CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
40
là:
LZ
ZS
R
ZS
i
ii
Vv
i
Vv
R
+
−
=
−
= (2.61)
Suy ra mức dòng zener i
Z
, là:
L
i
ZS
Z
i
R
Vv
i −
−

Lmin
) và mức
điện áp nguồn, v
S
là lớn nhất (V
Smax
).
Khi các đặc tính của hai mô hình được kết hợp vào phương trình (2.61), ta có:
Trạng thái 1:
ZminLmax
ZSmin
i
II
VV
R
+
−
= (2.63)
Trạng thái 2:

ZmaxLmin
ZSmax
i
II
VV
R
+
−
= (2.64)
Do trị số của R

VVV
VVIVVI
I
−
+
−
= (2.66)
Có thể tính được mức dòng zener lớn nhất, để có trị số của R
i
từ phương trình (2.63) hoặc (2.64).
Ví dụ 2.3: Thiết kế bộ ổn định điện áp bằng zener
khoảng 10V (hình 2.33) cho các điều kiện
như sau:
a) Khoảng dòng tải từ 100mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 14V đến 20V.
b) Khoảng dòng tải từ 20mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 10,2V đến 14V. Sử dụng
diode zener 10V trong cả hai trường hợp.
Giải: a) Việc thiết kế bao gồm chọn giá trị điện trở R
i
phù hợp, và thông số định mức công suất
cho zener. Sử dụng phương trình từ mục trên để tính mức dòng lớn nhất của diode zener và sau
đó tính trị số điện trở vào. Từ phương trình (2.66), ta có:
533mA
20V0,110V0,914V
V)01200mA(20V14V)100mA(10V
0,1 - 0,9 -
)( )(
SmaxZSmin
ZSmaxLmaxSminZLmin
Zmax
=

II
VV
R
Sẽ không đầy đủ nếu chỉ xác định điện trở R
i
, nên cũng cần phải chọn công suất định mức thích
hợp cho điện trở. Mức công suất lớn nhất cho bởi tích của điện áp và dòng điện, trong đó sử
dụng trị số lớn nhất cho mỗi đại lượng.
6,3W))((
ZSmaxLminZmaxR
=
−
+
= VVIIP

Cuối cùng, ta phải xác định công suất định mức cho diode zener. Mức công suất lớn nhất tiêu
tán ở diode zener được tính bằng tích của điện áp và dòng điện trên zener.
5,3W 10V 0,53A
ZmaxZR
=
×
=
=
IVP

b) Lặp lại các bước tính trên theo các thông số của phần b, ta có:
4020mA -
V410,110V0,910,2V
V)01200mA(14V10,2V)20mA(10V
0,1 - 0,9 -

R
F
là điện trở xã, dùng để tạo đường xã cho tụ khi tháo tải (tải hở). Các điện trở xã thường có trị
số điện trở cao để không tiêu thụ nhiều công suất khi mạch hoạt động. Trị số của C
F
tính theo
phương trình tương ứng (2.59). Điện trở trong phương trình là điện trở tương đương mắc song
song với C
F
. Diode zener được thay bằng nguồn điện áp V
Z
. Điện trở tương đương là do mạch
song song của R
F
với R
i
. Điện trở R
i
mắc nối tiếp trong mạch để tránh các ngắn mạch hiệu dụng
của R
L
lên diode zener. Do R
F
lớn hơn nhiều so với R
i
, nên điện trở song song có trị số gần bằng
với R
i
. Bởi vì điện áp ngang qua R
i

.
Để thấy rõ các ảnh hưởng của điện trở nối tiếp R
Z
, ta giả sử rằng diode zener thực tế đã được kết
hợp đưa vào ví dụ 2.3a, với điện trở của diode R
Z
= 2Ω. Giả sử I
Zmin
bằng 10% của I
Zmax
, hay
bằng 0,053A. Điện áp ra (song song với tải) không lớn hơn mức hằng số 10V do R
Z
. Ta tính các
trị số nhỏ nhất và lớn nhất của điện áp ra từ hình 2.34, theo các mức dòng nhỏ nhất và lớn nhất.
Mức điện áp ngang qua diode lý tưởng ở hình 2.35, là 10V, nên ta có thể viết:
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
42
(
)
10,1V2kΩ0,053A10V
omin
=
×
+
=
V
(
)

Các diode có thể dùng để xén tín hiệu vào hay giới hạn các thành phần của tín hiệu. Diode cũng
được dùng để khôi phục mức dc cho tín hiệu vào.
a) Mạch xén
Mạch xén dùng để xén một phần của dạng sóng phía trên hoặc phía dưới mức chuẩn nào đó.
Mạch xén đôi khi còn gọi là mạch hạn chế, mạch chọn biên độ, hay mạch cắt. Mạch chỉnh lưu
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
43
bán kỳ ở phần trước sử dụng hoạt động xén tại mức 0. Nếu thêm một nguồn pin nối tiếp với
diode, mạch chỉnh lưu sẽ xén mức trên hoặc mức dưới của mức điện áp nguồn pin, tùy thuộc vào
chiều của diode, như minh họa ở hình 2.36.
Các dạng sóng ra ở hình 2.36, cho rằng các diode là lý tưởng. Có thể bỏ qua giả thiết lý tưởng
bằng cách bổ sung hai thông số ở mô hình diode. M
ột là để diode dẫn cần phải có điện áp trên
diode lớn hơn V
γ
. Thứ hai, khi diode đang dẫn phải tính đến điện trở thuận R
f
. Hình 2.37a, là
mạch đã được sửa đổi. Ảnh hưởng của V
γ
là tạo mức xén V
γ
+ V
B
thay cho V
B
. Ảnh hưởng của
điện trở là thay đổi hoạt động xén bằng phẳng theo mức tỷ lệ theo điện áp vào (tức là ảnh hưởng
của mạch phân áp). Mức điện áp ra được tính như sau (xem hình 2.37b).

Một kiểu xén khác là mạch xén phân cực nối tiếp, như mạch ở hình 2.39. Nguồn pin khoảng 1V
mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu vào sẽ làm cho tín hiệu vào được chồng chập lên nguồn điện áp
1V dc, đúng hơn là đối xứng qua trục 0. Giả sử mạch sử dụng diode lý tưởng, diode ở mạch hình
1.43, sẽ dẫn chỉ trong khoảng thời gian tín hiệu vào chuyển sang bán kỳ âm. Khi diode
đang
dẫn, tín hiệu ra bằng 0. Điện áp ra khác 0 khi diode ngưng dẫn. Ở mạch hình 2.39b, diode được
mắc ngược lại cũng tương tự như trên. Khi tín hiệu ở trạng thái dương, diode sẽ dẫn và có tín
hiệu ra, nhưng khi diode ngưng, không xuất hiện tín hiệu ra. Mặc dù nguyên lý hoạt động của
hai mạch là khác nhau, nhưng hai tín hiệu ra là như nhau. Ở mạch hình 2.39c, và d, nguồn pin
được đảo ngược cực tính và dạng sóng ra nhận được như
hình vẽ.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
44
Ví dụ 2.4: Tính mức điện áp ra của mạch xén ở hình 2.40a, giả thiết rằng: a) V
γ
= 0; và b) V
γ
=
0,7V. và R
f
= 0 trong cả hai trường hợp.
Giải: a) Khi V
γ
= 0, với v
i
dương và v
i
< 3V, suy ra: v
i

= 6,33V.
Khi v
i
âm và v
i
> - 4V, suy ra: v
i
= v
o
.
Khi v
i
âm và v
i
< - 4V, suy ra: v
o
= - 4V
Dạng sóng ra kết quả như ở hình 2.40b.
Khi V
γ
= 0,7V, v
i
là dương, và v
i
< 3,7V, suy ra: v
i
= v
o
.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

> - 4,7V, suy ra: v
i
= v
o
.
Khi v
i
âm và v
i
< - 4,7V, suy ra: v
o
= - 4,7V
Dạng sóng ra kết quả như ở hình 2.40c.
b) Mạch ghim
Dạng sóng điện áp có thể được dịch chuyển bằng cách bổ sung một nguồn điện áp độc lập, hoặc
là nguồn hằng hoặc là nguồn phụ thuộc thời gian mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu. Ghim là hoạt
động dịch mức mà nguồn bổ sung không còn độc lập với nguồn tín hiệu nữa. Mức dịch tùy
thuộc vào dạng sóng thực tế. Hình 2.41, thể hi
ện ví dụ về việc ghim áp.
Dạng sóng vào ở hình 2.41, bị dịch bởi một lượng làm cho mức đỉnh của dạng sóng bị dịch mức
tại trị số là V
B
. Vậy mức dịch là mức chính xác cần để thay đổi mức lớn nhất ban đầu V
m
đến
mức lớn nhất mới V
B
. Dạng sóng là “được ghim” đến giá trị V
B
. Nếu ta đã biết trị số chính xác

sẽ được nạp đến giá trị là:
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
46
BmC
VVV
−
=

Hình 2.42, là mạch ghim cho tín hiệu ra sẽ được ghim ở mức 0 (tức là không có nguồn pin nên
V
B
= 0). Bởi vì diode được mắc ngược lại so với mạch trước, nên mức thấp nhất của tín hiệu ra
sẽ được ghim, tức là tụ điện có thể nạp chỉ theo chiều là sẽ cộng thêm với mức điện áp vào.
Mạch thể hiện với sóng vuông làm tín hiệu vào. Điều quan trọng là mức điện áp ngang qua tụ sẽ
duy trì gần như không đổi trong suốt bán kỳ củ
a dạng sóng vào. Theo kinh nghiệm thiết kế
mạch, hằng số thời gian RC thấp nhất bằng 5 lần khoảng thời gian của bán kỳ (tức là 5 lần t
1
– t
0

hoặc t
2
– t
1
). Nếu tuân theo nguyên tắc thiết kế, thì mạch RC phải có ít nhất là 20% của hằng số
thời gian để nạp hoặc xả trong suốt bán kỳ, nghĩa là sẽ thay cho trị số cuối cùng trong khoảng
18% của giá trị ban đầu (tức là, exp(-0,2) = 0,82). Nếu hằng số thời gian quá nhỏ, dạng sóng sẽ
bị méo dạng như chỉ ở hình 2.42c. Để làm giảm sai lệch đến mức thấp nhất so với 18%, thì có

off
. Diode D cũng sẽ hoạt
động như một chuyển mạch nên diode sẽ ngưng khi S kín mạch và ngược lại. Điện áp vào dc sẽ
được cung cấp bởi nguồn V
S
, còn R và C tương ứng với điện trở tải và tụ lọc.
Trong các phân tích sau ta giả thiết là mạch đã được hoạt động ở trạng thái ổn định và bất kỳ quá
trình quá độ khi khởi đầu đều được loại bỏ, tức là mạch đang hoạt động ở trạng thái tuần hoàn.
Chuyển mạch S đóng
Trong khoảng thời gian T
on
chuyển mạch S kín mạch, mà điện áp đầu ra xác định được là sẽ lớn
hơn 0, diode D
1
sẽ phân cực ngược, suy ra mạch tương đương ở hình 2.44a. Để đơn giản sử
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
47
dụng mô hình diode lý tưởng. Điện áp vào dc V
S
lúc này sẽ xuất hiện trực tiếp trên cuộn cảm, và
dòng điện trong cuộn cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian T
on
là:
on
S
L
0
S
L

mức dòng ngay trước khi chuyển mạch thay đổi trạng thái.
Chuyển mạch S hở mạch
Khi chuyển mạch hở mạch, diode sẽ dẫn, tạo đường dẫn cho dòng điện cảm chảy qua diode,
điện trở tải R và tụ lọc C như thể hiện ở hình 2.44b. Để đơn giản trong việc phân tích, giả sử
rằng điện áp gợn ở tín hiệu ra là đủ nhỏ để điện áp ra phải gần bằng mức điện áp dc, tứ
c là v
o
≈
V
O
. Với giả thiết trên, điện áp trên cuộn điện cảm sẽ không đổi như trước và bằng với V
S
– V
O
.
Dòng chảy qua cuộn cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian T
off
(tức là: t = T
on
+ T
off
=
T) là:
offon
on
offon
on
OS
onL
OS

L
V
iTi
−
++=
+
(2.71)
Khi V
O
vượt quá V
S
, dòng cuộn cảm sẽ giảm theo thời gian trong suốt khoảng thời gian T
off
– lặp
lại như thể hiện ở hình 2.45. Ngoài ra, do mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T, nên dòng điện
cảm tại các thời điểm t = 0
+
và t = T cần phải đồng nhất. Vì vậy,
)0()(
LL
+
= iTi nên:
off
SO
on
S
T
L
VV
T

on
/ T được gọi là hệ số đầy xung [duty cycle] của dạng sóng chuyển mạch. Điện
áp ra có thể thay đổi được bằng cách biến đổi hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do 0
≤
δ
≤ 1,
nên điện áp ra V
O
≥ V
S
; bộ biến đổi “sẽ làm tăng” mức điện áp ra cao hơn mức điện áp vào.
Tính mạch lọc
Lưu ý rằng, biểu thức của điện áp ra ở phương trình (2.73) là độc lập với L. Thông số thiết kế
cần bổ sung để chọn giá trị điện cảm L là
dòng gợn trong cuộn điện cảm. Bởi vì điện áp trên
cuộn điện cảm là không đổi trong suốt cả hai khoảng thời gian T
on
và T
off
, dòng điện cảm có
dạng sóng răng cưa như mô tả ở hình 2.45 [xem phương trình (2.69) và (2.70)]. Biên độ của
dòng gợn I
r
được tính theo hai cách:
on
S
r
T
L
V

on
r
S
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
==
(2.75)
trong đó, f = 1/T là tần số của chuyển mạch. Từ phương trình (2.75), ta thấy rằng việc chọn tần
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
48
số làm việc cao hơn thì sẽ có trị số điện cảm cần thiết nhỏ hơn. Các bộ biến đổi điện áp dc sang
dc có thể hoạt động tại các tần số trên 60Hz để giảm kích thước của L và f thường được chọn cao
hơn dãi tần số tín hiệu tai người nghe được (tần số âm tần). Thông thường dãi tần số từ 25kHz
đến 100kHz.
Dòng vào dc
Trong mạch tăng điện áp, dòng điện cảm trung bình I
L
lớn hơn so với dòng tải dc. Đối với bộ
biến đổi lý tưởng, không có cơ chế suy hao trong mạch. Do vậy, công suất được phân bố đến
đầu vào của bộ biến đổi cần phải bằng công suất phân chia ở điện trở tải
R:
OOSS
IVIV = hoặc:
δ

I
O
≈ V
O
/R. Dựa vào mức gần
đúng này, điện áp gợn có thể được tính theo:
δ
RC
TV
T
T
RC
TV
RC
TV
T
C
I
V
OonOonO
on
O
r
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛

T
T
-
I
T
T
II
1
1
O
on
O
off
OS
===
Cuộn điện cảm
δ
fI
V
T
T
I
TV
T
I
V
L
r
Son
r

⎛
=

b) Bộ biến đổi giảm áp
Mạch biến đổi giảm áp [buck converter] như ở hình 2.46, được thiết kế để tạo ra điện áp đầu ra
là thấp hơn so với điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi giảm áp ở hình 2.46,
tương tự hoạt động của bộ biến đổi tăng áp, và chuyển mạch
S sẽ hoạt động một cách tuần hoàn
với cùng kiểu định thời như ở hình 2.43a.
Chuyển mạch S kín mạch
Trong khoảng thời gian T
on
, chuyển mạch S kín mạch, nên diode D sẽ được phân cực ngược theo
điện áp vào dương dẫn đến mạch tương đương ở hình 2.46b. Giả sử điện áp gợn tại đầu ra khá
nhỏ để điện áp đầu ra có thể xem gần đúng mức điện áp hằng
v
O
≈ V
O
, suy ra mức điện áp trên
cuộn điện cảm sẽ bằng
V
S
– V
O
, và mức dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời
gian
T
on
sẽ là:

Chuyển mạch S hở mạch
Khi chuyển mạch S chuyển sang hở mạch, diode sẽ chuyển sang dẫn, tạo đường dẫn liên tục cho
dòng điện cảm từ điểm đất qua diode đến điện trở tải
R và tụ lọc C như mô tả ở hình 3.72c. Điện
áp trên điện cảm lúc này bằng với –
V
O
. Dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của T
off
là:
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
49
off
O
on
OS
L
O
onLL
)(0)()(
offon
on
T
L
V
T
L
VV
i dt

T
L
VV
=
−
(2.80)
Rút gọn phương trình sẽ có quan hệ cơ bản giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào của bộ biến
đổi giảm áp:
δ
S
on
SO
V
T
T
VV ==
(2.81)
Trong đó,
δ
là hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do T
on
≤ T, điện áp ra V
O
≤ V
S
. Ở bộ biến đổi
giảm áp điện áp cuộn điện cảm sẽ “làm giảm” điện áp vào, nên điện áp đầu ra là thấp hơn so với
điện áp đầu vào. Điện áp ra của bộ biến đổi giảm áp tỷ lệ thuận với hệ số đầy xung
δ
.

⎝
⎛
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
==
11
r
Oon
r
Ooff
r
O
off
r
O
fI
V
T
T
I
TV
T
T
I
TV