Tài liệu bài tập kĩ thuật điện tử (dư quang bình)

Bài tập Kỷ thuật điện tử (phần bài giải của sinh viên) Họ & tên sinh viên: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nhóm hp: . . . . . . . . . Lớp: . . . . . . . -1- Lưu ý:  Mổi sinh viên hãy tự làm bài tập trực tiếp vào tài liệu này (trên khổ giấy A4). Không sao chép bài giải của người khác.  Tài liệu tham khảo: - [Dư Quang Bình] - Bài giảng Kỷ thuật điện tử, (2000). - [Rizzoni G] - Principles and Applications of Electrical Engineering, (2004).  Địa chỉ liên hệ khi cần: Thầy Dư Quang Bình, 0905894666, hoặc: Email: [email protected]  Thời hạn hoàn thành và nộp bài tập: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tại bm: K ỹ t h u ậ t Điện tử, Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng – 54 Nguyễn Lương Bằng, Quận Liên Chiểu, Tp Đà Nẵng. (không chấp nhận sự chậm trể). -2- -3- Các chất bán dẫn và diode Tóm tắt nội dung phần diode.     Vật liệu bán dẫn có độ dẫn điện thuộc trong khoảng giữa độ dẫn điện của các chất dẫn điện và các chất cách điện. Đặc tính độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn hữu dụng trong việc chế tạo nhiều cấu kiện điện tử để có biểu hiện đặc tuyến i-v phi tuyến. Trong số các cấu kiện bán dẫn thì diode là một trong các cấu kiện thông dụng nhất. Diode bán dẫn hoạt động giống như một van dẫn điện theo một chiều, cho phép dòng điện chảy chỉ khi được phân cực thuận. Mặc dù hoạt động của diode được mô tả theo phương trình hàm mủ nhưng ta có thể xét gần đúng hoạt động của diode bằng các mô hình mạch đơn giản. Mô hình mạch đơn giản nhất là xem diode như một ngắn mạch hoặc hở mạch (mô hình đóng-mở hay mô hình lý tưởng). Mô hình lý tưởng có thể được mở rộng để bao gồm cả nguồn điện áp ngưỡng (thường từ 0,2 V đến 0,7 V), đó là tương ứng với thế hiệu tiếp giáp tại tiếp giáp của diode. Mô hình thực tế chi tiết hơn là mô hình diode chi tiết sẽ tính cả các ảnh hưởng của điện trở thuận của diode. Bằng các mô hình mạch của diode ta có thể phân tích các mạch diode sử dụng trong kỹ thuật phân tích mạch DC và AC đã được khảo sát trong chương. Một trong những đặc tính quan trọng nhất của diode bán dẫn là sự chỉnh lưu, tức là cho phép chuyển đổi các mức điện áp và dòng điện AC thành các mức điện áp và dòng điện DC. Các mạch chỉnh lưu bằng diode có thể là kiểu bán kỳ hay có thể là kiểu toàn kỳ. Các bộ chỉnh lưu toàn kỳ có thể cấu trúc theo dạng mạch hai diode thông dụng hoặc mạch cầu. Các mạch chỉnh lưu bằng diode là bộ phận chỉnh của các bộ nguồn cung cấp DC và thường được sử dụng kết hợp với các tụ lọc để nhận được dạng sóng điện áp DC tương đối bằng phẳng. Ngoài việc chỉnh lưu và lọc cũng cần phải ổn định mức điện áp ra của nguồn cung cấp DC; các diode Zener sẽ thực hiện nhiệm vụ ổn định điện áp bằng cách giữ mức điện áp không đổi khi mức điện áp phân cực ngược vượt trên mức điện áp Zener. Ngoài các ứng dụng làm nguồn cung cấp, các diode còn được sử dụng trong nhiều mạch xử lý tín hiệu và điều hòa tín hiệu. Trong đó có mạch xén bằng diode, mạch tách sóng bằng diode, và mạch ghim đã được khảo sát trong chương. Hơn nửa, do các đặc tính của vật liệu bán dẫn cũng bị tác dụng bởi cường độ sáng nên một số loại diode được gọi là photodiode, có ứng dụng làm các mạch tách quang [light detector], pin mặt trời [solar cell], hay các diode phát-quang [LED]. -4- Các chất bán dẫn 1.1 Trong vật liệu bán dẫn, điện tích thực bằng 0, điều này cần phải có mật độ điện tích dương cần bằng với mật độ điện tích âm. Cả hai loại hạt tải điện (điện tử và lỗ trống tự do) và các nguyên tử tạp chất bị ion hóa có điện tích bằng về độ lớn điện tích của một điện tử. Do vậy, phương trình trung hòa về điện tích (CNE – charge neutrality equation) là: po  Nd  no  Na  0 trong đó: no = nồng độ hạt tải điện tích âm ở trạng thái cân bằng po = nồng độ hạt tải điện tích dương ở trạng thái cân bằng N a = nồng độ chất nhận [acceptor] bị ion hóa N d = nồng độ chất cho [donor] bị ion hóa Phương trình tích hạt tải điện (CPE – carrier product equation) phát biểu rằng, khi một chất bán dẫn được pha tạp thì tích của nồng độ hạt tải điện vẫn không đổi: nopo = hằng số đối với silicon thuần tại T = 300 K: 2 1  2 2 16 1  Constant = niopio = nio  pio  1,5 10  2, 25 1032 3 3  m  m  Vật liệu bán dẫn dạng-n hay –p là tùy thuộc vào nồng độ tạp chất donor hay acceptor lớn hay không. Phần lớn các nguyên tử tạp chất bị ion hóa tại nhiệt độ phòng. Nếu silicon thuần được pha tạp: 1 ND = 0 N A  N a  1017 3 ; m Hãy xác định: a. Đây là bán dẫn tạp dạng-p hay –n b. Hạt tải điện đa số và thiểu số là loại nào ? c. Nồng độ hạt tải điện đa số và thiểu số. -5- 1.2 Nếu silicon thuần được pha tạp: N A  N a  1017 1 ; m3 N D  N d  5 1018 1 m3 Hãy xác định: d. Đây là bán dẫn tạp dạng-p hay –n e. Hạt tải điện đa số và thiểu số là loại nào ? f. Nồng độ hạt tải điện đa số và thiểu số. 1.3 Hãy mô tả vi cấu trúc của các loại vật liệu bán dẫn. Ba loại thông dụng nhất được sử dụng là loại vật liệu bán dẫn nào ? 1.4 Hãy mô tả sự phát nhiệt của các hạt tải điện trong chất bán dẫn và quá trình phát nhiệt sẽ hạn chế như thế nào đến hoạt động của cấu kiện bán dẫn. 1.5 Hãy mô tả các đặc tính của các nguyên tử tạp chất donor và acceptor và ảnh hưởng của chúng đến nồng độ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn. 1.6 Mô tả sơ lược hoạt động của các hạt tải điện và các nguyên tử tạp chất được ion hóa ở lân cận tiếp giáp pn của cấu kiện bán dẫn để tạo nên rào thế có khuynh hướng chặn các hạt tải điện di chuyển ngang qua tiếp giáp. -6- Các mô hình mạch của diode 1.7 Tính điện áp vL ở mạch hình P1.7, trong đó D là diode lý tưởng. Sử dụng các trị số của vS < và > 0. 1.8 Trong mạch hình P1.7, vS = 6 V; và R1 = RS = RL = 500. Hãy xác định iD và vD theo phương pháp đồ thị, bằng cách dụng đặc tuyến của diode 1N461A. 1.9 Cho diode ở mạch hình P1.9 yêu cầu mức dòng nhỏ nhất là 1 mA trên mức dòng khuỷu ở đặc tuyến i-v của diode. a. Trị số điện trở của R để thiết lập mức dòng 5 mA trong mạch cần phải bằng bao nhiêu ? b. Với trị số của R đã xác định được ở phần (a), trị số nhỏ nhất để điện áp E có thể bị giảm xuống và vẫn duy trì mức dòng của diode trên mức dòng khuỷu là bao nhiêu ? Sử dụng diode có V = 0,7 V. 1.10 Mạch ở hình P1.10 có nguồn cung cấp sóng sin 50 Vrms. Sử dụng mô hình diode thực tế cho diode. a. Mức dòng thuận lớn nhất là bao nhiêu ? b. Hãy tính mức điện áp ngược đỉnh (PIV) trên diode ? -7- 1.11 Hãy xác định diode nào được phân cực thuận và diode nào được phân cực ngược trong từng mạch ở hình P1.11. 1.12 Hãy xác định khoảng trị số điện áp Vin để diode trong mạch hình P1.12, phân cực thuận. Giả thiết các diode lý tưởng. 1.13 Hãy xác định các diode trong mạch ở hình P1.13, diode nào được phân cực thuận và diode nào được phân cực ngược. Giả sử sụt áp trên mỗi diode được phân cực thuận là 0,7 V, hãy tính mức điện áp đầu ra. -8- 1.14 Hãy vẽ dạng sóng ra và đặc tính truyền đạt điện áp cho mạch ở hình P1.14. Giả sử các đặc tính diode lý tưởng, vS(t) = 10 sin (2000t). 1.15 Diode trong mạch ở hình P1.15, được chế tạo từ silicon và có: iD  I S (evD /VT  1) , trong đó tại T = 300 K; IS = 250 x 10-12 A; VT  kT  26mV ; q vS = 4,2 V + 110 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = 7 k. Sử dụng sự chồng chập hãy xác định thông số DC hay mức dòng tại điểm-Q của diode: a. Sử dụng mô hình diode thực tế b. Sử dụng cách giải theo đặc tuyến của mạch (tức phương trình đường tải DC) và đặc tuyến của diode (phương trình diode). 1.16 Nếu diode trong mạch hình P1.15, là được chế tạo từ silicon và có: iD  I S (evD /VT  1) ; trong đó tại T = 300 K; IS = 2,030 x 10-15 A; VT  kT  26mV ; q vS = 5,3 V + 7 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = 4,6 k. Sử dụng sự chồng chập và mô hình thực tế của diode, hãy xác định thông số DC hay mức dòng tại điểm-Q của diode. -9- 1.17 Nếu diode trong mạch ở hình P1.15, được chế tạo từ silicon và có: iD  I S (evD /VT  1) ; trong đó tại T = 300 K; IS = 250 x 10-12 A; VT  kT  26mV q vS = 4,2 V + 110 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = 7 k; và điểm làm việc DC hay điểm tĩnh (điểm-Q) là: IDQ = 0,5458 mA; VDQ = 379,5 mV. Hãy xác định trị số điện trở tương đương AC tín hiệu nhỏ của diode ở nhiệt độ phòng tại điểm-Q đã cho. 1.18 Nếu diode trong mạch ở hình P1.15, được chế tạo từ silicon và có: iD  I S (evD /VT  1) ; trong đó: T = 300 K; IS = 2,030 x 10-15 A; VT  kT  26mV ; q vS = 5,3 V + 70 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = 4,6 k; và điểm làm việc DC hay điểm tĩnh (điểm-Q) là: IDQ = 1,000 mA; VDQ = 0,700 V. Hãy xác định trị số điện trở tương đương AC tín hiệu nhỏ của diode ở nhiệt độ phòng tại điểm-Q đã cho. 1.19 Nếu diode trong mạch ở hình P1.15, được chế tạo từ silicon và có: iD  I S (evD /VT  1) ; trong đó: T = 300 K; IS = 250 x 10-12 A; VT  kT  26mV q vS = 4,2 V + 110 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = 7 k; và điểm làm việc DC hay điểm tĩnh (điểm-Q) là: IDQ = 0,548 mA; VDQ = 0,365 V; rd = 47,45 . Hãy xác định điện áp AC trên diode và dòng AC chảy qua diode bằng phương pháp chồng chập. -10- 1.20 Diode trong mạch ở hình P1.20, được chế tạo từ silicon và mạch có: R = 2,2 k; VS2 = 3 V. Hãy xác định trị số nhỏ nhất của VS1 để diode dẫn có mức dòng đáng kể. Các mạch chỉnh lưu và các nguồn điện áp 1.21 Tính giá trị trung bình của điện áp ra cho mạch ở hình P1.21, nếu điện áp vào là dạng sin có biên độ là 5 V. Cho V = 0,7 V. 1.22 Trong mạch chỉnh lưu ở hình P1.22, v(t) = A sin (2 100)t V. Giả sử sụt áp thuận là 0,7 V trên diode khi diode dẫn. Nếu sự dẫn điện cần phải bắt đầu trong suốt bán kỳ dương tại góc dẫn không lớn hơn 5, thì trị số đỉnh, A nhỏ nhất là bao nhiêu để tạo nên nguồn AC ? -11- 1.23 Điện áp trung bình đầu ra của mạch chỉnh lưu bán kỳ là 50 V. a. Hãy vẽ sơ đồ mạch của mạch chỉnh lưu bán kỳ. b. Vẽ dạng sóng của điện áp ra. c. Xác định trị số đỉnh của điện áp ra. d. Vẽ dạng sóng điện áp vào. e. Mức điện áp hiệu dụng (Vrms) tại đầu vào là bao nhiêu ? 1.24 Hãy thiết kế mạch chỉnh lưu cầu toàn kỳ cho một bộ nguồn cung cấp. Biến giảm áp đã được chọn sẵn. Biến áp cung cấp mức điện áp 12 V rms đến mạch chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu toàn kỳ thể hiện ở mạch hình P1.24. a. Nếu các diode có mức điện áp ngưỡng là 0,6 V, vẽ dạng sóng điện áp nguồn đầu vào, vS(t); và dạng sóng điện áp ra, vL(t); và cho biết diode nào dẫn và diode nào ngưng dẫn trong các chu kỳ phù hợp của vS(t). Tần số của nguồn là 50 Hz. b. Nếu RL = 1 000  và tụ điện được mắc song song với RL để lọc có trị số là 8 µF, vẽ dạng sóng điện áp đầu ra, vL (t). c. Lặp lại câu (b), với tụ có điện dung là 100 µF. -12- 1.25 Trong bộ nguồn chỉnh lưu toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.25, các diode có số hiệu là 1N4001 có thông số điện áp ngược đỉnh (PIV) là 25 V. Các diode được chế tạo từ silicon. n = 0,05883; C = 80 µF; RL = 1 k Vline = 170 cos (377t) V a. Hãy xác định mức điện áp ngược đỉnh thực tế trên mỗi diode b. Hãy giải thích tại sao các diode đó phù hợp hoặc không phù hợp với các thông số đã cho. 1.26 Trong bộ nguồn chỉnh lưu toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.25, n = 0,1; C = 80 µF; RL = 1 k; Vline = 170 cos (377t) V Các diode đều là diode chuyển mạch 1N914 (nhưng được sử dụng để chuyển đổi AC-DC), được chế tạo bằng silicon với các thông số định mức sau: Pmax = 500 mW tại nhiệt độ T = 25C; Vngược-đỉnh = 30 V. Hệ số suy giảm công suất là 3 mW/C đối với nhiệt độ trong khoảng: 25C < T  125C và 4 mW/C đối với nhiệt độ trong khoảng: 125C < T  175C. a. Hãy xác định mức điện áp ngược đỉnh thực tế trên mỗi diode b. Hãy giải thích tại sao các diode đó phù hợp hoặc không phù hợp với các thông số đã cho. -13- 1.27 Các diode trong bộ nguồn DC toàn kỳ như mạch ở hình P1.25, đều là silicon. Dạng sóng điện áp trên tải như thể hiện ở hình P1.27. Nếu: IL = 60 mA; VL = 5 V; Vr = 5%; Vline = 170 cos (t) V  = 377 rad/s Hãy xác định các giá trị của: a. Tỷ số các cuộn dây, n. b. Trị số của tụ điện, C. 1.28 Các diode trong bộ nguồn DC toàn kỳ như mạch ở hình P1.25, đều là silicon. Nếu: IL = 600 mA; VL = 50 V; Vr = 8% = 4 V; Vline = 170 cos (t) V  = 377 rad/s. Hãy xác định các giá trị của: a. Tỷ số các cuộn dây, n. b. Trị số của tụ điện, C. -14- 1.29 Các diode trong bộ nguồn DC toàn kỳ như mạch ở hình P1.25, đều là silicon. Nếu: IL = 5 mA; VL = 10 V; Vr = 20% = 2 V; Vline = 170 cos (t) V  = 377 rad/s Hãy xác định các giá trị của: a. Tỷ số các cuộn dây, n. b. Trị số của tụ điện, C. 1.30 Trong mạch ở hình P1.25: IL = 600 mA; VL = 50 V; Vr = 4 V; C = 1000 µF; vS1(t) = vS2(t) = VS0 cos (t) V  = 377 rad/s Các diode đều là silicon. Nếu thông số công suất của một trong các diode bị vượt quá và diode bị nổ hay hở mạch, hãy xác định các giá trị mới của điện áp ra DC hay điện áp trên tải và điện áp gợn: -15- 1.31 Trong bộ nguồn chỉnh lưu toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.31, các diode là 1N4001 có thông số điện áp ngược đỉnh (PIV) là 50 V. Các diode được chế tạo từ silicon. Vline = 170 cos (377t) V; n = 0,2941; C = 700 µF; RL = 2,5 k a. Hãy xác định mức điện áp ngược đỉnh thực tế trên mỗi diode b. Hãy giải thích tại sao các diode đó phù hợp hoặc không phù hợp với các thông số đã cho. 1.32 Trong bộ nguồn chỉnh lưu toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.31, các diode là 1N4001 có thông số điện áp ngược đỉnh (PIV) là 10 V. Các diode được chế tạo từ silicon. Vline = 156 cos (377t) V; n = 0,04231; Vr = 0,2 V; IL = 2,5 mA; VL = 5,1 V; a. Hãy xác định mức điện áp ngược đỉnh thực tế trên mỗi diode b. Hãy giải thích tại sao các diode đó phù hợp hoặc không phù hợp với các thông số đã cho. -16- 1.33 Các diode trong bộ nguồn DC toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.31, đều là silicon. Nếu: IL = 650 mA; VL = 10 V; Vr = 1 V;  = 377 rad/s; Vline = 170 cos (t) V;  = 23,66 Hãy xác định trị số dòng trung bình và dòng ngược chảy qua mỗi diode 1.34 Các diode trong bộ nguồn DC toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.31, đều là silicon. Nếu: IL = 85 mA; VL = 5,3 V; Vr = 0,6 V;  = 377 rad/s Vline = 156 cos (t) V. Hãy xác định trị số của: a. Tỷ số các cuộn dây, n. b. Điện dung của tụ, C. 1.35 Các diode trong bộ nguồn DC toàn kỳ đều là silicon. Nếu: IL = 250 mA; VL = 10 V; Vr = 2,4 V;  = 377 rad/s Vline = 156 cos (t) V. Hãy xác định trị số của: a. Tỷ số các cuộn dây, n. b. Điện dung của tụ, C. -17- Diode Zener và ổn định điện áp 1.36 Diode trong mạch ở hình P1.36, có đặc tuyến tuyến tính chi tiết thông qua các điểm (- 10 V, - 5 µA), (0 V, 0 µA), (0,5 V, 5 mA), và (1 V, 50 mA). Hãy xác định mô hình chi tiết và sử dụng mô hình đó tính i và v. 1.37 Hãy xác định trị số nhỏ nhất của RL trong mạch ở hình P1.37, để cho mức điện áp ra duy trì ở mức 5,6 V. 1.38 Hãy xác định trị số nhỏ nhất và trị số lớn nhất để điện trở mắc nối tiếp có thể có trong mạch ổn định mà điện áp đầu ra của mạch là 25 V, điện áp vào của mạch thay đổi từ 35 V đến 40 V, và mức dòng tải lớn nhất của mạch ổn định là 75 mA. Diode Zener sử dụng trong mạch có thông số dòng lớn nhất là 250 mA. -18- 1.39 Hình P1.39, là đặc tuyến i-v của một diode bán dẫn được chế tạo để làm việc trong vùng đánh thủng Zener. Zener hay vùng đánh thủng trải rộng từ mức dòng nhỏ nhất tại điểm khuỷu của đặc tuyến vào khoảng – 5 mA (từ đặc tuyến) và mức dòng định mức lớn nhất bằng – 90 mA (từ trang số liệu). Hãy xác định điện trở Zener và điện áp Zener của diode. 1.40 Diode Zener trong mạch ổn định điện áp đơn giản thể hiện ở hình P1.40, là 1N5231B. Điện áp nguồn nhận được từ bộ nguồn cung cấp DC có mức DC và thành phần gợn: vS = VS + Vr, trong đó: VS = 20 V; Vr = 250 mV; R = 220 ; IL = 65 mA; VL = 5,1 V; VZ = 5,1 V; rZ = 17 ; Pđịnh mức = 0,5 W; iZ min = 10 mA. Hãy xác định dòng định mức lớn nhất để diode có thể xử lý mà không vượt quá giới hạn công suất của diode. -19- 1.41 Diode Zener 1N963 trong mạch ổn định điện áp đơn giản như ở hình P1.40, có các thông số: VZ = 12 V; rZ = 11,5 ; Pđịnh mức = 400 mW; Tại điểm khuỷu của đặc tuyến: iZk = 0,25 mA; rZk = 700 . Hãy xác định dòng định mức lớn nhất để diode có thể xử lý mà không vượt quá giới hạn công suất của diode. 1.42 Trong mạch ổn định điện áp đơn giản như ở hình P1.40, R cần phải duy trì mức dòng của diode Zener trong phạm vi các giới hạn quy định của diode đối với tất cả các giá trị của điện áp nguồn, dòng tải, và điện áp của diode Zener. Hãy tìm trị số nhỏ nhất và lớn nhất của R có thể sử dụng. VZ = 5 V ± 10%; rZ = 15 ; iZ min = 3,5 mA; iZ max = 65 mA; VS = 12 V ± 3 V; IL = 70 ± 20 mA. 1.43 Trong mạch ổn định điện áp đơn giản như ở hình P1.40, R cần phải duy trì mức dòng của diode Zener trong phạm vi các giới hạn quy định của diode đối với tất cả các giá trị của điện áp nguồn, dòng tải, và điện áp của diode Zener. Nếu: VZ = 12 V ± 10%; rZ = 9 ; iZ min = 3,25 mA; iZ max = 80 mA; VS = 25 V ± 1,5 V; IL = 31,5 ± 21,5 mA. Hãy xác định trị số nhỏ nhất và lớn nhất của R có thể sử dụng. -20-