Giáo trình điện tử cơ bản máy công trình - Linh kiện bán dẫn CĐ GTVT TW1

Giáo trình điện tử cơ bản trên máy công trình phần 2 đào tạo nghề sửa chữa điện cao đẳng CĐ GTVT Trung ương I, cung cấp kiến thức mạch và linh kiện điện tử.

• Trường học: Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải Trung ương I
• Chuyên ngành: Sửa chữa điện máy công trình
• Đề tài: Điện tử cơ bản trên máy công trình
• Loại tài liệu: Giáo trình

Tóm tắt

I. Tổng quan về linh kiện bán dẫn trong điện tử

Linh kiện bán dẫn giữ vai trò cốt lõi trong mọi mạch điện tử hiện đại. Chúng khác biệt hoàn toàn với linh kiện thụ động như điện trở hay tụ điện. Linh kiện thụ động không thể tạo ra hay xử lý tín hiệu. Chỉ linh kiện tích cực mới đảm nhận nhiệm vụ này. Chất bán dẫn có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Silic là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất. Germani, selen và một số hợp chất khác cũng được sử dụng rộng rãi. Đặc tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi mạnh theo nhiệt độ và ánh sáng. Ở nhiệt độ thấp, bán dẫn gần như không dẫn điện. Ở nhiệt độ cao, khả năng dẫn điện tăng rõ rệt. Ngành công nghiệp bán dẫn phát triển nhanh chóng trong những thập kỷ gần đây. Nhờ đó, các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn và mạnh mẽ hơn. Trên máy công trình, linh kiện bán dẫn xuất hiện trong hệ thống điều khiển, cảm biến và mạch khuếch đại tín hiệu. Người học nghề sửa chữa điện máy công trình cần nắm vững nguyên lý hoạt động của các linh kiện này. Kiến thức nền tảng này giúp chẩn đoán và sửa chữa hư hỏng chính xác. Giáo trình phần 2 tập trung phân tích sâu các linh kiện transistor và ứng dụng thực tế trên máy công trình.

1.1. Khái niệm và tính chất chất bán dẫn

Chất bán dẫn có điện trở suất nằm giữa kim loại và chất cách điện. Tính chất dẫn điện của nó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm mạnh. Ngược lại với kim loại, bán dẫn dẫn điện kém ở nhiệt độ thấp. Ánh sáng chiếu vào cũng làm thay đổi điện trở của bán dẫn. Việc pha tạp chất vào bán dẫn tinh khiết làm tăng khả năng dẫn điện đáng kể. Silic và germani là hai chất bán dẫn đơn chất được ứng dụng nhiều nhất. Ngoài ra còn có các hợp chất bán dẫn như GaAs, CdTe. Những tính chất đặc biệt này tạo nền tảng cho việc chế tạo diode và transistor trong công nghiệp điện tử hiện đại.

1.2. Sự dẫn điện trong chất bán dẫn thuần

Dòng điện trong chất bán dẫn hình thành từ hai loại hạt mang điện. Điện tử tự do mang điện tích âm. Lỗ trống mang điện tích dương. Ở trạng thái tinh khiết, nguyên tử bán dẫn liên kết bền vững với nhau. Khi nhiệt độ tăng, một số điện tử nhận đủ năng lượng thoát khỏi liên kết. Chúng trở thành điện tử tự do di chuyển trong mạng tinh thể. Vị trí trống lại trở thành lỗ trống mang điện dương. Hai loại hạt này di chuyển ngược chiều nhau tạo thành dòng điện tổng hợp. Cơ chế dẫn điện kép này là đặc trưng riêng biệt của chất bán dẫn so với kim loại thông thường.

II. Phân tích cấu tạo và nguyên lý transistor

Transistor là linh kiện bán dẫn quan trọng nhất trong mạch điện tử hiện đại. Cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn ghép nối tiếp nhau. Ba cực tương ứng là cực gốc, cực phát và cực góp. Transistor hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển dòng điện nhỏ để chi phối dòng điện lớn. Trên máy công trình, transistor đảm nhận vai trò cắt nối dòng điện trong nhiều mạch điều khiển. Có hai phương pháp cắt nối phổ biến. Phương pháp thứ nhất dùng tiếp điểm cơ khí kết hợp transistor. Phương pháp thứ hai không dùng tiếp điểm, chỉ dựa vào tín hiệu điện áp điều khiển. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng về độ bền và tốc độ đáp ứng. Vấn đề thường gặp là hư hỏng tiếp giáp bán dẫn do nhiệt độ cao hoặc quá dòng. Việc tháo cực ắc quy không đúng quy trình cũng gây mất dữ liệu bộ nhớ điều khiển. Điều này có thể dẫn đến hư hỏng hệ thống nếu vận hành máy mà không kiểm tra trước. Người thợ sửa chữa cần hiểu rõ sơ đồ nguyên lý để chẩn đoán lỗi chính xác. Phân tích đúng nguyên nhân giúp tiết kiệm thời gian và chi phí sửa chữa.

2.1. Cắt nối dòng điện bằng transistor có tiếp điểm

Mạch cắt nối có tiếp điểm sử dụng công tắc cơ khí kết hợp transistor điều khiển. Khi tiếp điểm mở, cực gốc được nối với âm nguồn qua điện trở. Cực phát nối với dương nguồn tạo điện áp điều khiển dương. Dòng điều khiển xuất hiện làm transistor mở. Dòng chính chạy qua tiếp giáp phát góp đến tải. Khi tiếp điểm đóng, điện áp cực gốc dâng lên bằng nguồn. Dòng điều khiển mất đi khiến transistor khoá lại. Điện trở cực gốc được tính toán để dòng qua tiếp điểm luôn nhỏ nhất. Thiết kế này giúp bảo vệ tiếp điểm khỏi hư hỏng do dòng điện lớn.

2.2. Cắt nối dòng điện bằng transistor không tiếp điểm

Phương pháp này thay thế tiếp điểm cơ khí bằng tín hiệu điện áp thuần túy. Tín hiệu điều khiển âm đặt vào cực gốc của transistor thứ nhất làm nó khoá. Trạng thái khoá này tạo điều kiện cho transistor thứ hai mở. Dòng điều khiển chạy qua điện trở đến tiếp giáp gốc phát rồi về mát. Dòng chính sau đó chạy qua tiếp giáp góp phát đến tải tiêu thụ. Khi tín hiệu điều khiển đổi thành dương, quá trình đảo ngược xảy ra. Phương pháp không tiếp điểm có độ bền cao hơn và tốc độ chuyển mạch nhanh hơn. Đây là giải pháp được ưu tiên trong các hệ thống điều khiển hiện đại trên máy công trình.

III. Giải pháp ứng dụng mạch khuếch đại bán dẫn

Mạch khuếch đại là ứng dụng then chốt của transistor trong thiết bị điện tử. Tín hiệu đầu vào yếu được khuếch đại thành tín hiệu đầu ra mạnh hơn. Có nhiều kiểu mắc mạch khuếch đại khác nhau tùy mục đích sử dụng. Kiểu mắc cực phát chung cho hệ số khuếch đại dòng và áp lớn. Kiểu mắc cực góp chung chủ yếu dùng khuếch đại dòng điện. Mạch khuếch đại Darlington ghép hai transistor thành một khối tương đương. Giải pháp này cho điện trở vào lớn và điện trở ra nhỏ. Hệ số khuếch đại dòng của mạch Darlington rất cao nhờ tích của hai hệ số khuếch đại thành phần. Cách phân cực Darlington lấy dòng cực phát của transistor thứ nhất làm dòng cực gốc của transistor thứ hai. Trở kháng vào và trở kháng ra của mạch được tính toán dựa trên các thông số tranzito. Việc lựa chọn đúng kiểu mạch khuếch đại giúp tối ưu hiệu suất thiết bị. Trên máy công trình, mạch khuếch đại bán dẫn xử lý tín hiệu cảm biến và điều khiển động cơ chính xác hơn.

3.1. Nguyên lý mạch khuếch đại đảo pha

Mạch khuếch đại đảo pha đưa tín hiệu vào cực gốc của transistor thứ nhất. Tín hiệu được khuếch đại và lấy ra tại cực góp. Tín hiệu ra bị đảo pha so với tín hiệu vào ban đầu. Sau đó tín hiệu này tiếp tục đưa vào cực phát của transistor thứ hai qua tụ liên lạc. Tầng này chỉ khuếch đại điện áp mà không đảo pha tín hiệu. Kết quả cuối cùng, tín hiệu ra hoàn toàn ngược pha với tín hiệu vào gốc. Cấu trúc hai tầng phối hợp này tăng độ khuếch đại tổng thể của mạch. Ứng dụng phổ biến trong các bộ khuếch đại tín hiệu cảm biến trên máy công trình.

3.2. Đặc tính mạch khuếch đại Darlington

Mạch Darlington ghép nối tiếp hai transistor tạo thành linh kiện tương đương duy nhất. Hệ số khuếch đại dòng tổng bằng tích hai hệ số khuếch đại thành phần. Điện trở vào của mạch rất lớn nhờ cấu trúc ghép tầng này. Điện trở ra lại rất nhỏ, phù hợp làm tầng đệm công suất. Dòng cực gốc được tính dựa trên điện áp phân cực và điện trở mạch. Trở kháng vào và trở kháng ra xác định qua các công thức liên quan đến hệ số khuếch đại. Mạch Darlington thường dùng trong tầng công suất ra của bộ khuếch đại âm thanh và điều khiển động cơ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn trên máy công trình

Linh kiện bán dẫn là nền tảng không thể thiếu của mọi hệ thống điện tử hiện đại. Từ chất bán dẫn thuần đến transistor, mỗi cấp độ kiến thức xây dựng nên năng lực chẩn đoán và sửa chữa. Trên máy công trình, các mạch cắt nối và khuếch đại bán dẫn xuất hiện khắp hệ thống điều khiển. Hiểu rõ nguyên lý transistor giúp thợ sửa chữa xác định đúng nguyên nhân hư hỏng. Việc phân biệt mạch có tiếp điểm và không tiếp điểm hỗ trợ lựa chọn phương án sửa chữa phù hợp. Mạch khuếch đại Darlington minh họa cách kết hợp nhiều linh kiện tạo hiệu suất vượt trội. Kiến thức về bộ nhớ điện tử cũng quan trọng khi thao tác với ắc quy máy công trình. Sai sót nhỏ trong quy trình tháo lắp có thể gây mất dữ liệu điều khiển nghiêm trọng. Giáo trình phần 2 trang bị đầy đủ lý thuyết và ứng dụng thực tế cho học viên trình độ cao đẳng. Nắm vững nội dung này là bước đệm quan trọng để tiến xa hơn trong nghề sửa chữa điện máy công trình. Ứng dụng kiến thức vào thực hành sửa chữa giúp nâng cao tay nghề chuyên môn rõ rệt.

4.1. Vai trò của linh kiện bán dẫn trong bảo dưỡng máy

Linh kiện bán dẫn quyết định độ tin cậy của hệ thống điện máy công trình. Hư hỏng transistor thường gây ra lỗi điều khiển khó phát hiện bằng mắt thường. Thợ sửa chữa cần dùng thiết bị đo chuyên dụng để kiểm tra tiếp giáp bán dẫn. Bảo dưỡng định kỳ giúp phát hiện sớm dấu hiệu suy giảm chất lượng linh kiện. Kiến thức nền tảng về chất bán dẫn hỗ trợ đọc hiểu sơ đồ mạch nhanh chóng. Việc thay thế linh kiện đúng thông số kỹ thuật đảm bảo mạch hoạt động ổn định lâu dài. Đây là kỹ năng bắt buộc đối với thợ sửa chữa điện máy công trình chuyên nghiệp.

4.2. Hướng phát triển kỹ năng cho học viên

Học viên cần thực hành nhiều trên mạch thực tế để củng cố lý thuyết đã học. Việc phân tích sơ đồ nguyên lý transistor giúp rèn luyện tư duy sửa chữa hệ thống. Kết hợp lý thuyết chất bán dẫn với thực hành đo kiểm nâng cao khả năng chẩn đoán lỗi. Học viên nên làm quen với các mạch khuếch đại phổ biến trên máy công trình thực tế. Kỹ năng đọc thông số linh kiện và tra cứu datasheet cũng rất cần thiết. Rèn luyện liên tục giúp học viên tự tin xử lý các tình huống hư hỏng phức tạp. Đây là nền tảng vững chắc cho sự nghiệp trong ngành sửa chữa điện máy công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BAI 3: LINH KIEN BAN DAN. Giới thiệu Trong mạch điện tử nếu chỉ thuần các linh kiện thụ động thì không thể hoạt động được, do các thông tin không được tạo ra hoặc không được biến đổi và không được xử lý (điều chế, khuếch đại, chuyền đổi sang các dạng tín hiệu khác. Linh kiện tích cực trong mạch giữ vai trò quan trọng không thể thiếu được, là điều kiện đề tạo ra các thông tin tín hiệu, biến đổi và xử lí thông tin, là nền tảng cấu tạo nên thiết bị điện tử. Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học, công nghệ, nhất là công nghệ bán dẫn, trong các thiết bị điện tử, chúng ta gặp chủ yếu là linh kiện bán dẫn.

Khái niệm chất bán dẫn 3. Chất bán dẫn thuần 3. Khái niệm tính chất điện của bán dẫn Chất bán dẫn là chất có đặc tính dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn là một vật liệu có điện trở cao hơn so với chất dẫn điện tốt như đồng hay sắt, nhưng thấp hơn so với chất cách điện như thuỷ tỉnh hay cao su, Sự phân chia trên chỉ có tính chất tương đối, vì điện trở suất của chất bán dẫn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, néu chi dựa vào điện trở suất dé định nghĩa thì chưa thể biểu thị đầy đủ các tinh chất của các chất bán dẫn.

Tính chất của chất bán dẫn - Khi nhiệt độ tăng điện trở suất p của nó thay đồi. Điện trở suất bán dẫn tỉnh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện rất kém (giống như điện môi), còn ở nhiệt độ cao bán dẫn dẫn điện khá tốt (giống như kim loại) - Điên trở suất p của chất bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi. ~ Bán dẫn có những tính chất khác biệt so với kim loại - Khi hoà trộn nó với một chất nhất định tính dẫn điện của nó tăng.

- Điện trở của nó thay đổi mạnh khi có ánh sáng chiếu vào. Chất bán dẫn điển hình và được dùng phỏ biến nhất là silic (Si). Ngoài ra, còn có các chất bán dẫn đơn chất khác như Ge, Se, các bán dẫn hợp chất như GeAs, CdTe, Zn§,. nhiêu ô xit, sunfua, sélenua, telunua,.va mot s6 chat polime.

Sự dẫn điện trong chất bán dẫn thuần (tỉnh khiết) Người ta đã nghiên cứu và đưa ra kết luận: dòng điện trong các chất dẫn điện là do các điện tử tự do chạy theo một chiều nhất định mà sinh ra. Con dong điện trong chất bán dẫn không những do sự di chuyển có hướng của các điện tích âm (điện tử), mà còn là sự di chuyên có hướng của các điện tích dương (lỗ trồng). Ví dụ: Một nguyên tử gécmani có bốn điện tử ngoài cùng. Nó liên kết với bốn nguyên tử chung quanh.

Tạo thành 08 điện tử ở lớp ngoài cùng. Mối liên kết này khá bền vững. Cho nên ở nhiệt độ rất sẽ không có thừa điện tử tự do, do đó không có khả năng dẫn điện. Gọi là trạng thái trung hoà về điện.

Khi nhiệt độ tác động vào chất bán dẫn tăng lên, thì điện tử lớp ngoài cùng được cung cấp nhiều năng lượng nhất. Một số điện tử nào đó có đủ năng lượng thắng được sự ràng buộc của hạt nhân thì rời bỏ nguyên tử của nó, trở thành điện tử tự do, đi chuyền trong mạng tỉnh thể. Chỗ của chúng chiếm trước đây trở thành lỗ trồng và trở thành ion dương. lon dương có nhu cầu lấy một điện tử bên cạnh đề trở về trạng thái trung hoà về điện.

Người ta coi ion dương đó có một lỗ trống, khiến cho một điện tử bên cạnh dễ nhảy vào lap di. Chỗ của điện tử này lại bỏ trồng, nghĩa là lại tạo nên một lỗ trong khác và lại có một điện tử ở cạnh đó nhảy vào lấp chỗ trồng. Cứ như vậy, mỗi khi có một điện tử tự do thoát khỏi ràng buộc với hạt nhân của nó, chạy lung tung trong mạng tỉnh thể, thì cũng có một lỗ chạy trong đó. Thực chất, sự di chuyển của lỗ trống là do di chuyền của các điện tử chạy tới lấp lỗ trồng.

Trong chất bán dẫn tinh khiết bao giờ số điện tử và số lỗ trống di chuyén cũng bằng nhau. ở nhiệt độ thấp thì chỉ có ít cặp điện tử lỗ trống di chuyển. Nhưng nhiệt độ càng cao thì càng có nhiều cặp điện tử, lỗ trống đi chuyễn. Sự di chuyển này không có chiều nhất định nên không tạo nên dòng điện.

Nếu bây giờ đấu thanh bán dẫn với hai cực dương, âm của một pin, thì giữa hai đầu thanh bán dẫn có một điện trường theo chiều từ A đến B (hình 3. Các điện tử sẽ di chuyển ngược chiều điện trường, các điện tử tới lấp lỗ trống cũng chạy ngược chiều điện trường. Dòng điện tử và dòng lỗ trống hợp thành dòng điện trong thanh bán dẫn. nhiệt độ càng tăng thì dòng điện càng lớn.

E <———— sa eo eo sen seo: ee ae dòng điện tử Ệ 0->0-> 0> 0> 0> 1 dòng lỗ trống Ì 2 wt, a.1: Chiêu chuyễn động của các điện tử và lỗ trồng 3. Chất bán dẫn loại P Nếu ta thêm vào tỉnh thể Silicium một chất có hoá trị 3 (vòng ngoài cùng có 3 điện tử) như Indium (hình 1.25), thì nguyên tử In dễ nối với ba điện tử Si theo lién két cộng hoá trị, còn liện kết thứ tư bị bỏ trống nên rễ kết hợp với điện tử ở xung quanh và tạo ra lỗ trống (hole) mang điện dương ,chính lỗ trống tự do này làm cho độ dẫn điện của Sỉ tăng lên nhiều lần.2: Chất bán dẫn loại P Tap chat In pha vào bán dẫn S¡ đã tạo nên lỗ trồng làm cho số lỗ tróng số &lectron dẫn, tức là mật độ lỗ trồng lớn hơn mật độ êlectron. lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), êlectron là hạt tải điện không cơ bản (hay thiểu số). Dé là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại P.

Nếu ta pha hai loại tạp chất, chẳng hạn P và In, vào bán dẫn Si, thì bán dẫn này có thê là loại P hay n tuỳ theo tỷ lệ giữa hai loại tạp chất. Các chất thường sử dụng làm tạp chất như: Indium (In), bo (B), phốt pho (P), arsenic (As), gallium (Ga),. Nhu vay bang cách chộn loại tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn. Đây chính là một tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng.

Chất bán dẫn loại N Giả sử trong mạng tỉnh thể Sĩ có lẫn một nguyên tử phốt pho (P).Nguyên tử phốt pho có năm êlectron ở lớp ngoài (hình 1. Trong đó bốn êlectron tham ra liên kết cộng hoá trị với nguyên tử Sỉ ở xung quanh. Êlectron còn lại liên kết yếu với nguyên tử P, nên ngay ở nhiệt độ thấp, nó đã có thê rễ dàng bứt khỏi nguyên tử P va trở thành êlectron tư do (hình 1. Nguyên tử P trở thành một ion dương, nằm tại nútmạng Như vậy tạp chất P đã tạo nên thêm các êlectron dẫn, mà không làm tăng thêm số lỗ trống.

Do đó bán dẫn Sỉ pha P có só êlectron nhiều hơn số lỗ trống, tức là mật độ êlectron lớn hơn mật độ lỗ trồng. Ta gọi êlectron là hạt tải điện cơ bản hay đa số, lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số. Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn êlectron hay bán dan loai N ann e-.3: Tạp chất P tạo thêm êlectron tự do 3.Tiếp giáp P-N - Điôt tiếp mặt 3.Tiếp giáp P-N: Lớp chuyển tiếp P-N được hình thành khi ta cho hai mẫu bán dẫn khác loại, loại p và loại n, tiếp xúc với nhau (hình 3. Khi có tiếp xúc, lỗ trồng và êlectron khuếch tán từ mẫu p sang mẫu n và ngược lại.

Tuy nhiên do ở bán dẫn p, lỗ trống là hạt tải điện da sé, nên dòng khuếch tán từ bán dẫn p sang n chủ yếu là dòng lỗ trống. Lỗ trồng từ p sang n tái hợp với électron tự do. Do đó ở phía bán dẫn n gần mặt phân cách hai mẫu bán dẫn không còn hạt tải điện tự do nữa. Ở đó chỉ có các ion tạp chất mang điện dương.

Tương tự từ phía n sang phía p, dòng khuếch tán chủ yếu là êlectron. Phía p, gần mặt phân cách hai mẫu, có các ion tạp chất mang điện âm Kết quả của sự khuếch tán là ở mặt phân cách giữa hai mẫu bán dẫn, bên phía n có một lớp điện tích dương, bên phía bán dẫn p có một lớp điện tích âm.4: Lớp chuyển tiếp Tại đó suất hiện một điện trường trong # hướng từ n sang p, có tác dụng ngăn cản sự khuếch tán ở các hạt mang điện đa số (và thúc đây sự khuếch tán của các hạt tiêu số). Cường độ của điện trường Zz tăng dần làm dòng khuếch tán các hạt tải điện đa số giảm dần. Sự khuếch tán dừng lại khi cường độ điện trường này đạt giá trị ôn định.

Ta nói rằng ở chỗ tiếp xúc hai loai bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p - n. Lớp chuyền tiếp có điện trở lớn, vì ở đó hầu như không có hạt tải điện tự do.5: Lớp chuyển tiếp p-n mắc vào nguôn điện theo chiêu thuận * Dòng điện qua lớp chuyền tiếp p-n Ta mắc hai đầu của bán dẫn lớp chuyền tiếpp - n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương của nguồn nối với bản dẫn p, cuc 4m của nguồn nối với bán dẫn n như trên (hình 1.29: Lop chuyển t tiếp p-n mắc vào nguôn điện theo chiêu nguoc Dién trudng ngoai En do nguồn điện gây ra ngược chiều với điện trường Et cua lớp chuyển tiếp, làm yếu điện trường trong. Do đó dòng chuyển dời của các hạt tải điện đa số được tăng cường, gây nên dòng điên I có cường độ lớn chạy theo chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Đó là dòng điện thuận được gây nên bởi hiệu điện thế thuận của nguồn điện.

Dòng này tăng nhanh khi hiệu điện thế U tăng. Đây là trường hợp lớp chuyền tiếp p - n mắc theo chiều thuận, còn gọi là lớp chuyển tiếp p - n phân cực thuận. Như vậy, khi lớp chuyên tiếp được phân cực thuận, các hạt tải điện đa số ở hai phía đều đi đến lớp chuyền tiếp và vượt qua lớp này, gây nên sự phun lỗ trống vào bán dẫn loại n, và phun êlectron vào bán dẫn p.