BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
NGUYỀN TRỌNG KHANH – HỒ ANH KHOA
BÀI GIẢNG
ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Lưu hành nội bộ
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: LINH KIỆN GIAO TIẾP VÀ MẠCH ỨNG DỤNG ...............................1
I. LINH KIỆN GIAO TIẾP ..........................................................................................1 1. Transistor lưỡng cực ..............................................................................................1 1.1. Nguyên lý hoạt động .........................................................................................1 1.2. Phân cực cho Transistor ....................................................................................2 1.2.1. Phân cực bằng hai nguồn riêng biệt.............................................................2 1.2.2. Phân cực cầu phân áp ..................................................................................3 2. SCR .........................................................................................................................3 2.1. Ký hiệu .............................................................................................................4 2.2. Đặc tuyến ..........................................................................................................4 2.3. Nguyên lý hoạt động .........................................................................................5 3. IGBT .......................................................................................................................5 3.1. Ký hiệu .............................................................................................................6 3.2. Nguyên lý hoạt đông .........................................................................................6 4. MOSFET ................................................................................................................6 4.1. Ký hiệu .............................................................................................................7 4.2. Nguyên lý hoạt đông (xét kênh N) .....................................................................8 4.2.1. Loại liên tục: ...............................................................................................8 4.2.2. Loại gián đoạn: ...........................................................................................8 5. OP-AMP .................................................................................................................9 5.1. Đặc điểm. ........................................................................................................ 10 5.2. Chế độ làm việc. .............................................................................................. 10 5.2.1. Đặc tuyến ................................................................................................. 10 5.2.2. Chế độ bão hòa ......................................................................................... 10 5.2.2.1. Mạch điện so sánh bão hòa dương .......................................................... 10 5.2.2.2. Mạch so sánh bão hòa âm ..................................................................... 11 5.2.3. Chế độ khuếch đại .................................................................................... 11 5.2.3.1. Mạch khuếch đại đảo (Inverting Operational Amplifier). ........................ 11 5.2.3.2. Mạch khuếch đại không đảo. .................................................................. 13 5.2.3.3. Mạch cộng. ............................................................................................. 14 6. IC555 .................................................................................................................... 15 6.1 Cấu trúc IC555 ................................................................................................ 15 6.2 Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 17 II. MẠCH ỨNG DỤNG ............................................................................................... 18 1. Mạch Cầu H ......................................................................................................... 18 1.1 Sơ đồ ............................................................................................................... 18 1.2 Mạch cầu H dùng BJT ..................................................................................... 19 1.3 Mạch cầu H dùng MOSFET ............................................................................ 20 2. Mạch dimmer ....................................................................................................... 20 2.1 Mạch dimmer dùng SCR ................................................................................. 21 2.2 Mạch dimmer dùng Triac và Diac ................................................................... 22
3. Mạch tạo xung PWM ........................................................................................... 22
CHƯƠNG 2: MẠCH NGUỒN ...................................................................................... 26 I. Chỉnh lưu ................................................................................................................. 26 1. Mạch chỉnh lưu bán kỳ ........................................................................................ 27 2. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sử dụng MBA có điểm giữa ......................................... 28 3. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha ................................................................................... 29 II. IC họ 78xx, 79xx, LM2596 ...................................................................................... 30 1. IC họ 78xx: ........................................................................................................... 30 2. IC họ 79xx: ........................................................................................................... 32 3. IC LM2596: .......................................................................................................... 33 III. Mạch bảo vệ nguồn ................................................................................................. 34
CHƯƠNG 3: MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ ............................................... 38 I. ADC: ........................................................................................................................ 38 1. Khái niệm: ............................................................................................................ 38 2. Nguyên lý chuyển đổi:.......................................................................................... 39 3.1. Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi: ......................................................................... 39 3.2. Cấu trúc bộ chuyển đổi: ................................................................................... 39 3.3. Nguyên lý hoạt động: ...................................................................................... 40 II. ADC: ........................................................................................................................ 42 1. Khái niệm: ............................................................................................................ 42 2. Nguyên lý chuyển đổi:.......................................................................................... 42 2.1 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi: ......................................................................... 42 2.2 Cấu trúc bộ chuyển đổi: ................................................................................... 42 2.2.1. DAC Dùng Bộ Khuếch Đại Cộng Đảo: ..................................................... 42 2.2.2. DAC với đầu ra dòng: ............................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………47
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
CHƯƠNG 1:
LINH KIỆN GIAO TIẾP VÀ MẠCH ỨNG DỤNG
I. LINH KIỆN GIAO TIẾP 1. Transistor lưỡng cực
Transistor lưỡng cực hay BJT (Bipolar junction transistor) là một loại linh kiện bán
dẫn, có 3 cực là B (base - cực nền), C (collector - cực thu), E (emitter - cực phát).
Transistor có 2 tiếp giáp P-N, dựa theo cấu tạo lớp này ta phân biệt hai loại transistor P-N-P, và transistor N-P-N. Mỗi tiếp giáp có thể được phân cực theo chiều thuận hoặc theo chiều nghịch dưới tác dụng của điện thế bên ngoài.
Hình 1.1. Cấu trúc và hình ảnh thực tế của Transistor lưỡng cực.
Transistor BJT thường được sử dụng như công tắc (switch) đóng ngắt các mạch điện
và phần lớn được mắc theo dạng mạch có chung cực emitter (CE).
1.1. Nguyên lý hoạt động Loại NPN
2020
TRANG 1
Hình 1.2. Sơ đồ chân và ký hiệu Transistor loại NPN.
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Transistror NPN cho phép dẫn dòng từ CE Điều kiện dẫn của Transistor: VC>VE VB -VE ≥ VƳ Khi Transistror NPN dẫn thì IC = βIB (β là hệ số khuếch đại), IE= IB+IC. Khi đó tăng dòng IB thì IC tăng β lần. Nếu tiếp tục tăng IB đến lúc nào đó mà IC không tăng nữa lúc đó Transistror NPN dẫn bão hòa.
Khi transistor dẫn bão hòa thì: βIB = K.IC (trong đó K là hệ số bão hòa K=2÷5) . VCE0 Loại PNP
Hình 1.3. Sơ đồ chân và ký hiệu Transistor loại PNP.
Transistror PNP cho phép dẫn dòng từ EC, Điều kiện dẫn của Transistor VE>VC VE – VB ≥ VƳ Tương tự như Transistor NPN, ta có: IC = βIB, IE= IB+IC 1.2. Phân cực cho Transistor 1.2.1. Phân cực bằng hai nguồn riêng biệt
2020
TRANG 2
Hình 1.4. Mạch phân cực bằng hai nguồn riêng biệt.
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
VBB – IBRBB – VBE – IERE = 0
I
B
V V BE BB R ( 1)
R
E
BB
Với IE = (+1) IB, ta có:
Phương trình mạch vòng CE không thay đổi, kết quả đạt được:
VCE = VCC – IC (RC+ RE)
1.2.2. Phân cực cầu phân áp
R
BB
R xR 1 2 R R 2 1
V
V
BB
V R
2
CC
R 2
R 1
R 2
Hình 1.5. Sơ đồ mạch phân cực cầu phân áp.
2. SCR
SCR (Silicon Controlled Rectifier) hay Chỉnh lưu silic có điều khiển là phần tử bán
dẫn cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn, ví dụ như P-N-P-N, tạo ra ba lớp tiếp giáp P-N: J1, J2, J3.
Thyristor có ba cực hoạt động là anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G) như
2020
TRANG 3
được biểu diễn trong hình vẽ. Nó được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Hình 1.6. Cấu trúc và hình ảnh thực tế của SCR.
2.1. Ký hiệu
Hình 1.7. Ký hiệu của SCR.
2.2. Đặc tuyến
2020
TRANG 4
Hình 1.8. Đặc tuyến làm việc của SCR.
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
2.3. Nguyên lý hoạt động
Khi VA SCR phân cực nghịch, đặc tuyến I-V giống như của diode chỉnh lưu nghĩa là có một
dòng rỉ rất nhỏ chạy qua, tuy nhiên khi điện áp nghịch đạt đến điện thế phân hủy VBR sẽ
làm cho SCR bị hỏng nếu trong mạch không có một điện trở đủ lớn để giới hạn dòng điện
nghịch Khi VA>VK và IG = 0: SCR phân cực thuận, ban đầu đặc tuyến cũng giống như phân cực nghịch, nhưng khi
đạt đến giá trị VBO (Breakover Voltage) điện thế chận thuận hoặc điện thế gãy lên, điện
thế trên Anod tự động sụt xuống như diode thường (0,7V), dòng điện tương ứng lúc bấy
giờ được gọi là dòng duy trì IH (Holding current) hay còn gọi là dòng giữ và lúc này SCR
đã dẫn. Với đặc tuyến V-I tương tự như diode thường. Khi VA>VK và IG>0: Khi có dòng cổng(IG)thì SCR sẽ chuyển từ trạng tắt sang trạng thái dẫn nhanh hơn. Các thông số chính của SCR, khi sử dụng cần phải lưu ý: Điện áp phân cực thuận và nghịch cực đại. Dòng điện thuận cực đại. Điện áp và dòng điện cổng. Dòng duy trì (IH) Công suất tiêu tán. 3. IGBT
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là transistor công suất cực đại có cực điều khiển cách ly là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của
transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công
suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ. 2020 TRANG 5 Hình 1.9. Hình ảnh thực tế của IGBT và module IGBT. 3.1. Ký hiệu Hình 1.10. (a) Ký hiệu, (b) Mạch tương đương của IGBT. 3.2. Nguyên lý hoạt đông Dưới tác dụng của áp điều khiển VGE>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện
tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về cực C vượt
qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nên
dòng collector. IGBT có khả năng làm việc với dòng điện lớn và chịu được điện áp ngược cao. Thời
gian đáp ứng đóng ngắt của IGBT rất nhanh (khoảng vài µs). IGBT có khả năng hoạt động
tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ
của MOSFET áp dụng cho IGBT và mạch kích IGBT được thiết kế tương tự như mạch
kích MOSFET. Do đó IGBT được sử dụng phổ biến trong các bộ biến đổi điều chế xung tần số rất
cao và chiếm vị trí rất quan trọng trong công nghiệp với hoạt động phạm vi công suất lên
đến 10MW hoặc cao hơn. Hiện nay trên thị trường có module IGBT thông minh (Intelligent power module):
được chế tạo bởi công nghệ tích hợp cao. Trên module có tích hợp các phần tử IGBT,
mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện. Các module này được sử dụng phổ biến
và đạt độ tin cậy rất cao. 4. MOSFET 2020 TRANG 6 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) hay còn gọi là
"Transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", là một thuật ngữ chỉ các transistor
hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong các mạch số, các mạch tương tự và các
thiết bị điện tử công suất. Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bán
dẫn (ví dụ như Oxit Bạc và bán dẫn Silic) với các cực cổng (G), cực nền (B), cực nguồn
(S) và cực máng (D). Hình 1.11. Cấu trúc và hình ảnh thực tế của MOSFET. MOSFET có hai loại: N-MOSFET và P-MOSFET 4.1. Ký hiệu 2020 TRANG 7 Hình 1.12. Ký hiệu các loại MOSFET. 4.2. Nguyên lý hoạt đông (xét kênh N)
4.2.1. Loại liên tục: Hình 1.13. Đặc tuyến làm việc MOSFET loại liên tục. MOSFET kênh liên tục ít thông dụng hơn loại kênh gián đoạn, thường dẫn điện (Chế
độ ON) khi không cần điện áp phân cực tại cực cổng. MOSFET dẫn điện khi VGS=0 làm
cho nó có thên gọi là thiết bị thường đóng (nomally-closed). Mạch điện phía trên là loại
MOSFET kênh liên tục với đường vẽ qua các kênh liên tục thể hiện cho việc thường đóng
của kênh. Đối với loại MOSFET kênh liên tục kênh N, một điện áp âm giữa cực cổng-nguồn, -
VGS sẽ xã hết electron trong kênh dẫn và làm cho transistor trở thành trạng thái ngắt
“OFF”. Tương tự đối với kênh P, điện áp cực cổng – nguồn, +VGS rút hết lỗ trống làm cho
transistor ngắt (OFF). Tóm lại: Đối với MOSFET kênh liên tục kênh N: +VGS đồng nghĩa với nhiều
electron sinh ra dòng điện lớn, phân cực -VGS làm giảm electron cho nên giảm dòng điện.
Ngược lại đối lới MOSFET kênh P. Vì vậy MOSFET kênh liên tục tương đương với công
tắc thường đóng “normally-closed”. 2 I I D DSS V
GS
V
P
1
Phương trình shoockley: 2020 TRANG 8 4.2.2. Loại gián đoạn: Hình 1.14. Đặc tuyến làm việc MOSFET loại gián đoạn. Để MOSFET gián đoạn (E-MOSFET) dẫn thì:
VGS>0.
VDS>0. Khi VGS tăng đạt đến giá trị VGS(th) thì xuất hiện dòng ID, nếu VGS vượt VGS(th) thì dòng ID tăng mạnh, theo phương trình sau: ID= K.(VGS-VGS(th))2 Trong đó K là hằng số phụ thuộc vào đặc tính của E-MOSFET Chú ý: Đối với MOSFET IG=0. ID=IS
5. OP-AMP Op-Amp (Operational Amplifier), là một mạch điện tử có chức năng khuyếch đại tín hiệu (Tín hiệu ở đây được hiểu chung là tín hiệu điện bao gồm cả dòng điện và điện áp). 2020 TRANG 9 Op-Amp không nhất thiết phải là một IC (Integrated circuit – mạch tích hợp) nhưng
hiện nay Op-Amp IC được phổ cập rất rộng rãi và dễ dàng mua được nên ở đây chỉ nói về
Op-Amp IC. Hình 1.15. Hình ảnh thực tế Op-Amp và sơ đồ các chân. 5.1. Đặc điểm. Hình 1.16. Đặc điểm cấu trúc của Op-Amp. Trở kháng ngõ vào, Zin = 0
Trở kháng ngõ ra, Zo = 0
i+ = i- = 0 5.2. Chế độ làm việc. 5.2.1. Đặc tuyến Hình 1.17. Đặc tuyến làm việc của Op-Amp 5.2.2. Chế độ bão hòa 2020 TRANG 10 5.2.2.1. Mạch điện so sánh bão hòa dương Hình 1.18. Sơ đồ mạch và dạng sóng mạch so sánh bảo hòa dương. - Khi VIN>VRFE (Vi+>Vi-): Vout = VCC=+12V. - Khi VIN Hình 1.19. Sơ đồ mạch và dạng sóng mạch so sánh bảo hòa âm. - Khi VIN>VRFE (Vi->Vi+): Vout = VCC=0V.
- Khi VIN 5.2.3.1. Mạch khuếch đại đảo (Inverting Operational Amplifier). Hình 1.20. Mạch khuếch đại đảo. Trong mạch khuếch đại đảo, OP-AMP được kết nối với các linh kiện hồi tiếp tạo ra
một vòng kín. Để phân tích, tính toán được mạch khuếch đại không đảo chúng ta phải nhớ
các luật quan trọng gồm có: 2020 TRANG 11 Không có dòng điện đi vào các ngõ vào của OP-AMP. Điện áp V1 luôn bằng V2 (Trong OP-AMP lý tưởng). Trong trường hợp nay V1=V2 =0V (V1 nối đất). Bằng cách sử dụng hai luật trên ta i V
IN
R V
IN OUT
R
F có thể tính toán như sau: V V
2 V
2 OUT i IN
R IN
V
R
F i V
IN
R V
2
R IN IN V
2
R
F V
OUT
R
F Mặt khác: IN V
2 V
R 1
R IN IN 1
R
F V
OUT
R
F
Vì vậy: V 0 0 OUT i IN
R IN
V
R
F R
F
R
0
V V
OUT
0 IN IN Thay các thông số vào ta được: Ta có hệ số khuếch đại vòng lặp kín AV như sau: V V A
V OUT IN V
OUT
V R
F
R R
F
R IN IN IN 2020 TRANG 12 hay 5.2.3.2. Mạch khuếch đại không đảo. Hình 1.21. Mạch khuếch đại không đảo. V V
1 OUT R
2
R R
2 F V V
1 IN Tương tự tính toán như mạch khuếch đại đảo. Ta có như sau: A
V V
OUT
V IN 2020 TRANG 13 Độ khuếch đại điện áp AV được tính bằng: R R
2 F A
V V
OUT
V IN
R
2 Ta được:
1 A
V V
OUT
V IN R
F
R
2 Tương đương: 5.2.3.3. Mạch cộng. Hình 1.22. Sơ đồ mạch cộng. Trong mạch cộng đơn giản, điện áp ngõ ra VOUT tỉ lê với tổng các điện áp ngõ vào
V1, V2, V3…Chúng ta có thể điều chỉnh công thức tổng quát áp dụng cho nhiều ngõ vào. I I I I F 1 2 3 V
1
R V
2
R V
3
R IN IN IN
Ta có: V V OUT IN R
F
R IN Phương trình đảo: F F V OUT V
1 V
2 V
3 R
R R
R R
F
R IN IN IN
Suy ra: Tuy nhiên, nếu tất cả các điện trở ngõ vào (RIN) bằng nhau, chúng ta có thể đơn giản V biểu thức như sau: OUT 1 V
3 R
F
R IN 2020 TRANG 14 V OUT R
F V
1
R
1 V
2
R
2 V
3
R
3
...
Đối với các ngõ vào có các điện trở khác nhau: 6. IC555 Vi mạch định thì 555 (IC555) là một mạch tích hợp được sử dụng trong nhiều ứng dụng hẹn giờ, tạo xung và dao động. Chức năng của 555:
- Tạo xung.
- Điều chế độ rộng xung (PWM)
- Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)
- …. Hình 1.23. Hình ảnh thực tế IC NE555. 6.1 Cấu trúc IC555
- Cấu trúc bên trong IC555 2020 TRANG 15 Hình 1.24. Cấu trúc bên trong IC555. - Sơ đồ chân IC555 Hình 1.25. (a) Sơ đồ chân IC555 loại chân tròn, (b) Sơ đồ chân IC555 loại chân vuông. IC NE555 N gồm có 8 chân:
+ Chân số 1 (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung. + Chân số 2 (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được
dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sánh ở đây dùng các transitor
PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc. + Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái
của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần
bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức
0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V). + Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì
ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức
áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này
lên VCC. + Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC
555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có
thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5
xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01µF đến 0.1 µF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện
áp chuẩn được ổn định. + Chân số 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt. + Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều
khiển bỡi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại
thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao
động. 2020 TRANG 16 + Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC
hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V (Tùy
từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555). 6.2 Nguyên lý hoạt động Bảng trạng thái của RS-FF R S Q+ 0 0 Q 0 1 1 1 0 0 1 1 Cấm Nguyên lý hoạt động:
Cấu tạo của IC 555 gồm Op-Amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả
điện. Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này
tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-Amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân Bảng hoạt động âm của Op-Amp 2. Điện áp chân 6 Điện áp chân 2 R Chân (out) S < 2/3 Vcc
<2/3 Vcc
>2/3 Vcc
>2/3 Vcc <1/3Vcc
>1/3Vcc
<1/3Vcc
>1/3Vcc 1
0
1
0 0
0
1
1 1
Không đổi
Cấm
0 Ví dụ: Mạch tạo xung dùng IC555 2020 TRANG 17 Hình 1.26. Mạch tạo xung dùng IC555. Ban đầu điện áp trên tụ Vc=0 (tụ được nạp thông qua R1 và R2), khi đó điện áp tại chân số 6 và chân số 2 bằng 0, ngõ ra mức cao (=Vcc=5V). Khi điện áp trên tụ quá 1/3Vcc và nhỏ hơn 2/3Vcc thì điện áp ngõ ra không đổi. Khi áp trên tụ Vc>2/3Vcc thì ngõ ra Vo=0 => ngõ ra Q’ của RS FF mức cao làm cho BJT loại NPN dẫn=>Điện áp tại chân số 7 của IC555 giảm, tụ được xả(thông qua R2) đến khi điện áp trên tụ Vc <1/3Vcc thì tụ được nạp (lặp lại). Tụ được nạp thông qua R1 và R2, tụ xả thông qua R2: TON = 0.69(R1 + R2)C TOFF = 0.69R2 C =>T = TON + TOFF = 0.69(R1 + 2R2)C II. MẠCH ỨNG DỤNG 1. Mạch Cầu H Mạch cầu H thường được ứng dụng trong việc điều khiển động cơ DC theo 2 chiều quay bất kì. 1.1 Sơ đồ 2020 TRANG 18 Hình 1.27. Sơ đồ mạch cầu H. Mạch cầu H bao gồm 4 "công tắc" được mắc theo hình chữ H. Bằng cách điều khiển
4 "công tắc" đóng mở, ta có thể điều khiển được dòng điện qua động cơ cũng như các thiết
bị điện tương tự. Nguyên lý hoạt đông: S1, S3 đóng; S2, S4 mở: Cho phép dòng từ Vcc S1 M ĐCNS3 0V. Cho phép động cơ chạy thuận. S2, S4 đóng; S1, S3 mở: Cho phép dòng từ Vcc S4NĐCNS20V. Cho phép động cơ chạy nghịch.
Điều khiển đóng ngắt các cặp khóa S1, S3 và S2. S4 cho phép đảo chiều dòng điện đảo chiều động cơ. Bốn công tắc S1, S2, S3, S4 này thường là Transistor BJT, MOSFET hoặc relay. Tùy vào yêu cầu điều khiển khác nhau mà người ta lựa chọn các loại công tắc khác nhau 1.2 Mạch cầu H dùng BJT Hình 1.28. Mạch cầu H sử dụng BJT. Nguyên lý hoạt đông:
Cho S1=0, S2=1: Khi đó Q1 và Q3 dẫn, Q2 Q4 tắt cho phép dòng từ Vcc Q1 đên M ĐC đến N Q3 => động cơ chạy thuận. Cho S2=0, S1=1: Khi đó Q2 và Q4 dẫn, Q1 Q3 tắt cho phép dòng từ Vcc Q2 2020 TRANG 19 đên N ĐC đến M Q3 => động cơ chạy nghịch. 1.3 Mạch cầu H dùng MOSFET Hình 1.29. Mạch cầu H sử dụng MOSFET. Nguyên lý hoạt động: (R1 = R2 = R3 = R4 = 1K) Khi S1=1 (mức cao), S2=0 (mức thấp): Q5 dẫnVA=Vcc/2Q1 dẫn, lúc này Q3 cũng dẫn, cho phép dòng từ Vcc Q1 đến MĐC đến NQ3: ĐC chạy thuận. (Lúc này Q6 tắtVB=VccQ4 tắt, Q2 tắt) Khi S1=0 (mức thấp), S2=1 (mức cao): Q6 dẫnVB=Vcc/2Q4 dẫn, lúc này Q2 cũng dẫn, cho phép dòng từ Vcc Q4 đến NĐC đến MQ2: ĐC chạy nghịch. 2. Mạch dimmer Với cơ chế hoạt động của mạch Dimmer tương tự như các hộp số điều khiển gắn
tường thông thường, điều khiển các thiết bị thông qua việc thay đổi điện trở từ đó thay đổi
điện áp để kiểm soát độ sáng của đèn cũng như tốc độ động cơ. Mạch dimmer thường được sử dụng để điều chỉnh độ sáng bóng đèn, động cơ nhỏ sử 2020 TRANG 20 dụng nguồn 220VAC, … Hình 1.30. Module mạch Dimmer điều chỉnh AC 220V – 2000W. 2.1 Mạch dimmer dùng SCR Hình 1.31. Mạch dimmer dùng SCR. Nguyên lý hoạt đông: Giả sử điện áp vào vAB = VMsint (V). Ở bán kỳ dương (0, ): Dòng qua tải D1R1VR, tụ C1 được nạp, khi tụ xả thông qua cầu phân áp R2 và R3 SCR Q1 được dẫn. Ở bán kỳ âm ( , 2): Dòng qua D1 VRR1, tụ C2 được nạp, khi tụ xả thông qua cầu phân áp R4 và R5 SCR Q2 được dẫn. Điểu chỉnh biến trở VR thay đổi thời hằng nạp tụthay đổi thời gian đóng ngắt 2020 TRANG 21 của SCR (thay đổi gốc kích SCR)thay đổi áp trên tải. 2.2 Mạch dimmer dùng Triac và Diac Hình 1.32. Mạch dimmer sử dụng Diac và Triac. Nguyên lý hoạt đông: Giả sử điện áp vào vAB = VMsint (V).
Ở bán kỳ dương (0, ): Dòng qua tải RVR, tụ C được nạp, khi tụ xả diac được dẫn Triac được kích, cho phép dòng từ AB. Ở bán kỳ âm (0, ): tụ C được nạp, khi tụ xả diac được kích xung âm Triac được kích, cho phép dòng từ BA. 3. Mạch tạo xung PWM PWM là phương pháp mà qua đó chúng ta có thể tạo ra điện áp thay đổi bằng cách
bật và tắt nguồn điện đến thiết bị điện tử với tốc độ nhanh. Điện áp trung bình phụ thuộc
vào chu kỳ làm việc của tín hiệu hoặc lượng thời gian tín hiệu BẬT so với lượng thời gian
tín hiệu TẮT trong một khoảng thời gian quy định. Mạch tạo dao động xung vuông sử dụng IC NE555 có khả năng tạo tín hiệu PWM điều chỉnh độ rộng xung mà vẫn giữ nguyên tần số dao động. 2020 TRANG 22 Hình 1.33. Mạch tạo xung PWM sử dụng IC NE555. Ban đầu điện áp trên tụ Vc=0 (tụ được nạp thông qua VR12), khi đó điện áp tại chân số 6 và chân số 2 bằng 0, ngõ ra mức cao. Khi điện áp trên tụ quá 1/3Vcc và nhỏ hơn 2/3Vcc thì điện áp ngõ ra không đổi. Khi áp trên tụ Vc>2/3Vcc thì ngõ ra Vo=0 => ngõ ra Q’ của RS FF mức cao làm cho BJT loại NPN dẫn => Điện áp tại chân số 7 của IC555 giảm, tụ được xả (thông qua VR23) đến khi điện áp trên tụ Vc <1/3Vcc thì tụ được nạp (lặp lại) Tụ được nạp thông qua VR12 tụ xả thông qua VR23 TON = 0,69V.R12.C TOFF=V.R23.C T = TON + TOFF = 0.69.(VR12+VR232).C = 0.69V.RC = const. 2020 TRANG 23 Điều chỉnh VR12 tức là điều chỉnh TON 1. Biết Vz =5V, tìm dòng qua led. 2. Cho mạch như hình vẽ. Xác định Vo? Biết khi transistor dẫn bão hòa VCE=0. 3. Cho mạch như hình vẽ. Xác định Vo? a. Biết Vin = 6 sin100t (V) 2020 TRANG 24 b. Vin có dạng như sau: 4. Cho mạch như hình vẽ. a. Biết Vin = 6 sin100t (V) b. Vin có dạng như sau: 5. Vẽ mạch tạo xung (dùng IC555), ghi rõ giá trị điện trở và tụ để mạch tạo 6. Vẽ mạch tạo xung PWM (dùng IC555) có tần số f=1KHz., ghi rõ giá trị biến xung có tần số f=100Hz, duty=75%. 7. Giải thích tại sau mạch Dimer không điều khiển được tải DC. trở và tụ của mạch. 8. Cho mạch sau: 2020 TRANG 25 a. Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch.
b. Chức năng của Diode. Tất cả các thiết bị điện tử hoạt động đều đòi hỏi một nguồn một chiều DC có thể
được cung cấp bởi nguồn pin hoặc nguồn điện DC. Mạch nguồn được chuyển đổi từ điện
áp xoay chiều AC trên lưới điện thành điện áp một chiều DC. Điện áp một chiều DC tạo ra được sử dụng để cung cấp năng lượng cho tất cả các
loại mạch, các loại thiết bị điện tử bao gồm điện tử dân dụng, điện tử công nghiệp, máy
tính, các vi mạch điện tử, bộ điều khiển công nghiệp và hầu hết các hệ thống và thiết bị
đo. Mức điện áp DC yêu cầu phụ thuộc vào ứng dụng, nhưng hầu hết các ứng dụng yêu cầu điện áp tương đối thấp (+5V, +12V, -12V, -5V) Hình 2.1. Sơ đồ khối cơ bản của mạch nguồn một chiều. Khối 1 (Biến áp nguồn): Dùng để đổi điện xoay chiều 220 V thành các mức điện áp cao lên hay thấp xuống tuỳ theo yêu cầu của tải. Khối 2 (Mạch chỉnh lưu): Dùng các điôt tiếp mặt để đổi điện xoay chiều thành điện
một chiều. Có nhiều cách mắc mạch chỉnh lưu, nhưng phổ biến nhất là mắc mạch
chỉnh lưu cầu. Khối 3 (Mạch lọc nguồn): Dùng các tụ hoá có trị số điện dung lớn phối họp với
cuộn cảm L có trị số điện cảm lớn để lọc. san bằng độ gợn sóng, giữ cho điện áp
một chiều ra trên tải được bằng phảng. Khối 4 (Mạch ổn áp): dùng đê giữ cho mức điện áp một chiều ra trên tải luôn luôn
ổn định, mặc dù mức điện áp ở đâu vào luôn biến đổi hoặc dòng điện tiêu thụ chạy
ra tải luôn thay đổi trong một giới hạn cho phép nào đó. Khối 5 (Mạch bảo vệ): Để tránh các sự cố, mạch bảo vệ nguồn được sử dụng. Mạch
bảo vệ ngắn mạch sẽ chuyển hướng dòng điện hoặc phá vỡ tiếp điểm giữa mạch và
nguồn điện. I. Chỉnh lưu 2020 TRANG 26 Chỉnh lưu là một thiết bị bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng
điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các
bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến. Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lưu thường là Diode
bán dẫn. 1. Mạch chỉnh lưu bán kỳ Hình 2.2. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R. - Nguyên lý mạch: + Trong khoảng 0 < < : nguồn v2 ở bán kỳ dương, diode D được phân cực thuận, dẫn
cho dòng điện chạy qua tải. + Trong khoảng < < 2 : nguồn v2 chuyển sang bán kỳ âm, diode D được phân cực
ngược, không dẫn điện dòng điện chạy qua tải. - Thông số của mạch: Ta có: v2 = V2m sinωt = √2V2sinθ Với v2, V2: là điện áp tức thời và hiệu dụng ngõ vào (V). Cho Diode là lý tưởng (VD = 0) ta có:
∫ √2
Vd = V2 = 0,45V2 Điện áp trung bình trên tải:
V2 sin d = √
Dòng điện trung bình qua tải: Id = = √
Dòng điện trung bình qua Diode: ID = Id Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode: VIM = √2V2 **Nhận xét: 2020 TRANG 27 Ưu điểm: Mạch đơn giản, chỉ dùng 1 phần tử tích cực Diode. Nhược điểm: Do mạch chỉ cho dòng qua tải ở một bán kỳ nên hiệu suất thấp, dạng sóng ngõ ra trên tải có độ gợn sóng lớn, khó lọc và ít được sử dụng. 2. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sử dụng MBA có điểm giữa Hình 2.3. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R. - Nguyên lý mạch: + Trong khoảng 0 < < : nguồn v2.1> 0 > v2.2, Diode D1 phân cực thuận, D2 phân cực
nghịch. Nguồn v2.1 tạo dòng điện qua tải R. + Trong khoảng < < 2 : nguồn v2.1< 0 < v2.2, Diode D2 phân cực thuận, D1 phân cực
nghịch. Nguồn v2.2 tạo dòng điện qua tải R. - Thông số của mạch: Ta có: v2.1 = √2V2 sinωt = √2V2sinθ
v2.2 = √2V2 sinωt = √2V2sinθ Với v2.1; 2.2 và V2: là điện áp tức thời nguồn thứ cấp MBA và hiệu dụng ngõ vào (V). Cho Diode là lý tưởng (UD = 0) ta có: V2 sin d = √ Vd = V2 = 0,9V2 Điện áp trung bình trên tải:
2 ∫ √2
Dòng điện trung bình qua tải:
√
= Id = Dòng điện trung bình qua Diode:
ID = Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode: 2020 TRANG 28 VIM = 2√2V2 **Nhận xét: Ưu điểm: Điện áp một chiều lấy ra có độ gợn sóng nhỏ, tần số gợn sóng 100Hz, dễ lọc, hiệu quả tốt. Nhược điểm: - Phải dùng 2 diode.
- Biến áp phải lấy điểm giữa, chia thành 2 nửa đối xứng nhau.
- Điện áp ngược đặt lên mỗi diode khi phân cực ngược chịu gấp đôi điện áp làm việc (điện áp thuận). 3. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha Mạch chỉnh lưu cầu một pha có cấu tạo từ 4 diode. Sơ đồ có thể có MBA hoặc nối
tiếp tiếp vào lưới điện. Kết quả là điện áp trên tải Ud lặp lại dạng sóng của u2 nhưng đã
được chỉnh lưu để có dạng một chiều đập mạch. Hình 2.4. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R. - Nguyên lý mạch: + Trong khoảng 0 < < : nguồn v2 > 0, diode D1, D3 được phân cực thuận còn D2, D4
phân cực nghịch. Điểm A được nối với điểm C, điểm B được nối với điểm D. + Trong khoảng < < 2 : nguồn v2 < 0, diode D2, D4 được phân cực thuận còn D1, D3
phân cực nghịch. Điểm B được nối với điểm C, điểm A được nối với điểm D. - Thông số của mạch: Ta có: v2 = V2m sinωt = √2V2sinθ Với v2, V2: là điện áp tức thời và hiệu dụng ngõ vào (V). Cho Diode là lý tưởng (VD = 0) ta có: Điện áp trung bình trên tải:
2 ∫ √2
2020 TRANG 29 Vd = V2 sin d = √ V2 = 0,9V2
= Id = Dòng điện trung bình qua tải:
√
Dòng điện trung bình qua Diode:
ID = Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode: VIM = √2V2 II. IC họ 78xx, 79xx, LM2596 Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn
áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản. Các loại ổn áp thường
được sử dụng là IC 78xx, 79xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7808 ổn
áp 8V, 7812 ổn áp 12V hay ổn áp điện áp âm có 7905 ổn áp điện áp -5V, 7912 ổn áp -
12V. Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương. Còn xx là giá trị điện áp đầu ra như 5V, 6V... Họ 79xx là họ ổn định điện áp đầu ra là âm. Còn xx là điện áp đầu ra như: -5V, -6V Về mặt nguyên lý nó hoạt động tương đối giống nhau. Ta xét từng IC họ 78xx, 79xx. 1. IC họ 78xx: 78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu vào luôn luôn lớnhơn đầu ra 3V 78xx gồm có 3 chân: 1: Vin - Chân nguồn đầu vào 2: GND - Chân nối đất 3: Vo - chân nguồn đầu ra. 2020 TRANG 30 Hình 2.5. Hình dạng IC họ 78xx thực tế Sơ đồ bên trong của IC 78xx. Nguyên lý ổn áp: Thông qua điện trở R2 và D1 gim cố định điện áp chân Rt của
Transistor Q1, giả sử khi điện áp chân E đèn Q1 giảm => khi đó điện áp VBE tăng
=> dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng, và ngược lại ... Hình 2.6. Mạch ổn áp sử dụng IC 7805. **Chú ý: Điện áp đặt trước IC 78xx phải lớn hơn điện áp cần ổn áp từ 3V trở lên Những dạng series của 78XX LA7805 IC ổn áp 5V LA7806 IC ổn áp 6V LA7808 IC ổn áp 8V LA7809 IC ổn áp 9V LA7812 IC ổn áp 12V LA7815 IC ổn áp 15V LA7818 IC ổn áp 18V LA7824 IC ổn áp 24V Những dòng Series cho điện áp ra tương ứng với dòng là 1A. Ngoài ra còn các series khác chịu được dòng: 78xx +5V --> +24V/1A 78Lxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V --> +24V/0.1A 78Mxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V --> +24V/0.5A 2020 TRANG 31 78Sxx Chuyển đổi điện áp dương từ +5V --> +24V/0.2A Ví dụ: Tạo nguồn +5V dùng IC 7805. - Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.7. Mạch nguồn 5V sử dụng IC họ 78xx. - Nguyên lý hoạt đông: Vin = 9sin100t (V) + Trong khoảng 0 < < : D1 và D4 dẫn, tụ C được nạp, khi áp Vin giảm, tụ C được xả điệp áp tại M tương đối phẳng. + Trong khoảng < < 2 : D3 và D2 dẫn, tụ C được nạp, khi áp Vin giảm, tụ C được xả điệp áp tại M tương đối phẳng. VM tương đối phẳng (có giá trị khoảng 9V) Vout ổn định 5V 2. IC họ 79xx: 79xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp âm đầu ra, với điều kiện đầu vào luôn
luôn nhỏ đầu ra 3V trở lên. Ví dụ nếu dùng IC 7912 để ổn định điện áp đầu ra -12V thì
phải cấp điện áp đầu vào cho IC >=-15V. Nếu cấp nhỏ hơn có thể dẫn đến hỏng IC Về nguyên lí hoạt động và seri của IC 79xx tương đối giống vơi IC 78xx Họ IC 79xx gồm có 3 chân: (Sơ đồ chân khác với 78xx) 1: GND - Chân nối đất 2: Vin - Chân nguồn đầu vào 2020 TRANG 32 3: Vout - Chân nguồn đầu ra. Hình 2.8. Hình dạng thực tế IC họ 79xx. Sử dụng kết hợp IC họ 78xx và họ 79xx để tạo nguồn đối xứng. Hình 2.9. Mạch nguồn đối xứng sử dụng 2 IC họ 78xx và 79xx. **Chú ý: Để đảm bảo mạch nguồn chạy trong thời gian lâu, yêu cầu biến áp loại tốt và có
lắp tản nhiệt cho IC ổn áp. 3. IC LM2596: IC LM2596 là một IC ổn áp dạng xung DC-DC. Điện áp đầu vào trong dải từ 4,5V-
40V. Điện áp đầu ra điều chỉnh được trong khoảng từ 1,5V - 40V, dòng điện áp đầu ra đạt
3A hiệu suất cao nhờ cơ chế băm xong ở tần số lên tới 150KHz. Trong quá trình hoạt
động LM2596 luôn được đặt trong các chế độ bảo vệ quá nhiệt vào quá dòng. 2020 TRANG 33 Hình 2.10. Hình dạng thực tế dạng DIP và SMD của IC LM2596. IC LM 2596 có 5 chân: Chân 1: Vin từ 4,5 ~ 40V
Chân 2: Vout
Chân 3: GND
Chân 4: Feedback (chân phản hồi điện áp)
Chân 5: ON/OFF chân tắt bật mức logic Điện áp đầu vào: 4.5 - 40VDC (điện áp khuyến khích sử dụng <30V) Điên áp đầu ra: 1,5~37V. Dòng ra ngõ ra tối đa: 3A. Hình 2.11. Mạch ổn áp nguồn sử dụng IC LM2596 ổn định ngõ ra 5V-3A. Hình 2.12. Module nguồn DC-DC hạ áp LM2596 3A. III. Mạch bảo vệ nguồn
- Khối chỉnh lưu
- Khối nguồn
- Bảo vệ 2020 TRANG 34 Hình 2.13. Mạch chỉnh lưu. Hình 2.14. Mạch ổn áp và nâng dòng. Hình 2.15. Mạch bảo vệ dòng. 2020 TRANG 35 Hình 2.16. Mạch bảo vệ áp. Khối mạch chỉnh lưu: sử dụng diode cầu 5A để chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ biến áp ở đây ta lấy áp ra xoay chiều có giá trị hiệu dụng 12V. Kết hợp với tụ chỉnh lưu để tạo ra điện áp DC. Khối này dùng một đèn led để báo hiệu có điện áp DC. Khối mạch ổn áp và nâng dòng: khối này làm nhiệm vụ tạo điện áp ổn định 5V ở đầu ra. Sử dụng IC 7805 chuyển điện áp 15V đầu vào thành điện áp 5V. IC 7805 cho dòng ra định danh 1A nhưng thực tế thì dòng ra khoảng 500mA. Nên để tạo ra nguồn cung cấp 3A ta sử dụng mạch nâng dòng dùng BJT B688. Điện trở R4=10Ω để phân cực cho BJT dẫn ở chế độ khuếch đại. Tụ C3, C4, C5 để lọc điện áp gợn tránh ảnh hưởng của tín hiệu cao tầng chạy về nguồn. Led D5 để báo có áp ra. Khối bảo vệ áp: có tác dụng bảo vệ nguồn khi điện áp đầu ra tăng vọt khỏi giá trị 5V. Thực hiện bằng cách đóng role để ngắt mạch nguồn khỏi điện áp vào. Khi điện áp đầu ra lớn hơn 5V BJT Q5 sẽ dẫn nhờ cầu phân áp R6, R7. Diode zener D2 để ghim điện áp cực E 3,3V. Khi Q5 dẫn sẽ làm cho Q9 dẫn. BJT Q9 làm nhiệm vụ đệm dòng. Q9 dẫn dòng Ic đổ qua role làm role đóng ngắt nguồn vào. Khối bảo vệ dòng: để bảo vệ dòng định mức ở 3A. Khi mức dòng tăng lên lớn hơn 3A hoặc trường hợp ngắn mạch đầu ra mạch bảo vệ dòng sẽ đóng role ngắt điện áp vào. Mạch được thực hiện bằng 2 Op-Amp LM324. Ban đầu điện áp visai đặt vào Op-Amp1 gần bằng không dòng chọn điện trở R1 nhỏ. Áp ra của Op-Amp này bằng không. Khi dòng tăng lên điện áp tại chân không đảo sẽ lớn hơn đầu vào đảo nên tạo ra điện áp dương ở đầu ra của Op-Amp1. Áp này đã được khuếch đại sẽ được đưa vào chân không đảo so sánh với chân đảo của Op-Amp2. Sẽ tạo ra điện áp kích cho SCR dẫn thông qua diode dòng qua SCR sẽ đóng role. Tại chân cổng của SCR dùng 2020 TRANG 36 led để báo hiệu có điện áp kích. 1. Vẽ sơ đồ khối chức năng của mạch nguồn điện 1 chiều và nêu nhiệm vụ từng khối. 2. Giải thích nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu (Hình 2.13)? 3. Ở mạch ổn áp và nâng dòng (Hình 2.14) khi nào Q1 dẫn? Khi nào relay ở vị trí số 3,4,5? 4. Ở mạch bảo vệ dòng (Hình 2.15) có thể bỏ diode D15 được không, tại sao? Tác dụng của diode zenner D22 và biến trở VR15? 5. Ở mạch bảo vệ áp (Hình 2.16) giá trị điện áp trên 2 đầu điện trở R10 là bao nhiêu? Khi nào con Q9 dẫn. 6. Thiết kế một mạch nguồn điện một chiều với các thông số sau: Điện áp vào: U1 = 220V.
Điện áp tải: Ut = 12V.
Dòng điện tải: It = 1A.
Sụt áp trên mỗi diode: 1V 7. Thiết kế mạch nguồn có điện áp tải 4,5V, dòng điện 0.2A, độ sụt áp trên mỗi diode là 2020 TRANG 37 0.8. Biết Unguồn = 220V và tần số f = 50 Hz. I. ADC: 1. Khái niệm: Tín hiệu số là tín hiệu chỉ được hiểu theo một trong hai nghĩa “cao – thấp”, “có –
không”, “logic 1 – logic 0”. Trong mạch số, điện áp trên các chân chính là tín hiệu số, sẽ
không có sự phân biệt giữa điện áp Vin = 4.6 V với Vin = 4.2 V hay Vin = 5.1 V vì cả ba
mức áp trên sẽ được hiểu cùng một nghĩa là mức điện áp cao (mức logic 1). Tương tự như
vậy, tín hiệu số cũng không phân biệt được áp 0V, 0.2V hay 0.7V vì cả ba đều hiểu là mức
thấp (mức logic 0). Lưu ý rằng trong mạch số ta không được sử dụng các mức áp “lơ
lửng” ví dụ 2.5V, 3.2V vì với các mức áp này mạch số không thể phân biệt đây là mức cao
hay thấp. Thường với mức áp nguồn làm việc 5V thì tín hiệu số mức cao (mức 1) có giá trị
từ 4.2V đến 5.2V (nếu ta đưa áp vào lớn quá có thể làm hư IC số), tín hiệu mức thấp (mức
0) có giá trị từ 0V đến 1.0V. Thực ra, tầm giá trị này không chính xác cho mọi họ vi mạch
số nhưng là tầm trị thực tế, chấp nhận được cho người sử dụng. Khi thiết kế mạch tốt nhất
là phải đảm bảo mức cao gần 5V nhất và mức thấp gần 0V nhất có thể được. ADC là bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Cần hiểu rõ “tín hiệu
tương tự” (analog signal) ở đây không phải là “tín hiệu gần giống nhau” mà là tín hiệu
điện có giá trị bất kỳ, mỗi giá trị có một ý nghĩa khác nhau. Người ta dùng chữ “tín hiệu
tương tự” để phân biệt với tín “tín hiệu số”. Một cách làm rất hay là biến giá trị áp đo thành giá trị số, việc biến đổi thực hiện
dựa theo một điện áp chuẩn cố định và chính xác gọi là điện áp tham chiếu (Reference
Voltage _ VREF). Với các giá trị áp vào khác nhau thì ta có các số thu được cũng có giá trị
khác nhau, đối chiếu hai số này thì ta cũng thu được sự tương quan về giá trị của tín hiệu
tương tự. 2020 TRANG 38 Tín hiệu tương tự thì phải có sự phân biệt về nhiều mặt như tần số, biên độ, giá trị
tức thời, hình dạng, pha, …Trong trường hợp biến đổi ADC ta chỉ xét riêng về sự khác
biệt về giá trị tức thời của tín hiệu tương tự. Ta thấy cùng một tín hiệu đưa ra Ampli
nhưng ta chỉnh nhỏ lại thì tác dụng gây ra tại loa sẽ khác đi. Có rất nhiều đại lượng cần
phải được xác định theo cách định lượng, chính xác như: khối lượng, nhiệt độ, áp suất, độ
sáng, dòng điện, điện áp, công suất, điện trở, điện dung, điện cảm, tốc độ, lưu lượng, màu
sắc… Mỗi đại lượng có cảm biến chuyên dụng tuy nhiên tín hiệu ra khỏi cảm biến đều là
điện áp (hoặc dòng điện). 2. Nguyên lý chuyển đổi:
3.1. Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi: Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang số ADC. Thông số của bộ chuyển đổi A/D: Một ngõ vào analog (Vin): Nhận tín hiệu điện áp cần chuyển đổi.
Xung clock (CK): Cấp xung clock cho bộ chuyển đổi A/D hoạt động.
Vf+, Vf-: Cấp điện áp tham chiếu cho bộ chuyển đổi hoạt động, VRFF = Vf+ - Vf-
n bit ngõ ra nhận kết quả chuyển đổi. 3.2. Cấu trúc bộ chuyển đổi: 2020 TRANG 39 Hình 3.2. Cấu trúc bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang số ADC. 3.3. Nguyên lý hoạt động: Để biến đổi ADC phải có điện áp tham chiếu, sự so sánh Vin với áp tham chiếu sẽ cho kết quả biến đổi. Có thể hình dung bộ ADC là một dãy các cặp mạch so sánh và mạch trừ, các giá trị
VREF/2, VREF/4, VREF/8, VREF/16, VREF/32, VREF/64, VREF/128, VREF/256, VREF/512,
VREF/1024 là những ngưỡng so sánh (hai giá trị cuối chỉ có ở bộ ADC 10 bit). Nếu Vin lớn
hơn ngưỡng lớn nhất thì bit tương ứng bằng 1, mạch trừ thực hiện, kết quả sẽ so sánh với
ngưỡng liền kề, nến Vin nhỏ hơn ngưỡng này thì bit 0 được tạo ra, mạch trừ sẽ trừ cho 0,
kết quả lại so sánh với ngưỡng liền kề. Cứ thế so sánh và trừ cho đến ngưỡng cuối cùng.
Hình vẽ sau mô tả cơ chế biến đổi tínhiệu tương tự thành số nhị phân 10 bit (giá trị lớn
nhất là 1023, nhỏ nhất là 0). Ví dụ1: Với mạch ADC 10 bit như trên, áp VREF là 5 Volt, Vin = 3 Volt thì kết quả biến đổi là bao nhiêu? Ta có VREF/2 = 2.5 volt Mạch trừ cho kết quả là 0.5 Volt, VREF/4 = 1.250 V > 0.5 → bit 2 = 0 Mạch trừ cho kết quả là 0.5 Volt, VREF/8 = 0.625 V > 0.5 → bit 3 = 0 Mạch trừ cho kết quả là 0.5 Volt, VREF/16 = 0.3125 V < 0.5 → bit 4 = 1 Mạch trừ cho kết quả là 0.1875 Volt, VREF/32 = 0.15625 V < 0.1875 → bit 5 = 1 Mạch trừ cho kết quả là 0.03125 Volt, VREF/64 = 0.078125 V > 0.03125 → bit 6 = 0 Mạch trừ cho kết quả là 0.03125 Volt, VREF/128 = 0.0390625 V > 0.03125 → bit 7 = 0 Mạch trừ cho kết quả là 0.03125 Volt, VREF/256 = 0.01953125V< 0.03125 → bit 8 = 1 Mạch trừ cho kết quả là 0.01171875 Volt, VREF/512 = 0.009765625V < 0.01171875 → bit 9 = 1. Mạch trừ cho kết quả là 0.001953125 Volt, VREF/1024 = 0.0048828125V > 0.001953125 → bit 10 = 0. Vậy giá trị số thu được sau biến đổi là 10011001102 = 614. Nghĩa là: b9b8b7b6b5b4b3b2b1b0 = 1001100110 Lưu ý: [3x1024/5] = [614.4] = 614 Vậy Vin = 3 V, VREF = 5 V và số bit ngõ ra (10 bit) hay cụ thể hơn là số 210 =1024 có mối quan hệ như thế nào? Đặt tên cho số bit kết quả là n, kết quả là KQ, do có n bit nên có thể có 2n giá trị mà 2020 TRANG 40 KQ có thể nhận được đi từ 000…02 đến 111…12. Trên một trục ngang tượng trưng cho điện áp, người ta chia đoạn [0, VREF] thành 2n khoảng đều nhau, mỗi khoảng có độ rộng. = VREF/2n Ví dụ: với VREF = 5V, n = 10 thì V = 5/1024 = 0.0048828125 V. Ta có hình vẽ sau: Với điện áp Vin thỏa k ≤ Vi ≤ (k+1) thì kết quả biến đổi của Vin là k. n Tổng quát ta có công thức mô tả quan hệ điện áp vào với VREF và số bit ngõ ra như sau: 2
V REF
KQ= V .
in
(lấy phần nguyên). n : Số bit ngõ ra củ bộ ADC. : Điện áp tham chiếu (ứng với ngõ ra là số nhị phân lớn nhất) VREF : Điện áp vào. Vin Trở lại ví dụ 1 trên, thay vì ta phải phân tích, so sánh, lấy hiệu 10 lần để có 10 bit n 3. 614.4 614 KQ = V .
in 2
V 10
2
5 REF
ngõ ra ta có thể áp dụng ngay công thức biến đổi này để có kết quả ADC: Trong bài toán biến đổi ADC, việc xây dựng công thức tính giá trị của đại lượng lấy
mẫu theo KQ biến đổi là việc bắt buộc phải thực hiện được. Có mối quan hệ này ta mới
biểu biễn kết quả một cách phù hợp và chính xác cho từng đối tượng đo. Trong từng
trường hợp, quan hệ đại lượng đo-điện áp ra, hệ số mạch khuếch đại khác nhau, bắt buộc
người viết chương trình phải hiểu rõ quan hệ này. Một lưu ý rất quan trọng khi thiết kế mạch phục vụ cho ADC: Tín hiệu sau khi
khuếch đại sẽ thay đổi theo sự thay đổi của đại lượng đo, tuy nhiên việc khuếch đại cần
đảm bảo khi đại lượng cần đo thay đổi trong toàn bộ tầm đo thì giá trị điện áp lấy mẫu
cũng thay đổi và lấp đầy dãy giá trị [0, VREF], điều này giúp bộ biến đổi ADC có thể thực
hiện với độ chính xác cao nhất của nó. 2020 TRANG 41 Ví dụ 2: Với mạch ADC 8 bit như trên, áp VREF = 5 Volt, Vin = 3.7 Volt thì kết quả biến
đổi là bao nhiêu? n 2
V REF
KQ= V .
in
= 3.7x256/5 = 189 = 1011 11012 => b7b6b5b4 b3b2b1b0 = 1011 1101. ADC: II.
1. Khái niệm: DAC là bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu điện áp (DAC hay D/A converter). 2. Nguyên lý chuyển đổi: 2.1 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi: Hình 3.3. Sơ đồ khối bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang số ADC. 2.2 Cấu trúc bộ chuyển đổi: 2.2.1. DAC Dùng Bộ Khuếch Đại Cộng Đảo: Sơ đồ DAC 4 bit dùng bộ khuếch đại cộng đảo: 2020 TRANG 42 Hình 3.4. Sơ đồ DAC dùng bộ khuếch đại cổng đảo. Nguyên lý hoạt động: i
2 i
3 i
0 i
1 bV
2
2
R
bV
0
R
8 V
0 bjV 1 V
5 bj tương ứng bjV Ri ) V
(
b 3 Với j = 0 ÷ 3
Theo định luật K1: i xR
R
i
i
0
2
V
b
0
8 i
3
V
b
2
2 i
1
V
b
1
4 => OUT
V Giả sử: b3b2b1b0 = 00002 => Vout = 0V
b3b2b1b0 = 00012 => Vout = -5/8 = -0.625V
b3b2b1b0 = 00102 => Vout = -5/4= -1.25V
........
b3b2b1b0 = 11112 => Vout = -75/8= -9.375V K B
. - 0.625V gọi là độ phân giải (ký hiệu K)
OUTV
B: giá trị số nhị phân đưa vào 0.625 9 x 5.625 V Kết luận: Kết quả ngõ ra là tín hiệu điện áp, tùy thuộc vào tín hiệu số b3b2b1b0 đưa vào.
Dấu âm “-” biểu thị bộ khuếch đại cộng đảo. Dấu âm này chúng ta không cần quan
tâm. Ta thấy đầu ra tương tự tăng 0.625V khi số nhị phân ở đầu vào tăng lên một đơn vị. OUTV Ví dụ: Nếu đưa vào bộ DAC là 10012 thì 2.2.2. DAC với đầu ra dòng:
Sơ Đồ DAC 4 bit với ngõ ra dòng 2020 TRANG 43 Hình 3.5. Sơ đồ DAC 4 bit với ngõ ra dòng. Nguyên lý hoạt đông: I OUT B I
3
0 B
2 B
1 B
0 I
0
2 I
0
4 I
0
8 V I Dòng chảy qua mỗi đường là do mức điện thế quy chiếu VREF và giá trị điện trở trong
đường dẫn quyết định. Giá trị điện trở có trọng số theo cơ số 2, nên cường độ dòng điện
cũng có trọng số theo hệ số 2 và tổng cường độ dòng điện ra IOUT sẽ là tổng các dòng của
các nhánh. OUT REF
R Với DAC với đầu dòng ra có thể chuyển thành DAC có đầu ra điện thế bằng cách dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) như sau: Hình 3.6. Sơ đồ DAC với ngõ ra áp. V
10 Ví dụ: Khi sử dụng sử dụng DAC 0808 được kết nối như sau: REFV Nếu chọn , khi đó giá trị Iout thay đổi từ 0 2mA , ta có thể thay đổi Rf để 2020 TRANG 44 lấy giá trị như mong muốn. 1. Cho bộ chuyển đổi AD 8 bit, VREF =5V. Xác định ngõ ra khi: Vin=1V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=1.5V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=2.0V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=3.5V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=4.0V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? 2. Cho bộ chuyển đổi AD 8 bit, VREF =4V. Xác định ngõ ra khi: Vin=1V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=1.5V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=2.0V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=3.5V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=4.0V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 =? 3. Cho bộ chuyển đổi AD 10 bit, VREF =5V. Xác định ngõ ra khi: Vin=1V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=1.5V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=2.0V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=3.5V thì b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? 2020 TRANG 45 4. Cho mạch như hình vẽ: Xác định vo khi: A8A7A5A4A3A2A1 = 0011 00112 thì V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 0011 10112 thì V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 0111 10112 thì V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 1011 00112 thì V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 1011 10112 thì V0 =? 2020 TRANG 46 A8A7A5A4A3A2A1 = 1111 00112 thì V0 =? [1] Huỳnh Xuân Dũng, "Giáo trình Điện tử cơ bản", Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, 2019. [2] Nguyễn Văn Hiệp, "Giáo trình Điện tử ứng dụng", Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2010. [3] Nguyễn Văn Nhờ, "Giáo trình Điện tử công suất", Trường Đại Học Bách Khoa – Đại 2020 TRANG 47 học Quốc gia Tp.HCM, 2002.BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
...
V V
2
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI TẬP CHƯƠNG 1
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
CHƯƠNG 2:
MẠCH NGUỒN
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI TẬP CHƯƠNG 2
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
CHƯƠNG 3:
MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
bV
3
R
bV
1
R
4
Chú thích:
bj tương ứng
0
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI TẬP CHƯƠNG 3
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
