Giáo trình Cấu kiện điện tử - Chương 2: Điot bán dẫn

đ−ợc giá trị: 
 UC = Um - 0,7V (2-111) 
Khi đó điện áp ra sẽ bằng: 
Ura = UC - 0,7V + UV = Um - 0,7V + UV (2-112) 
 Trong tr−ờng hợp dịch mức âm (hình 2-85) thì tụ C sẽ nạp ở chu kỳ d−ơng đầu tiên của tín hiệu 
tại nửa chu kỳ này Điot thông nên điện áp ra bằng 0 (Điot lý t−ởng nếu Điot thực Ura sẽ bằng 0,7V) và 
tụ C nạp tới giá trị đỉnh Um. Khi đó điện áp ra sẽ bằng: (tr−ờng hợp Điot lý t−ởng). 
Ura = -UC + UV = -Um + UV (2-113) 
Tr−ờng hợp Điot thực (UD0 = 0,7v) điện áp ra sẽ cộng thêm 0,7V nữa và bằng: 
Ura = -UC + 0,7V + UV = -Um + 0,7V + UV (2-114) 
Ví dụ 2-9: Vẽ tín hiệu ra đối với mạch dịch mức (hình 2-86a) nếu tín hiệu vào có dạng nh− hình 2-86b (giả thiết 
Điot lý t−ởng). Biết R = 100KΩ, C = 1àF, ftín hiệu = 1000Hz. 
 a) Mạch dịch mức âm b) Dạng tín hiệu vào 
Hình 2- 86: Xác định tín hiệu ra cho mạch dịch mức âm 
R 
Ura 
D 
C 
Uv 
Uv 
t 
+10V 
0 
-20V 
t1 t2 t3 
T 
 70 
Giải: 
 Kiểm tra điều kiện (2-109) 1ms=
1000Hz
1
=T 
τ = RC = 100KΩ x 1àF = 100.103Ω x 10-6F = 0,1S = 100ms 
Hình 2- 87: Dạng tín hiệu ra cho ví dụ hình 2-62 
Tức là: τ = 100T điều kiện (2-109) đt thoả mtn. Xét trong khoảng thời gian từ 0 ữ t1, Điot 
thông (lý t−ởng) nên đầu ra Ura = 0. Khi đó tụ C tới giá trị cực đại tức là UC = +10V. 
 Trong khoảng từ t1 ữ t2 tín hiệu vào âm Điot khoá nên: 
 Ura = -UC + UV = -10V - 20V = -30V 
 Từ khoảng t2 ữ t3, tín hiệu vào d−ơng, do điện áp trên Điot là âm nên vẫn bị khoá, tụ phóng qua 
điện trở R và mạch vào. Do hằng số thời gian lớn so với chu kỳ tín hiệu (τ = 100ms >> T = 
1ms) nên điện áp trên tụ hầu nh− vẫn giữ giá trị ≈ +10V và điện áp ra lúc này là: 
Ura = -UC + UV = -10V + 10V = 0 
 Các thời điểm sau diễn ra t−ơng tự nh− quá trình trên. Dạng tín hiệu ra so sánh với tín hiệu vào 
đ−ợc mô tả trên hình 2-87. 
2.14.4. Mạch ổn áp dùng Điot Zener 
Điot Zener th−ờng đ−ợc sử dụng trong các mạch ổn định điện áp. Mạch ổn áp dùng Zener đ−ợc mô 
tả trên hình 2-88, trong đó hình 2-88a không có tải và trong hình 2-64b là có tải. L−u ý trong mạch ổn 
áp luôn phải có điện trở R0 để hạn chế dòng điện. 
 a) Mạch ổn áp Zener không tải b) Mạch ổn áp Zener có tải 
Hình 2- 88: Mạch ổn áp dùng Điot Zener 
-
Uv 
t 
+10
0 
Ura 
t 0 
-
Ro 
Ut DZ E 
IZ 
Ro 
Ut 
DZ E IZ Rt It 
 71 
Xét mạch ổn áp Zener không tải: (hình 2-88a) 
Theo mạch (hình 2-88a) có thể viết ph−ơng trình sau: 
E = IZR0 + Ut (2-115) 
 Ph−ơng trình này gọi là ph−ơng trình đ−ờng tải. Dựa vào ph−ơng trình này có thể tìm đ−ợc dải 
biến thiên cực đại ở đầu vào Emin, Emax để Điot làm việc trong vùng Zener (ổn áp), ứng với dải dòng 
điện IZmin ữ IZmax. 
Thay DZ bằng sơ đồ t−ơng đ−ơng thực và lý t−ởng ta có hình 2-89. 
 a) Dùng sơ đồ t−ơng đ−ơng thực b) Dùng sơ đồ t−ơng đ−ơng lý t−ởng (rZ = 0) 
Hình 2-89: Mạch ổn áp biểu diễn bằng sơ đồ t−ơng đ−ơng của Điot Zener 
 Với mạch t−ơng đ−ơng thực của Điot Zener ta có ph−ơng trình sau: 
 E = IZR0 + IZrZ + UZ Điot Zener thực (2-116) 
Với sơ đồ t−ơng đ−ơng lý t−ởng chỉ cần đặt rZ = 0 ta có: 
E = IZR0 + UZ Điot Zener lý t−ởng (2-117) 
 Dựa trên các tham số cho của Điot Zener ng−ời ta th−ờng phải tính các thông số sau: 
-
 Dòng điện trung bình của Điot trong dải làm việc IZ0: 
2
maxmin zz
zo
II
I
+
= (2-118) 
Điện áp vào cực tiểu Emin: (căn cứ theo ph−ơng trình 2-116) 
Emin = IZminR0 + IZminrZ + UZ (2-119) 
 Điện áp vào cực đại Emax: 
Emax = IZmaxR0 + IZmaxrZ + UZ (2-120) 
- Công suất tiêu tán trên Điot Zener PZ: 
PZ = UZ.IZ (2-121) 
Ví dụ 2-10: Cho mạch ổn áp dùng Điot Zener nh− hình 2-64a với các thông số sau: R0 = 1KΩ, IZmin = 0,5mA, 
IZmax = 11,5mA, UZ = 10V. Coi Điot Zener là lý t−ởng, hty tìm điểm làm việc Q ứng với điểm giữa của vùng 
Zener. Hty tính điện áp đặt vào cực đại Emax, và cực tiểu Emin? Tính công suất tiêu tán trên Điot Zener tại điểm 
làm việc Q . 
Giải: 
* Điểm Q ứng với dòng điện IZ0 xác định bằng công thức (2-118): 
6mA=
2
11,5mA+0,5mA
=
2
I+I
=I ZmaxZminZ0
Ro 
Ut 
E 
IZ 
rZ 
UZ 
+ 
Ro 
Ut 
E 
IZ UZ 
+ 
 72 
 * Điện áp vào cực tiểu theo (2-119) với mô hình Điot lý t−ởng (rZ = 0) sẽ bằng: 
 EZmin = IZminR0 + UZ = 0,5mA x 1KΩ + 10V = 10,5V 
* Điện áp vào cực đại theo (2-120) sẽ bằng: 
EZmax = IZmaxR0 + UZ = 11,5mA x 1KΩ + 10V = 21,5V 
* Công suất tiêu tán của Điot Zener tại điểm làm việc Q. 
PZ = UZ x IZ0 = 10V x 6mA = 60mW 
Nhận xét: Với mạch ổn áp trên điện áp vào thay đổi khá lớn từ 10,5V đến 21,5V (21,5V - 
10,5V = 11V). Nếu tính từ điểm Q thì sự thay đổi điện áp vào về 2 phía sẽ đ−ợc tính bằng một nửa toàn 
bộ l−ợng thay đổi trên tức là bằng 
2
11
 = 5,5V và th−ờng đ−ợc viết ∆E = ±5,5V. 
Xét mạch ổn áp Zener có tải: (hình 88b) 
 a) Mạch ổn áp có tải b) Dùng sơ đồ t−ơng đ−ơng c) Dùng sơ đồ t−ơng đ−ơng 
 Điot Zener thực Điot Zener lý t−ởng 
Hình 2- 90: Mạch ổn áp Zener có tải và biểu diễn qua sơ đồ t−ơng đ−ơng của Điot 
Mạch ổn áp có tải có thể sử dụng sơ đồ t−ơng đ−ơng của Điot Zener để biểu diễn. Trên hình 2-
90, biểu diễn mạch ổn áp có tải dùng mô hình t−ơng đ−ơng Điot thực và lý t−ởng. 
Xét sơ đồ t−ơng đ−ơng thực của Điot Zener (hình 2-90b) có thể viết các ph−ơng trình sau: 
E = IR0 + Ut (2-122) 
I = IZ + It (2-123) 
Ut = UZ + IZrZ (2-124) 
Sau khi biến đổi các ph−ơng trình trên đây sẽ có: 
ZZZ0
t
ZZZ
0Z rI+U+RR
rI+U
+RI=E 
Nhóm lại cho kết quả: 
Ph−ơng trình (2-126) là dạng đầy đủ có tính ảnh h−ởng của rZ. 
 Nếu sử dụng mô hình Điot Zener lý t−ởng (rZ = 0), sẽ cho ph−ơng trình sau: 
t
ZZZ
t
t
t R
rI+U
=
R
U
=I (2-125) 
( ) ( ) +1U+++1RI=E 
tR
Rrr o
RRo Zt0Z
ZZ (2-126) Mô hình Điot Zener thực 
( ) +1U+RI=E 
tR
R o
Z0Z (2-127) Mô hình Điot Zener lý t−ởng 
Ro 
Ut 
DZ E IZ Rt It 
I 
Ro 
Ut 
E IZ 
rZ 
UZ 
+ 
I 
Rt It 
Ro 
Ut 
E 
IZ UZ 
+ 
I 
Rt It 
 73 
 Nhận xét: Nếu giá trị rZ << R0 và rZ << Rt (th−ờng hay xảy ra trong thực tế: Nhỏ hơn cỡ khoảng 
từ 50 đến 100 lần thì có thể hoàn toàn ứng dụng mô hình Điot lý t−ởng theo công thức (2-127) với sai 
số không đáng kể. 
Trong quá trình làm việc của mạch ổn áp th−ờng có từ hai giá trị có thể thay đổi: Đó là nguồn 
vào E và điện trở tải Rt. 
Để xác định giới hạn của E và Rt sao cho Điot vẫn làm việc trong vùng Zener, ng−ời ta th−ờng 
chia làm hai tr−ờng hợp riêng để dễ khảo sát đó là: 
- Tr−ờng hợp E thay đổi (E = Var) ; Rt = const 
- Tr−ờng hợp Rt thay đổi (Rt = Var) ; E = const 
* Xét tr−ờng hợp: E = Var ; Rt = const: 
 Sử dụng ph−ơng trình (2-126) ứng với mô hình thực của Điot Zener hoặc (2-127) đối với mô 
hình lý t−ởng có thể tính đ−ợc dải biến thiên cực đại của điện áp vào từ Emin ữ Emax. Chỉ việc đặt giá trị 
IZmin vào ph−ơng trình (2-126) hoặc (2-127) sẽ tìm đ−ợc Emin. Thay IZmax cũng vào ph−ơng trình này xẽ 
tìm đ−ợc EZmax. 
Ví dụ 2-11: Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của điện áp vào: Emin, Emax (hình 2-90a) nếu biết IZmin = 1mA, 
IZmax = 15mA, UZ = 5V, rZ = 10Ω, R0 = 1KΩ, Rt = 1KΩ. 
Giải: Theo công thức (2-126) với mô hình thực của Điot Zener ta có: 
Emin = 





++





++
t
Z
t
ZZ
Z R
RU
R
r
R
r
RI 0
0
0min 11 
Emax = 





++





++
t
Z
t
ZZ
Z R
RU
R
r
R
rRI 0
0
0max 11 
(L−u ý rằng trong tr−ờng hợp dùng mô hình Điot Zener lý t−ởng cho kết quả: EZmin = 11V ; EZmax 
= 25V. Rõ ràng trong tr−ờng hợp này sai số không đáng kể). 
 * Xét tr−ờng hợp: Rt = Var ; E = const: 
Trong tr−ờng hợp này việc khảo sát có phức tạp hơn. Mạch ổn áp có tải thay đổi đ−ợc mô tả trên 
hình 2-91. 
Hình 2- 91: Mạch ổn áp khi Rt thay đổi 
VVV
K
KV
KK
KmA
02,111002,1
)
1
11(5)
1
10
1
101(1.1
=+=
Ω
Ω
++
Ω
Ω
+
Ω
Ω
+Ω=
VVV
K
KV
KK
KmA
02,251002,15
)
1
11(5)
1
10
1
101(1.15
=+=
Ω
Ω
++
Ω
Ω
+
Ω
Ω
+Ω=
Ro 
Ut 
DZ E IZ Rt 
It 
I 
 74 
Có thể giả thiết rằng Điot Zener gần với lý t−ởng (rZ ≅ 0) nên Ut ≅ UZ. Điều này có nghĩa là dòng 
qua điện trở R0 không thay đổi: 
const
R
UE
I
o
t
=
−
= (2-128) 
Trong khi đó: 
I = IZ + It = const (2-129) 
 Có nghĩa là: 
ứng với Rt = Rt max sẽ cho: It = It min ⇒ IZ = IZ max (2-130) 
ứng với Rt = Rt min sẽ cho: It = It max ⇒ IZ = IZ min (2-131) 
Vậy để tính đ−ợc các giá trị It min, Rt min và It max, Rt max dùng công thức (2-127), (2-128), (2-129) (ở 
đây dùng mô hình Điot Zener lý t−ởng) từ công thức (2-127) đặt giá trị Rt = Rt max, IZ = IZ max ta có: 
)1(
max
max
t
o
zoz R
RURIE ++= 
Vậy: 
zoz
oz
t URIE
RU
R
−−
=
max
max (2-132) 
 Biết Rt max sẽ tính đ−ợc dòng tải cực tiểu It min: 
max
min
t
z
t R
U
I = (2-133) 
T−ơng tự đặt Rt = Rt min ứng với IZ = IZ min sẽ đ−ợc: 
zoz
oz
t URIE
RU
R
−−
=
min
min (2-134) 
 Và biết Rt min sẽ tính đ−ợc It max: 
min
max
t
z
t R
U
I = (2-135) 
Ví dụ 2-12: Cho mạch nh− hình 2-91 với các thông số sau: 
R0 = 1KΩ, IZmin = 1mA, IZmax = 10mA, UZ = 7V 
E = 20V, coi Điot Zener là lý t−ởng (rZ = 0) 
Hty xác định Rt min, It max, Rt max, It min? 
Giải: Theo công thức (2-132) ta có: 
 -> Rt max = 2,3KΩ 
Theo (2-133) ta tìm đ−ợc dòng điện tải cực tiểu It min: 
mA
K
V
R
U
I
t
Z
t 33,2
7
max
min =Ω
== 
 Theo (2-134) tìm Rt min 
 -> Rt min = 0,58KΩ 
VKmAV
KV
URIE
RUR
ZZ
Z
t 711020
17
0max
0
max
−Ωì−
Ωì
=
−−
=
VKmAV
KV
URIE
RU
R
ZZ
Z
t 71120
17
0min
0
min
−Ωì−
Ωì
=
−−
=
 75 
Vậy theo (2-235) tìm đ−ợc dòng tải cực đại: 
mA
K
V
R
U
I
t
Z
t 1258,0
7
min
max =Ω
== 
Kết luận: Đối với mạch cụ thể này để mạch ổn áp hoạt động bình th−ờng thì dải biến thiên của 
điện trở tải không đ−ợc v−ợt quá giá trị từ: 0,58KΩ đến 2,3KΩ. T−ơng ứng dòng tải thay đổi từ 12mA 
đến 3mA. Có thể biểu diễn trên đồ thị dải biến thiên cho phép này (hình 2-92). 
 a) Dải biến thiên cực đại cho phép của Rt b) Dải biến thiên cực đại cho phép của 
dong It 
Hình 2- 92: Đồ thị dải biến thiên cực đại cho phép của điện trở tải Rt và 
dòng tải It trong điều kiện đảm bảo điện áp ra Ut vẫn ổn định 
Ut = UZ 
7V 
0,58KΩ 2,3KΩ 
Rt 
7V 
3mA 12mA 
It 
Ut = UZ