Bài giảng Kỹ thuật điện tử (tiếp)

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ  NGUYỄN KIỀU TAM GIỚI THIỆU Môn học này nhằm giúp cho các bạn sinh viên nắm được cấu tạo và các đặc tính của các loại linh kiện điện tử cơ bản, nhận biết được chúng trong các mạch điện thực tế và ứng dụng của chúng. Nội dung bao gồm : Điện trở Tụ điện Cuộn dây Diod Transistor BJT TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Giáo trình LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Nguyễn Tấn Phước, NXB Giao thông vận tải. 2. Giáo trình Điện Tử Căn Bản NXB Giáo dục. CHƯƠNG 1 ĐIỆN TRỞ I. Các loại vật liệu điện 1.Chất dẫn điện - có cấu tạo nguyên tử tầng ngoài cùng chỉ có một hay hai electron và có khuynh hướng trở thành electron tự do được gọi là chất dẫn điện. VD : bạc, đồng, vàng, nhôm. 2.Chất cách điện - có cấu tạo nguyên tử ở tầng ngoài cùng đã đủ số electron tối đa hay gần đủ số tối đa nên rất ít khả năng tạo ra electron tự do được gọi là chất cách điện. VD : thủy tinh, sành, cao su, giấy. 3. Chất bán dẫn điện - có cấu tạo nguyên tử ở tầng ngoài với bốn electron, chất bán dẫn điện có điện trở lớn hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện. VD : Các chất bán dẫn điện thông dụng là: silic và germanium. - phụ thuộc vào chất liệu, chiều dài và tiết diện của dây. s lR   : điện trở suất (m hay mm2/m) l : chiều dài (m) s : tiết diện (m2 hay mm2) R : điện trở () VD : Dây đồng có  = 0,017mm2/m, l = 1000m, s = 17mm2 => R = 1  II.Điện trở của dây dẫn điện  Ký hiệu của điện trở  Đơn vị của điện trở • Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩ . . . • 1KΩ = 1000 Ω • 1MΩ = 1000 K Ω = 1000.000 Ω III. Định luật Ohm Cường độ dòng điện qua mạch tỉ lệ thuận với điện áp và tỉ lệ nghịch với điện trở trong mạch. R UI  I : Ampere (A) U : Volt (V) R : Ohm () IV. Điện trở than - được làm từ hỗn hợp của bột than và các chất khác. Bên ngoài được bọc bằng một lớp cách điện.  Cấu tạo điện trở than  Cách đọc trị số của điện trở - thường được ký hiệu bằng 4 vòng màu. Ngoài ra còn có loại 5 vòng màu và 3 vòng màu ° Vòng số 1 và số 2 là hàng chục và hàng đơn vị ° Vòng số 3 là bội số cơ số 10 ° Vòng số 4 là sai số của điện trở. Màu Vòng 1 (hàng đơn vị) Vòng 2 (hàng chục ) Vòng 3 (số bội) Vòng 4 (sai số) Đen 0 0  100 Nâu 1 1  101  1% Đỏ 2 2  102  2% Cam 3 3  103 Vàng 4 4  104 Xanh lá 5 5  105 Xanh dương 6 6  106 Tím 7 7  107 Xám 8 8  108 Trắng 9 9  109 Vàng kim  10-1  5% Bạc  10-2  10%  Cách đọc trị số điện trở 4 vòng màu Trị số = (vòng 1)(vòng 2) x 10(vòng 3)  Cách đọc trị số điện trở 5 vòng màu Trị số = (vòng 1)(vòng 2)(vòng 3) x 10(vòng 4)  Một số ví dụ  Các trị số điện trở tiêu chuẩn 10 12 15 18 22 27 33 39 43 47 51 56 68 75 82 91 Ví dụ : 1; 10; 100; 1K; 10K; 3,3; 33; 330; 3,3K;  Công suất của điện trở Là trị số công suất tiêu tán tối đa của điện trở và được tính theo công thức : P = U . I = U2 / R = I2.R (W) Thông thường điện trở có công suất : 1/4W, 1/2W, 1W, 2W, 4W Nếu điện trở có công suất danh định (được cho bởi nhà sản xuất) nhỏ hơn công suất tiêu tán của nó trên mạch thì điện trở sẽ cháy. Do đó ta phải chọn công suất của điện trở như sau : PR ≥ 2.P  Chú ý WP R UP 2,1 120 122 2   V. Phân loại điện trở 1.Theo cấu tạo  Điện trở than : có trị số từ vài  đến vài chục M, công suất từ 1/8W đến vài W.  Điện trở màn kim loại : có trị số ổn định hơn điện trở than, công suất thường là 1/2W.  Điện trở oxit kim loại : chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm cao, công suất thường là 1/2W.  Điện trở dây quấn : có trị số nhỏ nhưng có dòng điện chịu đựng cao, công suất từ vài W đến vài chục W. 2. Theo công dụng a. Biến trở Cấu tạo Ký hiệu và hình dáng thực tế Đặc tuyến của biến trở Biến trở than 100 - 220 - 470 - 1k - 2,2k - 4,7k - 10k - 20k - 47k - 100k - 200k - 470k - 1M - 2,2M. Biến trở dây quấn 10 - 22 - 470 - 100 - 220 - 470 - 1k - 2,2k - 4,7k - 10k - 22k - 47k. Các trị số tiêu chuẩn của biến trở b. Nhiệt trở Là loại điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ. Nhiệt trở cơ bản là một đoạn dây kim loại R = R0 ( 1 + α∆t ) R : điện trở ở nhiệt độ t R0 : điện trở ở nhiệt độ t0 α : hệ số nhiệt điện trở ∆t : độ tăng nhiệt độ Nhiệt trở dùng để ổn định nhiệt và làm cảm biến. Ký hiệu và hình dạng thực tế c. Quang trở Quang trở có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc cường độ chiếu sáng vào nó. Quang trở thường dùng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánh sáng, báo động Ký hiệu và hình dạng thực tế d. Điện trở cầu chì Điện trở cầu chì có tác dụng bảo vệ quá tải, dùng để bảo vệ mạch nguồn hay các mạch có dòng tải lớn Ký hiệu và hình dạng thực tế e. Điện trở tuỳ áp Đây là loại điện trở có trị số thay đổi theo điện áp đặt vào hai cực. Khi điện áp ở dưới trị số danh định thì VDR có điện trở rất lớn coi như hở mạch. Khi điện áp tăng cao quá mức danh định thì VDR có điện trở giảm xuống còn rất thấp coi như ngắn mạch. Ký hiệu và hình dạng thực tế VDR VI. Các kiểu ghép điện trở 1. Điện trở ghép nối tiếp Theo định luật Ohm ta có: U1 = R1.I U2 = R2.I U3 = R3.I U = U1 + U2 + U3 U = R1.I + R2.I + R3.I U = (R1 + R2 + R3).I = R.I Suy ra: R = R1 + R2 + R3 2. Điện trở ghép song song 1 1 R UI  2 2 R UI  3 3 R UI  R U RRR U R U R U R UI 1111 321321        321 1111 RRRR  Theo định luật Ohm ta có: I = I1 + I2 + I3 3. Thí dụ Tính RAB = ? Và IAB = ? R4 = R2 + R3 = 8 + 4 = 12 Ω RAB = Rcomb + R1 = 6 + 6 = 12 Ω. 4. Điện trở thanh Ký hiệu và hình dạng thực tế của điện trở thanh Là một dãy gồm những điện trở giống nhau có một đầu được nối chung lại với nhau. VII. Ứng dụng điện trở 1. Hạn dòng trong mạch điện tử IR = P / U = (2 / 9 )A R = UR/ IR = 3 / (2/9) = 27 / 2 = 13,5 Ω UR = 12 – 9 = 3V PR = UR.IR = 3.(2/9) = (6/9) W Chọn PR > (6/9) W 2. Mắc thành cầu phân áp 3. Phân cực cho transistor 4. Tham gia vào mạch tạo dao độngMẠCH Chương 2 I. Cấu tạo o Bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song nhau. o Điện môi làm bằng chất cách điện : giấy, mica, gốm o Ký hiệu : C Là khả năng tích điện của tụ điện và được tính theo công thức : d SC  C : điện dung có đơn vị là F (Farad), F, F, F 1F = 10-6F ; 1F = 10-9F ; 1F = 10-12F  : hằng số điện môi tuỳ thuộc vào chất cách điện Không khí khô  = 1; Gốm (Ceramic)  = 5,5; Mica  =4/5 S : diện tích bản cực đơn vị là m2 d : bề dày lớp điện môi đơn vị là m II. Điện dung III. Đặc tính của tụ đối với dòng điện một chiều Khảo sát thí nghiệm :  K1 đóng tụ nạp điện làm đèn loé sáng  K2 đóng tụ phóng điện làm đèn loé sáng Tụ nạp điện : )1()(  t DCc eUtu   C R + + - - + - 1 K 2 UDC Khi K ở 1, tụ bắt đầu nạp điện. Điện áp tức thời trên 2 đầu tụ: t: thời gian tụ nạp, đơn vị là giây (s) e = 2,71828  = R.C (hằng số thời gian, đơn vị là giây -s) Dòng điện tức thời của tụ là :           2 3 4 5  t DC c eR Uti  )( CR + + - - + - 1 K 2 UDC  t DCc eUtu   .)( Tụ xả điện : Khi K ở 1, tụ bắt đầu phóng điện. Điện áp tức thời trên 2 đầu tụ: t: thời gian tụ nạp, đơn vị là giây (s) e = 2,71828  = R.C (hằng số thời gian, đơn vị là giây -s) Dòng điện tức thời của tụ là :  t DC c eR Uti  )(  Điện tích tụ nạp : Q = CU Q: điện dung (coulomb) C: điện dung (Farad) U: điện áp nạp trên tụ (volt)  Năng lượng tụ nạp và xả : W : điện năng (joule-J) C: điện dung (farad-F) U: điện áp trên tụ (volt-V) 2 2 1 CUW   Điện áp làm việc : Khi tăng điện áp nạp trên tụ quá mức thì điện môi sẽ bị đánh thủng (điện áp đánh thủng). Điện áp giới hạn của tụ gọi là điện áp làm việc (WV) và điện áp này phải nhỏ hơn điện áp đánh thủng vài lần. d UE  E: điện trường (kV/cm) U: điện áp (kV) d: bề dày điện môi (cm) Điện trường đánh thủng của một số điện môi thông dụng : - Giấy tẩm dầu E = 100  250kV/cm - Gốm (Ceramic) E = 150  200kV/cm - Mica E = 500kV/cm Điện dung C (đơn vị là F, F) Điện áp làm việc (đơn vị là V) cVWV 2 Thông thường, người ta cho điện trường đánh thủng và nó liên hệ với điện áp đánh thủng theo công thức:  Thông số kỹ thuật của tụ : IV. Phân loại tụ điện Tụ hoá có điện dung lớn từ 1 F đến 10.000 F là loại có phân cực tính. Điệän áp làm việc nhỏ hơn 500V. + - + - + - 1. Tụ oxit hoá (tụ hoá)  Ký hiệu và hình dáng thực tế của tụ hoá Tụ gốm có điện dung lớn từ 1 pF đến 1 F là loại không có phân cực tính. Điện áp làm việc đến vài trăm Volt. 2. Tụ gốm (Ceramic)  Ký hiệu và hình dáng thực tế của tụ gốm C = 0,01F C = 100F C = 22F C = 1000F  5% 22F  Cách đọc trị số của tụ gốm Qui ước về sai số của tụ là: J =  5% K =  10% M =  20% Tụ giấy không có cực tính, địên áp đánh thủng khoảng vài trăm V. 3. Tụ giấy Tụ mica có điện dung lớn vài pF đến vài trăm nF là loại không có cực tính. Điện áp làm việc nhỏ hơn 500V. 4. Tụ mica  Ký hiệu và hình dáng thực tế của tụ mica Tụ màng mỏng có điện dung từ vài trăm pF đến vài chục  F là loại không có cực tính. Điện áp làm việc cao đến hàng ngàn V. 5. Tụ màng mỏng  Ký hiệu và hình dáng thực tế của tụ màng mỏng Tụ tang có điện dung từ 0,1  F đến 100  F là loại có cực tính. Điện áp làm việc thấp chỉ vài chục V. 6. Tụ tang  Ký hiệu và hình dáng thực tế của tụ tang Tụ điện có các trị số điện dung theo tiêu chuẩn với các số thứ nhất và thứ hai như sau: 10 - 12 - 15 - 18 - 22 - 17 - 33 - 39 - 47 - 56 - 68 - 75 - 82 Thí dụ: tụ điện 10F - 100F - 1F - 10F 22F - 220F - 2,2F - 22F 68F - 680F - 6,8F - 68F V. Đặc tính của tụ đối với dòng điện xoay chiều Cường độ dòng điện là: tIQ t QI . Điện tích tụ nạp được là: Q = C.U Đối với dòng điện xoay chiều: u(t) = Um.sint        2 sin.)( tIti mDòng điện tức thời là: Điện áp tức thời là: Im = CUmDòng điện cực đại là: Điện áp cực đại là: tCU d d ti m t q  cos.)(  Cf I C I U mmm  2  Sức cản của tụ điện đối với dòng AC Định luật Ohm I UR  CI U C IU m mm m  1  C 1 gọi là dung kháng ký hiệu là Xc Xc : dung kháng () f : tần số (Hz) C : điện dung (F) 2fC CfC Xc  2 11  Góc pha giữa điện áp và dòng điện  u sinsin1 tItitI C t mmc  .)(,90)( 0  2   2    Áp dụng định luật Ohm cho mạch điện thuần dung Giả sử nguồn AC vs có: us(t) = Um.sint = Um.sin2ft Dòng điện nạp vào tụ ic(t) có dạng: ic(t) = Im.sin(t + 900) Biên độ cực đại: mm c m m CU C U X UI    1 Biên độ hiệu dụng: 22.2 mm c m c C IUC X U X U I   VI. Các kiểu ghép tụ điện 1. Tụ điện ghép nối tiếp Điện tích nạp được vào tụ tính theo công thức: 2 2 1 12211 , C QU C QUUCUCQ  Gọi C là tụ điện tương đương của C1, C2 ghép nối tiếp thì: mà: Suy ra: C QUUCQ  21 21 C Q C Q C QUUU  21 111 CCC  2. Tụ điện ghép song song Điện tích nạp vào tụ C1 là: Q1 = C1.U Điện tích nạp vào tụ C2 là: Q2 = C2.U Gọi điện dung C là điện dung tương đương của hai tụ C1, C2 và Q là điện tích nạp vào tụ C thì: Q = C.U Điện tích nạp vào C1 và C2 bằng điện tích nạp vào C nên: Q = Q1 + Q2 CU = C1.U + C2.U = (C1 +C2).U  C = C1+ C2 VII. Các ứng dụng của tụ điện 1.Tụ dẫn điện ở tần số cao Cf X c 2 1  2. Tụ nạp xả điện trong mạch lọc     4. Tụ điện trong mạch dao động đa hài tạo xung vuông 3. Tụ điện trong mạch lọc nguồn Chương 3CUỘN DÂY- BỘ BIẾN ÁP I. CƠ SỞ TỪ HỌC 1. Nam châm Một số kim loại hay các hợp kim của chúng khi bị từ hóa sẽ giữ từ và trở thành các nam châm vĩnh cửu. Nam châm có khả năng hút được sắt và các kim loại khác. Nếu cắt đôi ta sẽ có hai nam châm nhỏ có đủ hai cực nam và bắc. - Nếu hai cực cùng tên đặt gần nhau sẽ đẩy nhau. - Nếu hai cực khác tên đặt gần nhau sẽ hút nhau. 2. Từ trường Các nam châm có một từ trường bao xung quanh. Thí nghiệm với thanh nam châm và các bụi sắt trên một tấm bìa người ta thấy các hạt bụi sắt do lực hút của nam châm sẽ được sắp xếp theo những đường cong đặc sắc, các đường này được gọi là đường sức B N Số đường sức càng nhiều thì cường độ tự trường càng mạnh. Cường độ từ trường ký hiệu làđơn vị là A/m. Trong vật liệu dẫn từ người ta thường dùng cảm ứng từ HB   là hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu Đơn vị: Weber/m2 (Wb/m2) còn gọi là Tesla. Từ trường có chiều vào Nam ra Bắc. (tt) 3. Từ thông Từ thông là số đường sức đi qua một mặt có diện tích S.  = BScos B: cường độ từ trường (Wb/m2) S: diện tích (m2) : góc hợp bởi và đường thẳng góc với mặt phẳng S : từ thông (Wb) 045 B S.B 2 1 2 1cos 4. Dòng điện và từ trường Thí nghiệm: Thí nghiệm cho thấy dòng điện tạo ra một từ trường Chiều của từ trường do dòng điện tạo ra được xác định theo qui tắc vặn nút chai: Nếu chiều tiến của nút chai là chiều dòng điện thì chiều xoay của nút chai là chiều của từ trường. Ngược lại, nếu chiều xoay của nút chai là chiều dòng điện thì chiều tiến của nút chai là chiều của từ trường. a) Từ trường của dòng điện trên dây dẫn thẳng: Dòng điện qua một dây dẫn thẳng sẽ tạo ra từ trường có đường sức là những vòng tròn đồng tâm. b) Từ trường của dòng điện qua cuộn dây: Dòng điện chạy qua cuộn dây quấn sẽ tạo ra từ trường có đường sức giống như một thanh nam châm. 5. Lực điện từ Khi dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường đều sẽ bị tác dụng bởi một lực gọi là lực điện từ. F = B.I.l.sin B: cường độ từ trường Wb/m2 I: dòng điện (A) l: chiều dài đoạn dây (m) : góc hợp bởi B và I F: lực (Newton- N) Chiều của lực điện từ được xác định theo qui tắc bàn tay trái. Qui tắc bàn tay trái  Từ trường B đi vào lòng bàn tay.  Dòng điện I đi theo chiều bốn ngón tay.  Lực điện từ F theo chiều ngón tay cái. Cuộn dây là một dây dẫn điện (bên ngoài có sơn một lớp cách điện) quấn lại thành nhiều vòng trên một cái lõi. Lõi của cuộn dây có thể là lõi không khí, vật liệu dẫn từ hay thép kỹ thuật. Tùy loại lõi, cuộn dây có các ký hiệu như sau: •1. Cuộn dây Cuộn dây lõi sắt lá dùng cho các dòng điện xoay chiều tần số thấp, lõi sắt bụi cho tần số cao và lõi không khí cho tần số rất cao. • Khi cuộn dây có lõi từ thì cường độ từ trường lớn hơn rất nhiều so với cuộn dây không có lõi (lõi không khí). Tỉ số giữa từ trường khi có lõi và khi không có lõi là hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu làm lõi (). Thí nghiệm : cho cuộn dây có n vòng, quấn trên một lõi từ khép kín làm bằng sắt lá.   •2. Tạo ra từ trường bằng dòng điện • Khi cho dòng điện một chiều vào cuộn dây, dòng điện sẽ tạo ra một từ trường đều trong lõi từ có chiều xác định theo qui tắc vặn nút chai. Theo công thức: n.I = H.l n : số vòng dây quấn I : cường độ dòng điện H : cường độ từ trường l : chiều dài trung bình lõi từ H . l : gọi là từ áp • Do lõi từ có hệ số từ thẩm tương đối  nên cường độ từ cảm B được tính là: l I.nH.B  Nếu IDC thì H và B là từ trường đều, nếu IAC thì H và B có cường độ từ trường thay đổi và chiều của từ trường cũng thay đổi theo chiều dòng điện AC. Thí nghiệm : cho một cuộn dây đặt nằm yên trong từ trường của thanh nam châm. Ta nhận thấy không có dòng điện chạy qua cuộn dây. Như vậy, khi cuộn dây nằm yên trong một từ trường có cường độ không đổi thì cuộn dây không phát sinh ra dòng điện. •3. Tạo ra dòng điện bằng từ trường • Khi di chuyển cuộn dây lại gần nam châm rồi kéo cuộn dây ra xa thì ta thấy có dòng điện chạy qua cuộn dây gọi là dòng điện cảm ứng. Chiều của dòng điện cảm ứng khi đẩy cuộn dây lại gần ngược chiều với dòng điện cảm ứng khi kéo cuộn dây ra xa. Khi đẩy cuộn dây lại gần thì từ trường tăng lên và từ thông qua cuộn dây cũng tăng lên, dòng điện cảm ứng sẽ có chiều mà từ trường do nó tạo ra ngược chiều với từ trường của nam châm. Như vậy, dòng điện cảm ứng tạo ra một từ thông chống lại từ thông của nam châm qua vòng dây đang tăng lên. Định luật Lentz phát biểu: chiều dòng điện cảm ứng luôn luôn có khuynh hướng chống lại sự thay đổi từ thông qua mạch bởi từ trường bên ngoài. •Khảo sát chiều dòng điện cảm ứng cho thấy: Khi kéo cuộn dây ra xa thì từ trường giảm xuống và từ thông qua cuộn dây cũng giảm xuống, dòng điện cảm ứng sẽ có chiều mà từ trường do nó tạo ra cùng chiều với chiều từ trường của nam châm. Như vậy, dòng điện cảm ứng tạo ra một từ thông chống lại từ thông của nam châm qua vòng dây đang giảm xuống. Sức điện động cảm ứng (còn gọi là điện áp cảm ứng) được tính theo công thức: t ne    Hiện tượng vật lý qua thí nghiệm trên gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. N: số vòng dây : lượng từ thông biến thiên t: khoảng thời gian biến thiên • 4. Hệ số tự cảm (Điện cảm) • Khi cho dòng điện I qua cuộn dây n vòng sẽ tạo ra từ thông . Để tính quan hệ giữa dòng điện I và từ thông , ta có hệ thức: • L được gọi là hệ số tự cảm của cuộn dây, đơn vị là henry, viết tắt là H. I nL    • Ta có: và • Suy ra: t ne    I nL    t I I n t n L e            t ILe    • Hệ số tự cảm L có trị số tùy thuộc cấu tạo của cuộn dây và được tính theo công thức: - Cuộn dây không có lõi: - Cuộn dây có lõi: 7 2 10S l n4L  7 2 r 10Sl n4L  L : hệ số tự cảm (H) l : chiều dài lõi (m) S : tiết diện lõi (m2) n : số vòng dây r : hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu đối với chân không • 5. Năng lượng nạp vào cuộn dây • Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra năng lượng trữ dưới dạng từ trường. Năng lượng trữ được tính theo công thức: • Lưu ý: Năng lượng trữ vào cuộn dây tỉ lệ với bình phương của dòng điện trong khi năng lượng trữ vào tụ tỉ lệ với bình phương điện áp. 2IL 2 1W  W: năng lượng (j) L: hệ số tư