Bài giảng môn Kỹ thuật điện tử (Trình độ: Cao đẳng) - Nguyễn Đức Lợi

trọng trong các mạch tạo dạng sóng và mạch định thời. 6.2.1 Cấu tạo và đặc tính của UJT: Hình sau đây mô tả cấu tạo đơn giản và ký hiệu của UJT Hình 6.1: cấu tạo và Ký hiệu của UJT Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 187 Một thanh bán dẫn pha tạp nhẹ loại N với hai lớp kim loại tiếp xúc ở hai đầu lớp N tạo thành hai cực nền B1 và B2. Mối nối P - Nđƣợc hình thành thƣờng là hợp chất của dây nhôm nhỏ đóng vai trò chất bán dẫn loại P. Vùng P này nằm cách vùng B1 khoảng 70% so với chiều dài của hai cực nền B1, B2. Dây nhôm đóng vai trò là cực phát. Hình sau đây trình bày cách áp dụng điện thế một chiều vào các cực của UJT để khảo sát các đặc tính của nó. Hình 6.2: Sơ đồ mạch phân cực tƣơng đƣơng của SCR Khi chƣa áp VEE vào cực phát E (cực phát E để hở) thanh bán dẫn là một điện trở với nguồn điện thế VBB, đƣợc ký hiệu RBB và gọi là điện trở liên nền (thƣờng có trị số từ 4 K đến 10 K). Từ mô hình tƣơng đƣơng ta thấy Diod đƣợc dùng để diễn tả mối nối P - Ngiữa vùng P và vùng N. Điện trở RB1 và RB2 diễn tả điện trở của thanh bán dẫn N RBB = RB1 + RB2 (khi IG = 0) Điện thế tại A: VA = RB1 /(RB1 + RB2) x VBB Khi cấp nguồn VEE vào cực phát và nền B1 (cực dƣơng nối về cực phát). Khi VEE=0V (nối cực phát E xuống mass), vì VA có điện thế dƣơng nên Diod đƣợc phân cực nghịch và ta chỉ có một dòng điện rỉ nhỏ chạy ra từ cực phát. Tăng VEE lớn dần, dòng điện IE bắt đầu tăng theo chiều dƣơng (dòng rỉ ngƣợc IE giảm dần, và triệt tiêu, sau đó dƣơng dần). Khi VE có trị số Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 188 VE=VD+VA VE=0,5V +  VB2B1 (ở đây VB2B1 = VBB) thì Diod phân cực thiận và bắt đầu dẫn điện mạnh. ( = RB1 /(RB1 + RB2) Điện thế VE=0,5V + VB2B1=VP đƣợc gọi là điện thế đỉnh (peak-point voltage) của UJT. Hình 6.3: Đồ thị V –A của UJT Khi P – N phân cực thuận, lỗ trống từ vùng phát khuếch tán vào vùng n- và di chuyển đến vùng nền B1, lúc đó lỗ trống cũng hút các điện tử từ mass lên. Vì độ dẫn điện của chất bán dẫn là một hàm số của mật độ điện tử di động nên điện trở RB1 giảm. Kết quả là lúc đó dòng IE tăng và điện thế VE giảm. Ta có một vùng điện trở âm. Khi IE tăng, RB1 giảm trong lúc RB2 ít bị ảnh hƣởng nên điện trở liên nền RBB giảm. Khi IE đủ lớn, điện trở liên nền RBB chủ yếu là RB2. Kết thúc vùng điện trở âm là vùng thung lũng, lúc đó dòng IE đủ lớn và RB1 quá nhỏ không giảm nữa (chú ý là dòng ra cực nền B1) gồm có dòng điện liên nền IB cộng với dòng phát IE ) nên VE không giảm mà bắt đầu tăng khi IE tăng. Vùng này đƣợc gọi là vùng bảo hòa. Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 189 Nhƣ vây ta nhận thấy: - Dòng đỉnh IP là dòng tối thiểu của cực phát E để đặt UJT hoạt động trong vùng điện trở âm. Dòng điện thung lũng IV là dòng điện tối đa của IE trong vùng điện trở âm. - Tƣơng tự, điện thế đỉnh VP là điện thế thung lũng VV là điện thế tối đa và tối thiểu của VEB1 đặt UJT trong vùng điện trở âm. Trong các ứng dụng của UJT, người ta cho UJT hoạt động trong vùng điện trở âm, muốn vậy, ta phải xác định điện trở RE để IP < IE < IV 6.2.2 Ứng dụng đơn giản của UJT:  Mạch dao động thƣ giãn (relaxation oscillator) Ngƣời ta thƣờng dùng UJT làm thành một mạch dao động tạo xung. Dạng mạch và trị số các linh kiện điển hình nhƣ sau: Hình 6.4 : mạch dao động dùng UJT và dạng sóng ngõ ra Khi cấp điện, tụ C1 bắt đầu nạp điện qua điện trở RE. (Diod phát-nền 1 bị phân cực nghịch, dòng điện phát IE xấp xỉ bằng không). Điện thế hai đầu tụ tăng dần, khi đến điện thế đỉnh VP, UJT bắt đều dẫn điện. Tụ C1 phóng nhanh qua UJT và điện trở R1. Điện thế hai đầu tụ (tức VE) giảm nhanh đến điện thế thung lũng VV. Đến đây UJT bắt đầu ngƣng và chu kỳ mới lập lại. Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 190  Dùng UJT tạo xung kích cho SCR Hình 6.5: Mạch tạo xung kích dùng UJT - Bán kỳ dƣơng nếu có xung đƣa vào cực cổng thì SCR dẫn điện. Bán kỳ âm SCR ngƣng. - Điều chỉnh góc dẫn của SCR bằng cách thay đổi tần số dao động của UJT. 6.3. Thyristor (SCR) 6.3.1 Đôi nét về Lịch sử SCR SCR (Silicon Control Rectifiers ) cũng nhƣ các thyristor, đều dựa trên công việc tại các phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ). Năm 1950, thyristor đƣợc đề xuất bởi William Shockley cùng một số ngƣời khác ở phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ). Ngƣời đứng đầu nghiên cứu là John Moll. Mục tiêu của ông là nhằm tạo ra một sự thay thế cho rơle mà không chuyển động hoặc không có bất kỳ bộ phận cơ khí nào khác, và cuối cùng đã hoàn thành trong năm 1954. Năm 1957, Silicon Control Rectifiers đã đƣợc công ty General Electric thƣơng mại hoá. Ngƣời đƣợc cho dành chiến thắng về SCR là Bill Gutzwiller. Ông bắt đầu làm việc cho General Electric vào tháng 1 năm 1955 trong vai trò kỹ thuật tại nhà máy sản xuất bộ chỉnh lƣu tại Clyde, nơi Ray York là giám đốc trang web. Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 191 Do công việc trƣớc đây của các phòng thí nghiệm Bell, General Electric đã không cấp bằng sáng chế cho SCR vì không có phát minh hoặc hồ sơ nào về các vấn đề pháp lý liên quan. 6.3.2 Cấu tạo và hoạt động SCR là một thiết bị bốn lớp bán dẫn với các vật liệu loại N và P ghép xen kẽ nhau tạo thành cấu trúc PNPN hoặc NPNP. Nó có ba thiết bị đầu cuối đƣợc gọi là anode (A), cathode (K) và cổng gate (G). Các cathode là tạp chất nặng nhất, các cổng và anode ít tạp chất hơn. Lớp N trung tâm không chỉ là lớp có nồng độ pha tạp thấp mà còn dày hơn các lớp khác nhằm để hỗ trợ chặn điện áp cao. SCR có ba mối nối là J1, J2 và J3. Anode đƣợc kết nối với vật liệu loại P của cấu trúc PNPN trong khi cathode đƣợc kết nối với vật liệu loại N. Cổng Gate đƣợc nối với vật liệu loại P gần cathode. Đây là những thiết bị đơn hƣớng và chỉ thực hiện theo một hƣớng. Đó là từ Anode đến Cathode. Việc kích hoạt SCR xảy ra khi cổng của nó nhận đƣợc điện áp dƣơng. SCR thƣờng đƣợc sử dụng trong việc chuyển đổi các ứng dụng nhƣ trình điều khiển relay, bộ sạc pin, v.v. Hình 6.6: cấu tạo của SCR Thyristor có ba trạng thái hoạt động cơ bản:  Khóa nghịch (Reverse blocking): Trong trạng thái này, thyristor ngăn chặn dòng điện theo cách tƣơng tự nhƣ của diode phân cực nghịch. Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 192  Khóa thuận (Forward blocking): Trong trạng thái này hoạt động thyristor là chặn dòng điện thuận, giống nhƣ một diode phân cực thuận.  Dẫn thuận (Forward conducting): Trong trạng thái này, thyristor đã đƣợc kích hoạt thành dẫn điện. Nó sẽ tiếp tục dẫn điện cho đến khi dòng điện thuận giảm xuống dƣới ngƣỡng giá trị giữa đƣợc gọi là dòng giữ (holding current) 6.3.3 Ký hiệu SCR và mạch tƣơng đƣơng Các ký hiệu của Bộ điều chỉnh Silicon nhƣ sau: Hình 6. 7: Cấu tạo và Ký hiệu của SCR Sơ đồ đơn giản của cấu trúc SCR với bốn lớp SCR có thể đƣợc coi là một mạch nhỏ bao gồm hai transistor (một PNP và một NPN) nhƣ hình dƣới Hình 6.8: Sơ đồ tƣơng đƣơng của SCR Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 193 Lớp P2 tạo thành cả bộ phát của Tr1 và chân đế của Tr2, trong khi lớp N1 tạo thành lớp nền Base của Tr1 và bộ thu của Tr2. 6.3.4 Ứng dụng của SCR Thyristors có thể đƣợc sử dụng để điều khiển tải AC hoặc DC và có thể đƣợc sử dụng để chuyển đổi các thiết bị có dòng thấp điện áp thấp cũng nhƣ dòng điện rất lớn ở điện áp (đƣờng dây). DC Power Switching Thyristor điều khiển tải DC, nhƣ động cơ DC nhỏ nhƣ hình dƣới. Hình 6.9: Mạch điều khiển động cơ dùng SCR Động cơ ở đây đƣợc kết nối với nguồn DC 12V qua thyristor BT151, nhƣng sẽ không chạy cho đến khi thyristor đƣợc thực hiện. Điều này đạt đƣợc bằng cách đóng công tắc 'khởi động' trong giây lát, cung cấp một xung dòng điện tới cực cổng G của thyristor. Động cơ giờ đây hoạt động khi thyristor bật và trở kháng của nó hiện rất thấp. Khi công tắc khởi động START trở về trạng thái mở bình thƣờng của nó, không còn bất kỳ cổng nào nhƣng thyristor tiếp tục tiến hành, và trong một mạch DC, dòng điện sẽ tiếp tục chảy và động cơ tiếp tục chạy. Bất kỳ Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 194 hoạt động nào khác của công tắc khởi động bây giờ đều không có hiệu lực. Bộ thyristor sẽ chỉ tắt nếu dòng điện giảm xuống giá trị dƣới ngƣỡng hiện tại đang giữ của thyristor. Điều này đạt đƣợc bằng cách tạm thời đóng công tắc 'dừng'. Dòng điện bây giờ chảy qua công tắc dừng thay vì thông qua thyristor và tắt ngay lập tức, vì dòng SCR hiện nay đƣợc giảm xuống nhỏ hơn giá trị hiện tại đang nắm giữ. Dừng động cơ cũng có thể đạt đƣợc bằng cách sử dụng công tắc thƣờng đóng trong bộ nối với thyristor, khi đƣợc nhấn, cũng sẽ tạm thời ngăn dòng điện chạy qua thyristor đủ lâu để thyristor tắt. Một hoạt động DC khác sử dụng thyristors là mạch 'Crowbar', đƣợc sử dụng nhƣ một thiết bị bảo vệ quá áp. Lỗi trong đƣờng cung cấp điện DC làm cho đầu ra tăng lên trên giá trị điện áp đƣợc chỉ định của nó, thì 'điện áp quá cao' này đƣợc cảm nhận và gây ra SCR thông thƣờng không đƣợc nối giữa đầu ra nguồn điện và mặt đất để bật ON rất nhanh. Điều này có thể có các hành động bảo vệ khác nhau, đơn giản nhất trong số đó nhƣ để “thổi” một cầu chì và do đó tắt nguồn hoàn toàn. Hình 6.10: mạch bảo vệ quá áp Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 195 đầu ra của nguồn 5V DC đƣợc điều chỉnh đƣợc cảm nhận bởi D1, một diode Zener 6.2V, cực dƣơng đƣợc giữ ở điện áp gần 0V bằng R1. Điện trở 100Ω này đảm bảo rằng nếu đƣờng cung cấp 5V tăng cao hơn giới hạn quy định, dòng điện đủ chảy qua diode Zener để cung cấp đủ dòng điện tại cổng SCR để bật SCR. Cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng SCR không đƣợc kích hoạt ngẫu nhiên bởi bất kỳ đột biến điện áp nhanh nào xuất hiện trên dòng 5V, ví dụ nhƣ các thiết bị chuyển mạch khác trong mạch đang đƣợc cung cấp. C1 do đó đƣợc kết nối giữa cổng và cực âm của SCR để giảm biên độ của bất kỳ xung nhiễu rất ngắn nào, miễn là chúng không tồn tại đủ dài để sạc C1 đến mức đủ cao để kích hoạt SCR. Thyristor thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạch điều khiển công suất AC nhƣ bộ điều chỉnh ánh sáng, điều khiển tốc độ động cơ AC, máy sƣởi vv, nơi điện áp đƣờng dây đƣợc sử dụng cho nhiều tải trọng, hoặc thƣờng là kilowatts. Mục đích của AC Control là kích hoạt SCR một phần thông qua mỗi chu kỳ AC để dòng tải thông qua SCR đƣợc tắt cho một phần của chu kỳ AC, do đó hạn chế dòng điện trung bình chảy qua SCR, và do đó công suất trung bình đƣợc phân phối để tải. Hình 6.11 : Mạch điều khiển công suất AC Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 196 cách đơn giản nhất để đạt đƣợc điều này đƣợc minh họa trong hình 6.11, nơi thyristor đƣợc bật bằng cách áp dụng sóng sin điện áp thấp (bắt nguồn từ đầu vào AC bởi một mạng điện trở đơn giản chứa một chiết áp biến) tới đầu cuối cổng của SCR. Lƣu ý rằng vì sóng đầu vào của cổng đƣợc bắt nguồn từ AC chảy qua SCR, nó sẽ chỉ bao gồm các xung sóng nửa đƣợc điều chỉnh. Hiệu ứng của sóng đầu vào này là SCR sẽ chuyển đổi chỉ khi dạng sóng cổng đạt tới điện thế bắn SCR, xảy ra một phần theo từng chu kỳ nửa dƣơng của sóng AC. Khi thyristor đƣợc bật, nó vẫn tiếp tục tiến hành cho đến khi sóng AC giảm xuống chỉ trên 0 volt, khi dòng điện chạy giữa cực dƣơng và cực âm giảm xuống một giá trị nhỏ hơn ngƣỡng 'đang giữ. Các thyristor sau đó vẫn còn trong trạng thái không dẫn điện trong chu kỳ nửa âm của sóng AC vì nó bây giờ ngƣợc lại thiên vị (ở chế độ chặn ngƣợc) trong phần còn lại của chu trình AC. Khi chu kỳ nửa tích cực tiếp theo bắt đầu thyristor vẫn còn trong trạng thái không dẫn điện cho đến khi dạng sóng kích hoạt tại đầu cuối cổng đạt tới khả năng bắn của nó một lần Hình 6.12 : Mạch điều chỉnh công suất tải AC Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 197 6.4. DIAC DIAC (DIode Alternating Current) là một công tắc bán dẫn hai hƣớng có thể đƣợc bật ở cả hai cực nghĩa là nó có thể dẫn điện đƣợc cả hai chiều. Diac đƣợc sử dụng nhƣ hai Diode zener mắc song song nhƣng ngƣợc chiều nhau. Cấu trúc và hoạt động của DIAC DIAC có thể đƣợc chế tạo gồm 3 hoặc 5 lớp bán dẫn với các đặc điểm: Về cơ bản, DIAC là một thiết bị hai đầu cuối, không có đầu cuối thuộc tầng nền (Base). Các lớp bán dẫn có mức doping và kích thƣớc tƣơng tự nhau Phiên bản ba lớp của thiết bị là phổ biến hơn và có thể có điện áp ngắt khoảng 30 V. Hoạt động gần nhƣ đối xứng do tính đối xứng của thiết bị. Hình 6.13: Cấu trúc và ký hiệu của DIAC Các diac có thể đƣợc thực hiện cho cả hai hƣớng. Vì thế ký hiệu của DIAC trông giống nhƣ một transistor Nguyên lý hoạt động Diac không có cực điều khiển nên đƣợc kích mở bằng cách nâng cao điện áp đặt vào hai cực. Khi điện áp 2 đầu đủ lớn thì Diac dẫn điện. Diac hoạt động nhƣ zener 2 chiều. Khi điện áp lớn hơn điện áp đánh thủng VBO,thì điện áp rơi trên Diac sẽ sụt giảm một khoảng ΔV. Giá trị VBO thƣờng vào khoảng từ 30 đến 40 volt Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 198 DIAC về cơ bản là một diode thực hiện sau khi điện áp 'break-over', VBO đƣợc chỉ định, bị vƣợt quá. Khi thiết bị vƣợt quá điện áp ngắt này, thiết bị sẽ đi vào vùng kháng động. Điều này dẫn đến giảm điện áp trên diode với điện áp tăng. Theo đó có sự gia tăng mạnh về mức độ hiện tại do thiết bị thực hiện. Các diode vẫn ở trạng thái dẫn của nó cho đến khi dòng điện qua nó rơi xuống dƣới mức đƣợc gọi là dòng điện đang giữ, thƣờng đƣợc chỉ định bởi các chữ cái IH. Dƣới dòng giữ, DIAC sẽ trở lại trạng thái kháng cao (không dẫn điện). Hành vi của nó là hai hƣớng và do đó hoạt động của nó xảy ra trên cả hai nửa của một chu kỳ xen kẽ. Ứng dụng ứng dụng chính của DIAC đƣợc sử dụng rộng rãi để giúp kích hoạt một TRIAC khi đƣợc sử dụng trong các công tắc AC, các ứng dụng dimmer và mạch khởi động cho đèn huỳnh quang Hình 6. 14 : Mạch tạo xung kích cho TRIAC điều khiển đèn Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 199 Hình 6. 15: Mạch đèn led nháy nguồn AC dùng DIAC Một số loại DIAC nhƣ sau BR100-03: đóng gói DO-35; Hãng sản xuất Philips/NXP DB3, DB3TG, DB4, D30, ER900: đóng gói DO-35; Hãng sản xuất ST DB3A, DB3B: đóng gói DO-35; Hãng sản xuất Taitron SMDB3: SOT-23 gói; Hãng sản xuất ST NTE6407, NTE6408: đóng gói DO-35; Hãng sản xuất NTE NTE6411, NTE6412: đóng gói DO-35; Hãng sản xuất NTE TMMDB3, TMMDB3TG: đóng gói Minimelf; Hãng sản xuất ST Hình 6.16 : Hình ảnh của Diac DB3 Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 200 6.5. TRIAC 6.5.1 Giới thiệu Tên TRIAC xuất phát từ các từ “TRIode for Alternating Current”. TRIAC đƣợc phát hiện vào thời điểm SCR đƣợc phát hiện do đó hai yếu tố đó có cùng một lịch sử. Triac thực sự bao gồm hai SCR khác nhau đƣợc kết nối song song theo hƣớng ngƣợc lại. Tên chính thức của TRIAC là thyristor triode hai chiều. Bản thân tên chỉ ra rằng một TRIAC có thể cho phép dòng điện chạy trong phạm vi nó dẫn theo bất kỳ hƣớng nào. Điều này làm cho TRIAC phù hợp hơn SCR khi cần điều khiển điện áp AC. 6.5.2 Cấu tạo và Ký hiệu điện tử của TRIAC: TRIAC đƣợc cấu tạo bởi năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc P - N-P - N, nó là một thiết bị có 3 đầu cuối với một thiết bị đầu cuối chính 1 (MT1), thiết bị đầu cuối chính 2 (MT2) và một cổng G. Các đầu cuối MT1 và MT2 đƣợc sử dụng để kết nối các dây P (Phase) và dây trung tính N (Neutral) trong khi cực cổng G (Gate) đƣợc sử dụng để nhận xung kích hoạt (trigger). Cổng có thể đƣợc kích hoạt bằng điện áp dƣơng hoặc điện áp âm. Khi thiết bị đầu cuối MT2 nhận đƣợc điện áp dƣơng đối với thiết bị đầu cuối MT1 và Cổng đƣợc kích hoạt dƣơng, thì SCR còn lại của bộ kích hoạt TRIAC và mạch hoàn thành. Nhƣng nếu cực của điện áp tại các thiết bị đầu cuối MT2 và MT1 đƣợc đảo ngƣợc và một xung âm đƣợc áp dụng cho Cổng, thì đúng SCR của Triac tiến hành. Khi dòng điện cổng G đƣợc loại bỏ, TRIAC sẽ tắt. Vì vậy, một dòng điện giữ tối thiểu Ih (minimum holding current) phải đƣợc duy trì tại cổng G để TRIAC giữ trạng thái hoạt động. Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 201 Hình 6.17: cấu trúc, hình dáng và ký hiệu của Triac + Chân G (Gate) là chân cổng dùng kích mở cho Triac + Chân T1 (A1, B1, MT1..) là chân Anod 1. + Chân T2 (A2, B2, MT2..) là chân Anod 2. Ngoài thực tế triac đƣợc đóng vỏ rất nhiều hình dạng khác nhau nhƣng phổ biến là kiểu đóng vỏ : TO-220AB, RD91, TOP3, D2AK, TOP3... 6.5.3 Mạch tƣơng đƣơng của một TRIAC và hoạt động TRIAC tƣơng đƣơng với hai SCR đƣợc kết nối song song nghịch với các cổng đƣợc nối với nhau. Kết quả là, TRIAC hoạt động nhƣ một công tắc hai chiều để truyền dòng điện theo cả hai hƣớng khi cổng đƣợc kích hoạt. Hình 6.18: mạch tƣơng đƣơng của Triac Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 202 Lý thuyết vận hành cho một TRIAC dựa trên lý thuyết hoạt động của một triode SCR. Sự khác biệt giữa hai linh kiện đó là: - TRIAC không có phân cực thuận hoặc ngƣợc vì TRIAC không có chân Anode hoặc chân Cathode để phân cực thuận hoặc ngƣợc cho phép dòng điện chạy trong thiết bị. - Khi có một xung đƣợc áp cho cổng G của TRIAC, nó sẽ trở nên dẫn điện và cho phép dòng điện chạy từ cực này sang cực kia bất kể phân cực là gì. - TRIAC có thể trở thành dẫn điện với cả hai xung dƣơng hoặc xung âm. Nhƣ đã đề cập ở phần trƣớc đó, nó không có cực và do đó sự phân cực trên cổng là không liên quan. Nó chỉ cần lớn hơn ngƣỡng điện áp ngƣỡng của cổng (the gate threshold voltage) để bật TRIAC. - TRIAC đƣa về thành trạng thái không dẫn điện chỉ khi chênh lệch điện áp giữa đầu cực là zero volt (0V). Vì nó đã đƣợc biết đến từ lý thuyết vận hành cho SCR, SCR sẽ đi vào trạng thái không dẫn điện khi chênh lệch điện áp giữa cực dƣơng và cực âm của SCR bằng hoặc nhỏ hơn 0 volt. TRIACs tắt (không dẫn điện) chỉ khi điện áp giữa hai đầu T1,T2 là zero volt 6.5.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt động của TRIAC Không giống nhƣ SCR, TRIACS yêu cầu tối ƣu hóa thích hợp cho hoạt động đúng đắn của nó. Triacs có nhƣợc điểm vốn có nhƣ hiệu ứng Rate, hiệu ứng Backlash. Vì vậy, thiết kế mạch dựa trên Triac cần đƣợc lƣu ý thích hợp. Hiệu ứng Rate Có một điện dung bên trong tồn tại giữa các đầu cuối MT1 và MT2 của Triac. Nếu thiết bị đầu cuối MT1 đƣợc cung cấp với điện áp tăng mạnh, thì nó sẽ dẫn đến việc ngắt điện áp cổng. Điều này kích hoạt Triac một cách không Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 203 cần thiết. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng Rate. Hiệu ứng Rate thƣờng xảy ra do Transients trong nguồn điện chính và cũng do dòng inrush cao khi tải cảm ứng nặng bật lên. Điều này có thể đƣợc giảm xuống bằng cách kết nối mạng R-C giữa các đầu cuối MT1 và MT2. Hình 6.19: Mạch ứng dụng Triac hạn chế hiệu ứng Rate Hai linh kiện R1 và C1 trong mạch nhằm ngăn chặn các xung điện áp. Hiệu ứng Backlash Mạch điều khiển đèn hoặc điều khiển tốc độ bằng cách sử dụng một biến trở để điều khiển dòng điện. Khi xoay biến trở tăng điện trở lên tối đa thì độ sáng của đèn giảm xuống mức tối thiểu. Khi quay trở lại, đèn không bao giờ bật cho đến khi điện trở của biến trở xuống mức tối thiểu. Lý do cho việc này là việc xả tụ điện trong Triac. Mạch dimmer đèn sử dụng Diac để kích hoạt xung đến cổng. Vì vậy, khi tụ điện bên trong Triac xả qua Diac, hiệu ứng Lash sẽ xảy ra. Điều này có thể đƣợc sửa chữa bằng cách sử dụng một Resistor nối tiếp với Diac hoặc bằng cách thêm một tụ điện giữa Gate và thiết bị đầu cuối MT1 của Triac. Hình 6.20: Mạch điều khiển đèn dùng tụ hạn chế hiệu ứng lash Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 204 Tụ C2 dùng hạn chế các xung nẩy của nguồn điện áp 6.5.5 Kích hoạt và kiểm tra TRIAC (Triggering & Testing ) Kích hoạt cho Triac Thông thƣờng TRIAC có thể có 4 chế độ kích hoạt: 1. Một điện áp dƣơng tại MT2 và một xung dƣơng tại cổng 2. Điện áp dƣơng tại MT2 và xung âm tại cổng 3. Điện áp âm tại MT2 và xung dƣơng tại cổng 4. Điện áp âm tại MT2 và xung âm tại cổng Kiểm tra Triac bằng VOM Chuẩn bị: Đồng hồ VOM kim để ở thang đo điện trở X1 để có dòng phát ra là lớn nhất. Lƣu ý que đen nối cực dƣơng và que đỏ nối cực âm của nguồn Step 1 : Đặt que đen vào chân T1 (có khi gọi là A1, B1, MT1) và que đỏ vào T2 (A2,B2, MT2) khi đó xảy ra 2 trƣờng hợp: Nếu kim VOM dịch lên  kết luận Triac hỏng (do bị đánh thủng) Nếu kim VOM không lên  Chƣa kết luận đƣợc, nên ta tiếp tục thực hiện Vẫn giữ nguyên que đo và kích điện áp cho chân G từ que đen (có thể chập que đo hoặc dùng dây nối) khi đó kim VOM dịch chuyển sau đó không kích cho chân G nữa mà kim đồng hồ VOM vẫn giữ nguyên => Triac còn tốt. Nếu bỏ kích chân G ra mà kim VOM trở về lại vị trí vô cùng => Triac hỏng. Step 2 : Đổi vị trí hai que đo và làm lại nhƣ step 1. Kết quả nhận định tƣơng tự nhƣ trên Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 205 6.5.6 Ứng dụng: TRIAC là thiết bị bán dẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển công suất và chuyển mạch. Nó tìm thấy các ứng dụng trong chuyển mạch, điều khiển pha, thiết kế chopper, kiểm soát độ sáng trong đèn, điều khiển tốc độ trong quạt, động cơ, và trong các mạch điều khiển máy vi tính hiện đại của nhiều thiết bị gia dụng nhỏ và lớn. Chúng có thể đƣợc sử dụng cả trong các mạch AC và DC nhƣng thiết kế ban đầu là thay thế việc sử dụng hai SCR trong mạch AC. vv. Hệ thống điều khiển công suất đƣợc thiết kế để điều khiển mức phân phối của AC hoặc DC. Các hệ thống điều khiển công suất nhƣ vậy có thể đƣợc sử dụng để chuyển nguồn sang các thiết bị thủ công hoặc khi nhiệt độ hoặc mức ánh sáng vƣợt quá mức đặt trƣớc. Tuy nhiên, TRIACS có thể không bật (turn on) đáng tin cậy với các tải không điện trở (non-resistive loads), vì do sự lệch pha, dòng điện giữ có thể không đạt đƣợc tại thời điểm kích hoạt. Do đó, một xung kích đƣợc gửi đến cổng cho đến khi tải đƣợc bật. Bởi vì thực tế rằng dòng điện cổng không cần phải duy trì trong suốt toàn bộ góc dẫn, dòng điện có thể đƣợc giới hạn đáng kể và đây là một lợi ích khi khả năng lái xe là hẹp. Hình 6.21: Mạch điều khiển độ sáng của đèn (AC Light Dimmer) Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 206 Hình 6.22: Sơ đồ linh kiện mạch điều khiển độ sáng đèn Chƣơng 6: LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 207 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1 : Trình bày cấu tạo và ký hiệu của Diac Câu 2: Trình bày cấu tạo và ký hiệu của SCR Câu 3: Trình bày cấu tạo và ký hiệu của UJT Câu 4: trình bày các ứng dụng của SCR Câu 5: Trình bày cấu tạo và ký hiệu của TRIAC Câu 6: Sơ đồ tƣơng đƣơng của DIAC Câu 7: Trình bày và giải thích nguyên lý hoạt động của mạch sau: Câu 8: Trình bày và phân tích mạch tƣơng đƣơng của TRIAC Câu 9: Liệt kê tên các linh kiện TRIAC Câu 10: Vẽ mạch và thi công mạch chỉnh độ sáng của đèn dùng TRIAC Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 208 Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 1. Mục tiêu + Phát biểu đƣợc khái niệm của các loại linh kiện quang điện tử: LED, Photo Diode, LED 7 đoạn, Quang trở, TST quang, Opto + Trình bày cấu tạo của các loại linh kiện quang điện tử. + Ứng dụng các loại linh kiện quang điện tử trong thực tế. 2. Nội dung chính 2.1. Khái niệm 2.2. Diode phát quang 2.3. LED bảy đoạn 2.4. Điện trở quang 2.5. Diode quang (Photodiode) 2.6. Transitor quang (PhotoTransitor) 2.7. Các bộ ghép quang (Opto – Couplers) Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 209 7.1. Khái niệm Ánh sáng là gì? Trƣớc khi đi vào cách thức hoạt động của đèn LED, trƣớc tiên hãy xem xét sơ lƣợc về ánh sáng. Từ thời xa xƣa, con ngƣời đã thu đƣợc ánh sáng từ nhiều nguồn khác nhau nhƣ tia sáng mặt trời, nến và đèn. Năm 1879, Thomas Edison phát minh ra bóng đèn sợi đốt. Trong bóng đèn, dòng điện chạy qua sợi dây bên trong bóng đèn. Khi đủ dòng điện đƣợc truyền qua dây tóc, nó sẽ bị nóng lên và phát ra ánh sáng. Ánh sáng phát ra từ dây tóc là kết quả của năng lƣợng điện đƣợc chuyển thành năng lƣợng nhiệt, từ đó biến thành năng lƣợng ánh sáng. Không giống nhƣ bóng đèn trong đó năng lƣợng điện đầu tiên chuyển thành năng lƣợng nhiệt, năng lƣợng điện cũng có thể đƣợc chuyển đổi trực tiếp thành năng lƣợng ánh sáng. Trong các Diode phát sáng (LED), năng lƣợng điện chảy qua nó đƣợc chuyển trực tiếp thành năng lƣợng ánh sáng. Ánh sáng là một loại năng lƣợng có thể đƣợc giải phóng bởi một nguyên tử. Ánh sáng đƣợc tạo thành từ nhiều hạt nhỏ gọi là photon. Photon có năng lƣợng và động lƣợng nhƣng không có khối lƣợng. Nguyên tử là các khối xây dựng cơ bản của vật chất. Mọi vật thể trong vũ trụ đều đƣợc tạo thành từ các nguyên tử. Các nguyên tử đƣợc tạo thành từ các hạt nhỏ nhƣ electron, proton và neutron. Các electron đƣợc tích điện âm, các proton đƣợc tích điện dƣơng và các neutron không có điện tích. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 210 Lực hấp dẫn giữa các proton và neutron khiến chúng dính vào nhau để hình thành hạt nhân. Neutron không mất phí. Do đó, tổng điện tích của hạt nhân là dƣơng tính. Các electron tích điện âm luôn xoay quanh hạt nhân tích điện dƣơng vì lực hút tĩnh điện giữa chúng. Các electron xoay quanh hạt nhân trong các quỹ đạo hoặc vỏ khác nhau. Mỗi quỹ đạo có mức năng lƣợng khác nhau. Hình 7.1 Biểu diễn quỹ đạo mức năng lƣợng Ví dụ, các electron quay quanh rất gần hạt nhân có năng lƣợng thấp trong khi các electron quay quanh xa hạt nhân có năng lƣợng cao. Các electron ở mức năng lƣợng thấp hơn cần thêm một số năng lƣợng để nhảy vào mức năng lƣợng cao hơn. Năng lƣợng bổ sung này có thể đƣợc cung cấp bởi nguồn bên ngoài. Khi các electron quay quanh hạt nhân thu năng lƣợng từ nguồn bên ngoài, chúng nhảy vào quỹ đạo cao hơn hoặc mức năng lƣợng cao hơn. Các electron ở mức năng lƣợng cao hơn sẽ không ở trong thời gian dài. Sau một thời gian ngắn, các electron rơi trở lại mức năng lƣợng thấp hơn. Các Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 211 electron nhảy từ mức năng lƣợng cao hơn đến mức năng lƣợng thấp hơn sẽ giải phóng năng lƣợng dƣới dạng photon hoặc ánh sáng. Trong một số vật liệu, năng lƣợng bị mất này đƣợc giải phóng chủ yếu ở dạng nhiệt. Điện tử mất năng lƣợng lớn hơn sẽ giải phóng một photon năng lƣợng lớn hơn. 7.2. Diode phát quang, Light Emitting Diode (LED) Diode phát sáng (LED) là các Diode bán dẫn đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong số tất cả các loại Diode bán dẫn khác nhau hiện có. Diode phát sáng phát ra ánh sáng nhìn thấy đƣợc hoặc ánh sáng hồng ngoại vô hình khi mối nối đƣợc phân cực thuận. Các đèn LED phát ra ánh sáng hồng ngoại vô hình đƣợc sử dụng cho điều khiển từ xa. Một Diode phát sáng (LED) là một thiết bị bán dẫn quang phát ra ánh sáng khi điện áp đƣợc áp dụng. Nói cách khác, LED là một thiết bị bán dẫn quang học chuyển đổi năng lƣợng điện thành năng lƣợng ánh sáng. Khi Light Emitting Diode (LED) phân cực thuận, các electron tự do trong băng dẫn sẽ kết hợp lại với các lỗ trong dải hóa trị và giải phóng năng lƣợng dƣới dạng ánh sáng. Quá trình phát ra ánh sáng để phản ứng với dòng điện mạnh hoặc dòng điện đƣợc gọi là phát quang điện. Một diode mối nối P- N bình thƣờng cho phép dòng điện chỉ theo một hƣớng. Nó cho phép dòng điện chạy qua khi Phân cực thuận và không cho phép dòng điện qua khi phân cực nghịch. Do đó, diode chỉnh lƣu bình thƣờng chỉ hoạt động trong điều kiện phân cực thuận. Việc xây dựng đèn LED tƣơng tự nhƣ diode chỉnh lƣu bình thƣờng, ngoại trừ gallium, phốt pho và vật liệu asen đƣợc sử dụng để chế tạo cho LED thay vì vật liệu silicon hoặc germanium. Do silicon hoặc germanium không Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 212 phát ra năng lƣợng dƣới dạng ánh sáng. Thay vào đó, chúng phát ra năng lƣợng dƣới dạng nhiệt. Nên silicon hoặc germanium không đƣợc sử dụng để chế tạo đèn LED. Làm thế nào Light Emitting Diode (LED) hoạt động? Light Emitting Diode (LED) chỉ hoạt động trong điều kiện phân cực thuận. Khi đó các electron tự do từ phía N và các lỗ từ phía P đƣợc chạy qua mối nối. Khi các electron tự do đến đƣợc vùng tiếp giáp hoặc vùng suy giảm, một số electron tự do kết hợp lại với các lỗ trong các ion dƣơng. Chúng ta biết rằng các ion dƣơng có ít electron hơn proton. Do đó, chúng sẵn sàng chấp nhận các electron. Do đó, các electron tự do tái kết hợp với các lỗ trong vùng suy giảm. Theo cách tƣơng tự, các lỗ từ phía p tái kết hợp với các electron trong vùng suy giảm. Hình 7. 2: Cấu tạo của Led Các electron tự do trong dải dẫn điện giải phóng năng lƣợng dƣới dạng ánh sáng trƣớc khi chúng tái kết hợp với các lỗ trong dải hóa trị. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 213 Trong Diode chế tạo bằng silicon hoặc germanium, phần lớn năng lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng nhiệt và ánh sáng phát ra quá nhỏ. Tuy nhiên, trong các vật liệu nhƣ gallium arsenide và gallium photphua các photon phát ra có đủ năng lƣợng để tạo ra ánh sáng khả kiến. Ký hiệu diode phát sáng (LED) Đèn LED có ký hiệu tƣơng tự nhƣ diode chỉnh lƣu thông thƣờng ngoại trừ nó có mũi tên hƣớng ra diode cho biết ánh sáng đƣợc phát ra bởi diode. Hình 7.3: Ký hiệu của Diode Đèn LED có nhiều màu khác nhau. Màu sắc phổ biến nhất của đèn LED là cam, vàng, xanh lá cây và đỏ, không thể xác định màu của đèn LED bằng cách nhìn thấy biểu tƣợng ký hiệu của đèn LED. Cấu tạo LED Một trong những phƣơng pháp đƣợc sử dụng để chế tạo đèn LED là đặt ba lớp bán dẫn trên đế. Ba lớp bán dẫn lắng đọng trên chất nền là chất bán dẫn loại n, chất bán dẫn loại p và vùng hoạt động. Vùng hoạt động có mặt ở giữa các lớp bán dẫn loại n và loại p. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 214 Phân cực cho LED Mức điện áp chuyển tiếp an toàn của hầu hết các đèn LED là từ 1V đến 3 V và mức dòng điện chuyển tiếp là từ 100 mA đến 200 mA. Nếu điện áp đƣợc áp dụng cho đèn LED nằm trong khoảng từ 1V đến 3V, đèn LED hoạt động hoàn hảo vì điện áp nằm trong dải vận hành. Tuy nhiên, nếu điện áp đƣợc áp dụng cho đèn LED đƣợc tăng lên một giá trị lớn hơn 3volt, vùng suy giảm trong LED bị phá vỡ và dòng điện đột nhiên tăng lên. Sự gia tăng đột ngột này có thể phá hủy thiết bị. Để tránh điều này, chúng ta cần phải đặt một điện trở (Rs) nối tiếp với đèn LED. Điện trở (Rs) phải đƣợc đặt ở giữa nguồn điện áp (Vs) và đèn LED. Hình 7.4: Mạch bảo vệ Led Điện trở đặt giữa LED và nguồn điện áp đƣợc gọi là điện trở giới hạn dòng điện. Điện trở này hạn chế thêm dòng điện có thể phá hủy đèn LED. Do đó, điện trở giới hạn hiện tại bảo vệ LED khỏi hƣ hỏng. Dòng điện chạy qua đèn LED đƣợc viết bằng toán học Trong đó: Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 215 IF = Dòng điện lam việc của Led VS = Nguồn điện áp VD = Điện áp rơi trên LED RS = Điện trở hạn dòng bảo vệ Led Điện áp rơi (Voltage drop) là lƣợng điện áp bị lãng phí để vƣợt qua hàng rào khu vực cạn kiệt. Điện áp của đèn LED là 2 đến 3V. Do đó, để vận hành đèn LED, chúng ta cần phải áp dụng điện áp lớn hơn Diode silicon hoặc Diode germanium. Đèn LED chủ yếu đƣợc phân loại thành hai loại: đèn LED hiển thị (Visible LEDs) và đèn LED vô hình. (invisible LEDs) LED hiển thị là loại đèn LED phát ra ánh sáng khả kiến. Các đèn LED này chủ yếu đƣợc sử dụng để hiển thị hoặc chiếu sáng nơi đèn LED đƣợc sử dụng riêng lẻ mà không có máy quang. Đèn LED vô hình là loại đèn LED phát ra ánh sáng vô hình (ánh sáng hồng ngoại). Các đèn LED này chủ yếu đƣợc sử dụng với các bộ phận quang nhƣ photodiodes. Điều gì quyết định màu sắc của một đèn LED? What determines the color of an LED? Vật liệu đƣợc sử dụng để xây dựng đèn LED xác định màu sắc của nó. Nói cách khác, bƣớc sóng hoặc màu của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào khoảng cách bị cấm hoặc khoảng cách năng lƣợng của vật liệu. Các vật liệu khác nhau phát ra các màu khác nhau của ánh sáng. - Đèn LED gallium arsenide phát ra ánh sáng đỏ và hồng ngoại. - Đèn LED gallium nitride phát ra ánh sáng xanh dƣơng. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 216 - Đèn LED garnet nhôm Yttrium phát ra ánh sáng trắng. - Đèn LED phosphium phosphide phát ra ánh sáng đỏ, vàng và xanh lục. - Đèn LED nhôm gallium nitride phát ra ánh sáng cực tím. - Đèn LED nhôm gallium phosphide phát ra ánh sáng xanh. Ƣu điểm của đèn LED Độ sáng của ánh sáng phát ra từ đèn LED phụ thuộc vào dòng điện chạy qua đèn LED. Do đó, độ sáng của đèn LED có thể đƣợc điều khiển dễ dàng bằng cách thay đổi dòng điện. Điều này làm cho có thể vận hành màn hình LED trong điều kiện ánh sáng xung quanh khác nhau. - Diode phát sáng tiêu thụ năng lƣợng thấp. - Đèn LED rất rẻ và có sẵn. - Đèn LED có trọng lƣợng nhẹ. - Kích thƣớc nhỏ hơn. - Đèn LED có tuổi thọ dài hơn. - Đèn LED hoạt động rất nhanh. Họ có thể đƣợc bật và tắt trong thời gian rất ít. - Đèn LED không chứa vật liệu độc hại nhƣ thủy ngân đƣợc sử dụng trong đèn huỳnh quang. - Đèn LED có thể phát ra các màu khác nhau của ánh sáng. Nhƣợc điểm của đèn LED Đèn LED cần nhiều năng lƣợng hơn để hoạt động so với Diode P – N. - Hiệu quả phát sáng của đèn LED thấp. Các ứng dụng của đèn LED Các ứng dụng khác nhau của đèn LED nhƣ sau Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 217 - Hệ thống báo động chống trộm - Máy tính - Điện thoại hình ảnh - Tín hiệu giao thông - Máy tính kỹ thuật số - Vạn năng - Bộ vi xử lý - Đồng hồ kỹ thuật số - Đèn nhiệt ô tô - Máy ảnh nhấp nháy - Chiếu sáng hàng không 7.3. LED bảy đoạn (7-segment Display) Diode phát sáng có nhiều ƣu điểm so với bóng đèn truyền thống, với những kích thƣớc nhỏ, tuổi thọ dài, màu sắc khác nhau, giá rẻ và sẵn có, cũng nhƣ dễ dàng kết nối với các linh kiện điện tử và mạch kỹ thuật số khác. Nhƣng lợi thế chính của điốt phát sáng là vì kích thƣớc nhỏ và có thể đƣợc kết nối với nhau trong một gói nhỏ gọn là Led 7 đoạn (7-segment Display). Led 7 đoạn bao gồm bảy đèn LED đƣợc sắp xếp theo kiểu hình chữ nhật nhƣ đƣợc hiển thị. Một đèn LED đƣợc gọi là một phân đoạn. Một đèn LED thứ 8 gọi là DP đôi khi đƣợc bổ sung trong cùng một gói, nó cho phép chỉ báo dấu thập phân (decimal point) khi hai hoặc nhiều Led 7 đoạn đƣợc kết nối với nhau để hiển thị số lớn hơn mƣời. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 218 Hình 7. 5 : Hình dạng của Led 7 đoạn Mỗi phân đoạn trong LED 7 đoạn trong màn hình đƣa ra chân ló ra khỏi gói nhựa hình chữ nhật. Các chân LED riêng lẻ này đƣợc dán nhãn từ A đến G đại diện cho từng đèn LED riêng lẻ. Các chân của các đèn LED khác nhau đƣợc kết nối với nhau tạo ra chân chung. Bằng cách phân cực thích hợp các đoạn LED theo một thứ tự cụ thể, một số phân đoạn sẽ sáng và các đoạn khác sẽ tối cho phép mẫu ký tự mong muốn của số đƣợc tạo trên màn hình. Điều này giúp hiển thị mỗi mƣời chữ số thập phân từ 0 đến 9 trên cùng một màn hình 7 đoạn Chân chung các Led thƣờng đƣợc sử dụng để xác định loại Led 7 đoạn. Vì mỗi đèn LED có một chân đƣợc gọi là “Anode” và một chân đƣợc gọi là “Cathode”, do đó có hai loại LED 7 đoạn đƣợc gọi là: Cathode chung (CC) và Anode chung (CA). Sự khác biệt giữa loại này, nhƣ tên gọi của chúng, cathode chung có tất cả các cực âm của 7 phân đoạn kết nối trực tiếp với nhau và Anode chung có tất cả các cực dƣơng của 7 phân đoạn đƣợc kết nối với nhau và đƣợc chiếu sáng nhƣ sau Cathode chung (Common Cathode) Trong màn hình cathode chung, tất cả các catốt của các đoạn LED đƣợc nối với nhau thành logic “0” hoặc nối đất (Ground). Các phân đoạn riêng lẻ đƣợc chiếu sáng bằng cách áp dụng tín hiệu “CAO” hoặc logic “1” thông qua một điện trở hạn dòng để bảo vệ Led Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 219 Hình 7.6 : Sơ đồ chân Led 7 đoạn cathode chung Anode chung (Common Anode) Anode chung (CA) - Trong màn hình anode chung, tất cả các kết nối anode của các phân đoạn LED đƣợc nối với nhau thành logic “1”. Các phân đoạn riêng lẻ đƣợc chiếu sáng bằng cách áp dụng một tín hiệu GND, logic “0” hoặc “LOW” thông qua một điện trở hạn dòng bảo vệ các phân đoạn Hình 7.7 : Sơ đồ chân Led 7 đoạn cathode chung Nói chung, Led 7 đoạn anode chung phổ biến hơn Led 7 đoạn Cathode chung. Hai loại này không đổi qua lại cho nhau trong mạch điện tử. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 220 Tùy thuộc vào chữ số thập phân đƣợc hiển thị, bộ đèn LED cụ thể đƣợc phân cực thuận. Ví dụ, để hiển thị chữ số 0, chúng ta sẽ cần chiếu sáng sáu phân đoạn LED tƣơng ứng với a, b, c, d, e và f. Do đó, các chữ số khác nhau từ 0 đến 9 có thể đƣợc hiển thị bằng cách sử dụng màn hình 7 đoạn nhƣ đƣợc hiển thị. Hình 7.8 : Hiển thị số thập phân của Led 7 đoạn Với màn hình 7 phân đoạn, chúng ta có thể tạo ra một bảng chân lý cho các phân đoạn riêng lẻ cần đƣợc chiếu sáng để tạo ra các chữ số thập phân bắt buộc từ 0 đến 9 nhƣ hình dƣới đây. Sô thập phân Phân đoạn riêng lẻ đƣợc chiếu sáng A B C D E F G 0 × × × × × × 1 × × 2 × × × × × 3 × × × × × 4 × × × × 5 × × × × × Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 221 6 × × × × × × 7 × × × 8 × × × × × × × 9 × × × × × Điện áp rơi khi phân cực thuận một phân đoạn LED màu đỏ rất thấp ở khoảng 2 đến 2,2 volt, (đèn LED màu xanh dƣơng và trắng có thể cao tới 3,6 volt) để chiếu sáng chính xác, các đoạn LED phải đƣợc kết nối với nguồn điện áp t vƣợt quá giá trị điện áp này với một điện trở nối tiếp đƣợc sử dụng để giới hạn dòng điện. Điển hình cho màn hình 7 đoạn màu đỏ tiêu chuẩn, mỗi đoạn LED có khoảng 15 mA để chiếu sáng chính xác, vì vậy trên mạch logic kỹ thuật số 5 volt, giá trị của điện trở giới hạn hiện tại sẽ là khoảng 200Ω (5v - 2v) / 15mA hoặc 220Ω đến giá trị ƣu tiên cao hơn gần nhất. Vì vậy, để hiểu làm thế nào các phân đoạn của màn hình đƣợc kết nối với một điện trở hạn dòng, xem xét các mạch dƣới đây. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 222 Hình 7.9: mạch đếm lên / xuống dùng led 7 đoạn cathode chung Hình 7.10: Mạch giải mã BCD sang Led 7 đoạn Anode chung Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 223 7.4. Điện trở quang Điện trở quang hay còn gọi là quang trở, nó là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi theo ánh sáng chiếu vào (Light-dependent resistor) Quang trở làm bằng chất bán dẫn có trở kháng cao đƣợc phủ lên một lớp đế cách điện. chất bán dẫn thƣờng dùng là: - Sunfua cadmi (CdS) và selenua cadmi (CdSe), nhƣng tại châu Âu đang cấm dùng cadmi. - Sunfua chì (PbS) và indi antimonit (InSb) đƣợc sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại. - Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, đƣợc sử dụng trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại. Khi không đƣợc chiếu sáng quang trở có điện trở lớn (vài MΩ). Khi có ánh sáng chiếu vào thì điện trở giảm xuống còn vài trăm Ω. Hình 7.11: Hình dáng thật của quang trở Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện. Khi photon có năng lƣợng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon đƣợc hấp thụ. Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bƣớc sóng photon khác nhau. Quang trở phản ứng chậm hơn Diode quang khoảng 10 ms, nên nó tránh đƣợc thay đổi nhanh của nguồn Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 224 sáng. Quang trở đƣợc dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, nhƣ trong mạch đóng cắt đèn đƣờng khi trời tối Hình 7.12: Các kiểu ký hiệu của quang trở RTD Hình 7.13 : Mạch dao động đa hài dùng LDR Hình 7.14: mạch bật đèn dùng LDR Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 225 7.5. Diode quang (Photodiode) Giới thiệu Một photodiode là một tiếp giáp P - Nhoặc thiết bị bán dẫn tiêu thụ năng lƣợng ánh sáng để tạo ra dòng điện. Nó cũng đôi khi đƣợc gọi là bộ dò tìm ảnh, bộ cảm biến ảnh hoặc bộ dò ánh sáng. Photodiodes đƣợc thiết kế đặc biệt để hoạt động trong điều kiện đảo ngƣợc. Phân cực nghịch có nghĩa là mặt p của photodiode đƣợc kết nối với cực âm của pin và n-side đƣợc kết nối với cực dƣơng của pin. Photodiode rất nhạy cảm với ánh sáng nên khi ánh sáng hoặc photon rơi vào photodiode, nó dễ dàng chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện. Tế bào năng lƣợng mặt trời còn đƣợc gọi là photodiode diện tích lớn bởi vì nó chuyển đổi năng lƣợng mặt trời hoặc năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện. Tuy nhiên, pin mặt trời chỉ hoạt động ở ánh sáng nhìn thấy. Việc xây dựng và làm việc của photodiode gần nhƣ tƣơng tự nhƣ diode nối tiếp P - Nbình thƣờng. Các photodiod chủ yếu đƣợc sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao. Trong một diode tiếp xúc P - Nbình thƣờng, điện áp đƣợc sử dụng làm nguồn năng lƣợng để tạo ra dòng điện trong khi trong các diode quang, cả điện áp và ánh sáng đƣợc sử dụng làm nguồn năng lƣợng để sinh dòng điện. Ký hiệu Photodiode Ký hiệu của photodiode tƣơng tự nhƣ diode nối tiếp P - Nbình thƣờng ngoại trừ nó có chứa các mũi tên đánh dấu diode. Các mũi tên đánh dấu diode đại diện cho ánh sáng hoặc photon. Một photodiode có hai đầu cuối (terminals): một cực âm và một cực dƣơng. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 226 Hình 7. 15: Ký hiệu Photodiode Mục tiêu và hạn chế của photodiode (Objectives and limitations of photodiode) - Photodiode nên luôn luôn hoạt động khi phân cực nghịch. - Áp dụng điện áp phân cực ngƣợc nên thấp. - Tạo ra tiếng ồn thấp - Tăng cao - Tốc độ phản ứng cao - Độ nhạy cao với ánh sáng - Độ nhạy thấp với nhiệt độ - Giá thấp - Kích thƣớc nhỏ - Tuổi thọ lâu dài Các loại photodiodes Các hoạt động làm việc của tất cả các loại photodiodes là nhƣ nhau. Các loại photodiod khác nhau đƣợc phát triển dựa trên ứng dụng cụ thể. Ví dụ, các photodiodes PIN đƣợc phát triển để tăng tốc độ đáp ứng. Các diode quang PIN đƣợc sử dụng khi cần có tốc độ phản ứng cao. Các loại photodiod khác nhau: - PN photodiode nối tiếp Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 227 - PIN photodiode - Avodanche photodiode Trong số tất cả ba photodiodes, PN junction và PIN photodiodes đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Ứng dụng Photodiode Các ứng dụng khác nhau của photodiodes là - Máy chơi đĩa compact - Thiết bị báo khói - Ứng dụng không gian - Photodiodes đƣợc sử dụng trong các ứng dụng y tế nhƣ chụp cắt lớp vi tính, dụng cụ để phân tích mẫu và đo oxy xung. - Photodiodes đƣợc sử dụng cho truyền thông quang học. - Photodiodes đƣợc sử dụng để đo cƣờng độ ánh sáng cực thấp. 7.6. Transitor quang (PhotoTransitor) Các phototransistor là một thiết bị có thể cảm nhận mức ánh sáng và thay đổi dòng chảy giữa emitter và collector theo mức độ ánh sáng. Phototransitor và photodiodes đều có thể đƣợc sử dụng để cảm nhận ánh sáng, nhƣng phototransistor nhạy hơn trong quan điểm về độ lợi đƣợc cung cấp bởi transistor. Điều này làm cho các máy quang phổ thích hợp hơn trong một số ứng dụng. Ý tƣởng về phototransistor đã đƣợc biết đến trong nhiều năm. William Shockley lần đầu tiên đề xuất ý tƣởng này vào năm 1951, không lâu sau khi transistor thông thƣờng đƣợc phát hiện. Đó là sau đó chỉ hai năm trƣớc khi các photoTransistor đã đƣợc chứng minh. Kể từ đó phototransistors đã đƣợc sử dụng trong một loạt các ứng dụng . Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 228 Phototransistor hoạt động (Phototransistor operation) Phototransistor sử dụng khái niệm transistor cơ bản làm cơ sở cho hoạt động của nó. Trong thực tế, một phototransistor có thể đƣợc thực hiện bằng cách phơi bày chất bán dẫn của một Transistorthông thƣờng với ánh sáng. Các Transistorảnh rất sớm đƣợc tạo ra bằng cách không bao bọc vỏ bọc bằng nhựa của Transistorvới sơn màu đen. Hình 7.16: Cấu tạo và hình dáng của Transistor OC71 Hình ảnh của một Transistor OC71 cũ - loại này đã đƣợc giới thiệu bởi Mullard ở Anh vào năm 1954, nhƣng sản xuất vẫn tiếp tục vƣợt ra ngoài ngày này vào những năm 1960 TransistorOC71 cũ - bằng cách loại bỏ lớp sơn màu đen, nó thể hiện các đặc tính của phototransistor Các Transistorhình ảnh hoạt động bởi vì ánh sáng nổi bật các chất bán dẫn giải phóng các thiết bị điện tử / lỗ và gây ra dòng chảy trong khu vực cơ sở. Ánh sáng đi vào vùng cơ sở nơi nó gây ra các cặp electron lỗ đƣợc tạo ra. Thế hệ này chủ yếu xảy ra ở ngã ba cơ sở thu hồi ngƣợc. Các cặp lỗ-electron di chuyển dƣới ảnh hƣởng của điện trƣờng và cung cấp dòng điện cơ bản, làm Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 229 cho các electron đƣợc bơm vào trong bộ phát. Kết quả là dòng photodiode đƣợc nhân với mức tăng current của transistor hiện tại. Hiệu suất của phototransistor có thể vƣợt trội hơn so với photodiode cho một số ứng dụng theo quan điểm của nó. Nhƣ một hƣớng dẫn sơ bộ, nơi một photodiode có thể cho phép dòng điện khoảng 1µA trong điều kiện phòng điển hình, một phototransistor có thể cho phép dòng điện 100µA chảy. Đây là những xấp xỉ rất thô, nhƣng cho thấy thứ tự độ lớn của các giá trị và so sánh khác nhau. Một trong những nhƣợc điểm chính của phototransistor là thực tế là nó không có đáp ứng tần số cao đặc biệt tốt. Điều này phát sinh từ điện dung lớn kết hợp với tiếp điểm cơ sở thu. Đƣờng giao nhau này đƣợc thiết kế tƣơng đối lớn để có thể nhận đủ lƣợng ánh sáng. Đối với một thiết bị đồng cấu trúc điển hình, băng thông có thể bị giới hạn ở khoảng 250 kHz. Các thiết bị nối tiếp có giới hạn cao hơn nhiều và một số có thể hoạt động ở tần số cao tới 1 GHz. Ứng dụng Phototransistor Các mạch phototransistor có thể đƣợc sử dụng trên một trong hai chế độ hoạt động cơ bản. Chúng đƣợc gọi là chế độ hoạt động hoặc tuyến tính và chế độ chuyển đổi. Hình 7.17: Mạch cách lý ngõ ra dung phototrnsitor Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 230 Hoạt động ở chế độ "tuyến tính" hoặc hoạt động cung cấp một phản ứng rất tỉ lệ với kích thích ánh sáng. Trong thực tế, phototransistor không cho đầu ra tuyến tính đặc biệt cho kích thích đầu vào và vì lý do này mà chế độ hoạt động này đƣợc gọi chính xác hơn là chế độ hoạt động. Hình 7.18 : Ký hiệu và hình dạng của Transistor quang Hoạt động của mạch phototransistor trong chế độ chuyển mạch đƣợc sử dụng rộng rãi hơn trong quan điểm của phản ứng phi tuyến tính của phototransistor với ánh sáng. Khi có rất ít hoặc không có ánh sáng, hầu nhƣ không dòng điện nào sẽ chảy trong bóng bán dẫn, và nó có thể đƣợc cho là ở trạng thái "tắt". Tuy nhiên khi mức ánh sáng tăng lên, dòng điện bắt đầu chảy. Cuối cùng một điểm đạt đƣợc nơi phototransistor trở nên bão hòa và mức độ hiện tại không thể tăng lên. Trong tình huống này, phototransistor đƣợc cho là bão hòa. Do đó, chế độ chuyển đổi có hai cấp độ: - "bật" và "tắt" nhƣ trong hệ thống kỹ thuật số hoặc logic. Loại chế độ phototransistor này rất hữu ích để phát hiện các đối tƣợng, gửi dữ liệu hoặc đọc bộ mã hóa, v.v. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 231 Hình 7.19 : mạch đóng, mở dùng Phototransistor 7.7. Các bộ ghép quang (Opto – Couplers) Optocoupler hoặc Optoisolator là một thành phần an toàn chuyển tín hiệu điện giữa hai mạch cách ly bằng cách sử dụng tín hiệu ánh sáng. Một loại phổ biến của chất cách ly quang bao gồm một đèn LED và một phototransistor trong cùng một gói. Optocoupler chủ yếu đƣợc sử dụng trong hệ thống tinh tế nhƣ giữa cảm biến và PLC. Hình 7.20: Cấu trúc của OPTO Chức năng Optocoupler nhƣ một thành phần cách ly điện ly. Đó là nó duy trì kết nối giữa hai thiết bị hoặc thành phần mà không có bất kỳ dẫn trực tiếp nào. Các thành phần hoặc thiết bị nhƣ PLC, SCDA, Sensor vv Nói một cảm biến đƣợc kết nối với PLC, nếu nó đƣợc kết nối trực tiếp - bất kỳ lỗi nào trong mạch sẽ làm hỏng PLC. Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 232 Hình 7.21: Cấu trúc của MB104-4C-RFT-Opto Hình 7. 22: mạch cách ly dùng OPTO Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 233 Hình 7. 23: mạch điều khiển motor dùng cách lý Opto Chƣơng 7: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 234 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày cấu tạo Led 7 đoạn loại Anode chung Câu 2: Trình bày cấu tạo Led 7 đoạn loại Cathode chung Câu 3: trình bày cấu tạo của Photodiode Câu 4: Trình bày cấu tạo phototransistor Câu 5: mạch ứng dụng của Phototransistor Câu 6: Cấu tạo của OPTO Câu 7: trình bày các mạch ứng dụng OPTO Câu 8 : Giải thích NLHĐ của mạch sau Câu 9: Giải thích NLHĐ của mạch sau Giáo trình Kỹ thuật điện tử Trang 235 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tấn Phƣớc –Điện điện tử căn bản - NXB Trẻ -2005 [2] Nguyễn Minh Trí – Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn -NXB KHKT 2002 [3] Nguyễn Đình Triết – Nguyễn Văn Tuệ - Điện Điện tử đại cƣơng - NXB ĐHQG TPHCM – 2005 [4] BL THERAJA “Basic electronics”, S. Chand Publishing, 2005 [5] MIKE TOOLEY, “Electronics Circuits - Fundamental And Applications” [6] [7] https://www.electronics-tutorials.ws/pdf/basic-electronics-tutorials.pdf