CHƯƠNG 1: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Giới thiệu Sự ra đời các phần tử kích thước ngày càng nhỏ gọn, khả năng đóng cắt dòng điện và chịu điện áp cao ngày càng lớn với tổn hao công suất giảm đáng kể, ngày càng đáp ứng những yêu cầu phức tạp của các quy luật biến đổi năng lượng trong các bộ biến đổi. Bài này sẽ trang bị những kiến thức và kỹ năng sử dụng một số linh kiện điện tử công suất. Mục tiêu: - Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bịđiện điện tử. - Trình bày được cấu tạo các loại linh kiện điện tử công suất- Giải thích được nguyên lý làm việc các loại linh kiện.
- Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học, đảm bảoan toàn, tiết kiệm.Phân loại Căn cứ vào hoạt động các phần tử bán dẫn ta phân loại được linh kiện bán dẫn 2. Điốt Trình bầy được cấu tạo,nguyên lý hoạt động, đặc tính và các ứng dụng điển hình của điốt công suất.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2. Cấu tạo Cấu tạo và ký hiệu của điốt trên (hình 1-1) Anốt A P D N K Catôt b a Hình 1-1. Ký hiệu Điốt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp PN.
Điốt có 2 cực, anốt A là cực nối với lớp bán dẫn P, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu N. Nguyên lý hoạt động 8 Các điốt công suất được chế tạo để chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n - tiếp giáp với lớp p có cấu tạo giống như lớp n nhưng có ít các điện tử tự do hơn. Khi tiếp giáp pn - được đặt dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n- điện trở tương đương của điốt càng lớn và dòng điện sẽ không thể chạy qua.
Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích. Trường hợp này được gọi là điốt bị phân cực ngược. ( hình 1-2a) U -+ Vùng ít các điện tử tự do N N + P - + E - + U - Vùng nghèo điện tích Hình 1-2a.Đi ốt phân cực ngược Khi điện áp bên ngoài tạo ra điện trường có hướng ngược với điện trường trong E, vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài đủ lớn hơn U khoảng 0,65V, vùng nghèo điện tích sẽ thu hẹp đến bằng không và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc tinh thể của điốt.
Dòng điện chạy qua điốt lúc này sẽ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài và một phần điện trở trong điốt bao gồm điện trở của tinh thể bán dẫn do tiếp xúc giữa phần kim loại và bán dẫn. Trường hợp này được gọi là điốt bị phân cực thuận. ( hình 1-2b) U + - Các điện tích tự do được làm giàu thêm N + P P ++ - - n- n ++ 9 + - +E + +U - Hướng di chuyển của các điện tích Hình 1- 2b. Điốt bị phân cực thuận 2.
Khảo sát hoạt động điôt a. Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị - Mudun linh kiện chứa Điốt công suất. - Tải đèn - Dây có chốt cắm hai đầu. - Nguồn 12VDC - Máy hiện sóng.
Qui trình thực hiện. Đ Zt Zt Hình 1-3a Hình 1-3b - Cấp nguồn 12VDC, nối tải bóng đèn và điốt như (hình 1-3a). Quan sát hiện tượng ở đèn. Đo Uđèn và Uđiốt.
Nhận xét kết quả thu được - Cấp nguồn 12VDC, nối tải bóng đèn và điốt như (hình 1-3b). Quan sát hiện tượng ở đèn. Đo Uđèn và Uđiốt. Nhận xét kết quả thu được.
- Kết luận hoạt động của điốt 2. Đặc tính V - A của điốt Đặc tính gồm 2 phần, đó là đặc tính thuận và đặc tính ngược : - Đặc tính thuận nằm trong góc phần tư thứ nhất tương ứng với UAK > 0. - Đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ ba tương ứng U AK < 0. Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt – catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp UD.0 khoảng 0,6V đến 0,7V, gọi là điện áp rơi trên điốt theo chiều thuận.
Dòng qua điốt có thể có giá trị lớn nhưng điện áp 10 rơi trên điốt thì hầu như không thay đổi. Như vậy, đặc tính thuận của điốt đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ. Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất, khi đó dòng qua điốt chỉ có thể có giá trị rất nhỏ gọi là dòng rò, tức điốt cản trở dòng chạy theo chiều ngược. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điốt tăng đột ngột dẫn đến tính chất cản trở dòng điện ngược của điốt bị phá vỡ.
Quá trình này không có tính đảo ngược nghĩa là nếu ta giảm điện áp thì dòng điện cũng không giảm đi. Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng của điốt. Đặc tính V- A của điốt 1. Đặc tính thực tế 1.
Đặc tính tuyến tính hoá 2.Đặc tính đóng cắt của điốt Đặc tính đóng cắt tiêu biểu của một điốt được thể hiện trên (hình 1-5). U (t) t i(t) tr t di/dt 1 2 3 4 5 Vùng Qr Theo hình vẽ ta thấy: Hình1-5. Đặc tính đóng cắt của điốt -Điốt ở trạng thái khóa trong các khoảng thời gian (1) và (6) với điện áp phân cực ngược và dòng điện bằng không. 11 -Ở khoảng (2) điốt bắt đầu vào dẫn dòng.
-Trong khoảng (3) điốt hoàn toàn ở trạng thái dẫn. -Quá trình điốt bắt đầu ở khoảng (4). Ở cuối giai đoạn (4), tiếp giáp PN trở nên phân cực ngược và điốt có khả năng ngăn cản dòng điện. -Trong giai đoạn (5) tụ điện tương đương của tiếp giáp PN được nạp tiếp tục tới điện áp phân cực ngược.
Điện tích Qr là điện tích phục hồi. Thời gian tr giữa đầu giai đoạn (4) đến cuối giai đoạn (5) gọi là thời gian phục hồi.Các thông số cơ bản của điốt Khi sử dụng điốt ta cần quan tâm tới các thông số sau: - Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điốt theo chiều thuận, ID - Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điốt có thể chịu đựng được, Ung.max - Tần số -Thời gian phục hồi tr và điện tích phục hồi 3.TranzitoMục tiêu: Trình bầy được cấu tạo,nguyên lý hoạt động, đặc tính và các ứng dụng điển hình của Tranzito công suất.Cấu tạo a b Hình 1-6. Cấu trúc và ký hiệu của BJT Loại NPN b. Loại NPN Tranzito là phần tử bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn PNP ( gọi là bóng thuận ) hoặc NPN ( gọi là bóng ngược ) tạo nên hai tiếp giáp PN.
Các lớp PN giữa từng điện cực được gọi là lớp emitter J1 và lớp colecto J2. Mỗi lớp có thể được phân cực theo chiều thuận hoặc theo chiều ngược dưới tác dụng của điện thế ngoài. Tranzito có 3 cực: Bazơ ( B ), colectơ ( C ), emitơ ( E ). Cấu trúc và ký hiệu tranzito được thể hiện trên (hình 1-6).Nguyên lý hoạt động 3.
Nguyên lý ( Xét hoạt động loại NPN, loại PNP tương tự ) Nguyên lý hoạt động của tranzito công suất thường theo sơ đồ (hình 1-7) 12 C IC IB UCE B IE UBE E Hình 1-7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tranzito công suất Tranzito hoạt động ở 3 chế độ: - Chế độ tuyến tính ( chế độ khuếch đại ) - Chế độ khóa - Chế độ bão hòa Trong chế độ tuyến tính, hay còn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colecto IC bằng β lần dòng bazo ( dòng điện điều khiển ), trong đó β gọi là hệ số khuếch đại dòng điện. IB ( ở tranzito công suất β = 10 ÷ 100 ) Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một phần tử khóa. Khi mở dòng điều khiển phải thỏa mãn điều kiện: Ic Ic IB> β hay IB=kbh β Trong đó kbh = 1,2 ÷ 1,5 gọi là hệ số bão hòa.
Theo cấu trúc bán dẫn, tiếp giáp BE phân cực thuận và tiếp giáp BC phân cực ngược. Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ bão hòa với điện áp giữa colecto và emito rất nhỏ khoảng từ 1 đến 1,5 V, gọi là điện áp bão hòa UCE. Theo cấu trúc bán dẫn, ở chế độ này cả hai tiếp giáp BE và BC đều phân cực thuận. Ở chế độ khóa dòng điều khiển IB bằng không và dòng colecto gần bằng không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với tranzito.
Trong chế độ này tổn hao công suất trên tranzito bằng tích của dòng điện colecto với điện áp rơi trên colecto – emito sẽ có giá trị rất nhỏ. Theo cấu trúc bán dẫn, ở chế độ này cả hai tiếp giáp BE và BC đều bị phân cực ngược. Khảo sát hoạt động BJT a. Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị - Mudun linh kiện chứa Tranzito công suất - Tải đèn.
- Dây có chốt cắm hai đầu.- Khối nguồn AC, DC - Máy hiện sóng. Qui trình thực hiện. - Cấp nguồn cung cấp DC, nguồn vào AC và nối tải bóng đèn tại đầu ra. Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào.
Đo giá trị điện áp đầu ra. - Ngắt nguồn vào AC. Thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào. Đo giá trị điện áp đầu ra.
- Kết luận hoạt động của BJT 3. Đặc tính động của tranzito Đặc tính động của tranzito được chia thành 9 vùng ( hình 1-8 ) 1. Tranzito đang khóa 2. Thời gian trễ của tranzito khi mở.
Quá trình taeng dòng IC do sự tích lũy điện tích trong bazo. Chế độ làm việc bão hòa. Thời gian trễ khi khóa do mật độ điện tích lớn không giảm nhanh được. Dòng colecto giảm về không.
Tụ BE được nạp với – UBE đảm bảo cho tranzito được khóa. Tranzito khóa an toàn. Các thông số cơ bản của tranzito - Dòng điện định mức: IC ( tới 1000A ) 14 - Hệ số khuếch đại dòng điện: β - Dòng điện bazo: IB ( mA ) - Điện áp UCE ( trong khoảng 50V – 1500V ). Tranzito MOFET Mục tiêu: Trình bầy được cấu tạo,nguyên lý hoạt động, đặc tính và các ứng dụng điển hình của Tranzito MOFET công suất 4.Cấu tạo MOSFET có hai loại npn và pnp.
Trong đó: G : là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn SiO2.