V R .
5
(
)
D
5− 0.55 V
5− 0.63 V
(
)
(
(
(
)
I1 =
I2 =
I3 =
I4 =
I5 =
= 0.705 mA
=1.04 mA
=1.54 mA
= 7.33 mA
=10.8 mA
I6 =
I7 =
I8 =
I9 =
=15.9 mA
= 51.1 mA
= 75.3 mA
=110.8 mA
6312 Ω
274 Ω
5− 0.56 V
5− 0.66 V
(
)
)
4269 Ω
85 Ω
5− 0.57 V
5− 0.67 V
(
(
(
)
)
2877 Ω
57.5 Ω
5− 0.61 V
5− 0.68 V
)
)
599 Ω
39.0 Ω
5− 0.62 V
)
405 Ω
Điện trở dc tại các điểm điện áp đo được tính bằng biểu thức 2-5.
0.56 V
1.04×
10-3 A
Tại V = 0.56 V , RD
=
= 538.5 Ω .
5/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
0.62 V
Tại V = 0.62 V , RD
Tại V = 0.67 V , RD
=
=
=
=
57.4
8.9
Ω
.
10.8
0.67 V
75.3
10-3 A
×
10-3 A
Ω
.
×
2. Điện trở ac được tính bằng biểu thức 2-4.
0.57 − 0.55 V
0.02 V
(
)
rD =
=
= 23.95 Ω
1.54-0.705 ×10−3 A 0.835×10-3 A
(
)
0.02 V
5.1×10-3 A
0.02 V
rD =
rD =
= 3.92 Ω
= 0.34 Ω
59.7×10-3 A
3. Điện trở ac khi tính gần đúng dùng biểu thức 2-6 là
0.026 V
0.026 V
Tại V = 0.56 V , rD
=
=
=
+
+
+
rB
rB
rB
=
=
=
+
+
+
0.8
0.5
0.1
Ω
Ω
Ω
=25.8
=2.91
Ω
Ω
I2
1.04
×
10-3 A
0.026 V
0.026 V
Tại V = 0.62 V , rD
I5
10.8
×
10-3 A
0.026 V
0.026 V
75.3×
10-3 A
Tại V = 0.67 V , rD
=0.445 Ω
I8
2-4 Phân tích mạch dc có chứa diode
Trong thực tế, để dễ dàng trong quá trình phân tích mạch với một sai số cho phép, đặc tuyến
của diode thường được xem như là thẳng đứng nếu điểm làm việc nằm phía trên điểm gián đoạn.
Việc sử dụng đặc tuyến gần đúng này cho phép ta xem như điện áp rơi trên diode là không đổi bất
chấp dòng điện chảy qua nó.
Đối với diode silicon, phụ thuộc vào những thay đổi nhỏ trong quá trình chế tạo cũng như vào
dòng điện chảy qua diode, điện áp rơi trên hai đầu của diode xấp xỉ khoảng 0.6 V đến 0.7 V .
Trong thực tế, ta thường sử dụng giá trị 0.7 V cho tính toán. Đối với diode germanium, điện áp rơi
trên nó thường được chọn là 0.3 V . Do đó, trong các tính toán, ta có thể thay diode bằng một
nguồn điện áp 0.7 V hoặc 0.3 V khi diode được phân cực sao cho điểm làm việc nằm trên điểm
gián đoạn. Tuy nhiên, cần phải lưu ý là diode không chứa năng lượng như một nguồn điện và cũng
không thể tạo ra dòng điện. Hình 2-4 minh họa khái niệm này.
Hình 2-4
Để phân tích, diode phân cực
thuận trong (a) có thể thay thế
bằng một nguồn áp như trong
(b)
Trong hình 2-4(a), chúng ta giả sử là diode silicon được phân cực thuận sao cho có đủ dòng
điện để điểm làm việc nằm trên điểm gián đoạn, do đó, điện áp rơi trên diode là 0.7 V . Khi đó
E = IR + 0,7
(2-7)
6/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Từ đó tính được dòng điện I = (E − 0.7 V) R . Hình 2-4(b) vẽ sơ đồ mạch tương đương, trong
đó, diode được thay bằng một nguồn áp 0.7 V . Kết quả tính được trong mạch của hình 2-4(b) là
tương tự. Trong thực tế, giả sử điện áp rơi trên diode là cố định thường được dùng kèm với giả sử
là dòng điện qua diode là không khi điện áp nhỏ hơn điện áp ngưỡng. Do đó, để phân tích mạch lúc
này, chúng ta có thể dùng đặc tuyến như hình 2-5.
Hình 2-5
Đặc tuyến diode lý tưởng.
Diode được xem như hở mạch
cho đến điểm ngưỡng.
Đường đặc tuyến lý tưởng trong hình 2-5 cho thấy diode được xem như hở mạch khi điện áp
nhỏ hơn 0.3 V hoặc 0.7 V và ngắn mạch trong trường hợp ngược lại. Những giả sử này khá phù
hợp trong các tính toán thực tế.
Ví dụ 2-2
Giả sử diode silicon trong hình 2-6 cần có dòng 1 mA để có thể làm việc trên điểm gián đoạn của
đặc tuyến.
Hình 2-6
Ví dụ 2-2
1. Tìm
R
để mạch có dòng 5 mA
.
2. Với giá trị
gián đoạn.
R
vừa tìm được, tính điện áp nguồn tối thiểu để diode vẫn còn làm việc trên điểm
E
Hướng dẫn
E − 0.7 (5− 0.7) V
1. R =
=
= 860 Ω
I
5
×
10−3 A
2. Để duy trì dòng qua diode phải trên diểm gián đoạn,
I
phải tối thiểu là 1 mA . Do đó,
E −0.7
E −0.7
860
3
3
I =
≥
10− A . Vì R = 860 Ω
,
≥
10− A , tức là E ≥1.56 V
.
R
Trong một số trường hợp, điện áp rơi trên diode là quá nhỏ so với điện áp dc, khi đó, ta có thể
bỏ qua điện áp rơi trên diode.
2-5 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
Nói chung, các linh kiện điện tử có thể hoạt động trong hai chế độ: tín hiệu nhỏ và tín hiệu lớn.
Trong chế độ tín hiệu nhỏ, các thay đổi của dòng và áp trên linh kiện chỉ xảy ra trên một đoạn giới
hạn của đặc tuyến I −V . Nói cách khác, các đại lượng ∆V , ∆I là rất nhỏ khi so sánh với toàn bộ
giới hạn làm việc của linh kiện. Trong thực tế, chế độ tín hiệu nhỏ có thể xem là chế độ trong đó,
dòng và áp của linh kiện thay đổi trên một đoạn đủ nhỏ của đặc tuyến để có thể xem như là tuyến
tính.
Trái lại, chế độ tín hiệu lớn là chế độ trong đó dòng và áp của linh kiện thay đổi trên toàn bộ
đường cong đặc tuyến của linh kiện. Trong chế độ này, đoạn đặc tuyến tương ứng với vùng làm
việc của linh kiện có độ dốc thay đổi rất nhiều, nói cách khác là linh kiện làm việc trong vùng phi
7/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
tuyến. Ví dụ, một mạch điện trong đó điện áp trên diode thay đổi giữa −5 V và +0.7 V được xem
là chế độ tín hiệu lớn. Trong trường hợp này, diode thay đổi bản chất của nó, từ một linh kiện có
điện trở rất lớn khi phân cực ngược sang một linh kiện có điện trở nhỏ khi được phân cực thuận
trên điểm gián đoạn. Trong phần này ta chỉ xem xét các mạch tín hiệu nhỏ cho diode, phân tích tín
hiệu lớn sẽ được trình bày trong phần kế tiếp.
Xét mạch điện trong hình 2-7(b). Lưu ý là mạch chứa một nguồn dc có giá trị
E và một nguồn
ac tạo ra một tín hiệu hình sin có biên độ và tần số góc . Do đó, điện áp tổng cộng trên của
A
ω
nguồn lúc này là v(t) = E + Asinωt . Điện áp này được gọi là điện áp ac có mức dc là
E , volts,
được vẽ trong hình 2-7(a).
Hình 2-7
Điện áp v t trong (b) là tổng
( )
của thành phần ac và dc:
v t
( )
= E + Asinωt . Trong (a),
v t có giá trị tối thiểu là E − A
( )
và tối đa là E + A
Điện áp v(t) có giá trị tối đa là E + A và điện áp tối thiểu là E − A . Bây giờ ta thử tính điện áp
và dòng điện của diode với giả sử là diode làm việc trong chế độ tín hiệu nhỏ. Để phân tích mạch
này ta dùng nguyên lý xếp chồng, điện áp và dòng điện tổng cộng do hai nguồn gây ra sẽ bằng tổng
của điện áp và dòng điện do từng nguồn gây ra. Lưu ý là nguyên lý này chỉ có thể áp dụng khi tất
cả các linh kiện trong mạch là tuyến tính.
Đầu tiên ta xác định dòng dc qua diode trong hình 2-7(b) vì dòng này cần để tính điện trở động
rD (biểu thức 2-6). Ngắn mạch nguồn áp trong hình 2-7(b), ta có mạch điện như hình 2-4, do đó,
0.026 V
I =
(
E − 0.7 V)
R
. Dùng công thức 2-6 để tính điện trở ac: rD =
. Bây giờ bỏ đi nguồn dc
I
bằng cách ngắn mạch nó, ta có mạch tương đương như hình 2-8. Lưu ý là trong mạch này, diode
được thay bằng điện trở tương đương ac của nó.
e
A
i =
=
sinωt .
R + rD R + rD
Điện áp ac trên diode có thể được tính bằng công thức vD = rDi . Do đó, dòng và áp tổng cộng
trên diode là
E − 0.7
A
i t = I + i =
( )
+
sin
ω
t
(2-8)
(2-9)
R
R + rD
rD Asinωt
R + rD
v(D = 0.7 +
)
Hình 2-8
Mạch tương đương Thevenin của
hình 2-7(b). Chú ý là diode được
thay bằng điện trở ac, rD .
Ví dụ 2-4
8/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Giả sử là diode silicon trong hình 2-9 được phân cực sao cho điểm làm việc nằm trên điểm gián
đoạn, điện trở bulk là 0.1
thời gian.
Ω
, tìm dòng và áp tổng cộng của diode. Vẽ dạng sóng của dòng điện theo
Hình 2-9
Ví dụ 2-4
Hướng dẫn
6 − 0.7 V
)
Ngắn mạch nguồn ac, ta có dòng dc là:
I
=
=19.63 mA .
270
Ω
0.026
0.026
Điện trở ac là: rD =
+ rB =
+ 0.1Ω =1.42 Ω
3
I
19.63×10− A
e
2sinωt
Dòng ac là: i =
=
= 7.37sinωt mA
R + rD 271.42
rD
1.42
⎛
⎞
Và điện áp ac là vD =
e =
2sinωt = 0.01sinωt V
⎜
⎝
⎟
⎠
R + rD
271.42
Cuối cùng, dòng và áp tổng cộng là:
i t =19.63+ 7.37 sinωt mA
( )
v t = 0.7 + 0.01sinωt V
D ( )
Hình 2-10 vẽ dòng điện tổng cộng. Lưu ý là dòng tối đa là 27 mA và dòng tối thiểu là 12.26 mA
.
Đối với điện áp thì vì sự thay đổi trong thành phần ac chỉ là ±10 mV , do đó rất khó vẽ dạng sóng
của nó.
Hình 2-10
Dòng trong mạch hình 2-9. Thành
phần ac thay đổi ±7.37 mA xung
quanh thành phần dc 19.63 mA
.
2-5-1 Đường tải
Phân tích diode tín hiệu nhỏ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng đồ thị. Mặc dù phương
pháp này không thường sử dụng trong thực tế, tuy nhiên, nó lại cho ta một cái nhìn vào bên trong
hoạt động của mạch. Xét mạch trong hình 2-11. Đây là mạch tương đương dc khi ngắn mạch nguồn
ac, điện áp trên diode lúc này không được xem là hằng số nữa mà bây giờ là một đại lượng thay đổi
V tuy độ thay đổi là rất ít.
9/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 2-11
Dòng
I và áp V của diode được
xem như là các biến
Ta có:
−V
R
E
R
I =
+
(2-10)
Trong biểu thức 2-10, ta xem
biểu thức 2-10 được áp dụng cho hình 2-9, ta có
−V
I
và
V
là các biến trong khi
E
và
R
là hằng số. Ví dụ, nếu
6
I =
+
270 270
I = − 3,7×10−3 V + 0,0222
hay
(2-11)
(
)
Biểu thức này cho thấy quan hệ của
I
và
V
là tuyến tính. Như ta đã biết, dạng tổng quát cho
đồ thị của một đường thẳng trong hệ tọa độ x − y là
y = mx + b
(2-12)
với
m
là độ dốc và
Chúng ta thấy rằng biến
ứng đến . Độ dốc của biểu thức 2-10 là −1 R và tung độ gốc là E R . Ta có thể kết luận rằng
b
là tung độ gốc.
I
trong 2-10 là tương ứng đến biến
y
trong 2-12, biến V là tương
x
biểu thức 2-10 có đồ thị là một đường thẳng trên hệ trục
đường tải dc.
I −V . Đường thẳng này được gọi là
Hình 2-12 vẽ đồ thị của đường tải 2-11. Trong hình 2-12, đường tải giao với trục
= E = 6 V .
V tại
V0
Hình 2-12
Đồ thị của đường tải
I = − 3.7×10−3 V + 0.0222. Đường
)
tải là tập hợp tất cả các dòng
I và áp
V có thể đối với một giá trị E, R cố
định. Giá trị thực sự của I,V phụ
thuộc vào diode trong mạch.
Đường tải dc là đường tập hợp của tất cả các cặp giá trị
I và có thể có trong mạch hình 2-
V
11. Với một diode cho trước, đặc tuyến của diode là xác định, công việc của ta là tìm xem tổ hợp
nào của điện áp và dòng điện trong số các điểm trên đường tải thỏa mãn cho đặc tuyến diode. Điểm
này thực ra chính là giao điểm của đường tải và đặc tuyến, nó cũng có thể được tính bằng cách giải
hệ
(
10/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
eV ηV
−
1)
T
và
I = IS
(
Hình 2-13 cho thấy kết quả có được bằng cách vẽ đường tải cho mạch hình 2-9, tức là biểu
thức 2-11, trên cùng một hệ trục với đặc tuyến của diode. Trong hình, ta thấy
.
Hình 2-13
Giao điểm của đường tải và đặc
tuyến (ký hiệu
Q
) xác định điện áp
(
0.66 V ) và dòng điện (19.8 mA
)
của diode.
Cho đến giờ, ta đang giả sử là nguồn ac bị ngắn mạch. ĩ
vì nó biểu diễn dòng và áp của diode khi được phân cực thuận bởi nguồn dc.
Bây giờ, đặt nguồn ac vào trong mạch, nối tiếp với nguồn dc. Như đã thấy, điện áp tổng cộng trên
nguồn lúc này là v(t) = E + Asinωt . Do đó, ta có thể xem như tại một thời điểm tức thời, tương
ứng với giá trị nguồn áp, ta có một đường tải hoàn toàn mới. Vì điện áp nguồn là thay đổi liên tục
theo thời gian, nên đường tải cũng liên tục chuyển động với độ dốc không đổi, tức là song song với
đường tải tĩnh, chỉ có điểm giao của các đường tải này với trục hoành là thay đổi liên tục giữa
E + A và E − A . Hình 2-14 minh họa những điều trình bày ở trên cho mạch hình 2-9.
11/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 2-14
Ảnh hưởng của nguồn ac trong mạch diode có thể được phân tích bằng cách xem nó
như một tập hợp các đường tải song song. Trong cách này, dòng và áp tối thiểu có
thể xác định được trên đồ thị.
Điện áp v(t) tổng cộng thay đổi giữa 4 V và 8 V , giao điểm của tất cả các đường tải với đặc
tuyến tạo ra tất cả các tổ hợp có thể có của điện áp và dòng điện của diode. Kết quả là ta có thể thấy
điểm làm việc di chuyển giữa A và B trong hình 2-14. Khi điểm làm việc di chuyển, dòng điện
trong mạch thay đổi giữa 12.5 mA đến 27 mA, điện áp rơi trên diode cũng thay đổi giữa 0.65 V
đến 0.67 V
.
2-6 Phân tích tín hiệu lớn cho diode
Như ta đã biết trong phần 2-5, một diode được xem là hoạt động dưới chế độ tín hiệu lớn khi
sự thay đổi của dòng điện và điện áp của diode mở rộng ra trên toàn bộ đặc tuyến, bao gồm cả
những phần mà đặc tuyến thay đổi độ dốc một cách đáng kể.
Khi điện trở của một diode thay đổi từ rất nhỏ đến rất lớn, nó hoạt động giống như một công
tắc (switch). Một công tắc lý tưởng có điện trở bằng không khi đóng và điện trở là vô cùng khi mở.
Khi phân tích các mạch dạng này, được được g
: và .
. Hình 2-
15 trình bày đặc tuyến của một diode silicon lý tưởng khi bỏ qua điện áp rơi (a), và khi không bỏ
qua điện áp rơi (b).
12/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
Hình 2-15
Đặc tuyến diode silicon lý
tưởng được sử dụng để phân
tích tín hiệu lớn.
2-6-1 Chỉnh lưu
Một trong các nhất của diode trong chế độ tín hiệu lớn
. Mạch chỉnh lưu mạch t . Diode là
linh kiện chính trong các mạch dạng này. Khi , tlà
, và . , nếu điện áp
anode là âm so với cathode, diode . Dĩ nhiên là trong
thực tế, khi diode phân cực ngược, trong diode xuất hiện dòng điện ngược với cường độ rất bé.
Hình 2-16
Diode được dùng
trong mạch chình
lưu. Dòng điện chỉ
chảy qua trong bán
kỳ dương.
Xét mạch chỉnh lưu trong hình 2-16. Ta thấy rằng không có nguồn dc trong mạch. Do đó, trong
suốt bán kỳ dương của điện áp nguồn
như hình vẽ. Trong bán kỳ âm của
điện. là một chuỗi liên tiếp các xung dòng dương cách nhau bởi các khoảng dòng điện bằng
không.
e
e(t)
(
t
)
, diode phân cực thuận và dòng chảy qua diode với chiều
, diode bị phân cực ngược và trong mạch không có dòng
i(t)
Nếu diode trong mạch 2-16 được xoay ngược lại, dòng điện trong mạch sẽ chỉ có thể chảy theo
chiều ngược lại, tức là tương ứng với bán chu kỳ âm của nguồn.
Ví dụ 2-6
Giả sử diode silicon trong hình 2-17 có đặc tuyến như trong hình 2-15(b). Tìm giá trị đỉnh của dòng
i
(t
)
và điện áp vR
(t
) trên điện trở khi:
1.
2.
e
e
(
t
t
)
)
=
=
20sin
ω
t
và
(
1.5sin
ω
t
. Trong mỗi trường hợp, vẽ dạng sóng e(t) , i(t), và vR (t) .
Hình 2-17
Ví dụ 2-6
Hướng dẫn
13/14
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: [email protected]
1. Khi
e
(t
)
=
20sin
ω
t
, điện áp dương đỉnh là 20 V . Tức thời tại thời điểm
e
(t
)
=
20 V , điện áp rơi
trên điện trở sẽ là 19.3 V và dòng điện qua diode là
dạng sóng kết quả.
i =19.3 1.5 kΩ =12.87 mA . Hình 2-18 vẽ
)
Hình 2-18
Dòng và áp diode trong
mạch hình 2-17. Lưu ý
là diode không dẫn cho
đến khi e t đến 0.7 V
,
( )
do đó, trong bán kỳ
dương có một khoảng
nhỏ diode không dẫn.
Cần lưu ý là vì ta dùng đặc tuyến trong hình 2-15(b), do đó diode sẽ không dẫn cho đến khi
e(t)
đạt đến 0.7 V . Khoảng thời gian giữa hai điểm tại đó 0 V và 0.7 V rất ngắn khi so
e
(t
)
=
e(t) =
sánh với toàn bộ chu kỳ tín hiệu. Từ đó, ta có thể giả sử là đặc tuyến diode có dạng trong hình 2-
15(a), nghĩa là bỏ qua điện áp rơi 0.7 V .
2. Khi
e(t) =1.5sinωt , điện áp dương đỉnh là 1.5 V , tại đó vR (t) =1.5− 0.7 = 0.8 V và
i(t) = 0.8 V 1.5 kΩ = 0.533 mA . Dạng sóng được biểu diễn trong hình 2-19. Ta thấy là diode
(
) (
vẫn không dẫn khi điện áp nhỏ hơn 0.7 V , tuy nhiên, trong trường hợp này khoảng thời gian khi
thay đổi giữa 0 V và 0.7 V là đáng kể so với chu kỳ tín hiệu nên ta sẽ không thể dùng đặc
tuyến gần đúng trong hình 2-15(a).
)
e(t)
Hình 2-19
Dòng và áp diode trong
mạch hình 2-17 khi đỉnh
của hình sin giảm xuống
còn 1.5 V . Lưu ý là
khoảng không dẫn lúc
này lớn hơn nhiều so với
hình 2-18.
14/14
14 trang
19560
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 2: Phân tích mạch chứa diode", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_tu_chuong_2_phan_tich_mach_chua_dio.pdf
