Bài giảng Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) - Bài 2: Linh kiện bán dẫn

Nội dung text: Bài giảng Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) - Bài 2: Linh kiện bán dẫn

1. Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Bài 2: LINH KIỆN BÁN DẪN 1. Giới thiệu - Các linh kiện bán dẫn hay phần tử bán dẫn là các linh kiện điện tử khai thác tính chất điện tử của vật liệu bán dẫn như silic, germane và arsenua galli cũng như chất bán dẫn hữu cơ. - Các linh kiện bán dẫn được sản xuất ở cả hai dạng là linh kiện rời và mạch tích hợp (IC). Trong IC có từ vài (thấp nhất là hai) đến hàng tỷ linh kiện, được gia công và kết nối với nhau trên một nền bán dẫn duy nhất là tấm wafer. Trong phạm vi bài thí nghiệm, nội dung là khảo sát hoạt động của diode, MOSFET, thực hiện một số mạch đơn giản ứng dụng linh kiện bán dẫn đã học. Mục tiêu: • Hiểu và kiểm nghiệm đặc tính hoạt động của diode bán dẫn. Làm quen với các linh kiện bán dẫn • Quan sát được đặc tính chỉnh lưu dòng điện của diode bán dẫn, vận dụng kiến thức về lý thuyết của dòng điện trong bán dẫn, giải thích được kết quả thực nghiệm • Nắm vững và có khả năng thiết kế mạch driver điều khiển động cơ DC bằng MOSFET, vận dụng kiến thức về lý thuyết về MOSFET, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch • Rèn luyện kỹ năng mắc mạch điện, sử dụng dụng cụ đo điện như Volt kế, Ampe kế, dao động kí điện tử 2. Thiết bị thí nghiệm 2.1 Thành phần: tất cả 4 kit, mỗi kit bao gồm như sau - Bảng breadboard (Hình 1) Hình 1 - Các loại điện trở, biến trở với các mức công suất khác nhau - Diode bán dẫn Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 1
2. Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 - Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự do (hạt tải đa) và một số rất ít lỗ trống (hat tải thiểu). bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 3 như boron. Các lỗ trống hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa nguyên tử boron và nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. - Tương tự , bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 5 như antimony. Các điện tử hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa một nguyên tử tạp chất với bốn nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử (bao gồm các điện tử tự do) bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. Hình 3 - Trong hình 4, trình bày hình dạng của diode dùng trong thực tế. Mục tiêu chính của diode dùng thực hiện mạch chỉnh lưu. Vùng n của mối nối pn được gọi là cathode, ký hiệu là K. Vùng n được gọi là anod, ký hiệu là A. Hình 4 - Đặc tuyến Volt Ampere (Hình 5) là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp giữa hai đầu diode với dòng điện qua diode  VF: điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận  VBIAS: điện áp phân cực cấp vào mạch diode  IF: dòng điện qua diode lúc phân cực thuận Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 3
3. Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1) Hình 7 - Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành ba chế độ khác nhau tùy thuộc vào điện áp trên các đầu cuối. Với N-MOSFET thì ba chế độ đó là: • Chế độ cut-off hay sub-threshold (Chế độ dưới ngưỡng tới hạn). • Triode hay vùng tuyến tính • Bão hòa 3. Nội dung thí nghiệm 3.1 Thời lượng: 5 tiết cho mỗi nhóm sinh viên. 3.2 Thực hành 3.2.1 Khảo sát đặc tuyến V-A của Diode - Trong phạm vi bài thí nghiệm, diode như hình 8 được khảo sát trong mạch. Hình 8 Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 5
4. Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 - Khi Vin Vc > Vn > Vb, suy ra diode D1 và D2 phân cực thuận hay các diode D1 và D2 dẫn, các diode D3 và D4 ngưng dẫn: dòng điện từ nút a thứ cấp qua diode D1 đến nút c, qua tải đến n, qua diode D2 đến nút b, quay về thứ cấp. Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 7
5. Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 Hình 14 c. Nêu công dụng của tụ C trên mạch. d. Quan sát dạng sóng ra trên dao động ký, điều chỉnh chế độ Measure để đo các thông số sau: điện áp đỉnh-đỉnh (Vpk-pk), tần số (fin-fout) của ngõ vào Vin-ngõ ra Vo e. Tính điện áp ngõ ra trung bình (Vavg = Vpp x 0.636) 3.2.4 Mạch driver cầu H - Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu vì nó được cấu tạo bởi 4 MOSFET như hình 15. Tác dụng của MOSFET trong mạch cầu H là đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn cấp cho tải với công suất nhỏ đến lớn. Tìn hiệu điều khiển là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải. - Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm xung áp a)Mosfet b) Kênh N c) Kênh P Hình 15 - MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn (Hình 15.a) và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp (Hình 15.b). Thông thường các nhà sản xuất Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 9
6. Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 a. Thực hiện mạch như hình 17: 2 MOSFET kênh N K2638 và 2 kênh P J306 làm các khóa cho mạch cầu H b. Sử dụng 2 đèn LED giữa 2 đầu A, B để chỉ thị chiều quay của động cơ c. Sử dụng nguồn một chiều DC dùng làm nguồn kích cho mạch cầu H d. Phần kích cho các MOSFET kênh N như sau: dùng nguồn kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2. Các khóa trên (J306, kênh P) phải dùng thêm BJT C1815 để làm mạch kích e. Khi chưa kích BJT C1815, chân G của MOSFET J306 được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS cũng là điện áp chân S của J306 nên MOSFET J306 không dẫn. Quan sát trạng thái đèn LED f. Khi kích các đường L1 hoặc R1, các BJT C1815 dẫn làm điện áp chân G của J306 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa C1815 đóng mạch). Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFET J306 dẫn. Do đó, kích đồng thời đường L1 và R2, đèn LED nào sáng ? Tương ứng với chiều quay nào của động cơ ? g. Để đảo chiều động cơ, kích đồng thời R1 và L2, đèn LED nào sáng ? Hình 17 Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 11
7. Thí nghiệm Trang bị điện trong máy công nghiệp (ME2006) Bài 1 b. Sử dụng nguồn pin kích đường L1 và R2 đồng thời, MOSFET Q1 J306 và MOSFET Q4 K2638 dẫn. Đèn LED sáng, tương ứng với chiều quay c. Để đảo chiều quay của động cơ, sử dụng nguồn pin kích đường R1 và L2 đồng thời, MOSFET Q2 K2638 và MOSFET Q3 J306 dẫn. Đèn LED sáng, tương ứng với chiều quay Tên sinh viên: Tổ: Kit số: Ngày thí nghiệm: 5. Tài liệu tham khảo [1] Lessons in electric circuits, vol 3: semiconductors, Tony R. Kuphaldt, Fifth Edition, 2004 [2] Power MOSFET, Shantanu Nakhate, 2012. [3] “Determining MOSFET Driver Needs for Motor Drive Applications”, Application Note 898, Microchip Co. Faculty of Mechanical Engineering @HCMUT 13