Diode là gì

Diode là gì?

Diode được định nghĩa là một linh kiện điện tử  chỉ dẫn dong điện theo một hướng . Một diode lý tưởng sẽ có điện trở bằng không khi phân cực thuận và điện trở vô hạn khi phân cực ngược.

Mặc dù trong thế giới thực, điốt không thể đạt được điện trở bằng 0 hoặc vô hạn. Thay vào đó, một diode sẽ có điện trở không đáng kể khi phân cực thuận (để cho phép dòng điện chạy qua), và điện trở rất cao khi phân cực ngược(để ngăn dòng điện chạy qua). Diode giống như van một chiều trong mạch điện .

Điốt bán dẫn là loại diode phổ biến nhất . Các điốt này chỉ bắt đầu dẫn điện khi có một điện áp ngưỡng nhất định theo hướng thuận (tức là hướng “điện trở thấp”). Diode được lúc này là “phân cực thuận ” khi dẫn dòng điện theo hướng này. Khi được kết nối trong mạch theo hướng ngược lại (tức là hướng “điện trở cao”), diode được cho là “phân cực ngược “.

Nhìn hình này đoán ra ngay cách hoạt động của diode

Diode chỉ chặn dòng điện theo chiều ngược lại (tức là khi nó được phân cực ngược) trong khi điện áp ngược nằm trong một phạm vi xác định. Ngoài phạm vi này, lớp tiếp giáp sẽ bị phá vỡ. Điện áp mà sự cố này xảy ra được gọi là “điện áp đánh thủng ”.

Khi điện áp của mạch cao hơn điện áp đánh thủng, điốt có thể dẫn điện theo chiều ngược lại (tức là chiều “điện trở cao”). Đây là lý do tại sao trong thực tế chúng ta nói điốt có điện trở cao theo hướng ngược lại – không phải là điện trở vô hạn.

Tiếp giáp PN là dạng đơn giản nhất của diode bán dẫn. Trong điều kiện lý tưởng, Lớp tiếp giáp PN này hoạt động như một ngắn mạch khi nó được phân cực thuận và như một mạch hở khi nó được phân cực ngược. Tên diode có nguồn gốc từ “di-ode” có nghĩa là một thiết bị có hai điện cực. Điốt thường được sử dụng trong nhiều dự án điện tử .

Kí hiệu Diode

Kí hiệu của một diode được hiển thị bên dưới. Đầu mũi tên chỉ theo hướng của dòng điện thông thường trong điều kiện phân cực thuận. Điều đó có nghĩa là cực dương được nối với phía p và cực âm được nối với phía n.

Chúng ta có thể tạo ra một diode tiếp giáp PN đơn giản bằng cách pha tạp chất hóa trị năm (tạp chất cho) vào một phần tạp chất hóa trị ba ( tạp chất nhận) trong phần kia của khối tinh thể silicon hoặc germani.

Những pha tạp này tạo nên một đường giao nhau PN ở phần giữa của khối pha tạp. Chúng ta cũng có thể hình thành lớp PN bằng cách ghép bán dẫn loại p và bán dẫn loại n với nhau bằng kỹ thuật chế tạo đặc biệt. Cực kết nối với loại p là cực dương. Cực kết nối với phía loại n là cực âm.

Nguyên lý làm việc của Diode

Nguyên lý làm việc của một diode phụ thuộc vào sự tương tác của loại bán dẫn n và loại p. Chất bán dẫn loại n có rất nhiều electron tự do và một số rất ít lỗ trống. Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng sự tập trung của các electron tự do là cao và của các lỗ trống là rất thấp trong chất bán dẫn loại n.

Các electron tự do trong chất bán dẫn loại n được gọi là hạt mang điện tích đa số, và các lỗ trống trong chất bán dẫn loại n được gọi là hạt mang điện tích thiểu số.

Chất bán dẫn loại p có nồng độ lỗ trống cao và sự tập trung electron tự do thấp. Các lỗ trong chất bán dẫn loại p là hạt mang điện tích đa số, và các electron tự do trong chất bán dẫn loại p là hạt mang điện tích thiểu số.

Diode không phân cực

Bây giờ chúng ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra khi một vùng loại n và một vùng loại p tiếp xúc với nhau. Ở đây do sự khác biệt về nồng độ, phần lớn các chất mang điện khuếch tán từ bên này sang bên khác. Khi sự tập trung của các lỗ trống cao ở vùng loại p và thấp ở vùng loại n, các lỗ trống bắt đầu khuếch tán từ vùng loại p sang vùng loại n.

Một lần nữa sự tập trung của các điện tử tự do cao ở vùng loại n và nó thấp ở vùng loại p và do nguyên nhân này, các điện tử tự do bắt đầu khuếch tán từ vùng loại n sang vùng loại p.

Các điện tử tự do khuếch tán vào vùng loại p từ vùng loại n sẽ tái kết hợp với các lỗ trống có sẵn ở đó và tạo ra các ion âm không bị che phủ trong vùng loại p. Theo cách tương tự, các lỗ trống khuếch tán vào vùng loại n từ vùng loại p sẽ tái kết hợp với các điện tử tự do có sẵn ở đó và tạo ra các ion dương không bị che phủ trong vùng loại n.

Theo cách này, sẽ có một lớp ion âm ở vùng loại p và một lớp ion dương ở vùng loại n xuất hiện dọc theo đường tiếp giáp của hai loại chất bán dẫn này. Các lớp của các ion dương không được che phủ và các ion âm không được che phủ tạo thành một vùng ở giữa điốt, nơi không có hạt mang điện tích nào tồn tại vì tất cả các hạt mang điện tích được tập hợp lại ở đây trong vùng này. Do thiếu các hạt mang điện tích, vùng này được gọi là vùng nghèo.

Sau khi hình thành vùng nghèo, không còn sự khuếch tán của các hạt mang điện từ phía này sang phía khác trong diode. Điều này là do điện trường xuất hiện trên khắp vùng cạn kiệt sẽ ngăn cản sự di chuyển tiếp tục của các hạt mang điện từ bên này sang bên khác.

Điện thế của lớp các ion dương không bị che ở phía loại n sẽ đảo ngược các lỗ trống ở phía loại p và điện thế của lớp các ion âm không được che ở phía loại p sẽ triệt tiêu các điện tử tự do ở phía n- loại bên. Điều đó có nghĩa là rào cản thể năng được tạo ra trên đường giao nhau để ngăn chặn sự khuếch tán thêm của các hạt mang điện.

Diode phân cực thuận

Bây giờ chúng ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu một cực dương của nguồn được nối với phía loại p và cực âm của nguồn được nối với phía loại n của điốt và nếu chúng ta tăng điện áp của nguồn này từ từ .

Lúc đầu, không có dòng điện chạy qua diode. Điều này là do mặc dù có một trường điện bên ngoài được áp dụng qua điốt, phần lớn các hạt mang điện vẫn không nhận được đủ ảnh hưởng của trường bên ngoài để vượt qua vùng nghèo. Như chúng tôi đã nói rằng khu vực cạn kiệt đóng vai trò như một rào cản thế năng chống lại việc di chuyển của các hạt.

Rào cản thế năng này được gọi là hàng rào thế năng thuận. Phần lớn các hạt tải điện bắt đầu vượt qua hàng rào điện thế thuận chỉ khi giá trị của điện áp đặt bên ngoài qua lớp tiếp giáp lớn hơn điện thế của hàng rào thế năng thuận. Đối với điốt silicon, điện thế thuận là 0,7 vôn và đối với điốt gecmani là 0,3 vôn.

Khi điện áp phân cực được đặt bên ngoài qua điốt trở nên nhiều hơn điện thế rào cản thuận, các hạt mang điện tích tự do bắt đầu vượt qua rào cản và tạo dòng điện điốt thuận. Trong tình huống đó, diode sẽ hoạt động như một đường dẫn ngắn mạch và dòng điện thuận bị giới hạn bởi chỉ các điện trở được kết nối bên ngoài với diode.

Diode phân cực ngược

Bây giờ chúng ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta nối cực âm của nguồn điện áp với phía loại p và cực dương của nguồn điện áp với phía loại n của diode. Ở điều kiện đó, do lực hút tĩnh điện của thế âm của nguồn, các lỗ trống trong vùng loại p sẽ bị dịch chuyển ra xa chỗ tiếp giáp hơn, để lại nhiều ion âm không bị che phủ hơn ở chỗ nối.

Theo cách tương tự, các điện tử tự do trong vùng loại n sẽ bị dịch chuyển ra khỏi điểm tiếp giáp nhiều hơn về phía cực dương của nguồn điện áp, để lại nhiều ion dương không bị che phủ hơn trong điểm tiếp giáp.

Kết quả của hiện tượng này là vùng nghèo trở nên rộng hơn. Điều kiện này của một diode được gọi là điều kiện phân cực ngược. Ở điều kiện đó, không có hạt mang điện nào vượt qua đường giao nhau, và thay vào đó, chúng di chuyển ra khỏi đường giao nhau. Bằng cách này,Diode chặn dòng điện khi nó bị phân cực ngược.

Như chúng ta đã nói ở đầu bài này rằng luôn có một số electron tự do trong chất bán dẫn loại p và một số lỗ trống trong chất bán dẫn loại n. Các hạt mang điện tích trái dấu này trong chất bán dẫn được gọi là hạt mang điện tích thiểu số.

Trong điều kiện phân cực ngược, các lỗ tự tìm thấy ở phía loại n sẽ dễ dàng vượt qua vùng suy giảm phân cực ngược vì trường trên vùng suy giảm không xuất hiện thay vào đó nó giúp các hạt mang điện tích thiểu số vượt qua vùng suy giảm.

Kết quả là có một dòng điện cực nhỏ chạy qua diode từ cực dương sang cực âm. Biên độ của dòng điện này rất nhỏ vì số lượng hạt tải điện thiểu số trong diode là rất nhỏ. Dòng điện này được gọi là dòng điện bão hòa ngược.

Nếu điện áp ngược trên một điốt tăng lên vượt quá giá trị an toàn, do lực tĩnh điện cao hơn và do động năng cao hơn của các hạt mang điện tích thiểu số va chạm với nguyên tử, một số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ tạo ra một số lượng lớn lỗ trống điện tử tự do. các cặp trong diode và quá trình này là tích lũy.

Số lượng lớn các hạt mang điện được tạo ra như vậy sẽ tạo ra một dòng điện ngược rất lớn trong diode. Nếu dòng điện này không bị giới hạn bởi điện trở bên ngoài được nối với mạch điốt, thì điốt có thể bị phá hủy vĩnh viễn.

Các loại Diode

Diode Zener là gì? Nguyên lý làm việc của Diode Zener

Diode Zener về cơ bản giống như một diode tiếp giáp PN thông thường nhưng thường hoạt động trong điều kiện phân cực ngược. Diode Zener là một diode tiếp giáp PN được thiết kế đặc biệt, được pha tạp nhiều.

Nguyên lý làm việc của Diode Zener

Diode Zener có điện áp đánh thủng ngược được xác định rõ ràng, tại đó nó bắt đầu dẫn dòng điện và tiếp tục hoạt động liên tục ở chế độ phân cực ngược mà không bị hỏng. Ngoài ra, điện áp giảm trên diode không đổi khi thay đổi điện áp, một tính năng làm cho điốt Zener thích hợp để sử dụng trong điều chỉnh điện áp.

Diode Zener hoạt động giống như diode bình thường khi ở chế độ phân cực thuận và có điện áp hoạt động từ 0,3 đến 0,7 V. Tuy nhiên, khi được  phân cực ngược, một dòng rò rỉ nhỏ có thể chảy qua. Khi điện áp ngược tăng đến điện áp đánh thủng xác định trước (Vz), một dòng điện bắt đầu chạy qua diode. Dòng điện tăng đến cực đại, được xác định bởi điện trở nối tiếp, sau đó nó ổn định và không đổi trong một phạm vi rộng của điện áp đặt vào.

Không giống như một diode thông thường chặn bất kỳ dòng điện nào chạy qua chính nó khi phân cực ngược, ngay sau khi điện áp ngược đạt đến giá trị xác định trước, diode zener bắt đầu dẫn theo hướng ngược lại.

Điều này là do khi điện áp ngược đặt qua diode zener vượt quá điện áp định mức một quá trình gọi là Avalanche Breakdown xảy ra ở lớp suy giảm chất bán dẫn và dòng điện bắt đầu chạy qua diode để hạn chế sự gia tăng điện áp này.

Dòng điện bây giờ chạy qua diode zener tăng đột ngột đến giá trị mạch cực đại (thường bị giới hạn bởi điện trở nối tiếp) , dòng điện bão hòa ngược này vẫn khá ổn định. Điểm điện áp tại đó điện áp qua điốt zener trở nên ổn định được gọi là “điện áp zener”, ( Vz ) và đối với điốt zener, điện áp này có thể nằm trong khoảng từ dưới một vôn đến vài trăm vôn.

Điểm mà điện áp zener kích hoạt dòng điện chạy qua diode có thể được điều khiển rất chính xác (dung sai dưới 1%) trong giai đoạn pha tạp của cấu trúc bán dẫn điốt tạo cho diode một điện áp đánh thủng zener cụ thể , (  Vz  )vi dụ 4,3V hoặc 7,5V. Điện áp đánh thủng zener này trên đường đăch tuyến IV gần như là một đường thẳng thẳng đứng.

Đặc tuyến IV của Diode Zener

Từ đường cong đặc tính IV ở trên, chúng ta có thể thấy rằng diode zener có một vùng trong đặc tính phân cực ngược của nó gần như một điện áp âm không đổi bất kể giá trị của dòng điện chạy qua diode.

Điện áp này hầu như không đổi ngay cả với những thay đổi lớn về dòng điện cung cấp dòng điện điốt zener duy trì giữa dòng điện đánh thủng Z (min) và định mức dòng điện tối đa Z (max)  .

Khả năng tự điều khiển của diode zener này có thể được sử dụng để điều chỉnh hoặc ổn định nguồn điện áp chống lại sự thay đổi của nguồn cung cấp hoặc tải. Thực tế là điện áp trên diode trong vùng đánh thủng gần như không đổi hóa ra là một đặc tính quan trọng của diode zener vì nó có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng điều chỉnh điện áp đơn giản nhất.

Chức năng của bộ điều chỉnh điện áp là cung cấp điện áp đầu ra không đổi cho tải được nối song song với nó bất chấp thay đổi đột ngột của điện áp nguồn hoặc sự thay đổi của dòng tải.Điốt zener sẽ tiếp tục điều chỉnh điện áp của nó cho đến khi dòng điện giữ điốt giảm xuống dưới giá trị Z (min) trong vùng đánh thủng ngược.

Bộ điều chỉnh Diode Zener

Điốt Zener có thể được sử dụng để tạo ra đầu ra điện áp ổn định với độ gợn điện áp thấp trong các điều kiện dòng tải khác nhau. Bằng cách cho một dòng điện nhỏ qua diode từ nguồn điện áp, qua điện trở hạn dòng thích hợp ( S ), diode zener sẽ dẫn dòng điện đủ để duy trì điện áp Vout .

Điện áp đầu ra DC từ bộ chỉnh lưu nửa hoặc toàn sóng có chứa gợn điện áp chồng lên điện áp DC và khi giá trị tải thay đổi theo điện áp đầu ra trung bình. Bằng cách kết nối mạch ổn định zener đơn giản như hình dưới đây qua đầu ra của bộ chỉnh lưu, có thể tạo ra điện áp đầu ra ổn định hơn.

Phân tích mạch điều chỉnh điện áp bằng diode zener

Điện trở, S mắc nối tiếp với diode zener để hạn chế dòng điện chạy qua diode với nguồn S mắc nối tiếp . Điện áp đầu ra ổn định V out được lấy ra từ điốt zener.

Diode zener được kết nối như hình nên nó được phân cực ngược và sẽ hoạt động trong điều kiện đánh thủng. Điện trở S được chọn sao cho hạn chế dòng điện cực đại chạy trong mạch.

Khi không có tải được kết nối với mạch, dòng tải sẽ bằng không (  L  = 0  ), và tất cả dòng điện đi qua điốt zener sẽ tiêu tán bằng công suất cực đại của nó. Ngoài ra, một giá trị nhỏ của điện trở nối tiếp S sẽ dẫn đến dòng điốt lớn hơn khi điện trở tải L được kết nối vì điều này sẽ làm tăng yêu cầu tiêu tán công suất của điốt vì vậy cần phải cẩn thận khi chọn giá trị thích hợp của điện trở để định mức công suất tối đa của zener không bị vượt quá trong điều kiện không tải hoặc trở kháng cao này.

Tải được nối song song với diode zener, do đó điện áp trên L luôn bằng với điện áp zener, (  R  = V Z  ). Có một dòng điện zener tối thiểu để ổn định điện áp có hiệu quả và dòng điện zener phải luôn ở trên giá trị này hoạt động dưới tải trong vùng đánh thủng của nó mọi lúc. Giới hạn trên của dòng điện tất nhiên phụ thuộc vào định mức công suất của thiết bị. Việc cung cấp điện áp S phải lớn hơn Z .

Một vấn đề nhỏ với mạch ổn định diode zener là đôi khi diode có thể tạo ra nhiễu điện trên đầu nguồn DC khi nó cố gắng ổn định điện áp. Thông thường, đây không phải là vấn đề đối với hầu hết các ứng dụng nhưng việc bổ sung một tụ  ghép có giá trị lớn trên đầu ra của zener có thể làm mịn điện áp ra.

Diode zener luôn hoạt động trong điều kiện phân cực ngược. Vì vậy, một mạch điều chỉnh điện áp đơn giản như vậy có thể được thiết kế bằng cách sử dụng một diode zener để duy trì điện áp đầu ra DC không đổi bất chấp sự thay đổi của điện áp đầu vào hoặc sự thay đổi của dòng tải.

Bộ điều chỉnh điện áp zener gồm một điện trở giới hạn dòng S  mắc nối tiếp với điện áp đầu vào S với diode zener mắc song song với tải L trong điều kiện phân cực ngược này. Điện áp đầu ra ổn định luôn được chọn bằng với điện áp đánh thủng Z của diode.

Ví dụ về mạch điều chỉnh điện áp bằng diode zener

Cần có nguồn điện ổn định 5.0V được lấy nguồn đầu vào của nguồn điện một chiều 12V. Công suất tối đa Z của diode zener là 2W. Sử dụng mạch điều chỉnh zener ở trên tính toán:

    •  Dòng điện tối đa chạy qua diode zener.

  •  Giá trị nhỏ nhất của điện trở nối tiếp, S

  • Dòng tải L nếu một điện trở tải 1kΩ được kết nối qua diode zener.

  • Dòng zener Z khi đầy tải.

Điện áp diode Zener

Ngoài việc tạo ra một đầu ra điện áp ổn định duy nhất, điốt zener cũng có thể được mắc nối tiếp cùng với điốt tín hiệu silicon bình thường để tạo ra nhiều giá trị đầu ra điện áp quy chuẩn khác nhau như hình dưới đây.

Điốt Zener được mắc nối tiếp

Các giá trị của từng điốt Zener có thể được chọn để phù hợp với ứng dụng trong khi điốt silicon sẽ luôn giảm khoảng 0,6 – 0,7V trong điều kiện phân cực thuận. Điện áp cung cấp, Vin tất nhiên phải cao hơn điện áp quy chuẩn đầu ra lớn nhất và trong ví dụ của chúng tôi ở trên, đây là 19v.

Diode zener điển hình cho các mạch điện tử nói chung là loại có công suất 500mW, BZX55 hoặc công suất 1.3W lớn hơn BZX85.

Loạt điốt zener 500mW có điện áp khoảng 2,4V đến khoảng 100V và thường có cùng chuỗi giá trị khi được sử dụng mắc nối tiếp với điện trở 5% (E24) tham khảo bảng bên dưới.

Điốt Zener Điện áp Zener tiêu chuẩn

Công suất Diode Zener BZX55 500mW
2.4V 2.7V 3.0V 3,3V 3.6V 3,9V 4,3V 4,7V
5.1V 5,6V 6.2V 6,8V 7,5V 8.2V 9.1V 10V
11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V
24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V
Công suất Diode Zener BZX85 1.3W
3,3V 3.6V 3,9V 4,3V 4,7V 5.1V 5,6 6.2V
6,8V 7,5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V
15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V
33V 36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V

Mạch cắt dùng điốt Zener

Chúng ta đã xem xét cách một diode zener có thể được sử dụng để điều chỉnh nguồn DC không đổi nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu tín hiệu đầu vào không phải là DC ở trạng thái ổn định mà là một dạng sóng AC xoay chiều thì diode zener sẽ phản ứng như thế nào với một tín hiệu thay đổi liên tục.

Mạch kẹp và xén dùng điốt là các mạch được sử dụng để định hình hoặc sửa đổi dạng sóng AC đầu vào (hoặc bất kỳ hình sin nào) tạo ra dạng sóng đầu ra có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào cách sắp xếp các linh kiện trong mạch. Mạch cắt hay xén điốt còn được gọi là mạch hạn chế (biên độ) vì chúng giới hạn hoặc cắt phần dương (hoặc âm) của tín hiệu AC đầu vào. Vì mạch cắt dùng diode zener giới hạn hoặc cắt một phần của dạng sóng trên chúng, chúng chủ yếu được sử dụng để bảo vệ mạch hoặc trong các mạch định hình dạng sóng.

Ví dụ: nếu chúng tôi muốn cắt dạng sóng đầu ra ở + 7,5V, chúng tôi sẽ sử dụng một diode zener 7,5V. Nếu dạng sóng đầu ra cố gắng vượt quá giới hạn 7,5V, diode zener sẽ “cắt” điện áp dư thừa từ đầu vào tạo ra dạng sóng với đỉnh phẳng vẫn giữ đầu ra không đổi ở + 7,5V. Lưu ý rằng trong điều kiện phân cực thuận, diode zener vẫn là một diode và khi đầu ra dạng sóng AC chuyển sang âm dưới -0,7V, diode zener chuyển sang trạng thái “ON” giống như bất kỳ diode bình thường nào và kẹp đầu ra ở -0,7V như hình minh họa phía dưới.

Tín hiệu sóng vuông

Điốt zener được kết nối lưng đối lưng có thể được sử dụng như một bộ điều chỉnh AC tạo ra “máy phát sóng vuông ”. Sử dụng cách đấu này, chúng ta có thể cắt dạng sóng giữa giá trị dương + 8,2V (7,5+0,7) và giá trị âm -8,2V cho một diode zener 7,5V.

Vì vậy, ví dụ: nếu chúng tôi muốn cắt dạng sóng đầu ra giữa hai giá trị tối thiểu và tối đa khác nhau, chẳng hạn như + 8V và -6V, chúng tôi chỉ cần sử dụng hai điốt zener được đánh giá khác nhau. Lưu ý rằng đầu ra sẽ thực sự cắt dạng sóng AC giữa + 8,7V và -6,7V do việc cộng thêm điện áp diode phân cực thuận.

Nói cách khác, điện áp đỉnh-đỉnh là 15,4 vôn thay vì 14 vôn dự kiến, khi điện áp phân cực thuận giảm qua điốt sẽ thêm 0,7 vôn nữa theo mỗi hướng.

Mạch này khá phổ biến để bảo vệ mạch điện tử khỏi quá áp. Hai điốt zener thường được mắc lưng đối lưng ở đầu vào của nguồn điện và trong quá trình hoạt động bình thường, một trong các điốt zener ở trạng thái “TẮT” và các điốt này có ảnh hưởng rất ít hoặc không ảnh hưởng. Tuy nhiên, nếu dạng sóng điện áp đầu vào vượt quá giới hạn của nó, thì zener sẽ “BẬT” và cắt đầu vào để bảo vệ mạch.

Việc cắt bớt tín hiệu đầu vào này tạo ra một dạng sóng đầu ra giống như dạng sóng của đầu vào. Ví dụ, bộ chỉnh lưu nửa sóng là một mạch cắt, vì tất cả các điện áp dưới 0 đều bị loại bỏ.

Nhưng Mạch cắt điốt có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau để sửa đổi dạng sóng đầu vào bằng cách sử dụng diode tín hiệu và điốt Schottky hoặc cung cấp bảo vệ quá áp bằng cách sử dụng điốt zener để đảm bảo rằng điện áp đầu ra không bao giờ vượt quá một mức nhất định bảo vệ mạch khỏi các đột biến điện áp cao. Sau đó, các mạch cắt điốt có thể được sử dụng trong các ứng dụng giới hạn điện áp.

Chúng ta đã thấy trong hướng dẫn  về Điốt tín hiệu  ở trên rằng khi một điốt được phân cực thuận, nó cho phép dòng điện đi qua chính nó kẹp điện áp. Khi diode được phân cực ngược, không có dòng điện nào chạy qua nó và điện áp trên các cực của nó không bị ảnh hưởng, và đây là hoạt động cơ bản của mạch cắt diode.

Mặc dù điện áp đầu vào cho các mạch cắt điốt có thể có bất kỳ hình dạng dạng sóng nào, ở đây chúng ta sẽ giả định rằng điện áp đầu vào là hình sin. Hãy xem xét các mạch bên dưới.

Mạch cắt điốt dương

Trong mạch cắt điốt này, điốt được phân cực thuận trong nửa chu kỳ dương của dạng sóng đầu vào hình sin. Để diode phân cực thuận, nó phải có cường độ điện áp đầu vào lớn hơn +0,7 volt (0,3 volt đối với diode germani).

Khi điều này xảy ra, các điốt bắt đầu dẫn điện và giữ điện áp trên chính nó không đổi ở mức 0,7V cho đến khi dạng sóng hình sin giảm xuống dưới giá trị này. Do đó, điện áp đầu ra được lấy qua diode không bao giờ được vượt quá 0,7 vôn trong nửa chu kỳ dương.

Trong nửa chu kỳ âm, điốt được phân cực ngược chặn dòng điện chạy qua chính nó và kết quả là không ảnh hưởng đến nửa âm của điện áp hình sin truyền đến tải không bị thay đổi. Do đó, diode giới hạn nửa dương của dạng sóng đầu vào và được gọi là mạch cắt dương.

Mạch cắt điốt âm

Ở đây ngược lại với ở ví dụ trên. Diode được phân cực thuận trong nửa chu kỳ âm của dạng sóng hình sin và giới hạn hoặc kẹp nó ở –0,7 vôn trong khi cho phép nửa chu kỳ dương đi qua không thay đổi khi phân cực ngược. Do diode giới hạn nửa chu kỳ âm của điện áp đầu vào nên nó được gọi là mạch cắt âm.

Cắt cả hai chu kỳ

Nếu chúng ta kết nối hai điốt song song ngược chiều như hình vẽ, thì cả nửa chu kỳ dương và âm sẽ được cắt , điốt 1 cắt nửa chu kỳ dương của dạng sóng đầu vào hình sin trong khi điốt 2 cắt nửa chu kỳ âm. Mạch cắt điốt có thể được sử dụng để cắt nửa chu kỳ dương, nửa chu kỳ âm hoặc cả hai.

Đối với điốt lý tưởng, dạng sóng đầu ra ở trên sẽ bằng không. Tuy nhiên, do sự sụt giảm điện áp phân cực thuận trên các điốt, điểm cắt thực tế xảy ra ở +0,7 volt và –0,7 volt tương ứng. Nhưng chúng ta có thể tăng ngưỡng ± 0,7V này lên bất kỳ giá trị nào chúng ta muốn lên đến giá trị lớn nhất, ( PEAK ) của dạng sóng hình sin bằng cách kết nối nhiều điốt với nhau hơn trong chuỗi tạo bội số của 0,7 vôn hoặc bằng cách thêm độ lệch điện áp vào điốt.

Phân cực cho diode

Để tạo ra các mạch cắt điốt cho dạng sóng điện áp ở các mức khác nhau, một điện áp phân cực, BIAS được thêm vào nối tiếp với điốt để tạo ra một bộ cắt kết hợp như hình minh họa. Điện áp trên kết hợp nối tiếp phải lớn hơn BIAS  + 0,7V trước khi diode trở nên phân cực thuận đủ để dẫn điện. Ví dụ, nếu mức BIAS được đặt ở 4,0 vôn, thì điện áp hình sin tại cực dương của diode phải lớn hơn 4,0 + 0,7 = 4,7 vôn để phân cực thuận. Bất kỳ mức điện áp cực dương nào trên điểm phân cực này đều bị cắt bớt.

Phân cực dương cho diode

Tương tự như vậy, bằng cách đảo chiều diode và điện áp phân cực của pin, khi một diode dẫn nửa chu kỳ âm của dạng sóng đầu ra được giữ ở mức –V BIAS  – 0,7V như hình dưới.

Phân cực âm cho diode

Có thể đặt hoặc giới hạn điện áp cắt bằng cách thay đổi điện áp phân cực của điốt. Nếu cả hai chu kỳ dương và âm được cắt, thì hai điốt phân cực được sử dụng. Nhưng đối với cả cắt điốt dương và âm, điện áp phân cực không cần phải giống nhau. Điện áp phân cực dương có thể ở một mức, ví dụ 4 vôn, và điện áp phân cực âm ở mức khác, ví dụ 6 vôn như hình minh họa dưới.

Cắt diode với điện áp phân cực khác nhau

Khi điện áp của nửa chu kỳ dương đạt đến +4,7 V, điốt 1  dẫn và giới hạn dạng sóng ở +4,7 V. Điốt 2 không dẫn cho đến khi điện áp đạt đến –6,7 V. Do đó, tất cả các điện áp dương trên +4,7 V và điện áp âm dưới –6,7 V được cắt tự động.

Ưu điểm của mạch cắt điốt phân cực là nó ngăn tín hiệu đầu ra vượt quá giới hạn điện áp đặt trước cho cả hai nửa chu kỳ của dạng sóng đầu vào, có thể là đầu vào từ cảm biến nhiễu hoặc đường cung cấp âm và dương của nguồn điện.

Nếu các mức cắt điốt được đặt quá thấp hoặc dạng sóng đầu vào quá lớn thì việc loại bỏ cả hai đỉnh dạng sóng có thể dẫn đến dạng sóng hình vuông.

Mạch cắt điốt Zener

Việc sử dụng điện áp phân cực có nghĩa là số lượng của dạng sóng điện áp bị cắt đi có thể được kiểm soát chính xác. Nhưng một trong những nhược điểm chính của việc sử dụng các mạch cắt điốt phân cực điện áp là chúng cần một nguồn pin emf bổ sung.

Một cách dễ dàng để tạo các mạch cắt điốt phân cực mà không cần thêm nguồn cung cấp emf là sử dụng Điốt Zener .

Như chúng ta đã biết, diode zener là một loại diode khác đã được sản xuất đặc biệt để hoạt động trong vùng đánh thủng phân cực ngược và như vậy có thể được sử dụng cho các ứng dụng điều chỉnh điện áp hoặc cắt diode zener. Trong vùng thuận, zener hoạt động giống như một diode silicon thông thường với điện áp thuận  là 0,7V (700mV).

Tuy nhiên, trong vùng phân cực ngược, điện áp bị chặn cho đến khi đạt đến điện áp đánh thủng điốt zener. Tại thời điểm này, dòng ngược qua zener tăng mạnh nhưng điện áp zener, Z trên thiết bị không đổi ngay cả khi dòng zener, Z thay đổi.

Sau đó, chúng ta có thể đặt hành động zener này để tạo hiệu ứng tốt bằng cách sử dụng chúng để cắt một dạng sóng như được hiển thị.

Cắt điốt Zener

Diode zener hoạt động giống như một mạch cắt diode phân cực với điện áp phân cực bằng điện áp đánh thủng zener. Trong mạch này trong nửa dương của dạng sóng, điốt zener bị phân cực ngược nên dạng sóng bị cắt ở điện áp zener, ZD 1 . Trong nửa chu kỳ âm, zener hoạt động giống như một diode bình thường với giá trị điện áp tiếp giáp 0,7V thông thường của nó.

Chúng ta có thể phát triển thêm ý tưởng này bằng cách sử dụng các đặc tính điện áp ngược của điốt zener để cắt cả hai nửa của dạng sóng bằng cách sử dụng các điốt zener nối tiếp nhau như hình minh họa.

Cắt điốt Zener toàn sóng

Dạng sóng đầu ra từ các mạch cắt điốt zener toàn sóng tương tự như của mạch cắt điốt phân cực điện áp trước đó. Dạng sóng đầu ra sẽ được cắt ở điện áp zener cộng với sụt áp 0,7V của diode khác. Vì vậy, ví dụ, nửa chu kỳ dương sẽ được cắt bằng tổng của diode zener, ZD 1 cộng với 0,7V từ ZD 2 và ngược lại cho nửa chu kỳ âm.

Điốt Zener có nhiều loại điện áp và có thể được sử dụng để cung cấp cácđiện áp chuẩn khác nhau trên mỗi nửa chu kỳ, tương tự như trên. Điốt Zener có sẵn với điện áp đánh thủng zener, Z nằm trong khoảng từ 2,4 đến 33 vôn, với dung sai là 1 hoặc 5%. Lưu ý rằng một khi dẫn trong vùng đánh thủng ngược, dòng điện đầy đủ sẽ chạy qua điốt zener nên phải chọn điện trở hạn chế dòng điện thích hợp, 1 .

Tóm tắt về mạch cắt bằng diode

Ngoài việc được sử dụng làm bộ chỉnh lưu, điốt cũng có thể được sử dụng để kẹp phần trên, hoặc phần dưới, hoặc cả hai dạng sóng ở mức một chiều cụ thể và chuyển nó đến đầu ra mà không bị biến dạng ,. Trong các ví dụ trên, chúng tôi đã giả định rằng dạng sóng là hình sin nhưng về lý thuyết thì bất kỳ dạng sóng đầu vào có hình dạng nào cũng có thể được sử dụng.

Mạch cắt Diode được sử dụng để loại bỏ nhiễu biên độ hoặc xung điện áp, điều chỉnh điện áp hoặc để tạo ra các dạng sóng mới từ một tín hiệu hiện có, chẳng hạn như bình phương các đỉnh của dạng sóng hình sin để thu được dạng sóng hình chữ nhật như đã thấy ở trên.

Ứng dụng phổ biến nhất của “diode clipping” là như một flywheel hoặc free-wheeling diode được kết nối song song trên một tải cảm ứng để bảo vệ transistor chuyển mạch dạng quá độ điện áp ngược.

Điốt phát quang

Điốt phát quang hay đơn giản là đèn LED, là một trong những loại được sử dụng rộng rãi nhất trong số các loại điốt bán dẫn khác nhau hiện nay và thường được sử dụng trong TV và màn hình màu.

Chúng là loại diode dễ nhìn thấy nhất, phát ra băng thông khá hẹp của ánh sáng nhìn thấy ở các bước sóng màu khác nhau, ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy được cho điều khiển từ xa hoặc ánh sáng loại laze khi có dòng điện chuyển tiếp đi qua chúng.

“ Điốt phát quang ” hay còn gọi là đèn LED, về cơ bản chỉ là một loại diode chuyên dụng vì chúng có các đặc tính điện rất giống với diode PN. Điều này có nghĩa là đèn LED sẽ truyền dòng điện theo hướng thuận của nó nhưng chặn dòng điện theo hướng ngược lại.

Điốt phát quang được làm từ một lớp rất mỏng của vật liệu bán dẫn có pha tạp chất khá nặng và tùy thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và lượng pha tạp, khi phân cực thuận, đèn LED sẽ phát ra ánh sáng màu ở một bước sóng quang phổ cụ thể.

Khi điốt được phân cực thuận, các điện tử từ vùng dẫn của chất bán dẫn tái kết hợp với các lỗ trống từ vùng hóa trị giải phóng năng lượng đủ để tạo ra các photon phát ra ánh sáng đơn sắc (một màu). Do lớp mỏng này nên một số lượng hợp lý các photon này có thể rời khỏi đường giao nhau và bức xạ ra xa tạo ra ánh sáng có màu.


Cấu tạo đèn LED

Chúng ta có thể nói rằng khi hoạt động theo hướng phân cực thuận, Điốt phát quang là thiết bị bán dẫn chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng.

Cấu tạo của một Diode phát sáng rất khác so với một diode tín hiệu thông thường. Tiếp giáp PN của đèn LED được bao quanh bởi lớp vỏ hoặc thân hình bán cầu bằng nhựa epoxy trong suốt, cứng, bảo vệ đèn LED khỏi rung và sốc.

Đáng ngạc nhiên là điểm tiếp giáp LED không thực sự phát ra nhiều ánh sáng như vậy nên thân nhựa epoxy được cấu tạo theo cách sao cho các photon ánh sáng phát ra từ điểm tiếp giáp bị phản xạ khỏi mặt nền xung quanh mà điốt được gắn vào và tập trung lên trên. thông qua đỉnh vòm của đèn LED, bản thân nó hoạt động giống như một thấu kính tập trung lượng ánh sáng. Đây là lý do tại sao ánh sáng phát ra dường như sáng nhất ở phía trên cùng của đèn LED.

Tuy nhiên, không phải tất cả các đèn LED đều được cấu tạo bởi vòm hình bán cầu cho lớp vỏ epoxy của chúng. Một số đèn LED chỉ dẫn có cấu tạo hình chữ nhật hoặc hình trụ có bề mặt phẳng ở trên hoặc thân của chúng có hình dạng thanh hoặc mũi tên. Nói chung, tất cả các đèn LED đều được sản xuất với hai chân nhô ra khỏi phần dưới của thân.

Ngoài ra, gần như tất cả các điốt phát quang hiện đại đều có cực âm được xác định bằng một vết khía hoặc vết phẳng trên thân hoặc bằng dây dẫn catốt ngắn hơn dây dẫn còn lại vì cực dương (  +  ) dài hơn cực âm ( k).

Không giống như đèn và bóng đèn sợi đốt bình thường tạo ra lượng nhiệt lớn khi được chiếu sáng, điốt phát quang tạo ra ánh sáng “lạnh” dẫn đến hiệu suất cao hơn so với “bóng đèn” bình thường vì phần lớn năng lượng được tạo ra tỏa ra bên trong quang phổ. Bởi vì đèn LED là thiết bị ở trạng thái rắn, chúng có thể cực kỳ nhỏ và bền và cung cấp tuổi thọ đèn lâu hơn nhiều so với các nguồn sáng bình thường.

Màu sắc điốt phát sáng

Vậy làm thế nào để một diode phát quang có được màu sắc của nó. Không giống như các điốt tín hiệu thông thường được chế tạo để phát hiện hoặc chỉnh lưu điện và được làm từ vật liệu bán dẫn Germanium hoặc Silicon, Điốt phát quang được làm từ các hợp chất bán dẫn kỳ lạ như Gali Arsenide (GaAs), Gallium Phosphide (GaP), Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP), Silicon Carbide (SiC) hoặc Gallium Indium Nitride (GaInN) tất cả trộn lẫn với nhau theo các tỷ lệ khác nhau để tạo ra bước sóng màu riêng biệt.

Các hợp chất LED khác nhau phát ra ánh sáng trong các vùng cụ thể của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và do đó tạo ra các mức cường độ khác nhau. Sự lựa chọn chính xác của vật liệu bán dẫn được sử dụng sẽ xác định bước sóng tổng thể của phát xạ ánh sáng photon và do đó kết quả là màu sắc của ánh sáng phát ra.

Màu sắc điốt phát sáng

Đặc điểm đèn LED điển hình
Vật liệu bán dẫn Bước sóng Màu sắc F  @ 20mA
GaAs 850-940nm Hồng ngoại 1,2v
GaAsP 630-660nm màu đỏ 1.8v
GaAsP 605-620nm Hổ phách 2.0v
GaAsP: N 585-595nm Màu vàng 2.2v
AlGaP 550-570nm Màu xanh lá 3.5v
SiC 430-505nm Màu xanh da trời 3.6v
GaInN 450nm trắng 4.0v

Do đó, màu sắc thực tế của một diode phát sáng được xác định bởi bước sóng của ánh sáng phát ra, lần lượt được xác định bởi hợp chất bán dẫn thực tế được sử dụng để tạo thành tiếp giáp PN trong quá trình sản xuất.

Do đó, màu sắc của ánh sáng phát ra bởi đèn LED KHÔNG được xác định bởi màu của thân nhựa của đèn LED.

Ánh sáng điốt phát phổ biến nhất là RED , AMBER ,  VÀNG  và XANH và do đó sử dụng rộng rãi như các chỉ thị giác….

Các đèn LED màu xanh và trắng được phát triển gần đây cũng có sẵn nhưng chúng có xu hướng đắt hơn nhiều so với các màu tiêu chuẩn thông thường do chi phí sản xuất khi trộn hai hoặc nhiều màu bổ sung với nhau với tỷ lệ chính xác trong hợp chất bán dẫn và cũng bằng cách thêm các nguyên tử nitơ. vào cấu trúc tinh thể trong quá trình pha tạp.

Từ bảng trên, chúng ta có thể thấy rằng dopant loại P chính được sử dụng trong sản xuất Điốt phát quang là Gali (Ga, số nguyên tử 31) và dopant loại N chính được sử dụng là Asen (As, số nguyên tử 33). hợp chất tạo thành của cấu trúc tinh thể Gali Arsenide (GaAs).

Vấn đề với việc sử dụng Gali Arsenide làm hợp chất bán dẫn là nó phát ra một lượng lớn bức xạ hồng ngoại có độ sáng thấp (khoảng 850nm-940nm) từ đường giao nhau khi có dòng điện chuyển tiếp chạy qua nó.

Lượng ánh sáng hồng ngoại mà nó tạo ra là ổn đối với điều khiển từ xa của tivi nhưng không hữu ích lắm nếu chúng ta muốn sử dụng đèn LED làm đèn báo hiệu. Nhưng bằng cách thêm Phốt pho (P, số nguyên tử 15), như một chất pha tạp thứ ba, bước sóng tổng thể của bức xạ phát ra giảm xuống dưới 680nm tạo ra ánh sáng đỏ có thể nhìn thấy được bằng mắt người. Những cải tiến hơn nữa trong quá trình pha tạp chất tiếp xúc PN đã tạo ra một dải màu trải dài trên quang phổ ánh sáng khả kiến ​​như chúng ta đã thấy ở trên cũng như các bước sóng hồng ngoại và cực tím.

Bằng cách trộn lẫn nhiều loại hợp chất bán dẫn, kim loại và khí với nhau, danh sách đèn LED sau đây có thể được tạo ra.

Các loại Diode phát quang

  • Gali Arsenide (GaAs) – tia hồng ngoại
  • Gali Arsenide Phosphide (GaAsP) – đỏ đến hồng ngoại, cam
  • Nhôm Gali Arsenide Phosphide (AlGaAsP) – đỏ có độ sáng cao, đỏ cam, cam và vàng
  • Gallium Phosphide (GaP) – đỏ, vàng và xanh lá cây
  • Nhôm Gali Phosphide (AlGaP) – xanh lá cây
  • Gali Nitride (GaN) – xanh lục, xanh lục bảo
  • Gali Indium Nitride (GaInN) – gần tia cực tím, xanh lục hơi xanh và xanh lam
  • Silicon cacbua (SiC) – màu xanh lam làm chất nền
  • Kẽm Selenide (ZnSe) – xanh lam
  • Nhôm Gali Nitride (AlGaN) – tia cực tím

Giống như điốt tiếp giáp PN thông thường, điốt phát quang là thiết bị phụ thuộc vào dòng điện với điện áp giảm F , phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn (màu ánh sáng của nó) và vào dòng điện LED phân cực thuận. Hầu hết các đèn LED phổ biến yêu cầu điện áp hoạt động thuận trong khoảng từ 1,2 đến 3,6 volt với đánh giá dòng chuyển tiếp khoảng 10 đến 30 mA, với 12 đến 20 mA là phạm vi phổ biến nhất.

Cả điện áp thuận và dòng thuận tùy thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng nhưng điểm bắt đầu dẫn điện và tạo ra ánh sáng là khoảng 1,2V đối với đèn LED màu đỏ tiêu chuẩn đến khoảng 3,6V đối với đèn LED màu xanh lam.

Sụt áp chính xác tất nhiên sẽ phụ thuộc vào nhà sản xuất vì vật liệu pha tạp và bước sóng được sử dụng khác nhau. Sụt áp trên LED ở một giá trị dòng điện cụ thể, ví dụ 20mA, cũng sẽ phụ thuộc vào điểm F dẫn ban đầu . Vì một đèn LED thực sự là một điốt, nên các đường cong đặc tính dòng điện thuận với điện áp của nó có thể được vẽ cho từng màu điốt như hình dưới đây.

Đặc tuyến của điốt phát quang IV.

Trước khi một diode phát quang có thể “phát ra” bất kỳ dạng ánh sáng nào, nó cần có dòng điện chạy qua nó, vì nó là một thiết bị phụ thuộc vào dòng điện với cường độ phát sáng của chúng tỷ lệ thuận với dòng điện chuyển tiếp chạy qua đèn LED.

Vì đèn LED được kết nối trong điều kiện phân cực thuận qua nguồn điện, nó phải được giới hạn dòng điện bằng cách sử dụng điện trở nối tiếp để bảo vệ nó khỏi dòng điện quá mức. Không bao giờ kết nối trực tiếp đèn LED với pin hoặc nguồn điện vì nó sẽ bị phá hủy gần như ngay lập tức vì quá nhiều dòng điện sẽ đi qua và đốt cháy nó.

Từ bảng trên, chúng ta có thể thấy rằng mỗi đèn LED có điện áp thuận riêng của nó qua đường giao nhau PN và thông số này được xác định bởi vật liệu bán dẫn được sử dụng, là sụt áp thuận đối với một lượng dòng điện dẫn thuận xác định, thường là 20mA.

Trong hầu hết các trường hợp, đèn LED được hoạt động từ nguồn điện một chiều có điện áp thấp, với điện trở nối tiếp, S được sử dụng để giới hạn dòng chuyển tiếp đến giá trị an toàn từ 5mA đối với LED đơn giản đến 30mA trở lên khi cần đầu ra ánh sáng có độ sáng cao .

Điện trở hạn dòng cho LED.

Giá trị điện trở nối tiếp S được tính toán đơn giản bằng cách sử dụng Định luật Ohm, bằng cách biết dòng điện thuận F yêu cầu của đèn LED, điện áp nguồn S  và điện áp thuận ​​của đèn LED, F tại mức dòng điện yêu cầu, điện trở giới hạn dòng điện được tính như sau:

Mạch điện trở dòng LED

Ví dụ về điốt phát sáng số 1

Một đèn LED điện áp thuận là 2V được kết nối với nguồn điện một chiều ổn định 5V. Sử dụng đoạn mạch trên hãy tính giá trị của điện trở nối tiếp cần thiết để dòng điện thuận có giá trị nhỏ hơn 10mA. Cũng tính toán dòng điện chạy qua diode nếu sử dụng điện trở nối tiếp 100Ω thay cho điện trở được tính toán trước.

1). điện trở nối tiếp yêu cầu ở 10mA.

2). Với một điện trở nối tiếp 100Ω.

Từ hướng dẫn về Điện trở, rằng điện trở có các giá trị ưu tiên tiêu chuẩn. Tính toán ở trên cho thấy rằng để giới hạn dòng điện chạy qua đèn LED chính xác là 10mA, sẽ yêu cầu một điện trở 300Ω . Do không có điện trở 300Ω nên chúng ta cần chọn giá trị cao nhất là 330Ω . Tính toán lại cho thấy giá trị dòng điện thuận là 9,1mA.

Kết nối các đèn LED nối tiếp

Chúng ta có thể mắc nối tiếp các đèn LED với nhau để tăng số lượng cần thiết hoặc để tăng mức độ ánh sáng khi sử dụng . Giống như với điện trở nối tiếp, đèn LED mắc nối tiếp đều có dòng điện thuận như nhau F chạy qua chúng . Vì tất cả các đèn LED mắc nối tiếp qua cùng một dòng điện nên tốt nhất là chúng có cùng màu hoặc cùng loại.

Kết nối đèn LED nối tiếp

Mặc dù LED mắc nối tiếp có cùng một dòng điện chạy qua nó, nhưng điện áp thì ngược lại . Nếu chúng ta giả sử rằng mỗi đèn LED có sụt áp trên nó khi được chiếu sáng là 1,2 vôn, thì điện áp trên cả ba đèn sẽ là 3 x 1,2 v = 3,6 vôn.

Nếu chúng ta cũng giả định rằng ba đèn LED sẽ được chiếu sáng từ cùng một nguồn 5 volt hoặc nguồn cung cấp với dòng thuận khoảng 10mA, giống như trên. Khi đó điện áp rơi trên điện trở S và giá trị điện trở của nó sẽ được tính như sau:

Một lần nữa không có điện trở 140Ω nên chúng ta cần chọn giá trị cao nhất gần nhất là 150Ω .

Mạch điều khiển LED

Bây giờ chúng ta đã biết đèn LED là gì, chúng ta cần một số cách để điều khiển nó bằng cách  “BẬT” và “TẮT”. Các giai đoạn đầu ra của cả cổng logic TTL và CMOS đều có thể tạo nguồn và giảm lượng dòng điện hữu ích do đó có thể được sử dụng để điều khiển đèn LED. Các mạch tích hợp (IC) thông thường có dòng đầu ra lên đến 50mA ở cấu hình sink, nhưng có dòng ra giới hạn bên trong khoảng 30mA ở cấu hình source.

Đối với các mạch điện tử logic, người ta phân biệt sink và source theo trạng thái của tầng ra khi được kích hoạt
(active).
Tầng ra sink, sẽ active khi ở mức 0, và trans ngõ ra sẽ là nguồn hút dòng từ bên ngoài. Do đó phải có điện trở tải kéo lên cực dương để cấp dòng cho nó. Nếu không có điện trở tải này, thì khi không kích hoạt (deactive) ngõ ra không lên 1 được. Tầng ra sink thường được thiết kế dạng mạch open collector.

Tầng ra source, sẽ active khi ở mức 1. Trans ngõ ra sẽ là nguồn cấp dòng cho tải bên ngoài. Nếu không có tải, ngõ ra khi không kích hoạt sẽ không xuống 0 được.

Một số tầng ra source, có thêm một tải bên trong, thụ động hay tích cực, nên khi không kích hoạt vẫn xuống 0 được.

Đa số các IC họ TTL và CMOS, ngõ ra vừa có chức năng sink, vừa có chức năng source. Các IC giải mã cho đèn 7 đoạn, thường là sink, hoặc source…

Dù bằng cách nào thì dòng điện LED phải được giới hạn ở một giá trị an toàn bằng cách sử dụng một điện trở nối tiếp như chúng ta đã thấy. Dưới đây là một số ví dụ về điốt phát quang sử dụng IC đảo nhưng ý tưởng là giống nhau đối với bất kỳ loại đầu ra mạch tích hợp nào dù là tổ hợp hay tuần tự.

Mạch điều khiển IC

Nếu nhiều hơn một đèn LED yêu cầu điều khiển đồng thời, chẳng hạn như trong các dãy đèn LED lớn, hoặc dòng tải cao đối với mạch tích hợp chỉ muốn sử dụng các thành phần rời rạc thay vì IC, thì một cách thay thế để điều khiển Các đèn LED sử dụng Transistor NPN hoặc PNP lưỡng cực làm công tắc được đưa ra bên dưới. Một điện trở nối tiếp, S được yêu cầu để giới hạn dòng LED.

Mạch điều khiển LED bằng transistor

Không thể kiểm soát độ sáng của một diode phát quang bằng cách thay đổi dòng điện chạy qua nó. Cho phép dòng điện chạy qua đèn LED nhiều hơn sẽ làm cho đèn phát sáng hơn nhưng cũng khiến nó tản nhiệt nhiều hơn. Đèn LED được thiết kế để tạo ra một lượng ánh sáng hoạt động ở một dòng thuận cụ thể trong khoảng từ 10 đến 20mA.

Trong những tình huống mà việc tiết kiệm điện là quan trọng, có thể có ít dòng điện hơn. Tuy nhiên, việc giảm dòng điện xuống dưới 5mA có thể làm mờ ánh sáng của nó quá nhiều hoặc thậm chí làm đèn LED “TẮT” hoàn toàn. Một cách tốt hơn nhiều để kiểm soát độ sáng của đèn LED là sử dụng quy trình điều khiển được gọi là “Điều chế độ rộng xung” hoặc PWM, trong đó đèn LED liên tục được bật “BẬT” và “TẮT” ở các tần số khác nhau tùy thuộc vào cường độ ánh sáng yêu cầu của đèn LED.

Cường độ ánh sáng LED sử dụng PWM

Khi yêu cầu đầu ra ánh sáng cao hơn, dòng điện điều chế độ rộng xung với chu kỳ làm việc khá ngắn (Tỷ lệ “ON-OFF”) cho phép dòng điốt và do đó cường độ ánh sáng đầu ra được tăng lên đáng kể trong các xung thực tế, trong khi vẫn giữ các đèn LED “Mức dòng điện trung bình” và công suất tiêu tán trong giới hạn an toàn.

Điều kiện nhấp nháy “BẬT-TẮT” này không ảnh hưởng đến những gì mắt người nhìn thấy vì nó “lấp đầy” các khoảng trống giữa xung ánh sáng “BẬT” và “TẮT”, cung cấp tần số xung đủ cao, làm cho ánh sáng liên tục. Vì vậy, các xung ở tần số 100Hz trở lên sẽ cho ánh sáng liên tục .

Điốt phát quang nhiều màu

Đèn LED có sẵn với nhiều hình dạng, màu sắc và kích thước khác nhau với cường độ phát sáng khác nhau, với loại phổ biến nhất (và rẻ nhất để sản xuất) là đèn LED Gali đỏ Arsenide Phosphide (GaAsP) 5mm tiêu chuẩn.

Đèn LED cũng có sẵn trong các thiết bị khác nhau được sắp xếp để tạo ra cả chữ cái và số với điểm chung nhất là kiểu sắp xếp “LED 7 đoạn”.

Ngày nay, có sẵn màn hình LED màn hình phẳng đầy đủ màu sắc,  TV sử dụng rất nhiều đèn LED nhiều màu, tất cả đều được điều khiển trực tiếp bằng vi mạch chuyên dụng của riêng chúng.

Hầu hết các điốt phát quang chỉ tạo ra một ánh sáng màu duy nhất, tuy nhiên, các đèn LED nhiều màu hiện có sẵn có thể tạo ra nhiều màu sắc khác nhau từ trong một thiết bị duy nhất. Hầu hết trong số này thực sự là hai hoặc ba đèn LED được chế tạo trong một thiết bị duy nhất.

Điốt phát quang hai màu

Một đi-ốt phát quang hai màu có hai LED được kết nối với nhau theo kiểu “song song nghịch đảo” (một tiến, một lùi) được kết hợp trong một thiết bị duy nhất. Đèn LED hai màu có thể tạo ra bất kỳ một trong ba màu nào, ví dụ: màu đỏ được phát ra khi thiết bị được kết nối với dòng điện chạy theo một hướng và màu xanh lá cây được phát ra khi phân cực theo hướng khác.

Kiểu sắp xếp hai chiều này rất hữu ích để đưa ra chỉ báo phân cực, ví dụ, kết nối chính xác cực của pin hoặc nguồn điện, v.v. Ngoài ra, dòng điện hai chiều tạo ra cả hai màu trộn lẫn với nhau khi hai đèn LED sẽ sáng lên. nếu thiết bị được kết nối (thông qua một điện trở phù hợp) với nguồn điện xoay chiều tần số thấp, điện áp thấp.

Đèn LED hai màu

LED Điểm A AC
+
LED 1 ON OFF ON
LED 2 OFF ON ON
Màu sắc Màu xanh lá Màu đỏ Màu vàng

Điốt phát quang ba màu

Loại điốt phát sáng ba màu phổ biến nhất bao gồm một đèn LED Đỏ và một đèn LED Xanh lục được kết hợp trong với âm cực của chúng được kết nối với nhau. Chúng được gọi là đèn LED ba màu vì chúng có thể phát ra một màu đỏ hoặc một màu xanh lá cây bằng cách “BẬT” chỉ một đèn LED tại một thời điểm.

Các đèn LED ba màu này cũng có thể tạo ra các sắc thái bổ sung của màu cơ bản của chúng (màu thứ ba) như Cam hoặc Vàng bằng cách “BẬT” hai đèn LED ở các tỷ lệ khác nhau của dòng điện thuận như được hiển thị trong bảng, do đó tạo ra bốn màu khác nhau chỉ từ hai diode .

Màu đầu ra màu đỏ quả cam Màu vàng Màu xanh lá
LED 1 0 5mA 9,5mA 15mA
LED 2 10mA 6,5mA 3,5mA 0

LED Display

Cũng như các đèn LED nhiều màu hoặc nhiều màu riêng lẻ, một số điốt phát quang có thể được kết hợp với nhau tạo ra các màn hình như vạch, dải, mảng và led 7 đoạn.

LED 7 đoạn cung cấp hiển thị thông tin hoặc dữ liệu kỹ thuật số ở dạng số, chữ cái hoặc thậm chí là ký tự số alpha  chúng bao gồm bảy đèn LED riêng lẻ (các đoạn).

Để tạo ra các số hoặc ký tự cần thiết tương ứng từ 0 đến 9 và A đến F , trên màn hình cần có sự kết hợp chính xác của các đoạn LED.LED bảy ​​đoạn tiêu chuẩn thường có tám kết nối đầu vào, một kết nối cho mỗi đoạn LED và một kết nối chung cho tất cả các đoạn bên trong.

  • Cathode chung (CCD)  – Trong màn hình cathode chung, tất cả các kết nối cathode của các đèn LED được nối với nhau và các đoạn riêng lẻ được chiếu sáng bằng cách đặt tín hiệu CAO, logic “1”.
  •  Anode chung (CAD) – Trong màn hình anode chung, tất cả cực dương của đèn LED được nối với nhau và các đoạn riêng lẻ được chiếu sáng bằng cách kết nối với tín hiệu LOW, logic “0”.

LED bảy ​​đoạn

Opto quang

Cuối cùng, một ứng dụng hữu ích khác của điốt phát quang là Opto . Opto hay cách ly quang còn được gọi là một thiết bị điện tử đơn lẻ bao gồm một diode phát quang kết hợp với một quang điện tử, quang bán dẫn hoặc quang triac để cung cấp một đường dẫn tín hiệu quang học giữa một đầu vào và kết nối đầu ra trong khi vẫn duy trì cách ly điện giữa hai mạch.

Bộ cách ly quang bao gồm một phần thân bằng nhựa chống sáng có điện áp đánh thủng  giữa đầu vào (điốt quang) và đầu ra (transistor quang) lên đến 5000 vôn. Cách ly điện này đặc biệt hữu ích khi cần phải có tín hiệu từ mạch điện áp thấp như mạch cấp nguồn bằng pin, máy tính hoặc vi điều khiển để vận hành hoặc điều khiển một mạch bên ngoài khác hoạt động ở điện áp nguồn nguy hiểm .

Điốt quang và Bộ ghép quang bán dẫn quang

Hai thành phần được sử dụng trong bộ cách ly quang học, một bộ phát quang học như đèn LED Gallium Arsenide phát tia hồng ngoại và một bộ thu quang học như transistor quang được kết hợp chặt chẽ về mặt quang học và sử dụng ánh sáng để gửi tín hiệu và / hoặc thông tin giữa đầu vào của nó và đầu ra. Điều này cho phép thông tin được truyền giữa các mạch mà không cần kết nối điện hoặc điện thế nối đất chung.

Bộ cách ly quang là thiết bị chuyển mạch hoặc kỹ thuật số, vì vậy chúng truyền tín hiệu điều khiển “BẬT-TẮT” hoặc dữ liệu kỹ thuật số. Tín hiệu tương tự có thể được chuyển bằng phương pháp điều chế tần số hoặc độ rộng xung.

Điốt Schottky

Diode Schottky là một loại diode bán dẫn kim loại có điện áp chuyển tiếp thấp và tốc độ chuyển mạch rất nhanh

Schottky Diode là một loại diode bán dẫn mà có thể được sử dụng trong mạch tạo sóng , chuyển mạch và  chỉnh lưu giống như bất kỳ diode khác. Điểm hạn chế chính là điện áp phân cực thuận của Diode Schottky về cơ bản nhỏ hơn so với 0,7 volt của diode tiếp giáp silicon pn thông thường.

Điốt Schottky có nhiều ứng dụng hữu ích từ chỉnh lưu, điều hòa tín hiệu và chuyển mạch, đến cổng logic TTL và CMOS do chủ yếu là công suất thấp và tốc độ chuyển mạch nhanh. Cổng logic TTL Schottky được xác định bằng các chữ cái LS xuất hiện ở trong mã mạch cổng logic của chúng, ví dụ 74LS00.

Lớp tiếp giáp PN được hình thành bằng cách pha chất bán dẫn loại N và P cho phép nó được sử dụng như một thiết bị chỉnh lưu, và chúng ta đã thấy rằng khi phân cực thuận vùng nghèo sẽ giảm đáng kể cho phép dòng điện qua nó theo hướng thuận, và khi Phân cực ngược , vùng nghèo gia tăng chặn dòng điện.

Phân cực điểm tiếp giáp pn bằng cách sử dụng điện áp bên ngoài để phân cực thuận hoặc nghịch, làm giảm hoặc tăng tương ứng điện trở của lớp tiếp giáp. Do đó, mối quan hệ điện áp-dòng điện (đường đặc tính) của một diode tiếp giáp pn điển hình bị ảnh hưởng bởi giá trị điện trở của lớp tiếp giáp. Hãy nhớ rằng diode tiếp giáp pn là một thiết bị phi tuyến nên điện trở DC của nó sẽ thay đổi theo cả điện áp phân cực và dòng điện qua nó.

Khi phân cực thuận, sự dẫn truyền qua lớp tiếp giáp không bắt đầu cho đến khi điện áp phân cực bên ngoài đạt đến “điện áp knee voltage”, tại thời điểm đó dòng điện tăng nhanh và đối với điốt silicon, điện áp cần thiết để xảy ra dẫn truyền thuận là khoảng 0,65 đến 0,7 volt như hình minh họa.

Điốt tiếp giáp PN IV-Đặc tính

Đối với các điốt tiếp giáp silicon thực tế, điện áp KNEE này có thể nằm trong khoảng từ 0,6 đến 0,9 volt tùy thuộc vào cách nó được pha tạp trong quá trình sản xuất . Tuy nhiên, điện áp Vknee cho một diode germani tiêu chuẩn thấp hơn nhiều ở mức xấp xỉ 0,3 vôn, làm cho nó phù hợp hơn với các ứng dụng tín hiệu nhỏ.

Nhưng có một loại diode chỉnh lưu khác có điện áp Vknee nhỏ cũng như tốc độ chuyển mạch nhanh được gọi là Schottky Barrier Diode , hay chỉ đơn giản là “Schottky Diode”. Điốt Schottky có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự như điốt tiếp giáp pn thông thường và có nhiều mục đích sử dụng khác nhau, đặc biệt là trong logic kỹ thuật số, năng lượng tái tạo và các ứng dụng tấm pin năng lượng mặt trời.

Không giống như điốt tiếp giáp pn thông thường được hình thành từ một lớp vật liệu loại P và loại N, Điốt Schottky được chế tạo bằng cách sử dụng một điện cực kim loại liên kết với một chất bán dẫn loại N. Vì chúng được chế tạo bằng cách sử dụng hợp chất kim loại ở một mặt của đường giao nhau và silicon pha tạp ở mặt kia, do đó, điốt Schottky không có vùng nghèo và được phân loại là thiết bị đơn cực không giống như điốt tiếp giáp pn điển hình là thiết bị lưỡng cực.

Kim loại phổ biến nhất được sử dụng để chế tạo điốt Schottky là “Silicide”, là một hợp chất kim loại và silicon có tính dẫn điện cao. Tiếp điểm silicide kim loại-silicon này có giá trị điện trở ohmic thấp hợp lý cho phép dòng điện chạy qua nhiều hơn tạo ra điện áp thuận nhỏ hơn khoảng Vƒ <0,4V khi dẫn điện. Các hợp chất kim loại khác nhau sẽ tạo ra sự sụt giảm điện áp thuận khác nhau, thường từ 0,3 đến 0,5 vôn.

Ký hiệu và cấu tạo điốt Schottky

Trên đây cho thấy cấu tạo đơn giản và ký hiệu của một điốt Schottky, trong đó một chất bán dẫn silicon loại n pha tạp nhẹ được kết hợp với một điện cực kim loại để tạo ra “mối nối kim loại-bán dẫn”.

Chiều rộng và do đó là các đặc tính điện của lớp tiếp giáp kim loại-bán dẫn này sẽ phụ thuộc rất nhiều vào loại hợp chất kim loại và vật liệu bán dẫn được sử dụng trong cấu tạo của nó, nhưng khi phân cực thuận, các điện tử di chuyển từ vật liệu loại n sang điện cực kim loại cho phép dòng điện chạy qua. Do đó dòng điện qua diode Schottky là kết quả của sự trôi dạt của phần lớn các hạt mang điện.

Vì không có vật liệu bán dẫn loại p và do đó không có hạt tải điện thiểu số (lỗ trống), khi phân cực ngược, sự dẫn truyền của điốt dừng rất nhanh và chuyển sang chặn dòng điện, như đối với điốt tiếp giáp pn thông thường. Do đó, đối với một diode Schottky có một phản ứng rất nhanh với những thay đổi trong phân cực và thể hiện các đặc tính của một diode chỉnh lưu.

Như đã thảo luận trước đây, điện áp V Knee mà tại đó điốt Schottky “BẬT” và bắt đầu dẫn điện ở mức điện áp thấp hơn nhiều so với mức tương đương điểm tiếp giáp pn của nó như thể hiện trong các đặc điểm IV sau đây.

Schottky Diode đặc tuyến IV

Như chúng ta có thể thấy, hình dạng chung đặc tuyến IV của diode Schottky rất giống với đặc điểm của một diode tiếp giáp pn tiêu chuẩn, ngoại trừ điện áp V Knee mà tại đó diode bắt đầu dẫn điện thấp hơn nhiều ở xung quanh 0,4 vôn.

Do giá trị thấp hơn này, dòng điện thuận của một diode Schottky có thể lớn hơn nhiều lần so với một diode tiếp giáp pn điển hình, tùy thuộc vào điện cực kim loại được sử dụng. Hãy nhớ rằng định luật Ohms cho chúng ta biết rằng công suất bằng vôn nhân với amps, (P = V * I) vì vậy điện áp thuận nhỏ hơn đối với dòng điện điốt nhất định, D sẽ tạo ra sự tiêu tán công suất thuận thấp hơn dưới dạng nhiệt .

Tổn thất điện năng thấp hơn này làm cho điốt Schottky trở thành một lựa chọn tốt trong các ứng dụng điện áp thấp và dòng điện cao như tấm pin mặt trời trong đó điện áp chuyển tiếp, ( F ) giảm trên một diode tiếp giáp pn tiêu chuẩn sẽ tạo ra hiệu ứng sưởi ấm quá mức.

Tuy nhiên, phải lưu ý rằng dòng điện rò ngược, ( R ) đối với điốt Schottky thường lớn hơn nhiều so với điốt tiếp giáp pn.

Cũng do điốt Schottky được chế tạo với điểm nối kim loại-bán dẫn, nó có xu hướng đắt hơn một chút so với điốt silicon tiếp giáp pn tiêu chuẩn có thông số kỹ thuật về điện áp và dòng điện tương tự.

Điốt Schottky trong Cổng logic

Diode Schottky cũng có nhiều ứng dụng trong các mạch kỹ thuật số và được sử dụng rộng rãi trong các cổng và mạch logic kỹ thuật số  do đáp ứng tần số cao hơn, giảm thời gian chuyển mạch và tiêu thụ điện năng thấp hơn. Khi cần chuyển đổi tốc độ cao, TTL Schottky là sự lựa chọn rõ ràng.

Có nhiều  loại Schottky TTL khác nhau với tốc độ và mức tiêu thụ điện năng khác nhau. Ba chuỗi logic TTL chính sử dụng diode Schottky trong cấu tạo của nó được đưa ra là:

  • Schottky Diode TTL (S series)  – Schottky “S” series TTL (74SXX) là phiên bản cải tiến của diode-transistor DTL ban đầu, và các cổng và mạch logic TTL dòng 74 của bóng bán dẫn. Điốt Schottky được đặt trên đường giao nhau cực  C-B của các transistor chuyển mạch để ngăn chúng bão hòa và tạo ra độ trễ lan truyền cho phép hoạt động nhanh hơn.
  • Low-Power Schottky (LS series)  – Tốc độ chuyển mạch bóng bán dẫn, độ ổn định và công suất tiêu tán của dòng TTL 74LSXX tốt hơn so với dòng 74SXX trước đó. Cũng như tốc độ chuyển mạch cao hơn, dòng Schottky TTL tiêu thụ ít điện năng hơn khiến dòng 74LSXX TTL trở thành lựa chọn tốt cho nhiều ứng dụng.
  • Advanced Low-Power Schottky (ALS series)  – Những cải tiến bổ sung trong vật liệu được sử dụng để chế tạo các điểm nối ms của điốt có nghĩa là dòng 74LSXX đã giảm thời gian trễ lan truyền và tiêu hao công suất thấp hơn nhiều so với dòng 74ALSXX và dòng 74LS. Tuy nhiên, là một công nghệ mới hơn và thiết kế phức tạp hơn bên trong so với TTL tiêu chuẩn, dòng ALS đắt hơn một chút.

Transistor Schottky

Tất cả các cổng và mạch Schottky TTL trước đây đều sử dụng transistor được kẹp Schottky để ngăn chúng vào trạng thái bão hòa.

Như được minh họa, bóng bán dẫn kẹp Schottky về cơ bản là bóng bán dẫn lưỡng cực tiêu chuẩn với một diode Schottky được kết nối song song qua đường giao nhau B-C.

Khi bóng bán dẫn dẫn điện bình thường trong vùng hoạt động , điểm nối B-C thu được phân cực ngược và do đó đi-ốt được phân cực ngược cho phép bóng bán dẫn hoạt động như một bóng bán dẫn npn bình thường. Tuy nhiên, khi bóng bán dẫn bắt đầu bão hòa, diode Schottky trở nên phân cực thuận và kẹp điểm nối đế thu vào giá trị  điện áp 0,4 volt của nó, giữ cho bóng bán dẫn không bão hòa vì bất kỳ dòng điện cực B dư thừa nào cũng bị ngắt qua diode.

Tóm tắt về Diode Schottky

Chúng ta đã thấy ở đây rằng Diode Schottky là một diode bán dẫn trạng thái rắn, trong đó một điện cực kim loại và một chất bán dẫn loại n tạo thành điểm tiếp giáp ms nên điốt có hai ưu điểm chính so với điốt tiếp giáp pn truyền thống , tốc độ chuyển mạch nhanh hơn và điện áp phân cực thuận thấp.

Điểm nối kim loại-bán dẫn hoặc điểm nối ms cung cấp điện áp Knee thấp hơn nhiều, thường từ 0,3 đến 0,4 volt so với giá trị 0,6 đến 0,9 volt được thấy trong một diode tiếp giáp pn silicon tiêu chuẩn cho cùng một giá trị của dòng điện thuận.

Các biến thể trong vật liệu kim loại và vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo chúng có nghĩa là điốt Schottky silicon cacbua (SiC) có thể “BẬT” với điện áp giảm xuống dưới 0,2 volt với điốt Schottky thay thế điốt gecmani ít được sử dụng hơn trong nhiều các ứng dụng yêu cầu điện áp V knee thấp hơn.

Điốt Schottky nhanh chóng trở thành thiết bị chỉnh lưu được ưa chuộng trong các ứng dụng điện áp thấp, dòng điện cao để sử dụng trong các ứng dụng năng lượng tái tạo và tấm pin năng lượng mặt trời.

Tuy nhiên,dòng rò ngược của diode Schottky lớn hơn và điện áp đánh thủng ngược của chúng thấp hơn ở khoảng 50 volt.

Điện áp bật thấp hơn, thời gian chuyển mạch nhanh hơn và tiêu thụ điện năng giảm làm cho điốt Schottky cực kỳ hữu ích trong nhiều ứng dụng mạch tích hợp với cổng logic 74LSXX TTL.

Các mối nối kim loại-bán dẫn cũng có thể được thực hiện để hoạt động như “tiếp điểm Ohmic” cũng như các điốt chỉnh lưu bằng cách đặt điện cực kim loại lên vùng bán dẫn được pha tạp nhiều (và do đó có điện trở suất thấp). Tiếp điểm Ohmic dẫn dòng điện như nhau theo cả hai hướng cho phép các tấm và mạch bán dẫn kết nối một với các thiết bị bên ngoài.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Check Also
Close
Back to top button