Điện tử cơ bản | Điốt và mạch điốt

Nguyên lý hoạt động

Điốt là gì?

• Điốt là một thiết bị bán dẫn hai cực được hình thành bởi hai vùng silicon pha tạp được chia cho một điểm nối pn .
• Vùng p được gọi là cực dương và được kết nối với cực dẫn điện. Vùng n được gọi là cực âm và được nối với cực dẫn điện thứ hai.

Xu hướng chuyển tiếp

• Độ lệch thuận là điều kiện cho phép dòng điện đi qua tiếp giáp pn.
• Hình 2 cho thấy một nguồn điện áp DC được kết nối bằng vật liệu dẫn điện (tiếp điểm và dây dẫn) qua một diode theo hướng tạo ra độ lệch thuận. Điện áp phân cực bên ngoài được ký hiệu là V_BIAS. Điện trở giới hạn dòng điện chuyển tiếp ở một giá trị không làm hỏng diode.

• Yêu cầu về độ lệch thuận:
  • Mặt âm của V_BIAS được kết nối với vùng n của diode và mặt dương được kết nối với vùng p .
  • V_BIAS phải lớn hơn điện thế rào cản.

• Vùng cạn kiệt thu hẹp do sự giảm các ion âm và dương khi các chất mang đa số di chuyển về phía điểm nối pn .
• Sự sụt giảm điện áp bằng với điện thế rào cản ( 0,7 V đối với diode Silicon; 0,3 V đối với diode Germanium) được tạo ra trên điểm nối pn khi các electron từ bỏ một lượng năng lượng tương đương với điện thế rào cản khi chúng đi qua vùng cạn kiệt.

Khuynh hướng đảo ngược

• Phân cực ngược là tình trạng ngăn dòng điện chạy qua diode.
• Hình 3 cho thấy một nguồn điện áp DC được kết nối qua một diode theo hướng tạo ra độ lệch ngược. Điện áp phân cực bên ngoài này được chỉ định là V _BIAS giống như điện áp phân cực thuận.

• Mặt dương của V_BIAS được kết nối với vùng n của diode và mặt âm được kết nối với vùng p . Lưu ý rằng vùng cạn kiệt được hiển thị rộng hơn nhiều so với độ lệch thuận hoặc trạng thái cân bằng.

Đặc tính dòng điện của diode

V-I Đặc điểm cho xu hướng thuận

• Khi đặt một điện áp phân cực thuận lên một diode, sẽ có dòng điện thuận ; được chỉ định bởi I_F . Hình 4 minh họa điều gì xảy ra khi điện áp phân cực thuận tăng dương từ 0 V.

1. Với 0 V trên diode, I_F = 0.
2. Khi V_BIAS tăng thì I_F và điện áp trên diode (V_F) cũng tăng. Một phần V_BIAS bị rơi qua điện trở giới hạn.
3. Khi V _BIAS được tăng lên đến giá trị trong đó V_F đạt xấp xỉ 0,7 V (điện thế rào cản), I_F bắt đầu tăng nhanh.
4. Khi V _BIAS tiếp tục tăng thì I_F cũng tăng rất nhanh nhưng V_F chỉ tăng dần trên 0,7 V. Sự tăng nhỏ này của V_F là do sự sụt giảm điện áp trên điện trở trong của vật liệu bán dẫn.

Vẽ đồ thị đường cong VI

• Trong Hình 5, V_F tăng sang phải dọc theo trục hoành và I_F tăng lên dọc theo trục tung.

• I_F tăng rất ít cho đến khi điện áp thuận qua điểm nối pn đạt xấp xỉ 0,7 V tại đầu đường cong.
• Sau thời điểm này, điện áp chuyển tiếp gần như không đổi ở khoảng 0,7 V, nhưng _IF tăng nhanh. Như đã đề cập trước đó, có sự tăng nhẹ V_F trên 0,7 V.
• Điểm A tương ứng với điều kiện có độ lệch bằng 0. Điểm B là khi V_F nhỏ hơn điện thế rào cản 0,7 V. Điểm C là khi V_F xấp xỉ bằng điện thế rào cản.
• Khi V _BIAS và I_F tiếp tục tăng trên đầu gối, V_F sẽ tăng nhẹ trên 0,7 V. Trên thực tế, V_F có thể lên tới xấp xỉ 1 V, tùy thuộc vào dòng điện thuận.

V-I Đặc điểm cho xu hướng ngược

• Khi đặt một điện áp phân cực ngược lên một diode, chỉ có một dòng điện ngược cực nhỏ (I_R) chạy qua điểm nối pn.

1. Với 0V trên diode, I_R = 0.
2. Khi bạn tăng dần điện áp phân cực ngược, I_R rất nhỏ và điện áp trên diode tăng lên.
3. Khi điện áp phân cực ứng dụng tăng đến giá trị mà điện áp ngược trên diode (V_R ) đạt đến giá trị đánh thủng (V_BR), I_R bắt đầu tăng nhanh.
4. Khi điện áp phân cực tiếp tục tăng, I_R cũng tăng rất nhanh, nhưng điện áp diode tăng rất ít trên V_BR.

Vẽ đồ thị đường cong VI

V_R tăng sang trái dọc theo trục hoành và I_R tăng xuống dọc theo trục tung.

• Có rất ít I_R (thường là ) cho đến khi V_R đạt xấp xỉ V_BR ở đầu đường cong.
• Sau thời điểm này, V_R vẫn duy trì ở mức xấp xỉ V_BR , nhưng I_R tăng rất nhanh, dẫn đến quá nhiệt và có thể gây hư hỏng nếu dòng điện không được giới hạn ở mức an toàn.
• V_BR phụ thuộc vào mức độ pha tạp mà nhà sản xuất đặt ra, tùy thuộc vào loại diode. Một diode chỉnh lưu điển hình có điện áp đánh thủng lớn hơn 50 V. Một số điốt chuyên dụng có điện áp đánh thủng chỉ 5 V.

Đường cong đặc tính VI hoàn chỉnh

Kết hợp các đường cong cho cả độ lệch thuận và độ lệch ngược, bạn sẽ có đường cong đặc tính VI hoàn chỉnh cho một diode.

Hiệu ứng nhiệt độ

• Đối với một diode phân cực thuận, khi nhiệt độ tăng lên, I_F tăng đối với một giá trị V_F nhất định. Ngược lại, với một giá trị cho trước của I_F , V_F giảm.
• Đối với diode phân cực ngược, khi nhiệt độ tăng thì I_R tăng.

Mô hình diode

Mô hình điốt lý tưởng

• Phép tính gần đúng kém chính xác nhất; có thể được biểu diễn bằng một công tắc đơn giản
• Phân cực thuận: diode hoạt động giống như một công tắc đóng (ON); phân cực ngược: diode hoạt động giống như một công tắc mở (TẮT), như trong Hình 8.

• Mặc dù điện thế rào cản, điện trở động thuận và dòng điện ngược đều bị bỏ qua nhưng mô hình này phù hợp cho hầu hết các sự cố nhằm xác định xem điốt có hoạt động bình thường hay không.
• Điốt được coi là có điện áp bằng 0 trên nó khi phân cực thuận: V _F = 0 V. Dòng điện thuận được xác định bởi điện áp phân cực và điện trở giới hạn sử dụng định luật Ohm.

• Vì dòng điện ngược bị bỏ qua nên giá trị của nó được coi là bằng 0: I_R = 0A.
• Điện áp ngược bằng điện áp phân cực: V_R = V_BIAS.

Mô hình điốt thực tế hoặc mô hình giảm điện áp không đổi

• bao gồm tiềm năng rào cản
• Phân cực thuận: diode tương đương với một công tắc đóng mắc nối tiếp với nguồn điện áp tương đương nhỏ (VF ₎ bằng điện thế rào cản (0,7 V) với cực dương hướng về cực dương.
• Khi dẫn điện, điện áp rơi 0,7 V xuất hiện trên diode.

• Phân cực ngược: diode tương đương với một công tắc mở giống như trong mô hình lý tưởng. Điện thế rào cản không ảnh hưởng đến độ lệch ngược.
• Vì bao gồm cả rào cản và bỏ qua điện trở động, nên điốt được coi là có điện áp chạy qua nó khi phân cực thuận: V_F = 0,7 V.
• Dòng điện thuận được xác định bằng cách áp dụng định luật điện áp Kirchhoff cho Hình 9(a):

• Điốt được coi là có dòng điện ngược bằng 0: I _R = 0 A , V _R = V _BIAS .
• Mô hình thực tế rất hữu ích khi xử lý sự cố ở các mạch điện áp thấp hơn. Trong những trường hợp này, điện áp rơi 0,7 V trên diode có thể đáng kể và cần được tính đến.

Mô hình điốt hoàn chỉnh

• xấp xỉ chính xác nhất; bao gồm điện trở rào cản, điện trở động thuận nhỏ ( r’ _d ) và điện trở ngược bên trong lớn ( r’ _R )
• Phân cực thuận: diode đóng vai trò như một công tắc đóng mắc nối tiếp với điện áp rào cản tương đương (V_B ) và r’_d.

• Phân cực ngược: diode đóng vai trò như một công tắc mở mắc song song với r’_R . Điện thế rào cản không ảnh hưởng đến độ lệch ngược.
• Diode được coi là có điện áp trên nó khi phân cực thuận. Điện áp này (V_F) bao gồm V_B cộng với điện áp rơi nhỏ trên điện trở động.
• Sự sụt giảm điện áp do điện trở động tăng khi dòng điện tăng.
• Đối với mô hình hoàn chỉnh của diode silicon, áp dụng các công thức sau:

Mô hình này nhìn chung phù hợp với các bài toán thiết kế sử dụng máy tính để mô phỏng.

Bộ chỉnh lưu nửa sóng

Hoạt động chỉnh lưu nửa sóng

• Một diode được nối với nguồn điện xoay chiều và với điện trở tải R _L , tạo thành bộ chỉnh lưu nửa sóng.
• Khi điện áp đầu vào hình sin (V_in) dương, diode phân cực thuận và dẫn dòng điện qua điện trở tải.

• Điện áp đầu ra trông giống như một nửa dương của điện áp đầu vào. Đường đi hiện tại xuyên qua mặt đất trở về nguồn.
• Khi điện áp đầu vào âm, diode bị phân cực ngược. Không có dòng điện nên điện áp trên điện trở tải là 0 V.

Kết quả cuối cùng là chỉ xuất hiện nửa chu kỳ dương của điện áp đầu vào AC trên tải. Vì đầu ra không thay đổi cực tính nên nó là điện áp DC dao động với tần số (tiêu chuẩn) là 50 Hz.

Giá trị trung bình của điện áp đầu ra nửa sóng

Giá trị trung bình của điện áp đầu ra được chỉnh lưu nửa sóng là giá trị được đo trên vôn kế một chiều. Về mặt toán học, đó là diện tích dưới đường cong trong một chu kỳ đầy đủ, chia cho số radian trong một chu kỳ đầy đủ:

Với V_p là giá trị cực đại của điện áp.

Ảnh hưởng của điện thế rào cản đến đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng

• Khi mô hình diode thực tế được sử dụng với điện thế rào cản là 0,7 V, V_in phải vượt qua điện thế rào cản trước khi diode trở nên phân cực thuận.
• Điều này dẫn đến đầu ra nửa sóng có giá trị đỉnh nhỏ hơn 0,7 V so với giá trị đỉnh của đầu vào. Biểu thức của điện áp đầu ra cực đại là

Điện áp nghịch đảo đỉnh (PIV)

PIV là giá trị cực đại của điện áp đầu vào và diode phải có khả năng chịu được lượng điện áp ngược lặp đi lặp lại này.

• PIV xảy ra ở đỉnh của mỗi nửa chu kỳ của điện áp đầu vào khi diode phân cực ngược.
• Một diode phải được đánh giá cao hơn ít nhất 20% so với PIV.

Bộ chỉnh lưu toàn sóng

Bộ chỉnh lưu toàn sóng là gì?

• Bộ chỉnh lưu toàn sóng cho phép dòng điện một chiều (một chiều) đi qua tải trong toàn bộ chu kỳ đầu vào.
• Kết quả của việc chỉnh lưu toàn sóng là điện áp đầu ra có tần số gấp đôi tần số đầu vào và dao động trong mỗi nửa chu kỳ của đầu vào.

• Số lượng các chiều dương tạo nên điện áp chỉnh lưu toàn sóng gấp đôi điện áp nửa sóng trong cùng khoảng thời gian. V _AVG đối với điện áp hình sin được chỉnh lưu toàn sóng gấp đôi so với nửa sóng:

• V _AVG xấp xỉ 63,7% V _p đối với điện áp chỉnh lưu toàn sóng.

Bộ chỉnh lưu toàn sóng tập trung vào giữa

• Bộ chỉnh lưu có điểm giữa là một loại bộ chỉnh lưu toàn sóng sử dụng hai điốt kết nối với cuộn thứ cấp của máy biến áp có điểm giữa.

• Trong nửa chu kỳ dương, D₁ phân cực thuận và D₂ phân cực ngược. Đường dẫn dòng điện đi qua D₁ và điện trở tải R_L.
• Trong nửa chu kỳ âm, D₂ phân cực thuận và D₁ phân cực ngược. Đường đi hiện tại đi qua D₂ và R_L.
• Bởi vì dòng điện đầu ra trong cả phần dương và phần âm của chu kỳ đầu vào có cùng hướng qua tải, nên điện áp đầu ra phát triển trên điện trở tải là điện áp DC được chỉnh lưu toàn sóng.
• Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng có điểm giữa luôn bằng một nửa tổng điện áp thứ cấp trừ đi độ sụt của diode.

• Điện áp nghịch đảo đỉnh

Bộ chỉnh lưu toàn sóng cầu

Bộ chỉnh lưu cầu sử dụng bốn điốt được kết nối như trong Hình 15.

• Khi chu kỳ đầu vào dương, D₁ và D₂ phân cực thuận và dẫn dòng điện. Một điện áp được tạo ra trên R_L trông giống như nửa dương của chu kỳ đầu vào. Trong thời gian này, điốt D₃ và D₄ bị phân cực ngược.
• Trong nửa chu kỳ âm của đầu vào, D ₃ và D ₄ phân cực thuận và dẫn dòng điện. D ₁ và D ₂ phân cực ngược. Điện áp đầu ra được chỉnh lưu toàn sóng xuất hiện trên R_L do hành động này.

Điện áp đầu ra cầu

Hai điốt luôn mắc nối tiếp với điện trở tải trong cả nửa chu kỳ dương và âm. Có tính đến sự sụt giảm của diode, điện áp đầu ra là

Điện áp nghịch đảo đỉnh

Vì điện áp đầu ra lý tưởng bằng điện áp thứ cấp nên

Nếu bao gồm cả độ sụt của điốt của điốt phân cực thuận thì điện áp nghịch đảo cực đại trên mỗi điốt phân cực ngược tính theo V _p(out) là

Nếu bỏ qua sự sụt giảm diode, bộ chỉnh lưu cầu yêu cầu các điốt có định mức PIV bằng một nửa so với các điốt trong bộ chỉnh lưu điểm giữa cho cùng một điện áp đầu ra.

Bộ giới hạn và kẹp diode

Bộ hạn chế điốt

• Mạch điốt, được gọi là bộ hạn chế hoặc bộ cắt, đôi khi được sử dụng để cắt các phần điện áp tín hiệu trên hoặc dưới mức nhất định.
• Hình 16 cho thấy một bộ giới hạn dương đi-ốt dùng để giới hạn hoặc cắt phần dương của điện áp đầu vào.

• Khi điện áp đầu vào dương, diode sẽ phân cực thuận và dẫn dòng điện. Điểm A được giới hạn ở mức +0,7 V khi điện áp đầu vào vượt quá giá trị này.
• Khi V_in trở lại dưới 0,7 V, diode bị phân cực ngược. V_out trông giống như phần âm của V_in , có độ lớn được xác định bởi bộ chia điện áp hình thành bởi R₁ và R_L :

Nếu quay diode, phần âm của điện áp đầu vào sẽ bị cắt đi. Khi V_in vượt quá -0,7 V, diode không còn phân cực thuận nữa; và một điện áp xuất hiện trên R_L tỉ lệ với V_in .

Bộ hạn chế thiên vị

Mức điện áp xoay chiều bị giới hạn có thể được điều chỉnh bằng cách thêm một điện áp phân cực V _BIAS nối tiếp với diode. Điện áp tại điểm A phải bằng V _BIAS + 0,7 V trước khi diode phân cực thuận và dẫn điện.

• Khi diode bắt đầu dẫn điện, điện áp tại điểm A được giới hạn ở V _BIAS + 0,7 V để tất cả điện áp đầu vào trên mức này bị cắt đi.
• Để giới hạn điện áp ở mức âm xác định, diode và điện áp phân cực phải được kết nối như hình bên dưới. Trong trường hợp này, điện áp tại điểm A phải xuống dưới -V _BIAS – 0,7 V để phân cực thuận cho diode và bắt đầu hành động giới hạn.

Độ lệch phân áp điện áp

• Các nguồn điện áp phân cực đã được sử dụng để minh họa hoạt động cơ bản của bộ hạn chế điốt có thể được thay thế bằng một bộ chia điện áp điện trở lấy được điện áp phân cực mong muốn từ điện áp nguồn DC.

• Điện áp phân cực được xác định bằng các giá trị điện trở theo công thức chia điện áp:

Kẹp diode

Một kẹp thêm mức DC vào điện áp xoay chiều. Bộ kẹp đôi khi còn được gọi là Bộ khôi phục DC . Hình 18 cho thấy một kẹp diode chèn mức DC dương vào dạng sóng đầu ra.

• Khi điện áp đầu vào ban đầu trở nên âm, diode phân cực thuận, cho phép tụ điện tích điện đến gần mức đỉnh của đầu vào.
• Ngay sau cực đại âm, diode bị phân cực ngược vì cực âm được giữ ở gần Vp _(in) -0,7 V nhờ điện tích trên tụ điện.
• Tụ điện chỉ có thể phóng điện qua điện trở R _L. Vì vậy, từ đỉnh của nửa chu kỳ âm này đến nửa chu kỳ âm tiếp theo, tụ điện phóng điện rất ít. Lượng được thải ra phụ thuộc vào giá trị của R _L .
• Nếu quay diode, điện áp DC âm sẽ được thêm vào điện áp đầu vào để tạo ra điện áp đầu ra như trong Hình 19.

• Hiệu ứng thực của hành động kẹp là tụ điện giữ lại điện tích xấp xỉ bằng giá trị cực đại của đầu vào trừ đi độ sụt diode.
• Điện áp của tụ điện về cơ bản hoạt động như một cục pin nối tiếp với điện áp đầu vào. Điện áp DC của tụ điện cộng vào điện áp đầu vào bằng cách xếp chồng lên nhau.

Điốt Zener

Diode Zener là một thiết bị tiếp giáp silicon pn cho phép dòng điện chạy không chỉ theo hướng thuận mà còn theo hướng ngược lại nếu điện áp lớn hơn điện áp đánh thủng được gọi là điện áp đánh thủng Zener/điện áp Zener.

Hoạt động của điốt Zener

• Điốt Zener hoạt động giống như điốt bình thường khi phân cực thuận.
• Khi điện áp ngược bằng với định mức Điện áp Zener, điốt Zener được thiết kế để cho phép dòng điện chạy ngược lại.
• Điốt Zener được thiết kế để hoạt động trong vùng đánh thủng.
• Một diode Zener hoạt động khi bị đánh thủng hoạt động như một bộ điều chỉnh điện áp vì nó duy trì điện áp gần như không đổi, bằng với điện áp Zener, trên các cực của nó trong một phạm vi giá trị dòng điện ngược được chỉ định.