Luận văn tốt nghiệp: Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

  

GVHD: ThS. Phan Thanh Vân

SVTH: Phạm Thị Huyền Trang

MSSV: K32102078

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2010

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy Phan Thanh Vân –giảng viên Trường Đại học

Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, hiệu chính nội dung và

hướng dẫn thực hành để em có thể hoàn thành luận văn này.

Em xin cảm ơn thầy Cao Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn em làm mạch điện để em có thể hoàn

thành tốt phần thực hành của mình.

Có lẽ không một ai có thể quên được những mái trường mà mình đã đi qua, những mái trường đã

dạy dỗ mình từ thời thơ ấu cho đến lúc trưởng thành. Cứ sau mỗi chặng đường đi qua chúng em lại

thấy mình trưởng thành và vững vàng hơn trong kiến thức và năng lực. Chặng đường em vừa đi qua

là chặng đường với bốn năm đại học đầy khó khăn và thử thách dưới mái trường Đại học Sư phạm

TP. HCM. Nơi đây không chỉ trang bị cho em những kiến thức khoa học mà còn tạo cho em một

niềm tin sâu sắc vào nghề giáo và rèn luyện cho em một nghị lực để làm hành trang bước vào đời.

Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tập thể các thầy cô trường Đại học Sư phạm TP. HCM đặc biệt là

các thầy cô khoa VẬT LÝ đã dìu dắt và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể học tập tốt;

Bên cạnh đó, gia đình luôn là nguồn động lực to lớn giúp em vững bước trên con đường mình đã

chọn. Xin cảm ơn ba, mẹ đã luôn đồng hành cùng với con trong cuộc sống.

Sau cùng là lời cảm ơn chân thành đến bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện giúp đỡ

trong suốt thời gian hoàn thành đề tài.

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản

phẩm mới với công nghệ cao đã ra đời, từ những thiết bị phổ biến như máy vi tính, điện thoại, máy

nghe nhạc, máy chụp hình kĩ thuật số... cho đến các vật dụng trong gia đình như tivi, tủ lạnh hay

máy giặt... những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý

nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới

đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ "bé nhỏ" nhưng những con Chip lại có một sức mạnh

không hề "nhỏ" chút nào.

Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ ấy chính là

các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ máy này.

Trong triều đại mạch tích hợp (Intergrated Circuit – IC) hơn nửa thế kỷ qua xuất hiện nhiều con

Chip tuyệt vời, nhưng chỉ một số ít thật sự nổi bật bởi tính sáng tạo, đi trước thời đại. Những con

Chip này tạo nên xu hướng công nghệ và góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta thêm thú vị.

Một trong số những con Chip lừng danh đó là Chip 555, nó đã gây chấn động khi ra mắt thị trường

vào năm 1971.

Vi mạch định thời 555 (Chip 555) và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử

dân dụng cũng như điện tử công nghiệp, vì nếu kết hợp với các linh kiện ngoại vi thích hợp thì nó

có thể thực hiện nhiều chức năng như định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích hay điều khiển các

linh kiện bán dẫn công suất như transistor, Triac... Đã có hàng tỉ IC định thời 555 được bán ra, đến

nay Chip này vẫn còn được dùng. Xuất phát từ những đặc điểm nổi bật của Chip 555 cùng với sự

hứng thú, muốn tìm hiểu em đã chọn đề tài luận văn:

“Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó”.

Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu về IC định thời 555; một số mạch điện tử ứng dụng của nó;

chương trình vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in được coi là mạnh nhất hiện nay: OrCad.

Đối tượng nghiên cứu: Vi mạch định thời 555 và phần mềm OrCad

Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, thực hành trên máy vi tính và thực hành

lắp ráp một số mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 trên thực tế.

Nội dung đề tài: Căn cứ vào mục tiêu như trên nên đề tài tập trung nghiên cứu vào ba nội dung

chính đó là:

Nghiên cứu IC định thời 555 và các mạch ứng dụng của nó trên cơ sơ lý thuyết.

Nghiên cứu và thực hành phần mềm mô phỏng mạch điện tử “OrCad”.

Thực hành lắp ráp một số mạch định thời sử dụng IC định thời 555 trên thực tế.

Là một sinh viên khoa Vật lý thuộc ngành sư phạm, ít được làm quen với kỹ thuật điện tử vì vậy

việc nghiên cứu đề tài về lĩnh vực điện tử đối với em gần như bước vào một thế giới kiến thức mới,

rất đa dạng và phong phú. Em hy vọng qua đề tài này có thể giúp các bạn sinh viên không chuyên

về điện tử có thể hiểu được phần nào về kỹ thuật điện tử vô cùng hấp dẫn và những ứng dụng rất

rộng rãi của nó, qua đó hình thành lòng say mê và hứng thú tìm hiểu về kỹ thuật điện tử.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện đề tài, nhưng do đây là lần đầu nghiên cứu về kỹ

thuật điện tử và thời gian có hạn nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong

I. Một số loại linh kiện điện tử có liên quan:

được sự thông cảm, giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè và hội đồng bảo vệ. Em xin chân thành cảm ơn!

Bất cứ một mạch điện điện tử nào đều dùng nhiều linh kiện điện tử khác nhau để tạo thành và

các mạch điện có các công dụng khác nhau. Trong đó một số loại linh kiện được xem là cơ bản, vì

nó thường được sử dụng trong các mạch điện. Ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, transistor, …

Trong phạm vi đề tài đang xét về cấu tạo và các mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555

cũng không thể thiếu các loại linh kiện cơ bản trên. Trong đề tài này, ta sẽ không xét đến những linh

kiện cơ bản trên nữa mà chỉ xét đến hai loại mạch đóng vai trò khá quan trọng trong hoạt động của

IC định thời 555, đó là Flip – Flop và Op-Amp.

I.1. Flip – Flop:

I.1.1. Khái niệm

Trong kỹ thuật số, sử dụng các tín hiệu nhị phân. Các phần tử Flip-Flop (FF) là các phần tử có

khả năng truyền đạt và lưu trữ các tín hiệu nhị phân này (khả năng nhớ).

Flip-Flop (viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở

các cổng logic và hoạt động theo một bảng trạng thái cho trước.

Flip-Flop có đặc điểm sau:

Có hai trạng thái bền: Trạng thái 0 và trạng thái 1.

Có thể tiếp nhận, lưu trữ, đưa tín hiệu ra để sử dụng.

Vì vậy, nó rất thuận lợi trong kỹ thuật số. Tuỳ theo đặc tính làm việc mà người ta chia làm

nhiều loại Flip- Flop khác nhau.

I.1.2. Phân loại

Có hai cách phân loại :

Phân loại theo tín hiệu điều khiển.

Phân loại theo chức năng.

a) Phân loại FF theo tín hiệu điều khiển đồng bộ:

Xét về tín hiệu điều khiển có thể chia các FF thành 2 loại là: FF không đồng bộ (không có tín hiệu

điều khiển đồng bộ Clock) và FF đồng bộ (có tín hiệu Clock). Thực tế các FF được sử dụng thường

là FF đồng bộ.

Tín hiệu đồng bộ Clock (Ck) có thể kích khởi theo mức hay theo sườn của tín hiệu. Nếu kích khởi

theo sườn tín hiệu ta có: FF được kích khởi theo sườn lên của tín hiệu Ck và FF được kích khởi

theo sườn xuống của tín hiệu Ck (gọi tắt là sườn lên và sườn xuống, hoặc sườn trước và sườn sau).

Flip - Flop cơ bản (Flip - Flop không đồng bộ):

Cấu trúc:

Các mạch FF cơ bản (FF không đồng bộ) được cấu trúc từ các mạch NAND và mạch NOR.

Cấu trúc của chúng như hình 1.1 và hình 1.2.

Hình 1.1: FF cấu trúc từ cổng NAND

Hình 1.2: FF cấu trúc từ cổng NOR

Trong đó: R, S hay S , R là các tín hiệu đầu vào, còn Q, Q là các tín hiệu đầu ra.

Với FF cấu trúc từ cổng NAND:

Q

S

R 0

0 X

0 1 1

1 0

1 1 0 Q0

S = 0, R = 1  Q = 1. Q = 1 hồi tiếp về cổng NAND B làm cho cổng NAND B có hai ngõ

Dựa vào bảng chân trị của cổng NAND để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này:

S = 1, R = 0  Q = 1. Q = 1  hồi tiếp về cổng NAND A làm cho cổng NAND A có hai

vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 1 và Q = 0.

S = R = 0  Q = Q = 1 đây là trạng thái cấm.

ngõ vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 0 và Q = 1.

S = R = 1 : Giả sử trạng thái trước đó có Q = 1 và Q = 0  hồi tiếp về cổng NAND A nên

cổng vào NAND A có một ngõ vào bằng 0 vậy Q = 1.

Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó.

FF hoạt động với 2 trạng thái là trạng thái 0 và trạng thái 1.

*Trạng thái 0: Là trạng thái có Q = 0; Q = 1.

Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng A, cùng với tín hiệu S = 1 làm cho cổng A thông và lối ra Q = 0 được

Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng B làm cổng B cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác,

duy trì.

Như vậy trạng thái 0 có Q = 0; Q = 1 được duy trì bền vững.

*Trạng thái 1: Là trạng thái có Q = 1; Q = 0.

Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng A làm cổng A cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác,

Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng B, cùng với tín hiệu R = 1 làm cho cổng B thông và lối ra Q = 0 được

duy trì.

Như vậy trạng thái 1 có Q = 1, Q = 0 được duy trì bền vững.

Biểu đồ tín hiệu qua FF:

S - Gọi là đầu thiết lập: Start – Set

R - Gọi là đầu xoá: Clear – Reset

Trạng thái cấm:

Khi sử dụng FF có một trạng thái mà FF không hoạt động được đó là khi tín hiệu vào S , R đồng

thời bằng 0. Khi đó các lối vào Q và Q đồng thời bằng 1 như vậy FF không ổn định.

Trạng thái cấm: S = R = 0.

Bảng trạng thái:

Sn Rn Qn+1

0 0 Cấm

0 1 1

1 0 0

1 1 Qn

Phương trình đặc trưng cho FF-RS là:

Qn+1 = S + R Qn và RS = 0.

Với FF cấu trúc từ cổng NOR:

Cấu trúc:

S 0 0 1 1 R 0 1 0 1 Q Q0 0 1 X

Phương trình:

Dựa vào bảng chân trị của cổng NOR để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này:

S = 0, R = 1  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR A làm cho cổng NOR A có hai ngõ vào

bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 0 và Q = 1.

S = 1, R = 0  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR B làm cho cổng NOR B có hai ngõ vào

bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 1 và Q = 0.

Giả sử ban đầu S = 0, R = 1  Q = 0 và Q = 1.

Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành S = 0, R = 0 (R chuyển từ 1  0) ta có:

+ S = 0 và Q = 0  Q = 1.

+ R = 0 và Q = 1  Q = 0.

Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó.

Giả sử ban đầu S = 1, R = 0  Q = 1 và Q = 0.

Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành R = 0, S = 0 (S chuyển từ 1  0) ta có:

+ R = 0 và Q = 0  Q = 1.

+ S = 0 và Q = 1  Q = 0.

Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó.

Các trạng thái đầu ra của FF là:

Trạng thái 0: Q = 0; Q = 1.

Trạng thái 1: Q=1; Q = 0.

Trạng thái cấm đầu vào là: R = S = 1.

Bảng trạng thái của FF:

Sn Rn Qn+1

0 0 Qn

0 1 0

1 0 1

1 1 Cấm

Biểu đồ tín hiệu qua FF:

Nhận xét chung cho các loại FF cấu trúc từ cổng NAND và NOR:

Mạch cấu trúc từ cổng NAND lật trạng thái khi có sườn âm xung đến.

Mạch cấu trúc từ cổng NOR lật trạng thái khi có sườn dương xung đến.

Nhược điểm của FF-RS là điều khiển trực tiếp do xung đến.

Trạng thái Cấm không thuận lợi cho sử dụng.

Như vậy gọi là FF không đồng bộ bởi vì chỉ cần một trong hai ngõ vào S hay R thay đổi thì

ngõ ra cũng thay đổi theo.

Flip – Flop đồng bộ:

Cấu trúc:

Gồm một FF - RS thông thường nhưng có thêm mạch đồng bộ do các mạch C & D. Ck là tín

hiệu điều khiển đồng bộ hay tín hiệu đồng hồ (clock)

Để ký hiệu cho mạch người ta dùng quy ước dấu chữ V để biểu thị mạch làm việc với sườn

xung dương.

Hoạt động:

FF - RS không đồng bộ có khả năng tiếp nhận, xử lý và nhớ các tín hiệu nhị phân, tuy vậy nó

có nhược điểm như đã nêu trên. Để khắc phục người ta đưa thêm mạch đồng bộ để FF chỉ phản ứng

với tín hiệu vào chỉ khi có tín hiệu đồng bộ đưa đến.

Khi Ck = 0: Các cổng C & D khoá không cho dữ liệu vào. Vì cổng vào NAND A, B có ít nhất một

ngõ vào Ck = 0  S = R = 1  Q = Q0 : FF – RS giữ nguyên trạng thái trước đó ( FF nhớ trạng

thái trước đó).

Khi Ck = 1: Các cổng C & D mở, mạch vào thông, FF hoạt động như một FF - RS thông thường

như đã biết. Như vậy những nhược điểm do trạng thái cấm vẫn còn tồn tại. Ngõ ra Q sẽ thay đổi tuỳ

thuộc vào trạng thái của S và R

S R Ck Q

X X 1 Q0

0 1 1 Q0

S = 0, R = 0  S = 1, R = 1  Q = Q0 0 1 1 0

S = 0, R = 1  S = 1, R = 0  Q = 0 1 0 1 1

S = 1, R = 0  S = 0, R = 1  Q = 1 1 1 1 X S = 1, R = 1  S = 0, R = 0  Q = X

Tuỳ thuộc vào mức tích cực của tìn hiệu đồng bộ Ck, chúng ta có các loại tín hiệu điều khiển:

Ck điều khiển theo mức 1.

Ck điều khiển theo mức 0.

Ck điều khiển theo sườn lên (sườn trước).

Ck điều khiển theo sườn xuống (sườn sau).

Đối với

các FF đồng

bộ, các ngõ ra chỉ thay đổi trạng thái theo ngõ vào Data khi xung Ck tồn tại mức 1 (đối với tác động Các loại tín hiệu điều khiển Ck khác

mức 1), hoặc xung Ck tồn tại mức 0 (đối với FF tác động mức 0), hoặc xung Ck ở sườn lên (đối với

FF tác động sườn lên), hoặc xung Ck ở sườn xuống (đối với FF tác động sườn xuống), còn tất cả các

trường hợp khác của Ck thì ngõ ra không thay đổi trạng thái theo ngõ vào mặc dù lúc đó các ngõ

vào có thay đổi trạng thái.

b) Phân loại FF theo chức năng:

Nếu xét về chức năng có thể chia ra làm 4 loại như sau:

Flip – Flop RS (Là mạch duy trì trạng thái, chuyển đổi trạng thái, nhớ trạng thái tùy thuộc vào các

tín hiệu lối vào RS và xung nhịp Ck).

Flip – Flop D (Là mạch điện tử có trạng thái lối ra lặp lại trạng thái lối vào).

Flip – Flop T (Là mạch điện có chức năng duy trì và chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào tín hiệu

đầu vào T với điều kiện có xung nhịp Ck tác dụng).

Flip – Flop JK (FF - JK là mạch điện có chức năng thiết lập các trạng thái 0 và 1, duy trì hoặc

chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào các tín hiệu J, K và xung nhịp Ck).

Do đề tài chỉ tìm hiểu về IC định thời 555 nên ta sẽ không đi sâu vào các loại FF mà chỉ xét

đến loại FF – RS được dùng trong IC định thời 555.

FLIP - FLOP RS:

Là mạch chức năng, thiết lập các trạng thái 0 và 1. Nó duy trì trạng thái, chuyển đổi trạng thái,

nhớ trạng thái tùy thuộc vào các tín hiệu lối vào RS và xung nhịp Ck.

FF có các ngõ vào và ngõ ra kí hiệu như hình vẽ. Trong đó:

S, R là các ngõ vào dữ liệu.

Q, Q là các ngõ ra.

Ck là tín hiệu xung đồng bộ.

Gọi Sn và Rn là các trạng thái ngõ vào Data ở xung Ck thứ n.

Qn và Qn+1 là trạng thái của ngõ ra Q ở xung Ck thứ n và thứ n+1.

Khi đó ta có phương trình đặc trưng cho FF - RS là:

nR Qn

Qn+1 = Sn +

SR = 0

Bảng trạng thái mô tả hoạt động của FF - RS:

Qn+1 Hoạt động Sn Rn

Giữ nguyên trạng thái 0 0 Qn

0 1 0 Xóa

1 0 1 Thiết lập

1 1 X Trạng thái cấm

Bảng trạng thái của FF - RS được viết dưới dạng khai triển như sau:

Qn Rn Sn Qn+1

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 1 X Cấm

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 1 1

1 1 1 X Cấm

Trong bảng này ta thấy tín hiệu ngõ ra ở trạng thái tiếp theo (Qn+1) sẽ phụ thuộc vào tín hiệu

các ngõ vào Data (R, S) và tín hiệu ngõ ra ở trạng thái hiện tại (Qn).

Từ bảng khai triển ta thấy được khả năng chuyển đổi trạng thái cũng như yêu cầu của tín hiệu

lối vào cho mỗi trường hợp chuyển đổi trạng thái. Từ đó ta suy ra điều kiện chuyển đổi được thể

hiện như bảng sau:

Sn Qn Qn+1 Rn

0 0 0 X

1 0 1 0

0 1 0 1

X 1 1 0

Để thấy rõ sự chuyển đổi trạng thái ta dùng biểu đồ sau:

Đồ thị dạng tín hiệu của FF - RS:

I.2. Khuếch đại thuật toán (Op – Amp):

Mạch khuếch đại thuật toán thường được gọi tắt là OP-AMP (Operational-Amplifier), được thiết kế

để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia, vi phân, tích phân… trong các máy tính tương

tự. Trong quá trình phát triển OP – AMP còn có thêm nhiều ứng dụng khác và trở thành linh kiện

tích cực quan trọng nhất trong các mạch khuếch đại AC, mạch khuếch đại DC, mạch so sánh, mạch

dao động, mạch tạo xung, mạch đo…

I.2.1. Sơ đồ chân:

Op-Amp là một mạch điện gồm nhiều linh kiện điện tử đã được mắc sẵn trong một con chíp

tám chân có khả năng dùng để khuếch đại hiệu hai điện thế nhập.

Chân Chức năng

Chỉnh không. 1

Chân nhập trừ (ngõ vào đảo). 2

Chân nhập cộng (ngõ vào không đảo). 3

4 Chân điện nguồn -Vcc.

Không dùng. 5

Chân xuất (ngõ ra). 6

7 Chân điện nguồn +Vcc.

Không dùng. 8

I.2.2.

I.2.3. Ký hiệu:

Tuy có cấu tạo phức tạp, nhưng kí hiệu của OPAMP rất đơn

giản như sau:

Vì chân ngõ ra còn lại được nối GND bên trong chíp nên người ta không kí hiệu hình chữ nhật mà

chuyển qua hình tam giác. Chân V+ gọi là “chân ngõ vào không đảo”, chân V- gọi là “chân ngõ

vào đảo”. Hiệu điện thế trên 2 chân này được khuếch đại và xuất ra chân ngõ ra VO (điện áp chân VO so với GND).

I.2.4. Ưu điểm của Op-Amp:

Hai đầu vào đảo và không đảo cho phép Op-Amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng

(các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng… thường là

nguồn có tính đối xứng).

Đầu ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu đầu vào nên Op-Amp có độ chống nhiễu rất cao

vì khi tín hiệu nhiễu đến hai đầu vào cùng lúc sẽ không xuất hiện ở đầu ra. Cũng vì lý do này Op-

Amp có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều.

Hệ số khuếch đại của Op-Amp rất lớn do đó cho phép Op-Amp khuếch đại cả những tín hiệu với

biên độ khoảng vài chục micro-Volt.

Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amp được chế tạo trên cùng một phiến bán dẫn, nên độ ổn

định nhiệt rất cao.

Điện áp phân cực đầu vào và đầu ra bằng 0 khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn

hoá khi lắp ghép giữa các khối.

Tổng trở đầu vào của Op-Amp rất lớn do đó cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có

công suất bé.

Tổng trở ra thấp, cho phép Op-Amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải.

Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau.

I.2.5. Op-Amp lý tưởng

Để đơn giản trong việc tính toán trên Op-Amp thực tế, ta có thể tính toán trên Op-Amp lý tưởng.

Sau đó thực hiện bổ chính các thông số trong mạch. Có thể so sánh một vài thông số giữa Op-Amp

lý tưởng và Op-Amp thực tế như bảng sau:

Op-Amp lý tưởng Op-Amp thực tế

Độ lợi vô cùng lớn. Độ lợi 100.000  200.000.

Tổng trở ngõ vào 106  1013  . Tổng trở ngõ vào   .

Tổng trở ngõ ra = 0. Tổng trở ngõ ra nhỏ.

Băng thông hữu hạn. Băng thông   .

Dòng vào tĩnh nhỏ. Dòng vào tĩnh = 0.

Dòng vào lệch 20  30 nA. Dòng vào lệch = 0.

I.2.6. Nguyên lý hoạt động

Dựa vào kí hiệu của Op-Amp ta có đáp ứng tín hiệu đầu ra V0

theo các cách tín hiệu cổng vào lần lượt là đầu vào đảo nối

masse, đầu vào không đảo nối masse và đưa tín hiệu vào đồng

thời ở cả hai lối vào.

Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu

vào vi sai so với masse (lúc này chỉ cần cho một trong hai cổng

nối masse ta sẽ có hai trường hợp kia). Đường đặc tính ngõ vào -

ngõ ra có 3 miền như hình vẽ.

+ Miền 1: Miền bảo hòa âm: Điện áp vào VIN quá bé làm cho

điện áp ra (nếu có) VO=AV.VIN< -Vcc. Nhưng Op-Amp không thể xuất ngõ ra quá trị số -VCC, nên

giá trị xuất ra luôn là –VCC. (dù VIN giảm liên tục, nhưng VOUT không đổi). + Miền 2: Miền khuếch đại tuyến tính: Điện áp VOUT = VIN.AV tạo thành một đường xiên. Do độ lợi AV rất cao nên miền này rất bé. (điện áp VOUT rất dễ bị bảo hòa).

+ Miền 3: Miền bảo hòa dương: Giống miền 1. Giá trị xuất ra luôn là +VCC.

Trên thực tế người ta rất ít khi sử dụng Op-Amp làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch

đại AV rất lớn nhưng phạm vi điện áp đầu vào mà Op-Amp khuếch đại tuyến tính lại là quá bé

(khoảng vài chục đến vài trăm micro-Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ

CCV

. Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các cũng đủ làm điện áp cổng ra ở

mạch tạo xung dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện

việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở xuống một mức thích hợp. Lúc này miền

làm việc tuyến tính của Op-Amp sẽ rộng ra, Op-Amp làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái

vòng kín (Close loop).

Với hồi tiếp âm ta có các dạng mạch khuếch đại căn bản như sau:

a. Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier)

Dạng mạch căn bản.

Zi, Zf có thể có bất kì dạng nào.

Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-).

Vi có thể xoay chiều hoặc một chiều.

Do Op-Amp lý tưởng nên:

V1 = V2 = 0

V 0 Z

V i    Z i

f

ii = - if



 

A V

V 0 V i

Z f Z i

Suy ra độ lợi của điện thế của mạch:

Nhận xét: - Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì V0 và Vi sẽ lệch pha 1800 (nên được gọi là mạch khuếch đại đảo và ngõ vào ( - ) được gọi là ngõ vào đảo).

- Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm. Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ), độ khuếch đại của

mạch càng lớn.

- Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì Op-Amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều.

b. Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier)

Dạng mạch căn bản.

Ta có: V1 = V2 = Vi

i



f

 V V 0 2 Z

f



i i

 V V 0 2 Z

V 2 Z

V 2   Z i

f

i

Và if = ii

Z

f



  1

A v

Z

V 0 V i

i

Suy ra:

Nhận xét:

- Zf, Zi có thể có bất kỳ dạng nào.

- VO và Vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào.

- Khi Zf, Zi là điện trở thuần thì ngõ ra VO sẽ có cùng pha với ngõ vào Vi (nên mạch được gọi là

mạch khuếch đại không đảo và ngõ vào ( + ) được gọi là ngõ vào không đảo).

- Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm. Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi. - Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần. Mạch cũng giữ nguyên

tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoay chiều.

c. Op-Amp phân cực bằng nguồn đơn:

Phần trên là các đặc tính và 2 mạch khuếch đại căn bản được khảo sát khi Op-Amp được phân

cực bằng nguồn đối xứng. Thực tế, để tiện trong thiết kế mạch và sử dụng, khi không cần thiết thì

Op-Amp được phân cực bằng nguồn đơn; Lúc bấy giờ chân nối với nguồn âm -VCC được nối

masse.

Hai dạng mạch khuếch đại căn bản như sau:

Người ta phải phân cực một ngõ vào (thường là ngõ vào +) để điện thế phân cực ở hai ngõ vào

lúc này là VCC/2 và điện thế phân cực ở ngõ ra cũng là VCC/2. Hai điện trở R phải được chọn khá

lớn để tránh làm giảm tổng trở vào của Op-Amp. Khi đưa tín hiệu vào phải qua tụ liên lạc (C2

trong mạch) để không làm lệch điện thế phân cực. Như vậy, khi phân cực bằng nguồn đơn, Op-

Amp mất tính chất khuếch đại tín hiệu một chiều. Trong hình a, mạch khuếch đại đảo, C1 là tụ

lọc điện thế phân cực ở ngõ vào (+). Trong hình b, mạch khuếch đại không đảo, C1 dùng để tạo

hồi tiếp xoay chiều cho mạch và giữ điện thế phân cực ở ngõ vào (-) là VCC/2. Ðộ khuếch đại của

mạch vẫn không đổi.

I.2.7. Một số ứng dụng của Op-Amp: Mạch so sánh

Op-Amp có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như:

- Mạch làm toán: Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và

ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản như mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi

phân…

- Mạch so sánh: Đây là mạch ứng dụng trong thực tế, làm việc theo nguyên lí so sánh, một nguyên

lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp.

- Mạch lọc.

Trong phạm vi đề tài đang xét công dụng của Op-Amp là so sánh điện áp, vì vậy ở đây ta chỉ xét

một số loại mạch so sánh.

Mạch so sánh:

a/ Ðiện thế ngõ ra bảo hòa:

Ta có V0 = A(V1-V2) = A.Ed

Với Ed = V1 – V2

và được định Ed là điện thế khác nhau giữa 2 ngõ vào

nghĩa:

ngõ vào -) Ed = (điện thế ngõ vào +) - (điện thế

= A.Ed Do mạch không có hồi tiếp âm nên V0

Trong đó A là độ lợi vòng hở của Op-Amp.

Vì A rất lớn nên theo công thức trên V0 rất lớn.

Khi Ed nhỏ, V0 được xác định. Khi Ed vượt quá một trị số nào đó thì V0 đạt đến trị số bảo hòa và

V .

được gọi là VSat. Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi Op-Amp và có trị số vào khoảng vài chục

- Khi Ed âm, mạch đảo pha nên V0= -VSat

- Khi Ed dương, tức V1>V2 thì V0 = +VSat.

Ðiện thế ngõ ra bảo hòa thường nhỏ hơn điện thế nguồn từ 1 volt đến 2 volt. Và |+VSat| có thể

khác |-VSat|.





E



dm

ax

E





dm

ax

V Sat A V  Sat A

Như vậy ta thấy điện thế Ed tối đa là:

b/ Mạch so sánh mức 0:(tách mức zéro)

Mạch so sánh mức zéro không đảo:

Dạng mạch:

Điện thế ở ngõ vào (-) được dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem so sánh với điện

thế chuẩn được đưa vào ngõ vào (+)

Khi Ei>Vref = 0V thì V0 = + VSat

Khi Ei

Mạch so sánh mức zéro đảo:

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref = 0V đặt ở ngõ vào (+). Điện thế

so sánh Ei đưa vào ngõ vào (-).

Khi Ei>Vref = 0V thì V0 = - VSat

Khi Ei

c/Mạch so sánh với 2 ngõ vào có điện thế bất kỳ:

So sánh mức dương đảo và không đảo:

So sánh mức dương không đảo:

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ngõ vào (-). Điện thế so sánh Ei

đưa vào ngõ vào (+).

Khi Ei>Vref thì V0 = + VSat

Khi Ei

So sánh mức dương đảo:

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ngõ vào (+) Điện thế so sánh

Ei đưa vào ngõ vào (-)

Khi Ei>Vref thì v0 = - VSat

Khi Ei

So sánh mức âm đảo và không đảo:

So sánh mức âm không đảo

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ngõ vào (-) Điện thế so sánh

Ei đưa vào ngõ vào (+)

Khi Ei>Vref thì v0 = + VSat

Khi Ei

So sánh mức âm đảo

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ngõ vào (+) Điện thế so sánh

Ei đưa vào ngõ vào (-)

Khi Ei>Vref thì v0 = + VSat

II. Sơ lược về mạch tích hợp:

Khi Ei

Transistor bán dẫn, diode, Transistor FET, các điện trở biến dung… là các linh kiện thường

dùng trong các mạch điện điện tử. Trong thực tế sử dụng chúng ta cần sử dụng nhiều phương thức

lắp ráp khác nhau tạo thành mạch điện mới có thể làm việc. Đối với một số mạch điện tinh vi và

phức tạp cho dù người ta rất thành thạo vẫn phải mất nhiều thời gian và việc điều chỉnh mới có thể

sử dụng và công việc điều chỉnh nói chung đều tương đối phức tạp và giảm thiểu hiệu suất làm việc

của con người. Như vậy làm thế nào để giải quyết được vấn đề đó? Qua yêu cầu thực tiễn, người ta

đã tìm hiểu và sáng chế ra mạch tích hợp. Chúng ta sẽ điểm qua một số sự kiện nổi bật trong lịch sử

hình thành và phát triển của những vi mach tích hợp đầu tiên của nhân loại.

II.1. Lịch sử hình thành

Năm 1947, J. Bardeen & W. Brattain (AT&T

Bell Lab., USA) phát minh ra "Point Contact

Transistor" - đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra

thiết bị mới thay thế cho đèn điện tử. Dòng điện vào

(bên trái hình tam giác) được truyền qua lớp dẫn điện

trên bề mặt bản Germanium và được khuếch đại thành

dòng ra (bên phải hình tam giác). Sở dĩ thiết bị

khuếch đại dòng điện này có tên là transistor vì nó là

một loại điện trở (Resistor) hay bán dẫn có khả năng truyền điện (Transfer).

Năm 1950, W. Shockley (AT&T Bell Lab, USA) phát minh ra

transistor kiểu tiếp mặt. Đây là mô hình đầu tiên của loại bipolar transitor

sau này.

Năm 1958, J. Kilby (Texas Instruments, Mỹ) phát minh ra mạch IC đầu tiên, mở đầu cho thời

kỳ hoàng kim của mạch vi điện tử. Điểm quan trọng trong phát minh của Kilby là ở ý tưởng về việc

tích hợp các thiết bị điện tử (điện trở, transistor, tụ điện…) lên trên bề mặt tấm silicon. Jack Kilby

được nhận giải Nobel Vật lý năm 2000.

Chip IC

nguyên

thủy do

Jack

Kilby

Năm 1959, J. Hoerni và R. Noyce (Fairchild, Mỹ) thành công trong việc chế tạo ra transistor

trên một mặt phẳng silicon. Hình dưới là transistor với cả 3 cực (base, emitter, collector) cùng nằm

trên một mặt phẳng.

Transistor với cả 3 cực (base, emitter, collector)

Năm 1961, cũng chính J. Hoerni và R. Noyce đã tạo ra mạch flip-flop (với 4 transistor và 5

điện trở) trên mặt silicon.

Năm 1970, G.-E. Smith và W.-S. Boyle (AT&T Bell Lab., USA) tạo ra mạch CCD 8-bit.

CCD 8-bit

Năm 2004, công ty Intel (Mỹ) chế tạo chip Pentium 4 với trên 42 triệu transistor.

Năm 2005, liên kết giữa IBM, Sony Computer Entertainment, và Toshiba giới thiệu chip

CELL đa lõi (multi-core), hoạt động ở tốc độ 4 GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256 Gflop. Chưa đầy

50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những

thành tựu rực rỡ. Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khóa

quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin hiện nay.

Vậy thế nào là mạch điện tích hợp?

II.2. Một vài nét sơ lược về mạch tích hợp:

Mạch điện tích hợp, hay vi mạch, hay mạch tích hợp (integrated circuit), gọi tắt IC, còn gọi là

chip theo thuật ngữ tiếng Anh, nó sử dụng công nghệ bán dẫn màng mỏng hay màng dày hoặc kết

hợp giữa hai công nghệ đó. Trong mạch điện có chứa các linh kiện tích cực (như transistor,

diode…) và các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm…) được kết nối với nhau, tạo

thành một chip bán dẫn cơ bản kích thước cỡ micro-mét (hoặc nhỏ hơn), có chức năng chính hoàn

chỉnh và được đặt trong vỏ kín. So với mạch điện có tính phân lập, nó đã giảm đi rất nhiều về thể

tích, trọng lượng, dây nối và các mối hàn, nâng cao tính năng và độ tin cậy của mạch điện. Từ các

linh kiện phân lập đến các mạch điện tích hợp là sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật bán dẫn.

Một vi mạch tích hợp bao gồm một đơn tinh thể bán dẫn mach điện có chứa các linh kiện tích

cực và các linh kiện thụ động cùng dây nối giữa chúng. Các linh kiện này được chế tạo theo một quá

trình công nghệ. Một quy trình sản xuất hàng loạt được sử dụng để chế tạo một số lượng lớn các

mạch tích hợp với giá thành thấp.

Các vi mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một linh kiện phức hợp.

Một mạch tích hợp sẽ giúp giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều, bên cạnh đó là độ chính xác

tăng lên. IC là một phần rất quan trọng của các mạch logic. Có nhiều loại IC, lập trình được và cố

định chức năng, không lập trình được. Mỗi IC có tính chất riêng về nhiệt độ, điện thế giới hạn, công

suất làm việc… được ghi trong bảng thông tin (datasheet) của nhà sản xuất. Cho tới nay các linh

kiện của thiết bị điện tử đều sử dụng mạch IC: máy thu thanh, máy ghi âm, đồng hồ điện tử… Có

thể nói cuộc sống của chúng ta không thể nào tách rời hoàn toàn được với các mạch tích hợp.

Do mạch IC có hình thức đa dạng nên không thể có tín hiệu mạch điện cố định. Thông thường

người ta thông qua một sơ đồ khối, khung vuông, hình tam giác hoặc hình tròn để thay thế chúng.

Từ đó dẫn ra một vài ghi chú mã số của chân và thay thế cho chân dẫn mạch IC.

Hình thức vỏ bọc của mạch IC có nhiều loại. Nhìn chung các mạch IC có hình thức là một

miếng cho nên người ta thông thường gọi mạch IC là miếng tích hợp. Mạch IC có thể có hình thức

truyền dẫn của vó bọc là hai hàng chân dẫn khi sử dụng cắm trực tiếp vuông góc với board mạch

điện, hoặc chỉ có một hàng chân dẫn cắm vuông góc, hoặc bốn mặt đều có chân dẫn…đối với vỏ

ngoài hình chữ nhật, ngoài ra còn có vỏ ngoài hình tròn, hình quạt, hoặc loại vỏ bọc không có chân

đối với mạch IC được làm trực tiếp trên các board mạch điện nhỏ và cho lớp cao su để phủ lên…

Bất luận có sử dụng các mạch IC kiểu nào, chúng ta đều cần phải tìm chỗ đánh dấu để có thể chỉ ra

chân thứ nhất của IC, ví dụ như một vòng tròn nhỏ, một góc khuyết hoặc một nữa khuyết. Và sau

khi có chân thứ nhất ta sẽ biết được các chân còn lại bằng cách đếm theo thứ tự từ chân thứ nhất

theo chiều ngược kim đồng hồ, và kết hợp với các tài liệu có liên quan ta sẽ biết thêm về cấu trúc

của các chân.

II.3. Ưu, nhược điểm của mạch tích hợp:

Ưu điểm:

Có kích thước nhỏ gọn nên tạo ra các mạch và thiết bị có kích thước nhỏ. Năng lượng tiêu thụ

thấp nên giảm được nguồn cung cấp điện năng.

Có độ tin cậy cao do được chế tạo thống nhất trên một khối, giảm được đáng kể các mối hàn

nên các hư hỏng sẽ rất ít.

Do vi mạch tích hợp có kích thước nhỏ nên có thể dùng các vật liệu quý như vàng, bạc, bạch

kim.. để chế tạo mà vẫn đảm bảo được tính kinh tế của sản phẩm.

Kích thước vi mạch ngày càng nhỏ, nghĩa là khoảng cách giữa các linh kiện bán dẫn ngày càng

rút ngắn. Điều này cũng có nghĩa: quá trình giao tiếp giữa các linh kiện bán dẫn sẽ nhanh hơn, dẫn

đến tốc độ xử lý của vi mạch được nâng lên.

Nhược điểm

Tốc độ tính toán của vi mạch đôi khi bị hạn chế do năng lượng cung cấp thấp.

Khả năng tích hợp cao nên các tham số của các linh kiện trong mạch sẽ bị thay đổi.

Yêu cầu về ổn định nhiệt độ cao do mạch tích hợp được chế tạo bằng chất bán dẫn và mật độ

tích hợp cao.

II.4. Phân loại mạch IC

Do mạch tích hợp IC làm cho nhiều linh kiện tạo thành một mạch điện phức tạp, được

chế tạo trên một chip bán dẫn cực nhỏ, cho nên đối với các mạch điện ứng dụng khác nhau cũng sẽ

có các mạch IC phù hợp với các chức năng khác nhau. Chính vì vậy mà chủng loại mạch IC rất

phức tạp và đa dạng. Để phân loại mạch điện tích hợp có thể căn cứ vào công nghệ sản xuẩt, tính

chất, chức năng và qui mô mạch điện tích hợp.

Dựa vào công nghệ sản xuất khác nhau người ta chia ra thành mạch IC màng, mạch điện tích

hợp bán dẫn và mạch điện tích hợp hỗn hợp.

Mạch điện tích hợp màng căn cứ vào độ dày của màng có thể phân ra thành mạch điện tích

hợp màng dày và mạch điện tích hợp màng mỏng.

Mạch điện tích hợp bán dẫn căn cứ vào các linh kiện sử dụng các công nghệ chế tạo bên trong

nó khác nhau có thể chia mạch điện tích hợp bán dẫn thành hai loại: mạch điện tích hợp kiểu song

cực và mạch điện tích hợp kiểu đơn cực. Hiện nay mạch điện tích hợp bán dẫn được sử dụng nhiều

nhất.

Mạch điện tích hợp hỗn hợp sử dụng chủ yếu công nghệ màng; cộng nghệ chất bán dẫn mặt

phẳng thậm chí còn sử dụng các linh kiện rời. Loại mạch IC này, tính năng tương đối tốt nhưng giá

thành cao.

Dựa vào chức năng, tính chất khác nhau có thể chia ra thành mạch điện tích hợp số (còn gọi là

mạch điện tích hợp logic) và mạch điện tích hợp tương tự.

Mạch điện tích hợp số có thể thực hiện các thuật toán logic số, khi tiến hành các phép tính,

mức điện thấp được xem là “0” và mức điện cao được xem là “1” trong hệ nhị phân. Thông qua các

quan hệ logic để tiến hành các phép tính, nhớ, truyền đạt và chuyển đổi. Mạch điện tích hợp số được

ứng dụng rộng rãi trong các máy tính, các hệ thống điều khiển tự động, các hệ thống thông tin số…

Mạch điện tích hợp tương tự có thể thực hiện việc khuếch đại và chuyển đổi đối với dòng điện

và điện áp. Trong đó có mạch điện những mạch điện tích hợp có quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu

đầu vào và tín hiệu đầu ra được gọi là mạch điện tích hợp tuyến tính (như bộ khuếch đại một chiều,

bộ khuếch đại sai phân, bộ khuếch đại thuật toán…); có những mạch tích hợp có quan hệ không

tuyến tính giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra và được gọi là mạch điện tích hợp phi tuyến tính

(như bộ tách sóng, bộ ổn áp, bộ điều chế…).

Dựa vào qui mô tích hợp khác nhau: Mức độ tích hợp của mạch IC thông thường là để biết có

bao nhiêu linh kiện tích hợp trên một chip. Số linh kiện tích hợp càng nhiều thì độ tích hợp càng

cao. Căn cứ vào độ cao thấp của mức độ tích hợp, có thể chia thành qui mô nhỏ (SSI: bên trong có

vài chục linh kiện), qui mô trung bình (MSI: bên trong có vài trăm linh kiện), qui mô lớn (LSI: bên

trong có trên 1000 linh kiện), qui mô cực lớn (VLSI: bên trong có hàng vạn linh kiện)…

II.5. Phương pháp đặt tên của mạch IC:

Chủng loai của mạch IC rất nhiều vì thế không có một tiêu chuẩn nào đặt tên thống nhất.

Nói chung các dạng của nó là do cơ sở sản xuất tự mình quy định, tuy nhiên một số mạch IC thường

dùng nhất là mạch IC số, nhìn chung các xưởng đếu dùng các tên gọi giống nhau. Tên gọi của các

mạch IC thường dùng các số và chữ cái ghép thành. Các tên gọi của mạch IC số tương đối thống

nhất, với IC cùng một kiểu dù sản xuất từ bất cứ một xưởng sản xuất nào thì kết cấu bên trong và số

chân của chúng cơ bản đều như nhau.

Cách đọc mã số IC:

Tuỳ thuộc vào từng loại IC mà ta có cách đọc khác nhau. Ở đây ta sẽ tìm hiểu cách đọc của một loại

mạch IC mà ta đã tìm hiểu ở phần trước. Bộ khuếch đại thuật toán (mạch IC tương tự thường dùng).

Tất cả IC OPAMP đều được kí hiệu bằng 7 kí tự và được chia thành 3 phần. Ví dụ: MC 741CN:

- Phần tiền tố chỉ nhà sản xuất (bảng 1)

- Phần giữa chỉ 2 điều:

+ 3 số chỉ loại IC

+ Phần kí tự cuối chỉ khoảng nhiệt chịu đựng (bảng 2)

- Phần hậu tố chỉ loại vỏ (bảng 3)

Bảng 1: Bảng 2:

RCA CA C Thương mại 00C-700C

National Semiconductor LM I Công nghiệp-250C-850C

Motorola MC M Quân sự -550C-1250C

NE/SE Signetics Bảng 3 OP Precision Monolithics

III. Mạch IC gốc chuẩn thời gian:

RC/RM Raytheon D Kiểu vỏ DIP nhựa Silicon General SG J Kiểu vỏ DIP bằng Ceramic Texas Instruments TL N, PKiểu vỏ DIP nhựa chân dài Fairchild UA

III.1. Sơ lược về IC 555:

Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 là sự kết hợp giữa chức năng số (logic) và chức năng

tương tự một cách tuyệt vời. IC định thời 555, công ty Signetics Corporation năm 1971 đưa ra 2

dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là “máy thời gian”. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế

mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn

ổn và không ổn định. Từ đó thiết bị này được sản xuất thương mại.

III.1.1. Lịch sử hình thành:

Đó là mùa hè năm 1970, trong văn phòng chen giữa 2 nhà hàng Trung Hoa ở thị trấn Sunnyvale,

California (Mỹ), nhà thiết kế chip Hans Camenzind làm việc với vai trò tư vấn cho công ty bán dẫn

Signetics. Tình hình kinh tế khó khăn, Camenzind có vợ và 4 con, kiếm chưa đến 15.000 USD/năm,

nên rất muốn phát minh cái gì đó có thể hái ra tiền.

Camenzind đã tạo ra chip 555 - một IC đơn giản có thể làm việc như bộ đếm thời gian. Đến nay,

555 là con chip được bán chạy nhất trong ngành bán dẫn analog, hiện diện trong các thiết bị nhà

bếp, đồ chơi, phi thuyền không gian và nhiều thứ khác. Có thể nói 555 là một trong những con chip

xuất sắc nhất của mọi thời đại.

Ý tưởng về chip 555 nảy sinh khi Camenzind đang làm việc trên hệ thống vòng lặp khóa pha. Với

một vài điều chỉnh, hệ thống này có thể làm việc như bộ định thời gian đơn giản: kích hoạt nó sẽ

chạy trong một khoảng thời gian nhất định. Lúc đó không có chip nào giống như thế.

Thoạt đầu, phòng kỹ thuật của Signetics từ chối ý tưởng này vì công ty đang bán linh kiện mà khách

hàng có thể dùng để tạo bộ định thời gian có tính năng tương tự như 555. Camenzind không nản,

ông đến gặp Art Fury, giám đốc tiếp thị của Signetics. May là Fury thích nó.

Camenzind bỏ ra gần 1 năm thử nghiệm các bản thiết kế, vẽ các sơ đồ mạch trên giấy và tạo bản

phim, "tất cả đều làm bằng tay". Thiết kế cuối cùng có 23 transistor, 16 điện trở và 2 diode.

Chip 555 gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971. Năm 1975 Signectics sát nhập vào

Philips Semiconductors, và sau đó NXP. Đã có hàng tỉ chip 555 được bán ra, đến nay chip này vẫn

còn được dùng.

III.1.2. Đặc điểm:

Mạch điện IC gốc chuẩn thời gian bên trong mạch điện của nó có ba con điện trở 5 k . Vì

thế được đặt tên là 555, có độ phân áp cao. Các xưởng sản xuất mạch IC gốc chuẩn thời gian đều

đặt tên là 555, chỉ khác nhau ở trước nó có thêm chữ cái viết tắt của tên các xưởng. Ví dụ thường

dùng là các loại như: NE555, LM555. Kết cấu sự sắp đặt chân của chúng và phương pháp sử dụng

đều giống nhau, tính năng cũng không sai biệt lắm. Nói chung chúng có thể thay thế lẫn nhau.

Ngoài loại 555, còn có mạch điện gốc chuẩn thời gian 556, nó là mạch điện gốc chuẩn thời gian

kép, bên trong nó có hai mạch điện 555.

Mạch IC gốc chuẩn thời gian 555 là mạch IC quy mô được thiết kế với chức năng định dạng. Trong

thực tiễn người ta phát hiện phạm vi ứng dụng của nó đã vượt ra khỏi chức năng định giờ. Thông

qua việc nối với các linh kiện ngoại vi thích hợp nó có thể dùng trong các thiết bị điều khiển điện tử,

đo kiểm, các máy đo, các thiết bị gia dụng, cảnh báo, các trò chơi điện tử, và các mạch điện khác.

Cũng có thể dùng nó làm bộ phát xung, bộ định giờ, bộ làm trễ, bộ phát xung vuông, bộ dao động

(bộ dao động kích trạng thái đơn ổn, bộ dao động đa hài hai trạng thái ổn định, bộ dao động đa hài

tự do), bộ điều chế mạch xung, bộ điều chế pha.

Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được sử dụng một cách rộng rãi như vậy là do nó có một số

ưu điểm đặc biệt như sau:

Kết cấu của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được kết hợp tuyệt vời giữa mạch điện số

(logic) và mạch điện tương tự. Chức năng logic và chức năng tương tự được tích hợp và được tương

thích trong một thể thống nhất, có thể tạo thời gian trễ và tạo dao động chính xác. Nó có phạm vi

ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tương tự.

Mạch điện này sử dụng nguồn điện đơn, phạm vi nguồn điện của mạch điện tích hợp kiểu song cực

555 là 3~ 15V. Phạm vi nguồn điện của mạch điện tích hợp 555 kiểu CMOS là 2 ~ 18V. Có thể

dùng chung nguồn điện với bộ thuật toán tương tự, mạch điện số TTL hoặc CMOS.

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể độc lập tạo thành một mạch định giờ, dòng điện ra của nó

là 200mA. Vì thế có thể trực tiếp kích động cơ điện nhỏ, loa, Relay, LED, diode phát quang, các

phụ tải…. Khi làm việc nó làm bộ dao động, tần số làm việc lớn nhất của nó có thể đạt tới 300kHz.

III.1.3. Phân loại:

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có hai loại: loại kiểu song cực và loại CMOS. Tham số chính

của chúng như bảng sau:

Kiểu Kiểu Ký hiệu Tên tham số Đơn vị song cực CMOS

4.5 ~ Điện áp VCC hoặc 3 ~ 15 V 16 nguồn VDD

A

ICC hoặc Dòng điện 10 0.2 mA IDD

A

Dòng điện 1 A 1pA IS thiên trị hoặc pA

A

Dòng điện 400 A 100pA IMR phục vị chính hoặc pA

Dòng điện 1 A 100pA IR phục vị hoặc pA

1~20

Dòng điện và VCC nhỏ 200 mA IV kích lớn có liên

quan

1~20

Dòng phóng và VCC nhỏ 200 mA IDIS điện lớn có liên

quan

Độ chính

1 1 %/V xác định thời

gian

Tần số làm 500 500 kHz fmax việc cao nhất

Từ bảng này, ta thấy do công nghệ chế tạo và lưu trình của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu

CMOS và kiểu song cực khác nhau, các chỉ tiêu tính năng của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555

được sản xuất có sự sai biệt trong đó có một số điểm:

Công suất tiêu hao của mạch điện gốc chuẩn thời gian kiểu CMOS chỉ là một phần mấy chục so với

kiểu song cực, dòng điện trạng thái chuẩn khoảng 200 A , là linh kiện công suất tiêu hao thấp.

Điện áp nguồn Vcc của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS có thể thấp tới 2 ~ 3V; dòng

điện ở các đầu chức năng chỉ cỡ pA.

Sườn tăng lên và sườn giảm xuống của mạch xung đưa ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555

kiểu CMOS sẽ tốt hơn so với kiểu song cực, thời gian chuyển đổi ngắn.

Thời gian quá độ truyền đạt ở trong mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS sinh ra dòng

điện sụt áp dòng điện đỉnh chỉ là 2 ~ 3mA; còn dòng điện kiểu song cực cao đến 300 ~ 400mA.

1010  ).

Trở kháng đầu vào của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS cao gấp nhiều lần

so với kiểu song cực (cao tới

Năng lực kích của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS kém, dòng điện đưa ra chỉ 1 ~

3mA, dòng điện kích đầu ra của kiểu song cực có thể đạt tới 200mA.

Nhưng kiểu CMOS và kiểu song cực đều có những điểm chung:

Chức năng của cả hai cơ bản là giống nhau, vỏ ngoài và chân dẫn được xếp đặt thống nhất. trong đại

đa số trường hợp có thể trực tiếp thay thế.

Cả hai đều sử dụng nguồn điện đơn thích ứng với phạm vi điện áp lớn có thể sử dụng chung nguồn

điện với mạch điện logic số kiểu CMOS, TTL…

Mức điện áp ở đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể nối trực tiếp với mạch điện

TTL, CMOS…

Ảnh hưởng của việc biến đổi điện áp nguồn đối với tần số dao động và độ chính xác định thời gian

nhỏ. Ảnh hưởng với độ chính xác định thời gian chỉ là 0.05% / V, tính ổn định nhiệt độ tốt.

Căn cứ vào những đặc điểm nói trên, tuỳ theo từng loại mạch điện mà ta chọn kiểu cho phù hợp. Ví

dụ như khi yêu cầu định thời gian dài, công suất tiêu hao nhỏ, phụ tải nhẹ nên chọn dùng kiểu

1010  , có thể

CMOS, còn trường hợp phụ tải nặng yêu cầu kích dòng điện lớn, điện áo cao nên chon kiểu song

cực. Trở kháng đầu vào của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS cao tới

kích trực tiếp các phụ tải trở kháng cao, rất thích hợp trong các mạch điện có thời gian trễ dài, hằng

số thời gian rất lớn; còn mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu song cực có thể kích trực tiếp phụ

tải trở kháng thấp như các rơ-le cảm tính, động cơ điện và loa.

III.2. Sơ đồ chân và chức năng của từng chân của IC 555:

Các dạng hình dáng chân của IC 555 trong thực tế:

Hình dạng của IC555 ở trong hình 1 (loại 8 chân hình tròn) và hình 2 (loại 8 chân hình vuông).

Nhưng ở thị trường Việt Nam đa số là loại chân vuông.

+ Chân số 1 (GND): Nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay còn gọi là chân chung.

+ Chân số 2 (TRIGGER): Đây là đầu kích, được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tầng so

áp. Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 1/3Vcc. Nếu điện áp đặt ở

chân này cao hơn 1/3 Vcc thì đầu ra sẽ bảo đảm ở mức thấp.

+ Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic (đầu ra). 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 trong thực tế mức 0 này không bằng 0V mà nó

trong khoảng từ (0.35V  0.75V).

+ Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra (đầu trở về 0). 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): Là đầu điều khiển điện áp, dùng làm thay đổi mức áp chuẩn

trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài, hay dùng các điện trở ngoài nối với GND. Chân này có

thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông

qua tụ điện từ 0,01 F đến 0,1 F , các tụ điện này lọc nhiễu, ngăn các xung trở lại nguồn cung cấp

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 (đầu trị số

ngưỡng) và cũng được dùng như 1 chân chốt, dùng để đo kiểm tụ điện áp ở bên ngoài. Ví dụ như

mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 bị kích ở mức cao, đầu trị số ngưỡng sẽ quan sát sự tăng điện áp.

Khi đạt tới 2/3 Vcc đầu ra sẽ ở mức cao.

+ Chân số 7 (DISCHARGE) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi 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 .

+ Chân số 8 (Vcc): là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động (điện áp nguồn điện dương).

Không có chân này IC không hoạt động được. Nó được cấp điện áp từ 2V  18V (tùy từng loại IC

555). Vì thế thường được nối với mạch tích hợp logic số và bộ khuếch đại thuật toán có liên quan.

III.3. Cấu tạo bên trong:

Nhìn trên hình ta thấy cấu trúc của 555 tương đương với hơn 20 transitor, 15 điện trở, 2 diode và

còn phụ thuộc vào nhà sản xuất. Trong mạch tương đương trên có: đầu vào kích thích, khối so sánh,

khối điều khiển chức năng hay công suất đầu ra. Một số đặc tính nữa của IC 555 là : Điện áp cung

cấp nằm giữa trong khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ 3 đến 6mA.

Kết cấu bên trong của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 bao gồm hai bộ so sánh, một bộ Flip-Flop

(ở đây là FF - RS), hai chuyển mạch transistor cùng với 3 điện trở 5 k tạo thành bộ phát sinh điện

áp gốc chuẩn. Trong hình ta có thể thấy nguồn điện Vcc thông qua mạch điện gốc chuẩn thời gian

555 bởi ba điện trở phân áp bên trong của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 làm cho hai

mạch điện so sánh bên trong mạch điện tạo thành bộ kích, mức điện kích trên là 2/3 Vcc, mức điện

kích dưới là 1/3 Vcc. Vì vậy đầu điều khiển chân 5 nối với bên ngoài điện áp Vc có thể làm thay đổi

mức điện kích trên và dưới. Để hiểu kỹ hơn về chức năng của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, ta

sẽ cùng tìm hiểu chức năng của từng bộ phận cấu thành nên mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 này:

● Bộ phân áp gồm có 3 điện trở 5kΩ nối nối tiếp với sai số cực nhỏ tạo thành. Bộ phân áp này nối

nguồn +Vcc xuống mass cho ra 2 điện thế chuẩn 1/3 Vcc và 2/3 Vcc.

● OP-AMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ so sánh V-(1) nhận điện áp chuẩn 2/3 Vcc, còn

ngõ V+(1) thì nối ra ngoài chân 6. Tuỳ thuộc điện áp chân số 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà Op-

Amp(1) có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (Reset) điều khiển Fip-Flop(F/F).

● OP-AMP (2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ V+(2) nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc còn ngõ V-(2)

thì nối ra ngoài chân 2. Tuỳ thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà Op-Amp(2) có

điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set) điều khiển Fip-Flop(F/F).

● Mạch Flip-Flop (F/F) là bộ phận chính của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, là loại mạch lưỡng

ổn kích một bên. Khi chân Set (S) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F là ngõ

Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F

không đổi trạng thái. Khi chân Reset (R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F

làm ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống mức thấp

thì mạch F/F không đổi trạng thái.

● Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải. Đây là mạch

khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân Q của F/F, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có

điện áp thấp (  0V) và ngược lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao ( 

Vcc).

● Transistor T1 có chân E nối vào một điện áp chuẩn khoảng 1.4V, là loại Transistor PNP. Khi cực

B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1.4V, thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng đến

hoạt động của mạch. Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hòa, đồng

thời cũng làm mạch OUTPUT dẫn bão hòa, và ngõ ra xuống thấp. Chân 4 được gọi là chân Reset có

nghĩa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác. Do đó, chân Reset dùng để kết

thúc xung ra sớm khi cần. Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vcc để tránh mạch bị

Reset do nhiễu.

● Transistor T2 là Transistor có cực C để hở, nối ra chân 7 (Discharge = xả), là loại Transistor NPN.

Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F, nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hòa và cực

C của T2 coi như nối mass. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng

dẫn, cực C của T2 bị hở, lúc đó, ngõ ra chân 3 có điện áp cao. Theo nguyên l ý trên, cực C của T2 ra

chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 3. Và transistor T2

được đặc biệt thiết kế trong mạch tích hợp gốc chuẩn thời gian để làm một nhiệm vụ khá quan trọng

là chuyển mạch phóng điện.

Chuyển mạch phóng điện: Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 trong khi sử dụng, đại đa số là có liên

quan đến việc nạp phóng điện. Ví dụ: ứng dụng của mạch điện gốc chuẩn thời gian dùng làm mạch

định giờ, thông thường ở đầu vào nối với một mạch điện phóng nạp RC bên ngoài để tạo ra một thời

gian đóng cắt của xung đầu ra. Nó là một chu kì hữu hạn để cho tụ điện (C) nạp điện hay phóng điện

thông qua điện trở R. Khi tụ C có điện áp nạp tăng tới trị số ngưỡng, trạng thái đầu ra của bộ so

sánh phát sinh sự biến đổi, làm cho đầu ra của FF - RS từ mức cao lật trở thành mức thấp, sự biến

đổi mức điện đầu ra đó là tín hiệu phân biệt định giờ. Thời gian định giờ này được quyết định bởi

hằng số thời gian của mạch điện RC nạp điện và nó có thể tính được thông qua điện trở R và tụ điện

C.

Mạch nạp RC cơ bản như trên hình trên. Giả thiết tụ điện ban đầu là phóng điện. Khi đóng công tắc

thì tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở. Điện áp qua tụ điện từ giá trị 0 lên đến giá trị định mức

vào tụ điện. Đường cong nạp được thể hiện qua hình dưới. Thời gian đó nó để cho tụ điện nạp đến

63.2% điện áp cung cấp và hiểu thời gian này là 1 hằng số. Giá trị thời gian đó có thể tính bằng

công thức đơn giản sau:

t = RC

Đường cong nạp của tụ điện:

Để làm cho mạch điện định giờ có thể sử dụng lặp lại, sau khi hoàn thiện một lần phân biệt cần làm

cho tụ C có điện tích cần phải phóng hết, để chuẩn bị cho lần phân biệt định giờ sau. Vì vậy trong

mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 còn đặc biệt thiết kế một chuyển mạch tức là Transistor T2, cực

gốc B nối với đầu Q của FF - RS, cực góp C nối vào đầu phóng điện (DIS), cực phát E nối đất

GND. Khi đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian ở mức thấp (Q = 0, Q = 1), Transistor T2 có

cực gốc ở mức cao, transistor T2 bão hòa dẫn thông, làm cho đầu phóng điện (DIS) nối đất loại trừ

sụt áp. Khi đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian ở mức cao (Q = 1, Q = 0), transistor T2 ngắt,

tương đương với đầu phóng điện (DIS) hở mạch, cho nên transistor T2 có tác dụng chuyển mạch,

cung cấp cho tụ điện C một đường thông phóng điện xuống đất.

III.4. Một số ứng dụng cơ bản của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian:

Ứng dụng của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 có rất nhiều. Sử dụng mạch điện gốc

chuẩn thời gian 555, có thể tạo thành rất nhiều hình thức của bộ dao động đa hài tự kích (như hình:

đường mạch màu đỏ là dương nguồn, mạch màu đen dưới cùng là âm nguồn). Ở đây ta chỉ xét hai

ứng dụng cơ bản nhất của nó là mạch đa hài đơn ổn và phi ổn dùng IC 555.

III.4.1. Mạch đa hài phi ổn dùng IC 555:

- Mạch phi ổn (còn gọi là mạch dao động đa hài không trạng thái bền) là một mạch dao động tự

kích, nó có hai trạng thái không bền, trong quá trình dao động nó luôn tự chuyển từ trạng thái này

sang trạng thái khác mà không cần có xung kích thích từ bên ngoài.

- Mạch phi ổn được sử dụng để tạo ra các xung vuông, nó có rất nhiềuu ứng dụng trong thực tế

cũng như trong kỹ thuật. Chẳng hạn người ta sử dụng mạch astable để làm chuông điện ở nhà, làm

những mạch đèn chớp nháy dùng cho trang trí, dùng làm các mạch phát xung điều khiển các thiết bị

công suất lớn trong kỹ thuật.

Mạch phi ổn cơ bản:

R

R

Khi nối thông nguồn điện, điện áp nguồn Vcc thông qua điện trở RA, RB nạp điện cho tụ C, chân số

6 được nối với chân số 2 nên hai chân này có chung điện áp là điện áp trên tụ C để so sánh với điện

áp chuẩn 2/3 Vcc và 1/3 Vcc bởi Op-Amp (1) và Op-Amp (2). Chân 5 nối tụ nhỏ (tụ 103 (10nF)).

Chân 4 nối nguồn +Vcc nên không dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa hai

điện trở RA và RB tạo đường xả điện cho tụ (nghĩa là tụ C phóng điện sẽ thông qua RB và chân 7 để

hoàn thành).

Nguyên tắc hoạt động:

Ký hiệu 0 là mức thấp (L) bằng 0V, 1 là mức cao (H) gần bằng Vcc. Mạch FF là loại RS Flip-Flop.

Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua RA, RB, với thời hằng (RA+RB)C.

* Tụ C nạp từ điện Áp 0V  1/3 Vcc:

- Op-Amp(1) có V+(1)(V+ của Op-Amp1) < V-(1) (V-(1) = 2/3 Vcc). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1)

có mức logic 0 (L), nên R = 0.

- Op-Amp(2) có V+(2) > V-(2) (V+(2) = 1/3 Vcc). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 1 (H),



Vcc

nên S = 1.

0V

(do qua mạch khuếch đại đảo). - R = 0, S = 1  Q = 1, Q = 0. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có

Transistor T2 có VB2 = 0 do Q = 0 nên transistor hồi tiếp không dẫn và để tụ C được nạp điện. Khi

điện áp trên tụ C tăng đến 1/3 Vcc thì Op-Amp(2) đổi trạng thái.

* Tụ C tiếp tục nạp từ điện áp 1/3 Vcc  2/3 Vcc:

- Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0.

- Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0.

- R = 0, S = 0  Q và Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q = 1, Q = 0). Transistor vẫn không dẫn. Khi

điện áp trên tụ C tăng đến 2/3 Vcc thì Op-Amp(1) đổi trạng thái.

* Tụ C nạp qua ngưỡng 2/3 Vcc:

- Op-Amp(1) có V+(1) > V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 1 (H), nên R = 1.

V 0

- Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0.

V 0

Q = 1 nên transistor T2 dẫn bão hoà và chân 7 nối masse làm tụ điện C không nạp tiếp được mà

(do qua mạch khuếch đại đảo). Do - R = 1, S = 0  Q = 0, Q = 1. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có

phải xả điện qua RB và transistor T2 xuống masse. Tụ C xả qua RB với thời hằng là RBC.

- Tụ C xả, làm cho điện áp tụ giảm xuống dưới 2/3 Vcc, khi đó Op-Amp(1) đổi trạng thái.

* Tụ C tiếp tục xả từ điện áp 2/3 Vcc  1/3 Vcc:

- Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0.

- Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0.

- R = 0, S = 0  Q và Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q = 0, Q = 1). Transistor vẫn dẫn. Khi điện áp

trên tụ C giảm đến mức 1/3 Vcc thì Op-Amp(2) đổi trạng thái.

* Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3:

- Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0.

- Op-Amp(2) có V+(2) > V-(2) . Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 1 (H), nên S = 1.



Vcc

0V

(do qua mạch khuếch đại đảo). - R = 0, S = 1  Q = 1, Q = 0. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có

Lúc đó transistor T2 mất phân cực (VB2 = 0 do Q = 0) nên transistor ngưng dẫn đồng thời chấm dứt

giai đoạn xả của tụ điện.

Như vậy mạch đã trở lại trạng thái ban đầu và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là 1/3 Vcc,

lên mức 2/3 Vcc, hiện tượng này sẽ tiếp diễn liên tục và tuần hoàn.

Tóm lại:

Trong quá trình hoạt động bình thường của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555, điện áp

trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp 1/3 Vcc  2/3 Vcc. (Xem đường đặc tính tụ điện phóng nạp ở

trên).

Khi mở điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là 0V, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C

bằng 2/3 Vcc. Nạp điện với thời hằng là (RA+RB)C.

Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2/3 Vcc, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C

bằng 1/3 Vcc chứ không phải là 0V. Xả điện với thời hằng là RBC.

Những chu kỳ sau tụ nạp từ 1/3 Vcc lên 2/3 Vcc chứ không nạp từ 0V nữa.

Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, thời gian mức 0 ở ngõ ra là thời gian xả điện.

Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUTPUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định.

Công thức tính các giá trị trong mạch:

Để tính chu kỳ dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính được thời gian khi nạp

và xả của tụ điện.

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của transistor là :

T = RCln2 =0.693RC

Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C nạp dòng qua R1+R2

Tn = 0.693(RA+RB)C

Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C xả dòng qua R2

Tx = 0.693RBC

Như vậy điện áp ở ngõ ra chân 3 có dạng hình vuông với chu kỳ của tín hiệu sẽ là:

T = Tn+Tx

T = 0.693(RA+2RB)C

Do thời gian nạp và thời gian xả không bằng nhau (Tn > Tx) nên tín hiệu hình vuông ra không đối

f





1 T

0.693(

R

2

1 

R C ) B

A

xứng. Tần số của tín hiệu hình vuông:

Như vậy khi thay đổi các điện trở R1, R2 và giá trị tụ C ta sẽ thu được dao động có tần số và độ rộng

xung theo ý muốn.

Từ các công thức trên ta có thể tạo ra một dao động xung vuông có độ rộng Tn và Tx bất kỳ. Trong

các bài toán thiết kế mạch thực tế: nếu muốn thay đổi độ lớn tần số dao động của mạch thì chỉ cần

thay đổi giá trị của RA,RB hoặc của C.

Mạch phi ổn đối xứng :

Trong mạch phi ổn cơ bản , do thời gian nạp và thời gian xả của tụ không bằng nhau nên dạng điện

áp ở ngõ ra không đối xứng. Ta có :

Tn = 0.693(RA+RB)C

Tx = 0.693RBC

Để cho dạng sóng vuông ở ngõ ra đối xứng người ta có thể thực hiện bằng nhiều cách:

Cách thứ 1: Chọn điện trở RA có trị số rất nhỏ so với RB thì lúc đó sai số giữa Tn và Tx coi như

không đáng kể. Điều này khó thực hiện nếu làm việc ở tần số cao. Điện trở RA có trị số tối thiểu

khoảng vài KΩ thì RB phải có trị số rất lớn khoảng vài trăm KΩ. Với các trị số điện trở này thì tần

số dao đông không thể cao được.

Cách thứ 2 : Dùng diode D ghép song song RB theo chiều hướng xuống như hình vẽ. Khi có diode

D, thời gian tụ C nạp làm diode D được phân cực thuận có điện trở rất nhỏ nên coi như nối tắt RB.

Thời gian nạp điện của tụ được tính theo công thức:

Tn  0.693RAC

Khi tụ C xả điện thi Diode được phân cực ngược nên tụ vẫn xả điện qua RB. Thời gian xả điện của

tụ được tính theo công thức :

Tx  0.693RBC.

Nếu chọn trị số RA = RB thì mạch sẽ tạo ra tín hiệu hình vuông đối xứng .

(Hình a) (Hình b)

Thật ra trong mạch điện (hình a) khi tụ nạp dòng điện phải qua RA và điện trở thuận của Diode nên

thời gian nạp vẫn lớn hơn thời gian xả một ít. Để cho tín hiệu thật đối xứng thì ghép thêm Diode nối

tiếp với điện trở RB (như hình b), như vậy cả hai trường hợp nạp và xả đều có Diode. Điều kiện của

hai mạch trên là RB phải có trị số khá lớn so với điện trở thuận của Diode.

Mạch phi ổn điều chỉnh tần số và chu trình làm việc:

Ta thấy nếu khi ta chỉ thay đổi giá trị R1 (hoặc R2), thì tần số f cũng như độ rộng xung sẽ bị thay đổi

cùng lúc.

Hai yêu cầu thường có trong thiết kế của mạch đa hài phi ổn là:

Thay đổi tần số f mà vẫn giữ nguyên chu trình làm việc ( đối xứng ).

Thay đổi chu trình làm việc mà vẫn giữ nguyên tần số f.

Để có thể thay đổi tần số của tín hiệu hình vuông ra mà vẫn có tín hiệu đối xứng thì hai điện trở RA

và RB phải được điều chỉnh sao cho cùng tăng hay giảm trị số. Lúc đó trong mạch điện có thêm hai

biến trở VRA và VRB ghép nối tiếp như trong sơ đồ hình a.

(Hình b) (Hình a)

Để thay đổi chu trình làm việc, tức là thay đổi tỉ lệ thời gian tín hiệu có điện áp cao và thời

gian tín hiệu có điện áp thấp hay là thời gian nạp và thời gian xả của tụ, nhưng vẫn giữ nguyên tần

số (nghĩa là chu kỳ T bằng hằng số), hai điện trở RA và RB phải được thay đổi cùng lúc nhưng có

chiều ngược lại (khi RA tăng thì RB phải giảm cùng một giá trị như nhau và ngược lại). Lúc đó trong

mạch có thêm hai biến trở VRA và VRB ghép nối tiếp như sơ đồ hình b nhưng hai biến trở được điều

chỉnh ngược hướng.

III.4.2. Mạch đa hài đơn ổn dùng 555:

- Mạch đơn ổn (mạch mono stable) hay còn gọi là mạch một trạng thái bền (mono stable) là mạch

có một trạng thái bền và một trạng thái không bền. Bình thường mạch tồn tại ở trạng thái bền. Khi

có xung kích khởi, mạch chuyển sang trạng thái không bền và sau một khoảng thời gian nhất định,

mạch tự động trở về trạng thái ban đầu. Thời gian mạch tồn tại ở trạng thái không bền có thể có bất

kỳ giá trị mong muốn nào trong một giới hạn rộng bằng cách chọn thời hằng tương ứng, mà không

phụ thuộc vào độ rộng xung kích khởi.

- Mạch này được sử dụng để làm trễ một thời gian và thỉnh thoảng còn được gọi là máy phát trễ.

Ví dụ: Bộ vi xử lý muốn truyền tín hiệu ra bên ngoài cho máy in nhưng máy in cần một khoảng thời

gian để khởi động nên sẽ chậm hơn tín hiệu xung truyền ra. Chính vì thế mà bộ vi xử lý cần một tín

hiệu xung truyền ra ngoài trễ một thời gian, do đó cần mắc thêm bộ dao động đa hài đơn ổn để làm

trễ tín hiệu xung truyền ra ngoài.

Mạch đa hài đơn ổn cơ bản:

Để có thể phân tích nguyên lý của mạch đơn ổn một cách rõ ràng, dễ hiểu chúng ta sử dụng sơ đồ

hình dưới đây. Sơ đồ hình vẽ mạch áp dụng IC 555 làm mạch đơn ổn. Trong mạch này chân ngưỡng

số 6 và chân xả số 7 được nối vào điểm chung của mạch định thì RtC. Chân số 2 nhận xung kích

được nối lên nguồn + Vcc qua điện trở 10 k sao cho chân này có điện áp lớn hơn 1/3VCC.

Đặc điểm của mạch đơn ổn là khi có xung âm hẹp tác động tức thời ở ngõ vào Trigger chân 2 mạch

sẽ đổi trạng thái và tại ngõ ra chân 3 sẽ có xung dương ra. Độ rộng xung ở ngõ ra có thời gian dài

hay ngắn tùy thuộc mạch định thì RtC, sau đó mạch sẽ trở lại trạng thái ban đầu.

Nguyên lý mạch đơn ổn được giải thích như sau :

Khi mở khoá K tụ C nối chân 6 và 7 xuống masse làm Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1), do đó ngõ ra

của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0 (ngõ R ở mức thấp). Lúc đó Op-Amp(2) có V+(2) <

V-(2) (V+(2) = 1/3 Vcc) . Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0 (ngõ S cũng

thấp).

V 0

Mạch FF-RS có hai ngõ R và S đều ở mức thấp (R = 0, S = 0) và nhờ vào cấu trúc của mạch chi tiết

V 0

(do qua mạch khuếch đại đảo). Khi Q ở mức nên Q = 0, Q = 1. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có

cao tạo phân cực bão hòa cho T2 làm T2 dẫn nối chân 7 xuống masse, chân 6 cũng bị nối masse nên

tụ C không nạp điện được, mạch sẽ ổn định ở trạng thái này nếu không có tác động khác ở bên

ngoài .

Khi đóng khóa K sẽ có xung âm kích vào chân Trigger số 2 làm Op-Amp (2) đổi trạng thái ngõ S



Vcc

lên mức cao. Mức cao của ngõ S điều khiển làm FF-RS đổi trạng thái: R = 0, S = 1  Q = 1, Q =

0V

0. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có (do qua mạch khuếch đại đảo) và xung dương ra. Lúc đó, Q ở

mức thấp nên T2 ngưng dẫn để tụ C nạp điện qua Rt . Trong thời gian tụ C nạp điện mạch vẫn giữ

trạng thái này nên ngõ ra tiếp tục ở mức cao.

Điện áp nạp trên tụ có trị số tăng theo hàm số mũ và khi điện áp đạt giá trị 2/3Vcc thì Op-Amp (1)

đổi trạng thái, ngõ R tăng lên mức cao . Ngõ R có mức cao sẽ điều khiển FF - RS trở lại trạng thái

cũ, ngõ Q lên mức cao làm sẽ làm ngõ ra qua mạch đảo sẽ xuống mức thấp, chấm dứt xung dương

ra . Đồng thời lúc đó T2 được phân cực bão hòa nên chân 7 nối mass làm tụ C xả điện, mạch sẽ ổn

định ở trạng thái này cho đến khi nào có xung âm khác tác động vào chân Trigger (số 2).

Thời gian xung dương ra tức là thời gian nạp điện từ 0V lên 2/3 Vcc được tính theo như sau :

tx = ln3.RtC = 1.1RtC

Bình thường chân 2 phải có điện áp lớn hơn 1/3 Vcc, khi có xung âm thì biên độ xung phải làm điện

áp chân 2 nhỏ hơn 1/3 Vcc. Khi vừa có xung âm ở chân 2 thì ngõ ra bắt đầu có xung dương và tụ C

bắt đầu nạp điện. Thời gian xung dương ra tx không tùy thuộc độ xung âm ở ngõ vào mà chỉ tùy

thuộc hằng số thời gian RtC của mạch định thì. Nếu dùng biến trở VRt thay cho Rt hoặc thay đổi tụ

C bằng các điện dung có trị số khác nhau ta có thể thay đổi độ rộng xung ra.

Mạch trì hoãn dùng kiểu đơn ổn:

Mạch đơn ổn được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực tự động điều khiển và đặc biệt là mạch trì

hoãn. Trong thực tế người ta không cần tạo xung điều khiển cho vào chân số 2 (Trigger) mà mạch

tự tạo xung khi có điện. Như vậy, khi mới mở điện ở ngõ ra cũng bắt đầu có xung ra.

Mạch điện bên là sơ đồ mạch tự tạo xung khi mở điện.

Trong sơ đồ chân số 2 (Trigger) được nối đến chân số 6

(Threshold = thềm) nên sẽ có chung điện áp giữa mạch nạp

RTC để so với hai điện áp chuẩn trong IC 555 là 1/3 VCC và

Khi mở điện tụ C bắt đầu nạp từ 0V lên nên Op-Amp (2)

2/3 VCC.

có V+(2) > V-(2). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức



Vcc

logic 1 (L), nên S = 1 (ngõ S ở mức cao). Mạch FF - RS có ngõ Q ở mức thấp và ngõ ra của IC có

0V

có nghĩa là tức thời có xung ra. Lúc đó Op- Amp có V+(1) < V-(1), do đó ngõ ra của Op-

Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0 (ngõ R ở mức thấp).

Khi tụ nạp điện áp đến mức 1/3 Vcc thì Op-Amp(2) đổi trạng thái , ngõ S xuống mức thấp nhưng

mạch FF – RS vẫn giữ nguyên trạng thái và xung vẫn còn ở ngõ ra.

Khi tụ nạp điện áp đến mức 2/3 Vcc thì Op-Amp(1) đổi trạng thái, ngõ R lên mức cao làm mạch FF

– RS cũng đổi trạng thái, ngõ Q tăng lên mức cao làm ngõ ra của IC giảm xuống mức thấp Vo ~ 0V

và chấm dứt xung ở ngõ ra.

Như vậy, thời gian có xung ra hay độ rộng xung chính là thời gian tụ C nạp từ 0V đến 2/3 Vcc và

cũng được tính theo công thức: tx = 1.1RTC.

Trong mạch này chân 7 (Discharge) để trống không nối vào mạch nạp RTC nên tụ sẽ không xả điện

và mạch sẽ giữ mãi ở trạng thái này. Muốn có xung ra tiếp thì phải tắt điện rồi mở lại.

Trị số điện trở RT và tụ C được giới hạn trong khoảng:

RT = 10 kΩ ÷ 14 MΩ

C = 100pF ÷ 1000 F

Với các trị số trên của RT và tụ C, mạch đơn ổn có thể cho ra xung có độ rộng ngắn nhất vài µs đến

vài giờ.

III.5. IC555 giao tiếp với các loại tải:

IC555 có thể giao tiếp với nhiều loại tải khác nhau và tùy trường hợp

mỗi loại tải đều có thể mắc theo 2 cách:

- Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện áp thấp . Lúc đó IC sẽ cấp

dòng điện cho tải theo chiều từ nguồn qua IC rồi ra tải. Dòng điện tải

trường hợp này được gọi là I nhận.

Điện áp ra mức thấp

- Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện áp cao. Lúc đó IC sẽ cấp dòng điện cho tải theo chiều từ

nguồn qua IC rồi ra tải. Dòng điện tải trong trường hợp này được gọi là I nguồn.

Điện áp ra mức cao

a. Khả năng cấp dòng điện và điện áp của IC 555:

Điện áp ra ở mức thấp:

Với Vcc = 15V. Điện áp VO chính là VCE2 khi T2 bão hoà:

IL = 10mA  VO = 0.1V

IL = 50mA  VO = 0.4V

IL = 100mA  VO = 2V

IL = 200mA  VO = 2.5V

Điện áp ra ở mức cao:

Với Vcc = 15V. Điện áp VO chính là Vcc -VCE1 khi T1 bão hoà:

IL = 100mA  VO = 13.3V  VCE1 = 1.7V

IL = 200mA  VO = 12.5V  VCE1 = 2.5V

Nếu tải là LED thì phải dùng điện trở ghép nối tiếp với LED để giới hạn dòng qua LED. Tùy theo cách mắc tải mà dòng điện qua

LED có công thức tính khác nhau

Tải là LED:

Điện áp ra mức thấp Điện áp ra mức cao

IC 555 có thể giao tiếp với các loại Relay điều khiển. Các loại Relay này thường có dòng nhỏ dưới 100mA và điện áp cũng

thường ở mức thấp như 6V - 12V - 24V.

Trong mạch tải rơ-le có diode D ghép song song để nối tắt điện áp ngược do cuộn dây relay tạo ra khi bị mất điện đột ngột.

Tải là relay:

Điện áp ra mức thấp Điện áp ra mức cao

III.6. Phần mềm tính toán các thông số dao động cho IC555: 555Timer

Đây là phần mềm cho việc tính toán dao động cho 555 như tính toán: Tần số, điện trở, tụ điện,

độ rộng xung và thời gian nạp cho tụ điện.

Đối với chương trình này chúng ta không cần phải đi tính toán thông số phức tạp theo công

thức tính tần số và lựa chọn các giá trị tụ điện phức tạp. Chúng ta chỉ cần lấy tần số và độ rộng xung

(PWM) cần thiết là ra các giá trị của tụ điện và điện trở hoặc ngược lại. Và khảo sát quá trình nạp

điện cho tụ điện.

Giao diện chính của chương trình:

Trong chương trình này có 2 phần lớn:

a) Tình toán các thông số : tần số, PWM, điện trở, tụ điện (Mạch phi ổn cơ bản (Astable)

dùng IC555):

Trong phần này ta sẽ tính toán các thông số cho bộ dao động dùng 555 này. Mạch nguyên lý

của bộ dao động 555 được thể hiện bằng hình vẽ trong phần mềm và trong mạch thực tế cũng vậy.

Bước 1 : Chọn giá trị điện áp vào bộ dao động hay là điện áp cung cấp.

Nhìn hình vẽ trên ví dụ ta chọn mức điện áp đầu vào cho 555 là 5V. Tùy vào nguồn cung cấp mà ta

chọn điện áp phù hợp như thế thì khi tính toán nó sẽ đúng với ngoài thực tế (tránh trường hợp là

mạch cấp điện áp 12V mà trong phần mềm ta chỉ lấy 5V như thế là sai số là rất lớn).

Bước 2 : Tính toán các thông số cần thiết cho bộ dao động

Trong phần mềm này gồm các công cụ hiệu chỉnh và chức năng của từng công cụ:

+ 1 : Giải chọn điện trở cho Ra.

+ 2 : Giá trị điện trở của Ra.

+ 3 : Giải chọn điện trở cho Rb.

+ 4 : Giá trị điện trở cho Rb.

+ 5 : Giá trị tụ điện .

+ 6 : Hiện thị tần số đầu ra.

+ 7 : Độ rộng xung (PWM).

+ 8 : Thời gian ở sườn dương.

+ 9 : Hiện thị dạng xung đầu ra.

+ 10 : Thời gian ở sườn âm.

+ 11: Điện áp tại chân 6 (chân 2) (Hay quá trình thời gian nạp và xả của tụ điện (5)).

+ 12 : Giá trị tần số muốn chọn.

+ 13 : Độ rộng xung muốn chọn với tần số đã chọn.

+ 14 : Đèn hiện thị tín hiệu đang ở sườn âm hay sườn dương.

* Cách 1 : Biết các giá trị của điện trở, tụ điện tính giá trị tần số ra và PWM là bao nhiêu:

+ Đầu tiên ta chọn điện trở Ra : Chọn giải điện trở cho Ra và sau đó lấy giá trị điện trở Ra ở (2) mà

mình có. Chọn được giá trị Ra ( ví dụ chọn là 1M).

+ Sau đó chọn điện trở Rb : Chọn giải điện trở cho Rb và sau đó lấy giá trị điện trở cho Rb ở (4) mà

mình có. Chọn được giá trị của Rb ( ví dụ chọn là 1M).

+ Chọn giá trị cho tụ điện : chọn giá trị cho tụ điện tại 5 ta được giá trị của tụ điện mình có (ví dụ

chọn là 1uF).

Như vậy, ta đã chọn xong các giá trị cần chọn R,C.

Bây giờ ta nhìn các thông như tần số, PWM, thời gian xung dương, thời gian xung âm, quá

trình nạp và xả của tụ điện tại các vị trí lần lượt sau : 6,7,8,10,11. Theo hình vẽ trên ở đây ta được

các giá trị là : Tần số = 0.48Hz, Duty cycle = 66.67%, ON Time = 1.39s, OFF Time = 0.693s.

Như chúng ta đã biết thì tụ điện nạp xong là xả điện. Thời gian tụ điện nạp điện bằng 2/3Vcc

đây cũng chính là thời gian mà tín hiệu đầu ra ở sườn lên (sườn dương ON Time). Thời gian tụ xả

điện chính là thời gian mà tín hiệu ở sườn xuống (sườn âm OFF Time). Để tính được thời gian này

họ dựa vào công thức nạp điện và xả điện của tụ theo điện trở R : t = RC. Nhưng ở đây vẫn có sự sai

số đối với phần mềm và mạch thực tế vì các linh kiện nó cũng có sự sai số (thường là 5%).

* Cách 2 : Chọn lấy giá trị tần số và PWM mong muốn ta sẽ tìm được các giá trị điện trở và tụ

điện cần thiết.

+ Đầu tiên ta chọn tần số của dao động : Chọn tần số tại vị trí 12. Giá trị tần số này là giá trị

tần số mà ta muốn.

+ Chọn độ rộng xung (PWM) : chọn tại vị trí 13, lưu ý phải lớn hơn 50%.

Cũng làm tương tự như trên ta sẽ tìm được các giá trị R, C cần thiết tại vị trí 2, vị trí 4, vị trí 5.

b) Khảo sát quá trình nạp của tụ điện và thời gian của xung dương (Mạch đơn ổn (Mono

Stable) dùng 555):

Muốn khảo sát ngoài thực tế thì sơ đồ mạch ngoài thực tế phải giống sơ đồ mạch trong phần

mềm. Đầu tiên ta cũng phải chọn nguồn cho bộ dao động như trên và ở đây ta cũng chọn là 5V và

giao diện của chương trình trong phần này là:

Chức năng của từng vị trí trong hình vẽ trên như sau :

+ 1 : Dải điện trở cho Ra.

+ 2 : Giá trị điện trở Ra.

+ 3 : Giá trị của tụ điện.

+ 4 : Thời gian xung dương ON Time.

+ 5 : Quá trình nạp điện của tụ hay điện áp tại chân 6.

+ 6 : Công tắc tác động cho chân Trigger (chân 2).

+ 7 : Đèn hiện thị xung dương.

+ 8 : Giá trị thời gian xung dương cần chọn.

Ta đã biết khi chân trigger (Chân 2 ) mức 1 (Vcc) thì tụ điện vẫn chưa được nạp và tại đầu ra

là xung sườn âm (GND). Thời gian nạp điện cho tụ chính là thời gian xung dương (ON Time) và

điện áp nạp cho tụ điện là 2/3Vcc. Như vậy trong khảo sát này ta đi khảo sát quá trình hay thời gian

nạp điện cho tụ điện và điện áp nạp cho tụ bằng 2/3Vcc.

Phần này cũng có 2 trường hợp tính toán:

* Chọn các giá trị của Ra và tụ điện, ta sẽ tìm được thời gian xung dương và quá trình nạp điện

của tụ điện.

* Chọn giá trị thời gian của xung dương mà ta cần, ta sẽ tìm được các giá trị của Ra và C cần

thiết.

Nhấn vị trí 6 để biết thời gian xung dương và quá trình nạp tụ điện như trên hình vẽ.

Qua phần mềm này ta có thể tính toán một cách dễ dàng các thông số của dao động dùng 555,

IV. Các mạch ứng dụng trong thực tế sử dụng mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời

gian 555:

khảo sát quá trình nạp của tụ điện và thời gian của xung dương.

IV.1. Đèn bàn với chuyển mạch hoàn toàn tự động:

Ứng dụng của mạch điện:

Mạch điện này có thể làm cho đèn bàn chuyển mạch hoàn toàn tự động hoá, khi người đến gần thì

đèn sáng, đi xa thì đèn tắt.

Nguyên lý mạch điện:

Kết cấu mạch điện được trình bày như hình dưới:

Sơ đồ mạch điện đèn bàn có chuyển mạch hoàn toàn tự động

- Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 có thể dùng loại NE555 hoặc 5G7555.

Tụ điện C2, C8 chịu áp lớn hơn 400V; C5, C6 chọn loại tụ điện môi sứ.

Diode D1: loại chịu áp lớn hơn 400V; Diode DW: dùng loại 2CW57, 2CW58 hoặc 2CW59; Diode

D2: loại diode chuyển mạch kiểu 2CK để đảm bảo độ tin cậy của mạch điện.

Điện trở nên chọn loại điện trở màng kim loại hệ RJ.

Triac: chịu áp lớn hơn 400V, dòng điện 2A.

Transistor Q: công suất nhỏ.

3mm.

Cuộn dây: không lõi, dây đường kính 1mm bọc sơn cuốn thành 6 vòng, mỗi vòng có đường kính

Nhìn vào sơ đồ nguyên lý trên, ta thấy đèn sẽ sáng khi Triac được dẫn thông. Như vậy vi mạch 555

cùng với các linh kiện còn lại kết nối với nó có nhiệm vụ dẫn thông Triacc trong những điều kiện

nhất định.

Điện áp xoay chiều 220V thông qua điện trở R1, tụ điện C2, sau khi sụt áp qua diode chỉnh lưu D1,

lọc qua tụ điện C1, điện áp xoay chiều 220V sẽ được chuyển đổi thành điện áp một chiều 13V, lại

qua điện trở R2 hạn chế dòng điện, được ổn áp bởi diode ổn áp DW, điện áp một chiều sẽ đưa ra

chừng 8V cung cấp cho Transistor Q, cuộn dây L và tụ điện C5 tạo thành mạch dao động cao tần,

đưa tín hiệu vào chân 2 và chân 6 của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555.

Khi người chưa tới gần đèn, bộ dao động bán dẫn sẽ sinh ra một đầu ra xạ tần, chỉnh lưu bởi diode

D2, được lọc qua tụ điện C6 đặt vào hai đầu điện trở R6. Khi đó tín hiệu vào chân 2 và chân 6 của

mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 là mức cao, chân 3 đầu ra sẽ là mức thấp, vì thế Triac

không có dòng điện kích nên nó không dẫn thông. Đèn không sáng.

Khi người tới gần đèn, do cơ thể người hình thành một hiệu ứng điện dung, làm cho bộ bán dẫn dao

động ngưng dao động, không có điện áp đặt vào hai đầu R6. Vì thế tín hiệu vào chân 2 và chân 6

của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 là thấp, thấp hơn mức trị số ngưỡng của hai bộ so

sánh của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555, vì thế chân 3 đầu ra sẽ là mức cao, làm cho

Triac nhận được dòng điện kích nên nó dẫn thông. Đèn phát sáng.

IV.2. Bộ cảnh báo điều khiển nhiệt độ:

Ứng dụng mạch điện:

Mạch điện có thể báo nước sôi hoặc tình trạng hoả hoạn, thích hợp với các gia đình hoặc các xưởng

có vật liệu dễ cháy.

Nguyên lý mạch điện:

Kết cấu mạch điện được trình bày như hình vẽ:

Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 làm bộ dao động âm tần, có thể điều chỉnh, có thể dùng

loại NE555 hoặc 5G1555.

Transistor cảm biến nhiệt độ: có thể dùng loại Transistor Germanium 3AX81, 3AX31, 3AG… hoặc

có thể sử dụng diode nhạy quang kiểu 3DU. Transistor Germanium 3AX31 ở nhiệt độ thường, dòng

, tuỳ theo nhiệt độ tăng cao mà tăng lên rất điện rò giữa cực góp và cực phát khoảng 10 50 A

nhanh.

Loa: loại 8  , đường kính 6.35 cm, dùng để cảnh báo.

Các linh kiện khác như tụ điện, điện trở, biến trở sử dụng các số liệu như trong sơ đồ:

Sơ đồ mạch điện của bộ cảnh báo điều khiển nhiệt độ

Transistor Q dùng để cảm biến nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng cao thì dòng điện rò giữa cực góp và cực

phát tăng lên rất nhanh. Biến trở R1 dùng để điều chỉnh điểm điều khiển nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng

tới một trị số xác định nào đó, điện thế tại chân 4 của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555

cũng tăng lên, không thể reset IC555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác. Do đó mạch điện tích

hợp gốc chuẩn thời gian 555 dùng để làm bộ dao động âm tần có thể điều khiển dao động, đầu ra

chân 3 của IC555 lúc này sẽ ở mức cao, kích loa phát ra âm thanh cảnh báo.

Âm điệu cảnh báo do R2, R3 và tụ điện C1 quyết định. Thay đổi trị số các linh kiện đó sẽ làm thay

f



(

1.443  R C 2 ) 3 1

R 2

đổi âm điệu. Yêu cầu R2 > 1k . Công thức tính toán tần số âm điệu là:

Đơn vị: Điện trở: k  , tụ điện: F, tần số: kHz.

Lưu ý: Khi điều chỉnh mạch trước tiên đặt Transistor Q ở nhiệt độ cảnh báo cần thiết, điều chỉnh R1

làm cho mạch điện phát ra âm thanh cảnh báo. Nếu sử dụng các loại transistor Q khác nhau hoặc sử

dụng loại diode nhạy quang thì sai lệch dòng điện qua các loại transistor, diode rất khác nhau vì vậy

cần phải thay đổi R1 để điều chỉnh điểm điều khiển nhiệt độ.

IV.3. Bộ điều khiển giữ nhiệt độ không đổi:

Ứng dụng của mạch điện:

Mạch điện này dùng để điều khiển nhiệt độ không đổi cho các bộ phận cần giữ ấm nhiệt như lò ấp

01 C

trứng… phạm vi nhiệt độ điều khiển từ 25 – 450C, độ chính xác điều khiển là .

Nguyên lý mạch điện:

Mạch điện được mắc theo sơ đồ hình vẽ:

Sơ đồ mạch điện của bộ điều khiển giữ nhiệt độ không đổi

- Điện áp vào mạch được biến đổi thông qua một máy biến thế. Từ nguồn điện xoay chiều 220V qua

chỉnh lưu toàn sóng và bộ lọc lấy ra dòng điện một chiều 9V. Biến áp nguồn điện có công suất chỉ

cần trên 3W.

- Bộ khuếch đại thuật toán thông dụng F007 (hoặc CF141) dùng làm bộ so sánh khuếch đại. Có thể

thay đổi dùng các bộ khuếch đại thuật toán khác như bộ khuếch đại thuật toán công suất tiêu hao

thấp 5G022.

- Diode chỉnh lưu có thể dùng loại 2CZ.

- Điện trở nhạy nhiệt Rt dùng làm bộ cảm biến điều khiển nhiệt độ. Khi nhiệt độ thấp thì trị số điện

trở của nó rất lớn, ngược lại khi nhiệt độ cao thì trị số điện trở của nó lại rất nhỏ. Biến trở W dùng

để điều chỉnh điểm nhiệt độ điều khiển không đổi.

- LED1 cùng đồng thời làm diode ổn áp, cung cấp một điện áp gốc chuẩn khoảng 1.8V. LED2 dùng

để làm đèn chỉ thị tăng nhiệt độ cho bộ gia nhiệt. LED phải dùng diode phát màu đỏ có sụt áp chiều

thuận lớn.

- Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 dùng làm bộ trigger, bộ chỉnh lưu Triac.

- Triac dùng để chuyển mạch điện tử bộ gia nhiệt. Triac chọn dùng từ 3 ~ 5A, chịu áp trên 400V.

- Bộ gia nhiệt có thể dùng bóng đèn 100W hoặc bếp điện (có công suất căn cứ theo yêu cầu chế tạo

dùng trong khoảng từ 300~500W).

Khi nhiệt độ môi trường thấp hơn nhiệt độ xác định, trị số điện trở của Rt rất lớn, điện áp chân 2 của

bộ khuếch đại thuật toán F007 cao hơn điện áp chân 3, nên đầu ra 6 có mức thấp (yêu cầu là nhỏ

hơn 3V). Vì thế đầu vào chân 2 của đầu kích mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 ở mức

thấp, đầu vào chân 6 cũng ở mức thấp vì thế ngõ ra chân 3 của 555 ở mức cao, LED2 phát sáng.

Đồng thời kích Triac dẫn thông làm cho bộ phận gia nhiệt thông điện, gia nhiệt tăng cao nhiệt độ.

Khi nhiệt độ môi trường tăng cao hơn trị số nhiệt độ xác định, khi đó trị số điện trở của Rt rất nhỏ,

nên điện áp chân 2 của bộ khuếch đại thuật toán F007 thấp hơn điện áp chân 3, đầu ra chân 6 sẽ ở

mức cao (yêu cầu lớn hơn 6V), khi đó điện áp vào ở chân 2 và chân 6 của mạch điện gốc chuẩn thời

gian 555 sẽ ở mức cao (lớn hơn 2/3 Vcc) nên đầu ra chân 3 sẽ lật thành mức thấp. LED2 tắt, Triac

ngắt, bộ gia nhiệt bị cắt điện nên ngưng gia nhiệt.

Lưu ý: Khi mắc mạch điện cần điều chỉnh biến trở W đến điểm giữ nhiệt độ không đổi. Có thể dùng

nhiệt kế để hiệu chỉnh cho chính xác.

IV.4. Mạch điện chớp sáng tuần hoàn đơn giản:

Ứng dụng mạch điện:

Mạch điện này chớp sáng theo lối tuần hoàn giữa hai màu bất kì, thích hợp trang trí trong những

ngày lễ tết, trang trí các bảng hiệu, cây cảnh…

Nguyên lý mạch điện:

Sơ đồ mạch điện như hình vẽ:

Sơ đồ mạch điện chớp sáng tuần hoàn đơn giản

Mạch điện này là do các đèn LED màu lục kết hợp thành. Linh kiện chính của mạch là mạch điện

gốc chuẩn thời gian NE555 và điện trở R1, R2, tụ điện C1 nối ngoài tạo thành bộ dao động đa hài,

tín hiệu dao động thông qua NE555 đưa ra đầu chân 3 thông qua biến trở Rp hạn chế dòng điện, kích

các đèn LED diode phát quang phát sáng.

Do vòng a (vòng tuần hoàn trong) nối với cực âm của nguồn và vòng b (vòng tuần hoàn ngoài) nối

với cực dương của nguồn điện, nên khi chân 3 (ngõ ra) của mạch điện gốc chuẩn thời gian NE555

đưa ra ở mức cao thì các diode phát quang của vòng tuần hoàn a sẽ dẫn thông và phát sáng. Còn các

diode phát quang của vòng tuần hoàn b sẽ ngắt. Khi ngõ ra chân 3 của NE555 ở mức thấp sẽ làm

cho các diode phát quang nối với vòng tuần hoàn a sẽ bị ngắt và các diode phát quang nối với vòng

tuần hoàn b sẽ dẫn thông và phát sáng.

Vòng tuần hoàn a có các đèn LED được xếp đặt theo lối đỏ lục xen kẽ nhau, vì thế đối với các diode

phát quang cùng màu sẽ có sự biến đổi lẫn nhau giữa đỏ và lục cho nên về mặt tổng thể sẽ hình

thành hiệu quả của mạch tuần hoàn. Tần số chớp sáng trong mạch điện có thể thay đổi thông qua tụ

C1 (C1 càng tăng tần số càng giảm, C1 càng giảm tần số càng tăng).

Lưu ý: Có thể sử dụng các linh kiện với thông số như trong hình vẽ.

IV.5. Tiếng chuông báo khi sờ chạm:

Ứng dụng mạch điện:

Mạch điện này dùng để cảnh báo chống trộm, chỉ cần khi cơ thể con người chạm vào là mạch điện

có thể tạo ra tiếng loa cảnh báo liên tục.

Nguyên lý mạch điện:

Sơ đồ mạch điện được trình bày như hình:

Sơ đồ mạch điện chuông cảnh báo khi sờ chạm

- Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 cùng với các linh kiện điện trở, tụ điện bên ngoài tạo

thành bộ dao động âm tần.

- Transistor Q công suất nhỏ, loại NPN. Transisitor Q có tác dụng chuyển mạch điện tử, tức là do

sự cảm ứng của cơ thể con người đến lá cảm ứng P, tín hiệu xoay chiều sẽ làm cho transistor dẫn

thông, bộ dao động âm tần sẽ bắt đầu dao động, loa phát ra âm thanh cảnh báo. Nguồn điện dùng

pin khô 6V.

- Lá cảm ứng P có thể sử dụng các lá kim loại hay khoá cửa nhưng phải có độ cách điện cao.

- Bóng neon có thể dùng bóng neon trong bút thử điện hay trong các xe.

- Loa dùng loại loa 8  , đường kính 5.08 ~ 6.35cm.

Bóng neon một đầu thông qua điện trở R1 có trị số cao 2M  nối với lưới điện 220V qua dây nóng.

Bình thường đèn neon không sáng, transistor Q không có dòng điện và cực gốc nằm ở trạng thái tắt,

C1 và C2 không có điện áp. Do mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 không dao động nên chân 3 đầu

ra của nó ở mức cao, loa không có dòng điện âm tần thông qua, do đó không phát ra âm thanh cảnh

báo.

Khi tay người chạm vào lá cảm ứng P, đèn neon sẽ bắt đầu sáng, transistor Q có dòng điện cực gốc

thông qua và dẫn thông, C1 nhanh chóng nạp điện, C2 tăng điện áp theo. Dao động được tạo bởi

mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, đầu ra chân 3 của nó sẽ ở mức thấp, kích loa phát ra âm thanh

cảnh báo. Khi tay rời khỏi, tất nhiên khi transistor Q đã ngắt nhưng riêng tụ C1 đã nạp điện áp 6V,

nó duy trì hoạt động của bộ dao động, cho tới khi điện áp xả còn 4V mới ngưng.

Khi điều chỉnh nếu thay đổi điện dung của tụ C1 sẽ thay đổi thời gian cảnh báo. Điện dung C1 càng

lớn, thời gian trễ càng dài. Còn điện dung tụ C2 sẽ thay đổi âm điệu của cảnh báo, điện dụng của tụ

C2 càng giảm nhỏ thì âm điệu càng tăng cao.

IV.6. Bộ cảnh báo chống trộm bằng ánh sáng:

Ứng dụng của mạch điện:

Mạch điện được lắp ở những nới chứa các vật cứng như va li, tủ lạnh,máy tính… khi các linh kiện

cảm quang bị ánh sáng chiếu vào sẽ phát ra âm thanh cảnh báo.

Nguyên lý mạch điện:

Sơ đồ mạch điện được trình bày như hình:

- Transistor nhạy quang 3DU5 có điện trở khoảng vài chục k  , điện trở tối đa chừng vài M  .

- Mạch điện IC gốc chuẩn thời gian 555 dùng loại NE555, µA555, 5G1555…

- Loa dùng loại 8  , 6.35cm là loại loa nhỏ.

- K là loại chuyển mạch bật cỡ nhỏ.

…

Sơ đồ mạch điện chuông cảnh báo khi sờ

Khi transistor nhạy quang 3DU5 ở chỗ tối thì trị số điện trở của nó rất lớn, mạch điện tương đương

hở mạch, bộ dao động âm tần do mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 không dao động, loa không

phát ra âm thanh.

Khi transistor nhạy quang 3DU5 nhận được ánh sáng chiếu vào thì trị số điện trở của nó nhanh

chóng giảm xuống, mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 lập tức sinh ra dao động âm tần, loa phát ra

âm thanh.

Lưu ý: Để điều chỉnh mức âm thanh phát ra ta dùng biến trở để điều chỉnh. Khi điều chỉnh, cũng

như mạch điện khác, transistor cảm quang 3DU5 đặt ở một vị trí không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng,

nối thông nguồn điện khi kéo bỏ màn che, Transistor cảm quang sẽ bị ánh sáng chiếu vào và mạch

phát ra tín hiệu cảnh báo.

IV.7. Bộ cảnh báo chống trộm:

Ứng dụng của mạch điện:

Bộ cảnh báo chống trộm lắp ở cửa ra vào hoặc ở cửa sổ… để khi có người kéo cánh cửa hoặc mở

cửa sổ sẽ phát ra âm thanh cảnh báo.

Nguyên lý mạch điện:

Sơ đồ mạch điện được trình bày như hình vẽ:

Sơ đồ mạch điện bộ cảnh báo chống

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể dùng loại NE555, 5G1555…. Cùng với các điện trở và tụ

điện tạo thành bộ dao động âm tần. Nguồn điện sử dụng pin 6V.

Bóng lưỡi gà dùng để chuyển mạch nguồn điện. Hai bên có 2 miếng nam châm vĩnh cửu, thể tích

nhỏ, từ tính mạnh, có cực tính ngược nhau, làm cho bóng lưỡi gà nằm ở vị trí có hợp lực bằng 0.

Lúc đó tiếp điểm bên trong bóng lưỡi gà là ngắt nên mạch điện nằm ở trạng thái không cảnh báo.

Loa dùng loại 8  , 6.35cm.

Bình thường tiếp điểm bên trong bóng lưỡi gà mở nên mạch điện nằm ở trạng thái ngắt. Khi mở cửa

hoặc dịch chuyển miếng kim loại, hợp lực bên trong bóng lưỡi gà lập tức khác 0, tiếp điểm 1 bị hút

về chân 2, nối thông nguồn điện. Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian tạo thành bộ dao động âm

tần khởi động dao động, kích loa phát ra âm thanh cảnh báo.

Lưu ý: Khi lắp ráp một miếng nam châm dưới bóng lưỡi gà có tiếp điểm trên bóng cố định ở trên

khung cửa, còn miếng nam châm khác cố định trên cửa. Khi cửa đóng yêu cầu dẹp có cực tính

ngược nhau nằm ở hai bên của bóng lưỡi gà, bóng lưỡi gà có hợp lực ở vị trí 0. Nghĩa là tiếp điểm

V. Một số ứng dụng của mạch định thời sử dụng IC định thời 555 trong thực tế:

có điện áp bằng 0 tương đương với hở mạch.

Mạch điện định giờ là sử dụng mạch điện sau khi khởi động, đầu ra sẽ biến đổi trạng thái đưa ra, sau

khi qua một khoảng thời gian t nó sẽ khôi phục trạng thái đầu ra.

Đầu ra có khả năng là mức thấp sau khi kích lập tức là trở thành mức cao, qua một đoạn thời gian t,

mức điện cao lại lật trở về mức thấp. Hoặc ngược lại, đầu ra có thể là mức cao sau khi khởi động lại

lập tức lật trở thành mức thấp, sau khi qua một khoảng thời gian t, lại khôi phục mức cao.

Thời gian định giờ t là một hằng số có thể điều chỉnh, trị số của nó phụ thuộc vào trị số điện trở và

điện dung của tụ điện theo công thức:

t = 1.1RC

Mạch điện định giờ có một số đặc điểm sau:

Mạch điện có 1 trạng thái mở (mức thấp) và một trạng thái đóng (mức cao).

Khi đặt một mạch xung kích bên ngoài vào đầu kích chân 2, thì mạch tri gơ ở trạng thái đơn ổn bị

kích và lật, đầu ra đưa ra từ mức thấp trở thành mức cao (tức là mạch điện từ trạng thái ổn định trở

thành trạng thái ngắt).

Thời gian duy trì trạng thái ngắt quyết định bởi hằng số thời gian nạp phóng RC.

Để đảm bảo sự tin cậy của mạch đa hài đơn ổn dùng IC555, khi lựa chọn các tham số bên ngoài cần

tính đến một số vấn đề thực tế như sau:

Lựa chọn điện trở R định giờ:

Trị số nhỏ nhất của R do giới hạn không làm hư bóng phóng điện; dòng điện bắt đầu qua R không

lớn hơn 5mA; trị số lớn nhất của R quyết định ở dòng điện trị số ngưỡng cần thiết của bộ so sánh

Op-Amp (1) (trị số này thường là 1µA). Trong trường hợp điện áp nguồn đã định sẵn thì chỉ cần

thay đổi giá trị điện trở R có thể thay đổi được thời gian định giờ t.

Lựa chọn tụ điện định giờ C:

Tụ điện sử dụng nên lớn hơn tụ điện ký sinh giữa trị số ngưỡng và điện áp phóng. Để đảm bảo sự

ổn định trị số định giờ, giá trị của tụ điện thường được chọn là 100 F hoặc lớn hơn một chút. Điện

dung lớn nhất được chọn thông thường được xác định bởi dòng điện rò, điện dung càng lớn dòng

điện rò càng tăng theo.

Năng lực kích:

Dòng điện kéo và dòng điện hoà nhập vào phụ tải không nên vượt quá 200mA để tránh hư hỏng

IC555.

Phụ tải tính cảm:

Khi phụ tải là động cơ điện nhỏ hoặc rơle, trong khoảng thời gian ngắn kết thúc định giờ, hai đầu

cuộn dây sẽ xuất hiện một điện thế tương đối lớn vì thế nên nối song song ở trên cuộn dây một

diode để làm yếu điện thế ngược đó.

V.1. Bộ làm trể thời gian dài với chức năng tự ngắt nguồn:

Ứng dụng mạch điện:

Mạch điện này có thể thực hiện làm trễ một thời gian dài có thể, sau khi kết thúc làm trễ mạch điện

sẽ tự ngắt nguồn.

Nguyên lý mạch điện:

Mạch điện có sơ đồ nguyên lý được trình bày như hình vẽ:

Mạch gồm mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 và các linh kiện bên ngoài tạo thành như: điện trở, tụ

điện, diode, rơle…

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 chọn dùng loại NE555, 5G1555…

Diode D1 dùng loại 1N4001, D2 dùng 1N4148.

Tụ điện C4 dùng loại tụ điện giải nhôm 470 µF / 16V, dòng điện rò càng nhỏ càng tốt.

Relay J dùng loại rơle điện từ kiểu nhỏ JRX-13F-12V

Sơ đồ mạch điện bộ làm trễ thời gian dài có nguồn điện tự thân ngắt

Khi ấn chuyển mạch nút ấn AN, nguồn điện xoay chiều 220V sẽ đi qua tụ C1 sụt áp, chỉnh lưu bởi

diode D1, được ổn áp bởi diode DW, sau khi qua bộ lọc bởi tụ điện phân cực C2, cung cấp một điện

áp làm việc khoảng +12V. Khi được cấp nguồn, do điện áp trên hai đầu tụ C4 không tăng lên đột

ngột mà tăng từ từ nên điện áp ngõ vào chân 2 và chân 6 của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời

1 đóng. Đồng thời điện áp +12V qua FET 3DJ6 nạp điện cho tụ C4, cho tới khi điện áp trên hai đầu

gian NE555 vẫn ở mức thấp do đó ngõ ra chân 3 sẽ ở mức cao, relay J hút, tiếp điểm thường mở J1-

C4 tăng tới trị số điện áp ngưỡng khoảng 2/3 Vcc, mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 sẽ lật, đầu ra

chân 3 sẽ đưa về mức thấp, relay J mất điện và nhả, tiếp điểm thường mở J1-1 sẽ mở, ngắt nguồn

xoay chiều 220V, đồng thời mạch điện bản thân có nguồn điện cũng bị ngắt.

Như vậy trong mạch điện đã sử dụng hai biện pháp:

+ Đặt transistor Q1 và tụ điện C3: Bình thường Q1 nằm ở trạng thái ngắt, cực góp và cực phát của

nó sẽ ngắt, không ảnh hưởng gì đến quá trình nạp điện của tụ C4 nhưng trong thời gian tức thời mở

máy, do điện áp hai đầu tụ C3 không thể đột biến được nên cực gốc của transistor Q1 vẫn ở mức cao

nên Q1 dẫn thông đồng thời bão hoà, điện trở giữa cực phát và cực góp của Q1 rất nhỏ, điện áp còn

dư trên tụ C4 được đưa qua transistor Q1, điện trở giữa cực góp và cực phát nhanh chóng phóng

điện, vì thế tăng độ chính xác định giờ.

+ Trong mạch điện làm trễ nối vào một transisitor trường Q2, nó tạo thành nguồn dòng điện không

đổi. Do đó khi sử dụng tụ C4 (470 F) và biến trở R4 (22k  ) vẫn có thể nhận được hiệu quả làm trễ

với thời gian tương đối dài. Trị số biến trở R4 có thể thay đổi dòng điện nạp lớn hoặc nhỏ, từ đó làm

thay đổi thời gian trễ.

Nếu sử dụng các thông số như trong mạch hình trên thì thời gian làm trễ của mạch điện này có thể

lên đến 3 giờ. Diode phát quang LED được dùng để làm đèn chỉ thị làm trễ, sau khi kết thúc làm trễ

đèn LED sẽ tắt.

V.2. Đèn tiết kiệm làm trễ thực dụng:

Ứng dụng mạch điện:

Mạch điện này thích hợp với các đèn dùng trong cầu thang, nhà vệ sinh và một số trường hợp chiếu

sáng không cần thời gian dài, để tiết kiệm điện không để đèn chiếu sáng thường xuyên.

Nguyên lý mạch điện:

Sơ đồ mạch điện được trình bày như hình vẽ:

Sơ đồ mạch điện đèn tiết kiệm điện làm trễ thực dụng

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 chọn dùng loại NE555, 5G1555…

Tụ C1 chịu áp trên 400V, dùng loại tụ điện màn giấy kim loại có chất lượng cao. Tụ C3 chọn loại tụ

điện tantan dòng điện rò nhỏ.

Relay J1 dùng loại điện áp 12V là loại relay điện từ kiểu JRX-13F, có thể nối song song hai nhóm

tiếp điểm thường mở để sử dụng tăng cường cho phụ tải lớn.

AN là chuyển mạch phím ấn thông thường.

Bình thường khi chưa ấn nút chuyển mạch AN, rơle J1 có tiếp điểm thường mở J1-1 mở, toàn bộ

mạch điện được ngắt, đèn ZD không sáng.

Khi sử dụng ấn phím chuyển mạch AN, đèn ZD lập tức thông điện và phát sáng, đồng thời dòng

điện xoay chiều 220V qua tụ C1 sụt áp, chỉnh lưu toàn sóng qua diode cầu D1 ~ D4, tụ C2 lọc và qua

ổn áp DZ sẽ cung cấp điện áp một chiều khoảng 12V, thông qua điện trở R tụ C3 sẽ được nạp điện.

Tụ C3 nạp điện cần một khoảng thời gian, nên điện áp vào chân 2 và chân 6 của mạch điện gốc

chuẩn thời gian 555 ở mức thấp, do đó điện áp ngõ ra ở chân 3 sẽ ở mức cao. Khi đó relay J1 hút,

tiếp điểm thuòng mở J1-1 đóng bắt đầu có tác dụng tự khoá. Khi phím ấn AN được thả, đèn điện

ZD vẫn tiếp tục sáng bình thường.

Sau một khoảng thời gian làm trễ, đối với các thông số như trong mạch thì khoảng thời gian này

khoảng chừng 3 phút (thời gian làm trễ có thể thay đổi khi ta thay đổi R và tụ C3), tụ điện C3 sẽ có

điện áp nạp cao hơn 1/3 điện áp nguồn, mạch điện gốc chuẩn thời gian sẽ bị lật, điện áp ở ngõ ra

chân 3 xuống mức thấp, relay J mất điện và nhả, tiếp điểm thường mở J1-1 mở, đèn ZD ngắt. Đồng

thời điện áp trên tụ C3 được xả qua diode D5 và transistor nằm bên trong mạch điện gốc chuẩn thời

gian 555, chuẩn bị cho việc mở đèn lần sau.

Lưu ý: Đối với mạch điện này không cần điều chỉnh trước có thể sử dụng. Mạch điện này chỉ có

thể mở đèn ở một vị trí, nhưng nếu muốn mở đèn ở các vị trí bất kì khác thì ta cũng có thể lắp thêm

chuyển mạch AN song song ở hai đầu. Nếu muốn thay đổi thời gian ngắn dài của mỗi lần đèn sáng

thì ta có thể điều chỉnh giá trị của điện trở R và điện dung của tụ điện C3.

V.3. Chuyển mạch định giờ tiết kiệm điện:

Ứng dụng của mạch điện:

Mạch điện này dùng để điều khiển thời gian chiếu sáng không dài cho các đèn đầu giường và có thể

làm chuyển mạch một số đèn cho một số nơi đi qua và có thể có các công dụng khác.

Chỉ cần nhấn nút chuyển mạch AN đèn sáng và sau một thời gian đèn sẽ tự động tắt.

Nguyên lý mạch điện:

Sơ đồ mạch điện được trình bày như hình vẽ:

Sơ đồ mạch điện chuyển mạch đèn định giờ tiết kiệm điện

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 sử dụng NE555, 5G7555…

Tụ điện C4 yêu cầu chọn loại tụ điện màng kim loại chịu áp trên 400V.

Triac chọn dùng loại silic có thể điều chỉnh hai chiều kiểu KS-1, chịu áp lớn hơn 400V, dòng điện

kích trong khoảng 10mA.

Diode chỉnh lưu D1 chọn loại 2CZ hoặc 2CP, diode ổn áp D2 chọn dùng 2DW7 hoặc kiểu 2CW230,

trị số ổn áp 5~10V.

AN là phím chuyển mạch kích.

Mạch điện gồm có mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 và chỉnh lưu nên có thể điều chỉnh

hai chiều. Nguồn điện xoay chiều 220V được lấy từ lưới điện cung cấp cho mạch, qua tụ điện C4

giảm áp, qua diode D2 ổn áp, diode D1 chỉnh lưu nữa sóng, tụ điện C3 sẽ lọc sau đó sẽ cung cấp

nguồn điện một chiều 6V cho mạch điện gốc chuẩn thời gian 555.

Bình thường AN hở, điện áp vào chân 2 và chân 6 của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 là mức

thấp nên điện áp ngõ ra chân 3 sẽ ở mức thấp, làm cho relay có thể điều chỉnh Triac. Điện áp giữa

T1 và G bằng 0, dòng điện cũng bằng 0, Triac ngắt, đèn điện không sáng.

Ấn nút chuyển mạch AN, sẽ có xung âm kích vào chân số 2, do đó điện áp ở đầu vào chân 2 của

mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 đổi trạng thái ngõ S của FF lên mức cao, nên điện áp ở ngõ ra

chân 3 tăng lên mức cao và xung dương ra. Lúc đó, tụ C2 nạp điện qua R2. Trong thời gian tụ C2

nạp điện, mạch vẫn giữ trạng thái này nên ngõ ra tiếp tục ở mức cao. Đồng thời, dòng điện ở ngõ ra

chân 3 làm cho bộ chỉnh lưu có thể điều khiển Triac dẫn thông, đèn điện sáng, định giờ mở. Sau khi

thả nút ấn AN, đèn điện vẫn sáng trong một khoảng thời gian nữa.

Điện áp nạp trên tụ tăng dần theo hàm số mũ và khi điện áp trên tụ C2 được nạp đến 2/3 điện áp

nguồn thì làm cho ngõ ra chân 3 lật xuống mức thấp và chấm dứt xung dương ra điều khiển Triac

ngắt điện và đèn tắt. Sau đó, tụ C2 sẽ xả điện. Mạch sẽ ổn định ở trạng thái này cho đến khi có xung

âm khác tác động vào chân Trigger (số 2).

Lưu ý: Mạch điện này không cần điều chỉnh trước là có thể sử dụng được. Thời gian định giờ

do trị số điện trở R2 và trị số định dung C2 quyết định, để thay đổi thời gian định giờ một cách dễ

dàng thì R2 tốt nhất nên dùng một biến trở.

V.4. Đèn định giờ theo kiểu sờ, chạm:

Ứng dụng của mạch điện:

Mạch điện này dùng để điều khiển thời gian làm việc của đèn bàn từ 15 ~ 60 phút, vượt quá thời

gian này đèn sẽ tự động tắt, đồng thời có thể dùng tay mở đèn sáng lại.

Nguyên lý mạch điện:

Sơ đồ của mạch điện được trình bày như hình vẽ:

Mạch điện gốc chuẩn thời gian dùng loại NE555, 5G1555…

Diode D1, D2, D3 yêu cầu dòng điện rò càng nhỏ càng tốt, chọn dùng loại 1N4001.

Tụ C5 chọn dùng loại tụ điện hoá học, dòng điện rò càng nhỏ càng tốt.

Điện cực A và B phân biệt là các lá kim loại sờ, chạm để mở và bật đèn.

Sơ đồ mạch điện đèn bàn định giờ kiểu sờ chạm

Điện cung cấp cho mạch là do lưới điện 220V xoay chiều qua tụ C1 sụt áp, được ổn áp qua diode ổn

áp DW, chỉnh lưu bởi D1 và sau khi lọc qua tụ C2 sẽ nhận được dòng điện một chiều khoảng 12V.

Mạch điện gồm mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 cùng với biến trở W, điện trở R2, tụ

điện C5 tạo thành mạch trạng thái đơn ổn. Chân 2 và chân 4 của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời

gian 555 bình thường sẽ được nối vào mức cao. Chân 4 nối đất sẽ lập tức làm cho ngõ ra chân 3 sẽ

đưa ra mức thấp. Điều chỉnh biến trở W có thể xác định được thời gian định giờ cần thiết.

Nếu muốn bật đèn dùng tay chạm vào lá kim loại (điện cực) A, tín hiệu cảm ứng bởi cơ thể qua tụ

C3 và diode D3 chỉnh lưu sau đó ở chân 2 của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 sẽ nhận

được mức điện áp âm, mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 lật, ngõ ra chân 3 của nó sẽ ở

mức cao. Do đầu ra của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 có dòng điện đạt tới 100mA có

thể kích trực tiếp Triac silic, Triac dẫn thông, đèn H phát sáng. Khi thời gian định giờ tới, đầu ra của

mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 sẽ lật trở về mức thấp, Triac có thể điều khiển hai chiều

ngắt, đèn tắt.

Nếu chưa tới thời gian định giờ mà muốn tắt đèn, ta có thể dùng tay chạm vào điện cực B. Cũng

như vậy tín hiệu sóng tạp cảm ứng của cơ thể người qua tụ C4 và diode D2 chỉnh lưu, chân 4 (có

chức năng reset) của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 sẽ nhận được một điện áp âm, làm

cho mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 reset, chân 3 ngõ ra của nó sẽ đưa ra mức thấp,

Triac silic có thể điều chỉnh hai chiều, đèn ngắt.

VI. Phần mềm mô phỏng mạch điện tử Orcad:

Tên gọi OrCAD được tạo ra từ các từ Oregon và CAD.

Các sản phẩm của chuỗi OrCAD thuộc về công ty Cadence Design Systems. OrCAD là một bộ

công cụ dùng cho quá trình thiết kế mạch điện tử. Đây là một bộ công cụ gồm nhiều phần mềm

khác nhau phục vụ cho việc thiết kế mạch nguyên lý, xuất mạch in, mô phỏng, phân tích mạch

điện. Các công cụ chính của OrCAD là Capture, Layout, Pspice, bên cạnh đó còn một số phần

mềm hỗ trợ quá trình phân tích, tối ưu hoá mạch điện cũng như quản lý các tập tin của dự án...

ORCAD là một công cụ thiết kế mạch điện tử đơn giản và phổ biến. Cũng có rất nhiều phần mềm

thiết kế mạch điện tử khác. Tuy nhiên, tôi chọn giới thiệu phần mềm này, vì bộ công cụ này được

đánh giá là khá mạnh, thực sự là một chương trình đồ sộ và đầy quyền năng. Các thư viện linh kiện

của ORCAD có thể coi là mạnh nhất cho đến nay, và hầu hết các nhà sản xuất linh kiện điện tử đều

cung cấp các add-in thư viện linh kiện cho ORCAD.

Qua thư viện rất lớn của mình cùng với các công cụ tiện ích, Orcad trở thành hãng đi đầu trên lĩnh

vực vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in. Phần mềm vẽ mạch điện tử Orcad đã trải qua nhiều lần cập

nhật: Từ phiên bản 3.2 chạy trên nền dos cho tới phiên bản 4.0 đã có những cập nhật đáng kể. Tiếp

đó là phiên bản 7.0 chạy trên nền window đã làm say mê người thiết kế mạch in chuyên nghiệp thì

tới phiên bản 9.2 có lẽ chúng ta không cần bàn tới sức mạnh của nó mà chỉ quan tâm tới việc “làm

sao khai thác và sử dụng Orcad trong công việc”.

Trong phần này ta sẽ lần lượt đi tìm hiểu:

Phần thứ nhất ta sẽ đi tìm hiểu về chương trình Capture CIS thông qua việc hướng dẫn một số thao

tác để vẽ một mạch nguyên lý với dùng ORCAD CAPTURE

Phần thứ hai ta sẽ đi tìm hiểu chương trình Layout thông qua việc hướng dẫn thao tác để chuyển từ

mạch nguyên lý sang mạch in dùng LAYOUT PLUS

Phần thứ ba ta sẽ đi tìm hiểu chương trình mô phỏng PSPICE thông qua việc hướng dẫn các thao tác

để có thể mô phỏng các loại mạch điện.

VI.1. Vẽ mạch nguyên lý với Orcad Capture

Là công cụ dùng để xây dựng các sơ đồ mạch trong quá trình thiết kế. Sơ đồ mạch nguyên lý là sơ

đồ mà trong đó các phần tử của mạch điện được thể hiện dưới dạng các ký hiệu của chúng và

được kết nối với nhau theo một quy tắc nhất định nhằm đảm bảo hoạt động của mạch điện đúng như

mong đợi.

Chạy file: Capture.exe hoặc nhấp double click chuột vào biểu tượng Capture trên Desktop của

Window

(Start →All Programs →Orcad Family Release 9.2 →Capture )

Với công cụ này ta có thể xây dựng các sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử dựa trên một thư viện về

các phần tử hết sức phong phú và đa dạng, bên cạnh đó nó còn cho phép người dùng tạo ra các thư

viện của riêng mình và thêm vào cơ sở dữ liệu của chương trình. Việc xây dựng sơ đồ nguyên lý

là một việc làm hết sức cần thiết trong quá trình thiết kế một mạch điện tử. Dựa trên sơ đồ nguyên

lý người ta có thể kiểm tra lại tính chính xác của mạch điện cũng như dự đoán được khả năng làm

việc của thiết bị thực. Đây cũng là giai đoạn ban đầu nhằm cung cấp mạch đầu vào cho quá

trình phân tích các đặc tính của mạch điện sử dụng Pspice, cũng như là nguồn để tạo ra phần phôi

của mạch in, từ đó cung cấp các dữ liệu cho quá trình sản xuất mạch in.

VI.1.1. Cài đặt các thuộc tính của trang:

Tạo một New Project:

File → New → Project

Khi tạo một Project mới ta bắt buộc phải điền tên của Project vào mục Name và phải chọn thư mục

lưu Project. Nếu muốn mở một Project đã thiết kế chọn: File → Open → Project... ta sẽ thấy một

hộp hội thoại xuất hiện để cho chúng ta chọn file cần mở.

Khi bắt đầu vẽ một Schematic ta nên chọn menu Options/Preference để đặt các thuộc tính tuỳ

chọn riêng cho người thiết kế về màu sắc hiển thị của Wire, Pin ... toạ độ lưới vẽ trong trang

thiết kế mạch nguyên lý. Khi chúng ta chọn Options/Preference từ menu lệnh sẽ thấy hộp thoại

như sau xuất hiện:

Preperence với mục đích cài đặt các thành phần thiết yếu chương trình Capture. Những thành

phần mà ta cài đặt sẽ ảnh hưởng đến cách xử lý của những chương trình và được lưu trong tập

tin CAPTURE.INI

a. Chọn lớp Colors/Print:

Hiện những gam màu để gán cho các từng đối tượng trong trang sơ đồ mạch nguyên lý như:

màu nền của background, pin linh kiện, tên linh kiện, Bus, đường kết nối các thành phần, lưới

vẽ, DRC maker, giá trị linh kiện, wire, text...

b. Chọn lớp Grid Display:

Cho hiện hoặc không cho hiển thị các ô lưới được thể

hiện bằng những dấu chấm trong các trang thiết kế

mạch nguyên lý hoặc sửa đổi linh kiện. Mục đích của

lưới là để đặt linh kiện cũng như sắp xếp chúng sao

cho hợp lý và chính xác nhất.

c. Chọn lớp Pan and Zoom:

Hiện khung thoại chứa các giá trị để thay đổi tỉ lệ

phóng to hay thu nhỏ các đối tượng nằm trong trang thiết kế sơ đồ mạch.

d. Chọn lớp Select:

Hiển thị khung thoại liên quan đến việc lựa

chọn các thành phần trong trang sơ đồ nguyên lý.

e. Lớp Miscellaneuos:

Chứa những thành phần hổ trợ cho việc gán các

thuộc tính các đối tượng trong trang thiết kế.

Ngoài ra nó còn có chức năng rất quan trọng là tự

động hiển thị số thứ tự của loại linh kiện được lấy ra

(Automation reference place parts) và bắt tay chéo

với Layout (Intertool Communication) rất hữu dụng

trong việc sắp đặt các footprint linh kiện theo tùy

thích của người thiết kế nhằm tránh trường hợp các

linh kiện được sắp đặt không theo ý muốn. Chức năng này chỉ có tác dụng khi cùng mở cả

Capture và Layout và dĩ nhiên là chúng phải đang cùng xử lý chung một thiết kế.

f. Design Template

Gán các tham số mặc định cho những bản thiết kế và các trang sơ đồ mạch nguyên lý mới. Những

giá trị được gán theo khung tham số này không ảnh hưởng đến những thiết kế của các mạch điện cũ.

Từ Design Template cho phép ta chọn Fonts như kiểu hiển thị các ký tự, size các của các ký tự hiện

thị tên, giá trị, pin ... của linh kiện. Ngoài ra, nó còn cho chúng ta đặt tên của thiết kế, size của thiết

kế, đơn vị đo, hiển thị lưới vẽ cho thiết kế ....

g. Design Properties:

Chứa các thước lệnh liên quan đến việc thiết kế các

thuộc tính cho các đối trong trang sơ đồ thiết kế

mạch.

VI.1.2. Giao diện chính của Orcad Capture:

Sau khi chúng ta tạo một Project mới (hoặc mở một Project đã tồn tại) thì chúng ta sẽ thấy một giao

diện của OrCad Capture như sau:

Thanh công cụ cơ bản:

Create: Tạo một trang vẽ mới

Open: Mở một trang vẽ hoặc project đã được tạo trước

Save: Lưu trang vẽ trên đĩa

Print: In trang vẽ

Cut, Copy, Paste: Cắt, copy, dán các thành phần trong trang vẽ làm việc

Undo, Redo: Quay lại

Zoom view: Thay đổi zoom trong không gian làm việc

Thanh công cụ chính:

Select: chọn các đối tượng trong không gian làm việc.

Place Part: lấy linh kiện trong thư viện đặt vào mạch

Place wire: nối dây

Place net alias: đặt nhãn cho đường nối mạch

Place bus: chế độ vẽ đường bus

Place Junction: Đặt điểm nối mạch

Place Bus entry: Đặt đường nối mạch vào đường bus

Place Power: Đặt điểm nối nguồn

Place Ground: Đặt điểm nối đất (mass)

Place Hierarchical: đặt một modul mạch con

Place Port: đặt một cổng (port)

Giúp bạn nối trang này sang trang khác trong trường hợp mạch lớn

Chỉ ra chân linh kiện không được nối, ví dụ chân IC không dùng hết

Vẽ một số đường, hình cơ bản trong không gian làm việc

Place text: Đặt chuỗi kí tự trong không gian làm việc

Cũng giống như các chương trình ứng dụng khác chạy trên hệ điều hành Window, nên chúng ta có

thể nhấp chuột phải là chúng ta có thể thực hiện hầu hết các đặc tính cơ bản, các chức năng cơ bản

của chúng như đã thấy ở trên.

Các thanh menu lệnh:

Thanh menu trong Capture thay đổi tuỳ theo cách thực hiện của

chúng ta.

Menu FILE

Hiện menu xuống chứa các lệnh liên quan đến việc tạo mới bản

thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý, quản lý và in bản thiết kế.

New:

Mở bản thiết kế hoặc thư viện mới. Sau khi kích chọn. Lệnh

hiện các lệnh con gồm có như hình bên.

Design:

Mở trang sơ đồ nguyên lý mới trong khung cửa sổ Design Manager. Đây là môi trường mà ta đang

quản lý các sơ đồ mạch nguyên lý vá các trang thiết kế. Do bản thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý

mới kế thừa các đặc tính từ sơ đồ mạch mẫu, nên kiểm tra lại kỹ trước khi thiết kế sơ đồ

mạch.

Nếu lưu sơ đồ mạch nguyên lý lần đầu thì khung hội thoại Save As hiện ra cho phép cho chúng

ta đặt đường dẫn và thay thế tên tập tin mà hệ thống đã kích hoạt.

Library:

Dùng để mở linh kiện hoặc ký hiệu linh kiện mới

trong khung cửa sổ Part Editor.

Để tạo một linh kiện chúng ta nên chọn một linh kiện

sẳn có sau đó chúng ta edit lại chúng là nhanh nhất.

Ngoài ra các menu lệnh như Save, Save As, Print,

Print Preview, Print setup, Close, Exit cũng giống như

các trình ứng dụng khác chạy trên hệ điều hành Window.

Menu EDIT

Chứa các lệnh con liên quan đến việc xử lý các đối tượng trong trang thiết kế mạch nguyên lý hiện

hành. Các menu lệnh như Undo, Redo, Repeat, Cut, Copy, Paste, Delete, Edit Part, Mirror,

Rotate ... nó có ý nghĩa giống như các trình ứng dụng khác chạy trên hệ điều hành Window khác

như Office...

Menu VIEW

Menu View chứa các lệnh có chức năng hỗ trợ trong việc quan sát

các đối tượng trong trang thiết kế mạch nguyên lý. Lệnh thay đổi tuỳ

theo chế độ thực hiện với các khung màn hình thiết kế.

Menu PLACE

Đây chính thanh công cụ hỗ trợ trong việc thiết kế mạch nguyên lý. Nó chứa các lệnh liên

quan đến việc đặt các linh kiện trong trang thiết kế sơ đồ mạch điện cũng như nối nhiều trang sơ

đồ mạch nguyên lý từ những trang rời nhau kết thành một bản thiết kế hoàn chỉnh.

Part

Menu lệnh con Part hiện danh mục linh kiện muốn đặt trong trang thiết

kế mạch nguyên lý hiện hành. Có thể kích công cụ Part từ thanh công cụ

để hiện ra khung danh sách các linh kiện trong Place Part. Trong Place

Part này có thể Add các thư viện linh kiện khác nhau nằm trong Capture,

hoặc cũng có thể Remove chúng ra khỏi Place Part, và khi Remove các

thư viện không cần thiết ra khỏi Place Part thì chúng sẽ không bị xóa

khỏi Capture. Hoặc cũng có thể tìm kiếm một linh kiện bất kì nào mà

không biết chúng có tồn tại trong thư viện của Capture hay không, ta có

thể sử dụng công cụ Part Seach để tìm linh kiện đó.

Khi bắt đầu vẽ một sơ đồ bất kì thì điều không thể thiếu đó là phải lấy

được các linh kiện ra:

Từ menu Place → Part (Shift+P) hay nhấp chuột vào biểu tượng

Khi bắt đầu vẽ một schematic mới, sau khi click chuột vào biểu tượng Place Part trên

thanh công cụ vẽ, ta sẽ thấy khung thoại xuất hiện như hình III.7, để lấy được thư viện các linh

kiện cần thiết cho schematic cần vẽ, chúng ta click chuột vào Add Library để chọn các thư viện

cần add vào cho bảng thiết kế, khung thoại mới sẽ xuất hiện như hình III.8.

Từ khung thoại như hình III.8 chúng ta có thể chọn tất cả các thư viện có trong Folder Library của

OrCad Capture (lưu ý: chỉ các thư viện trong Capture) hay có thể chọn vừa đủ các thư viện cần

dùng (giữ phím Ctrl + click chuột vào các thư viện cần chọn). Sau đó click chuột vào Open để add

vào và chúng ta thấy như hình:

Sau đó lấy các linh kiện cần thiết cho sơ đồ nguyên lý và đặt chúng vào vị trí thích hợp, sửa chửa

lại cho phù hợp với yêu cầu thực tế cần sử dụng như đổi tên, đổi giá trị, quay trái phải … linh kiện.

Trong menu Place của OrCad Capture, nó còn hỗ trợ các chức năng khác như: Wire dùng để nối

các chân linh kiện lại trong sơ đồ mạch nguyên lý, đặt Bus, đặt Net Alias, Text, đặt Power, GND,

ngắt trang khi sơ đồ mạch nguyên lý có kích thước lớn ....

VI.1.3. Thao tác với linh kiện

Các linh kiện có thể được xoay, di chuyển… để di chuyển, chọn con trỏ chuột màu đen ở thanh

công cụ bên phải, bấm - kéo - thả.

Sau khi đặt đầy đủ các linh kiện cần vào giấy vẽ trước, sau đó, nối mạch lại với nhau. Để

nối các đường mạch, ta sử dụng nút Place write. Sử dụng chuột trái bấm vào chân linh

kiện này, và nối vào chân linh kiện khác. Ta cũng có thể nối dây nối từ chân linh kiện vào một

đường dây nối đã có sẵn, hoặc nối giữa các chân linh kiện với nhau.

Để bản vẽ trông dễ coi hơn, đôi khi ta phải xoay, hoặc lật, hoặc di chuyển các linh kiện đến vị trí

hợp lý.

Muốn xoay linh kiện, lật linh kiện, bấm phải chuột vào linh kiện, menu sẽ có các lệnh mirror hor..,

mirror ver…,rotate hoặc chọn linh kiện đó và nhấn một trong các phím R, V, H. Các phím này sẽ

ứng với trạng thái xoay, lật linh kiện khác nhau, như hình dưới đây:

Từ một hình linh kiện gốc, ta có thể xoay Rotate, lật theo trục dọc Vertical, lật theo trục ngang

Horizontal

Có thể nhấp đúp chuột vào tên linh kiện để chỉnh tên, giá trị của nó:

Ở đây có thể chọn font chữ, cỡ chữ, hay có thể nhập giá trị vào ô Value

Đặt nguồn/masse:

Nhấp chuột vào biểu tượng công cụ Place power và Place ground. -

Lấy VCC / GND đặt vào vị trí thích hợp. Khi click -

chuột chọn VCC / GND, một giao diện xuất hiện để cho

n g ư ờ i d ù n g chọn kiểu nguồn/mass như hình:

Như vậy, ta đã biết cách chọn linh kiện, đặt linh kiện theo ý

mình muốn, và nối mạch giữa các linh kiện để có được một mạch nguyên lý hoàn thiện.

VI.1.4. Kiểm tra mạch

Orcad Capture cho phép kiểm tra nhiều yếu tố: Hở mạch, nối tắt,…

- Vào ‘Window’ → chọn tên Project, đến khi cửa sổ ‘Schematic1:

Page1’ đóng lại và có dạng như hình bên dưới:

- Chọn Design Rules Check trên menu Tool hoặc click chuột vào biểu

tượng DRC để kiểm tra lỗi trong quá trình vẽ mạch, một hộp thoại

Design Rules Check xuất hiện như hình dưới cho phép chúng ta chọn

các chế độ kiểm tra lỗi bằng cách check vào các qui luật kiểm tra.

- Nếu muốn kiểm tra lỗi trong quá trình vẽ mạch thì check vào

Report của Design Rules Check. Nếu muốn xuất thông tin về lỗi trong mạch điện ra một file,

check tiếp vào View output trong Report file của Design Rulesb Check. Tuy nhiên, cũng có thể

chọn một vài qui luật kiểm tra nào mà có áp dụng trong sơ đồ mạch chúng ta đang vẽ, còn các

qui luật nào không có dùng trong thiết kế của mình thì không nên check vào nó nhằm tránh xuất

hiện các cảnh báo ngoài ý muốn xuất hiện.

VI.1.5. Tạo Netlist (danh sách liên kết ngoài)

Vào ‘Window’ → chọn tên Project (ví dụ như “nguontt”).

Chúng ta có thể check vào Run ECO to

Layout, mục đích của việc chọn này là sau khi

Load file.MNL ở Layout, nó sẽ cho phép load

tự động các footprint trong Layout vào. Tuy

nhiên, khi mới vẽ OrCad lần đầu tiên trên máy thì tính năng này chưa có tác dụng, chỉ từ mạch

thứ hai về sau thì mới thấy được tính năng này. Mặt khác, Run ECO to Layout nó sẽ load các

footprint có thể có vào khi chạy ở Layout, điều này sẽ có và chắc chắn rằng có một vài footprint

không đúng với kích thước của linh kiên trong thực tế, do đó để tiết kiệm thời gian phải chọn lại

các footprint không mong muốn đó, chúng ta không cần phải check vào Run ECO to Layout khi

tạo ra file.MNL. Khi đó, khi file.MNL được load ở Layout, các footprint sẽ được chọn bằng

tay và chúng ta chọn các footprint phù hợp với kích cỡ của linh kiện thực tế.

Như vậy chúng ta đã hoàn tất công việc vẽ một sơ đồ nguyên lý trong OrCad Capture.

Chú ý là Create Netlist tạo filename.MNL chỉ khi sơ đồ mạch điện được vẽ không có bất kỳ lỗi nào.

VI.2. Vẽ mạch in bằng Layout:

Công cụ này dùng để sắp xếp các phần tử thực của mạch điện trên một bảng mạch. Bảng mạch in

(Printed Circuit Board – PCB) được dùng để hỗ trợ việc kết nối các thành phần của bảng điện tử,

trên đó đường nối giữa các phần từ được tạo ra bằng các cho axit ăn mòn lớp đồng nằm trên các

phiến không dẫn điện. Các phần tử được định vị trên bảng mạch nhờ các lỗ cắm.

Với công cụ này chúng ta có thể sắp xếp các phần tử thực của mạch điện một cách hợp lý và

khoa học. Đầu ra của công cụ này là một bảng mạch in trên đó có các dấu của đường dẫn cũng như

vị trí của các lỗ cắm linh kiện, từ đó nhà sản xuất có thể sử dụng các máy điều khiển số để khoan lỗ

cũng như cho ăn mòn các tấm bakelet đồng để tạo đường dẫn của mạch điện.

Với OrCAD chúng ta có thể kết nối với các máy sản xuất số tạo nên dây chuyền sản xuất sản phẩm

từ quá trình thiết kế mạch nguyên lý cho đến sản phẩm thực.

VI.2.1. Xây dựng mạch với Orcad Layout:

a. Khởi động Orcad Layout

Chạy file: Layout.exe (Start → All Programs → Orcad Family Release 9.2 →

Layout ) hoặc double click vào biểu tượng trên thì chúng ta sẽ thấy một giao diện

xuất hiện

Đây có thể xem là khung màn hình tiền chương trình Layout để chúng ta có thể tạo mới, mở, add

vào hay xuất ra các tập tin bản vẽ hoàn chỉnh.

b. Tạo Project mới

Chọn File → New ta sẽ thấy một hộp thoại xuất

hiện như hình bên.

Sau khi chọn file template cần load thì một hộp

thoại khác lại xuất hiện yêu cầu mở file.MNL mà

chúng ta đã tạo ra trong phần OrCAD Capture.

Chọn file kết xuất của quá trình tạo Netlist,

Layout sẽ yêu cầu đặt tên file layout.max, mặc nhiên có tên giống tên project đã đặt.

Sau đó chọn đường dẫn thích hợp để lưu file.max. Nếu các linh kiện trong mạch thiết kế là các linh

kiện mới và chưa từng liên kết đến thư viện footprint của Layout lần nào thì nó yêu cầu chúng ta

phải liên kết đến footprint.

c. Liên kết đến footprint

Đây là giai đoạn khó, đòi hỏi kinh nghiệm để liên kết các Footprint đến từng loại linh kiện được sử

dụng trong mạch.

Hộp thoại Link Footprint to Component sẽ hiện ra, yêu cầu chọn chân linh kiện (Footprint) tương

ứng cho các linh kiện trong mạch in.

Ví dụ trong hình là linh kiện Q13 mang tên IRF9540N/TO ta chọn Footprint cho nó bằng cách

bấm vào nút Link existing footprint to compenent …

Đây là phần gây bối rối cho không ít người khi mới sử dụng Layout vì chân linh kiện có sẵn của

Orcad quá nhiều, sắp xếp theo mục rất bài bản mà ta thì chưa hiểu gì về các chuẩn chân của các

linh kiện, ví dụ như T092, T0220 …

Ở hộp thoại chọn chân linh kiện, ta thêm thư viện đi kèm vào bằng cách ấn nút Add …

Nhắp chuột vào các mục trong thư viện, chọn footprint tương ứng cho linh kiện

Một số footprint thông dụng:

- Thư viện TO: TO92 (trans. C828, C1815, C535, … ) TO202 (trans. H1061, IC ổn áp họ 78xxx,

79xxx …)

- Thư viện DIP100T: /W.300 (các IC cắm từ 14-20 chân) /W.600 (các IC cắm từ 24-40 chân ).

- Thư viện TM_CAP_P là footprint của các loại tụ điện.

Thư viện TM_CYLND là footprint của các loại tụ điện.

Thư viện TM_DIODE là footprint của các loại diode hay LED.

VI.2.2. Các thành phần chính trên giao diện của chương trình Layout:

a. Thanh công cụ:

Open, Save Mở, lưu trang vẽ

Library Maneger: Quản lí thư viện các kiểu chân hàn

Delete: Xóa thành phần đã chọn

Find: Tìm kiếm thành phần trên bản vẽ

Edit: Hiển thị và sửa đổi các thuộc tính của thành phần đã chọn

Spreadsheet: Quản lí các thành phần trên trang vẽ.

Công cụ Zoom.

Query: Hiển thị các điểm nghi vấn trên trang vẽ.

Component: Công cụ để xử lí các thành phần (linh kiện).

Pin: Công cụ để chọn và xử lí các chân hàn.

Obstacle: Công cụ để chọn và xử lí các đường ngăn cách.

Text: Công cụ để xử lí văn bản.

Connection: Công cụ để xử lí các đường kết nối mạch.

Error: Dò tìm các lỗi trên trang vẽ.

Color: Định màu sắc.

Online DRC: Tắt mở chức năng kiểm các quy tắc định trước.

Reconnect: Tắt mở việc hiển thị các đường mạch in đã vẽ.

Auto path round: Công cụ vẽ đường mạch in tự động cho từng kết nối.

Shove track: Công cụ để xê dịch các đường mạch in (có kiểm tra các quy tắc định trước).

Edit segment: Dịch chuyển đoạn nối mạch in.

Add/Edit route: Vẽ mới hoặc sử đổi các đường mạch in (thủ công).

Refresh all: Làm tươi trang vẽ.

Design Rule Check: Kiểm tra các quy tắc đã định trước.

b. Thanh trạng thái:

: Hiển thị tọa độ hiện tại của con trỏ.

: Hiển thị và cho phép chọn lớp mạch in.

c. Một số menu lệnh cơ bản:

Menu File

Chứa các lệnh liên quan đến việc tạo mới, mở, add vào hay xuất ra các tập tin đối tượng vào

Layout hay sang các thành phần khác (của phần mềm thiết kế mạch khác như Protel, PCAD

PCB …)

New

Nếu chúng ta chọn New, chúng ta sẽ dễ dàng tạo bảng mạch in mới với File.MNL mà chúng ta đã

tạo ra trong phần OrCAD Capture 9.2 ở phần trước.

Khi chọn lệnh New từ menu File, màn hình

hiện khung thoại Load Template File trong đó

có chứa tập tin các board mạch kỹ thuật mẫu

với board mạch trống hoặc những board

mạch có chứa sẵn các linh kiện cố định nếu

như ta đã tạo board mạch theo yêu cầu của sơ

đồ chi tiết mạch điện.

Sau đó, chương trình Layout sẽ yêu cầu

người dùng tạo hoặc mở tập tin .MNL. (Tập tin .MNL đã được tạo ra trong chương trình OrCAD

Capture).

Open

Lệnh Open liệt kê tất cả các tập tin .MAX đang nằm

trong thư mục hiện hành. Để mở file.MAX chúng ta chỉ

cần chọn file cần mở sau đó chọn Open là xong hay

chúng ta có thể nhấp double click chuột vào file đã chọn.

Import

Cho phép chúng ta mở hay du nhập một file đã được tạo ra từ các

phần mềm thiết kế mạch khác như Protel PCB, CadStar PCB …

Export

Cho phép chúng ta chúng ta xuất file.MAX đã được tạo ra từ

OrCAD Layout sang các phần mềm thiết kế mạch in khác như

CadStar PCB, Protel PCB …

Menu Tools

Menu Tools co các chức năng sau:

Library Manager (Quản lý thư viện)

Cho phép người dùng edit hay tạo mới một footprint của một linh kiện

nào đó. Từ đây ta có thể tạo hay sưu tập một thư viện footprint linh kiện

mà có thể hay sử dụng cho các thiết kế sau này của mình (khi chuyển về

vẽ thiết kế các board mạch).

Orcad Capture

Cho phép ta mở chương trình thiết kế mạch nguyên lý OrCAD

Capture từ chương trình vẽ board mạch OrCAD Layout.

Ngoài ra còn các chức năng khác như SmartRout cho phép ta vẽ mạch thông minh, Edit App

Settings, Reload App Settings

VI.2.3. Đặt footprint và sắp xếp linh kiện trên board mạch

Sau khi liên kết các footprint đến toàn bộ các loại linh kiện, Orcad tự động load các footprint

như hình vẽ

Tắt chế độ Reconnect mode để ẩn các đường nối vàng đi cho đỡ rối, sau đó bắt đầu sắp xếp

linh kiện cho khoa học.

Tìm kiếm linh kiện và chỉnh sửa footprint linh kiện.

Khi các footprint được load thông thường chúng không đúng như yêu cầu của người thiết kế. Do

đó, yêu cầu phải tìm đúng footprint cho phù hợp với từng loại linh kiện thực tế để khi tạo ra board

mạch in sao cho tối ưu nhất.

Cách thực hiện như sau:

Chọn footprint linh kiện cần thay đổi trên board mạch

vừa load, sau đó click chuột phải và chọn Properties

trong menu dọc xuất hiện.

Sau khi chọn Properties thì một hộp thoại xuất hiện để

chọn loại footprint thích hợp như hình minh họa dưới.

Click chuột vào Footprint, sau đó sẽ thấy một hộp

thoại cho phép chọn footprint thích hợp.

Từ hộp thoại

Select Footprint

cho phép người

thiết kế lựa chọn

footprint thích hợp

theo ý thích của

mình.

Tuy nhiên, nếu các

footprint có trong Select Footprint đó không phù hợp thì yêu cầu phải tạo mới footprint đó cho

phù hợp về kích thước của linh kiện.

Định dạng và kích thước board mạch

• Nhấp chuột vào biểu tượng ‘Obstacle Tool’

Vẽ bao hình bên ngoài của board mạch

Khi vẽ xong đường bao khép kín, double click chuột vào đường bao hay click chuột vào đường

bao khi thấy con trỏ có dấu + nhỏ xuất hiện rồi click phải chuột.

Sau đó chọn Properties, xuất hiện cửa sổ cho đặt độ rộng đường bao.

• Thiết lập đơn vị đo và hiển thị, nó cũng là đơn vị thể hiện độ rộng của đường mạch in (net)

trong board mạch. Mục đích của vấn đề này là giúp cho người thiết kế mạch in kiểm soát được độ

rộng của các nets trong board mạch cũng như kích thước của board outline.

Sau khi click chuột vào Options\ System Setting (hay dùng phím nóng Ctrl+G).

Chúng ta sẽ thấy một hộp thoại xuất hiện, từ đây ta có thể đặt các đơn vị thiết kế, đơn vị hiển thị

như Mils, Inches, Microns, Millimeters hay Centimeter. Chúng cũng cho phép thay đổi lưới hiển

thị, lưới vẽ, đặt lưới nếu cần

thiết.

• Đo kích thước board: ‘Tool’ → ‘Dimension’ → ‘Select tool’, sau đó đo độ dài và độ rộng

đường bao. Mục đích của cách làm này là cho người thiết kế biết được kích thước của board mạch

mình thiết kế có kích thước bao nhiêu, có lớn so với kích thước thực tế của board mạch in mà

mình đang có để từ đó có cách điều chỉnh thích hợp, sắp xếp lại linh kiện trong đường bao hợp lý

với một khoảng cách hợp lý nhất.

Lưu ý rằng đơn vị đo khoảng cách này có cùng đơn vị đo với đơn vị được đặt trong Menu

Options\System\Settings. Muốn thay đổi đơn vị hiển thị và cũng như đơn vị đo, vào Menu

Options\System\Settings để đặt lại. Tuy nhiên, đơn vị đó trên board outline sẽ không tự động thay

đổi theo, để chúng có thể thay đổi ta phải vào Tool\Dimension\Select Tool hay New, sau đó click

chuột vào thước đo khi thấy con trỏ chuột chuyển sang dấu + (nhỏ) rồi xê dịch thì lúc này đơn vị

đo sẽ thay đổi theo đơn vị đo vừa đặt lại.

Vẽ board outline

Chọn công cụ vẽ board outline và vẽ, sau đó double click lên board outline để thiết lập các

thông số, ta có hộp thoại như sau:

Đặt linh kiện

Sau khi thiết lập các thông số cho bản vẽ, ta bắt đầu sắp xếp linh kiện. Trước khi đặt linh kiện trên

bản vẽ, ta phải đảm bảo rằng trên bản vẽ đã có board outline trên tất cả các lớp vẽ. Để kiểm tra

Board outline và những vùng cấm, chọn spreadsheet / obstacles như hình bên dưới.

Lock linh kiện (dễ dàng cho việc sắp xếp linh kiện trên bản vẽ) và thay thế linh kiện (trường hợp

ta thiết kế sẵn footprint cho linh kiện)

Sắp xếp linh kiện lên board mạch:

• Nhấp chuột vào biểu tượng ‘Component tool’

• Để di chuyển linh kiện nào, ta nhấp chuột vào linh kiện đó, sau đó, khi nhả chuột ra và di

chuyển thì linh kiện sẽ được di chuyển theo.

• Đến vị trí muốn đặt linh kiện, thì nhấp chuột lần nữa

• Việc bố trí linh kiện là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ ổn định, dễ vẽ,

thẩm mỹ, …

VI.2.4. Vẽ mạch:

Xác định số lớp mạch cần vẽ

Trong mục này ta cần phải xác định mạch in chúng ta cần vẽ là bao nhiêu lớp. Trong OrCad Layout

ta có thể vẽ được rất nhiều lớp mạch in nhưng do trên thị trường trong nước chỉ có bán mạch in tối

đa là 2 lớp và một mặt do hạn chế về mặt công nghệ nên cho dù ta có vẽ được mạch in nhiều lớp thì

ta cũng không thể nào rửa mạch được. Do đó nên chọn số lớp mạch thích hợp với nhu cầu thực tế,

tuỳ theo mức độ phức tạp của mạch mà có thể chọn vẽ mạch in một lớp hoặc hai lớp.

Để ấn định số lớp mạch in ta chọn

Orcad có thể vẽ tự động trên số lớp đã đặt. Tuy nhiên, các mạch phức tạp đòi hỏi nhiều thao tác

vẽ tay. Trước khi routing, ta nên chỉnh một số thông số như: độ rộng của đường mạch, khoảng cách

giữa các đường mạch. Muốn thay đổi các thông số này vào View Spreadsheet\Nets\Bôi đen tất cả\

Min Width, Conn Width, Max Width là độ rộng của Net mạch in

Vẽ mạch tự động:

Để vẽ tự động: Chọn ‘Auto’ → ‘Autoroute’ → -

‘Board’

Orcad cho phép đặt nhiều chiến lược vẽ khác -

nhau. Ngoài ra, trước khi vẽ tự động, cần đặt các

thông số như: độ rộng đường vẽ, khoảng cách đường -

đường, đường - chân linh kiện, …

Sau khi vẽ xong,ta cần kiểm tra lại sự đúng đắn của

mạch điện bằng cách click chuột vào DRC trên thanh công cụ. Nếu mạch vẽ có lỗi hoặc cảnh báo

thì sẽ có những vòng tròn màu đỏ, khi đó phải sửa hết tất cả các lỗi này thì mạch in thiết kế ra mới

đảm bảo không bị chạm nhau.

Vẽ mạch bằng tay

Việc vẽ bằng tay, tuỳ thuộc vào 3 chế độ vẽ:

AutoPath Route Mode Add/Edit Route Mode

Edit Segment Mode

Sau khi chọn chế độ vẽ thích hợp, ta nhấp chuột vào đường vẽ để sửa đổi hoặc vẽ đường mới từ

chân này đến chân khác. Thông thường, vẽ tự động xong, đòi hỏi phải có thao tác chỉnh sửa bằng

tay.

VI.2.5. Đổ đồng:

Chọn Obstacle Tool, right-click vào mạch in và chọn New, tiếp tục right-click chọn properties -

>hiện ra hộp thoại Edit Obstacle.

Tại mục Obstacle type chọn Copper pour.

Tại mục Osbtracse layer chọn lớp in cần vẽ.

Tại mục Clearance chọn bề dày lớp in.

Tại mục Net attackment là phần mà ta muốn liên kết (VD Ground or Power).

Nhấn OK

Sau đó, kích trái chuột, giữ và rê chuột ngang qua bản mạch in.

VI.3. Mô phỏng với chương trình Pspice:

Để thuận tiện cho việc tính toán, thiết kế các thiết bị điện tử, người ta thường thay thế các

mạch điện thực tế bằng các mô hình thay thế và các sơ đồ mạch điện tương đương. Việc phân tích

các mạch điện nhằm dự đoán và kiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị điện tử hoặc nhằm đưa

ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu đặt ra.

Phương pháp thực tế để kiểm tra một mạch điện là xây dựng chúng. Tuy nhiên, từ những năm 1970,

khi mà các thành phần của một mạch tích hợp có kích thước ngày càng nhỏ bé thì việc xây dựng các

vi mạch này trở nên rất khó khăn. Bên cạnh đó, những tác động vật lý - âm thanh, ánh sáng... không

ảnh hưởng đến những mạch điện thông thường nhưng lại gây nhiễu rất lớn đối với các vi

mạch. Vì vậy việc lắp ráp các vi mạch từ các thành phần thực trong phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều

thời gian, công sức và tiền bạc.

Sự phát triển của công nghệ thông tin cho phép xây dựng các phần mềm mô phỏng và phân tích

quá trình làm việc của mạch điện tử. Khi đó ta có thể xây dựng, thử nghiệm, khảo sát hoạt động

của mạch ứng với các trường hợp cũng như thay đổi các thông số kỹ thuật và khảo sát ảnh hưởng

của chúng đến quá trình làm việc của toàn mạch. Do đó tăng tính mềm dẻo và khả năng khảo sát

nhiều trường hợp, tình huống khác nhau.

Vấn đề khó khăn khi sử dụng các phần mềm đó là tính chính xác của các mô hình. Nếu các mô

hình không có các đặc tính giống như các phần tử thực thì việc mô phỏng là vô nghĩa.

PSpice (Power Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis):

Được phát triển bởi hãng MicroSim, là một trong những phiên bản thương mại được phát triển

từ Spice và trở thành một phần mềm mô phỏng mạch điện phổ biến trên thế giới. PSpice có cùng

các giải thuật và cấu trúc như Spice. Nó cho phép ta mô phỏng các thiết kế trước khi bắt tay vào xây

dựng phần cứng. Các chương trình mô phỏng cho phép chúng ta quan sát ứng xử của mạch điện

cũng như những thay đổi của chúng khi ta thay đổi các tín hiệu đầu vào hoặc giá trị của các thành

phần trong mạch điện. Do đó có thể kiểm tra lại các thiết kế được coi là đã hoàn thành để xem

chúng có chạy đúng trong thực tế hay không. PSpice chỉ mô phỏng và tiến hành các phép đo kiểm

tra chứ không phải là phần thiết kế các mạch điện.

Sơ đồ sau mô tả các bước cần thực hiện để mô tả một mạch điện bằng PSPICE:

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này đó chính là tính trực quan. Người dùng dễ dàng chuyển đổi

từ sơ đồ mạch bình thường sang kiểu sơ đồ mạch dùng cho quá trình mô phỏng. Với những ưu điểm

của giao diện đồ họa, phương pháp này giúp người dùng dễ dàng quan sát, xây dựng cũng như thiết

lập các giá trị cho các thành phần cũng như xác định các kiểu mô phỏng và quan sát kết quả.

VI.3.1. Xây dựng sơ đồ mạch với CAPTURE

Tạo một dự án mới

- Khởi động chương trình OrCAD CAPTURE

- Tạo một dự án mới: File / New / Project

- Nhập tên và địa chỉ của dự án mới

- Chọn Analog Or Mixed A/D

Hình : Tạo một dự án mới

- Sau khi nhấn nút OK ở hộp thoại New Project, hộp thoại Create PSpice Project sẽ hiện ra, đánh

dấu chọn Create a blank project và nhấp chọn OK

Khi đó sẽ có một hộp thoại xuất hiện để xác nhận chương trình mô phỏng được sử dụng, ở đây

chương trình mặc định là PSpice A/D nên ta chọn OK để tiếp tục. Một trang mới được mở ra trong

trình quản lý dự án Project Design Manager như hình.

Hình : Giao diện chính của chương trình OrCAD CAPTURE

Thêm các linh kiện và kết nối chúng với nhau

- Chọn cửa sổ Schematics, đây là khu vực để xây dựng mạch

- Để thêm vào các phần tử, chọn từ thực đơn Place / Part(nhấn phím P), hoặc kích vào biểu tượng

, khi đó hộp thoại Place Part sẽ xuất hiện. Place Part

- Lựa chọn thư viện chứa các thành phần cần dùng. Có thể chọn theo danh sách các thành phần của

thư viện hiện hành trong phần Part List hoặc đánh chữ cái đầu của tên thành phần ở ô Part.

, cửa sổ Add Nếu thư viện hiện thời không chứa thành phần cần dùng, kích vào nút

Library sẽ xuất hiện, hãy chọn thư viện phù hợp. Để mô phỏng bằng PSpice, ta phải chọn các thư

viện từ thư mục Capture/Library/PSpice.

Hình : Cửa sổ Place Part

Một số thư viện thông dụng dùng trong mô phỏng mạch điện với PSpice bao gồm:

Analog: chứa các phần tử thụ động (R,L,C), hỗ cảm, đường truyền và các nguồn dòng, nguồn áp

phụ thuộc (nguồn áp phụ thuộc điện áp E, nguồn dòng phụ thuộc dòng điện F, nguồn dòng phụ

thuộc điện áp G và nguồn áp phụ thuộc dòng điện H).

Source và Sourcetm: bao gồm các loại nguồn dòng và nguồn áp độc lập như Vdc, Idc, Vac, Iac,

Vsin, Vexp, xung...

-VDC: nguồn áp một chiều

-VAC: nguồn áp xoay chiều

-VSIN: nguồn áp (dạng sin)

-VEXP: nguồn áp (dạng hàm mũ)

-VPULSE: nguồn áp (dạng xung)

-IDC: nguồn dòng một chiều

-IAC: nguồn dòng xoay chiều

-ISIN: nguồn dòng (dạng sin)

-IEXP: nguồn dòng (dạng hàm mũ)

-IPULSE: nguồn dòng (dạng xung)

…..

Còn rất nhiều thư viện khác bao chứa các thành phần của mạch điện như các linh kiện điện tử

công suất như diode, transistor, thyristor, mosfet, các cổng logic, các thiết bị giao tiếp...

- Sau khi đã đặt hết các thành phần của mạch điện vào sơ đồ ta nối các phần tử lại với nhau bằng

một trong các cách sau: sử dụng câu lệnh Place / wire từ thanh công cụ của chương trình; nhấn

trên thanh công cụ. phím w hoặc kích vào biểu tượng

- Có thể gán tên cho các nút bằng việc sử dụng chọn Place / Net Alias, sau đó sẽ chọn nút và tên

cho từng cái.

Gán tên và giá trị cho các phần tử

- Thay đổi giá trị của các linh kiện bằng cách nháy kép vào con số nằm bên cạnh điện trở sau

đó ghi giá trị của linh kiện vào trường Value của hộp thoại Display Properties. Ta cũng có

thể nháy kép vào dòng chữ bên cạnh của phần tử để thay đổi tên hoặc gán tên cho phần tử này.

- Đặt tên cho các nút cần khảo sát.

- Lưu dự án.

Danh sách Nút lưới

Danh sách các nút lưới bao gồm toàn bộ các phần tử của mạch được liệt kê theo cấu trúc như được

trình bày trong phần 2 ở trên. Để tạo ra các nút lưới từ sơ đồ mạch nguyên lý, ta có thể dùng lệnh

Pspice / create netlist từ menu của chương trình. Danh sách này được lưu trong tệp tin có đuôi .net

và được quản lý bằng trình quản lý dự án, ta có thể chọn vào tệp tin này để xem nội dung bên trong

của nó.

VI.3.2. Thanh công cụ trong orcad capture hỗ trợ cho việc mô phỏng:

VI.3.3.

: que đo hiển thị điện áp tại các nút trong mạch điện. -Voltage/level

-Current maket : que đo hiển thị dòng điện tại các điểm trong mạch điện.

: que đo hiển thị công suất tại các điểm trong mạch điện. -Power dissipation maket

: que đo hiển thị điện áp bất kì tại hai điểm trong mạch điện -Voltage differential maket

-Enable bias current display : hiển thị dòng điện một chiều tại tất cả các điểm trong mạch

điện.

-Enable bias voltage display : hiển thị điện áp một chiều tại tất cả các điểm trong mạch điện.

- Enable bias power display : hiển thị công suất một chiều tại tất cả các điểm trong mạch

điện.

: đánh tên, bài mô phỏng. -New simulation profile

-Edit simulation setting : chọn loại mô phỏng.

: chạy mô phỏng. -Run

-View simulation result : xem lại kết quả mô phỏng

VI.3.4. Xác định kiểu phân tích và mô phỏng

Như đã trình bày ở trên, PSpice cho phép chúng ta phân tích một chiều, xoay chiều, phân tích

động, quá độ với khai triển Fourier... Ở đây ta có thể chia ra làm hai loại:

- Mô phỏng tương tự.

- Mô phỏng số.

a. Mô phỏng tương tự:

Mô phỏng transient:

Mục đích: Biểu diễn dạng sóng biến đổi theo thời gian tại các điểm mà ta muốn.

Điều kiện: Có một nguồn biến đổi theo thời gian hoặc được gán cho các giá trị tạm thời

Cách tiến hành:

- Chọn mạch cần mô phỏng

- Tạo một hồ sơ mô phỏng bằng việc chọn Pspice / New Simulation Profile hoặc chọn biểu

trên màn hình. tượng

- Trong hộp thoại New Simulation, đánh một tên có ý nghĩa mô tả vào ô Name. Chọn none trong

danh sách Inherit From sau đó nhấn vào nút Create để tạo hồ sơ.

Hình : Tạo một hồ sơ mô phỏng

- Ở cửa sổ Simulation Settings:

+ Tại mục Analyis type: chọn time Domain

+ Tại mục Run to time: chọn thời gian cần mô phỏng

+ Tại mục Start saving data affer: chọn thời gian bắt đầu

+ Tại mục Maximum step size: chọn bước nhảy

+ Nhấn Apply , sau đó nhấn OK

- Tiến hành quá trình mô phỏng: chọn PSpice / Run

Chú ý: Muốn mô phỏng thông số nào, tại nút nào trong mạch thì đặt que đo thông số đó vào tại nút

đó.

- Khi hộp thoại mới mở ra, ta có thể xem quá trình mô phỏng có thành công hay không. Các lỗi

của chương trình sẽ được liệt kê ở tệp đầu ra.

- Để quan sát kết quả của quá trình mô phỏng phân tích một chiều, ta có thể mở tệp đầu ra hoặc

quay trở lại sơ đồ mạch và kích vào biểu tượng V (Cho phép hiển thị điện áp dịch) hoặc I (dòng

điện dịch) hoặc W (công suất tiêu tán trên các phần tử).

Trong cửa sổ Pspice A/D của kết quả mô phỏng :

: chuyển dạng sóng theo miền thời gian sang dạng w (biến đổi Fourier). -Fourier

-Add Trace chứa kết quả mô phỏng tại các nút trong mạch điện.

-Toggle cursor : cho phép hiển thị toạ độ các điểm trên đồ

thị kết quả.

-Plot -> Axis Setting : để thay đổi trục đo của đồ thị

Quét DC

Quét DC sơ cấp (DC sweep primany)

Mục đích: Cho phép đáp ứng của mạch tại bất kì một nút nào đó trong mạch điện ứng với một dải

giá trị của một nguồn cho trước.

Điều kiện: Có một nguồn trong mạch điện được gán một dải giá trị nhất định ứng với một bước

nhảy nhất định.

Các nguồn được sử dụng trong quét DC:

-VDC, VSRC

-IDC, ISRC

Các thông số quét:

-Voltage source

-Current source

-Globol parameter

-Model parameter

-Temperature

Cách tiến hành mô phỏng:

- Chọn mạch mô phỏng

trên màn hình. Xuất hiện hộp - Từ Pspice -> New simulation profile hoặc chọn biểu tượng

thoại new simulation, đánh tên bài mô phỏng vào name, sau đó nhấn create.

Xuất hiện hộp thoại simulation settings.

Chọn Analysis.

+ Tại mục Analysis type: chọn DC sweep

+ Tại mục options: chọn Primary Sweep

+ Tại mục Sweep variable: chọn thông số cần quét

+ Tại mục Name: nhập tên của nguồn được ấn định dải giá trị cho trước.

+ Tại mục Start value: nhập giá trị ban đầu

+ Tại mục End value: nhập giá trị kết thúc

+ Tại mục Increment: nhập bước nhảy

+Nhấn Apply, sau đó nhấn OK

- Nhấn Run để chạy mô phỏng.

Quét DC thứ cấp (secondary sweep):

Mục đích: Cho phép đáp ứng của mạch tại bất kì một nút nào đó trong mạch điện ứng với một

nguồn quét DC trong một dải nhiệt độ nhất định. Trong đó, sự thay đổi của nguồn thứ nhất được

quét theo từng bước thay đổi của nguồn thứ hai.

Điều kiện: Phải thiết lập hai nguồn có giá trị thay đổi trong khoảng nhất định, với những bước nhảy

nhất định.

Cách tiến hành:

- Chọn mạch mô phỏng

trên màn hình. Xuất hiện hộp thoại - Pspice -> New simulation profile hoặc chọn biểu tượng

new simulation, đánh tên bài mô phỏng vào mục name ,sau đó nhấn create

Xuất hiện hộp thoại simulation settings.

Chọn Analysis.

+ Tại mục Analysis type: chọn DC sweep.

+ Tại mục options: chọn secondary DC sweep.

+ Tại mục Sweep variable :temperature.

+ Nhập dải nhiệt độ cần quét tại các mục start value, end value, increment.

+ Thiết lập hai nguồn DC như đã trình bày ở phần quét DC sơ cấp.

+Nhấn Apply, sau đó nhấn OK.

- Nhấn Run để chạy mô phỏng.

Quét AC:

Mục đích: Cho phép đáp ứng của mạch theo sự thay đổi của một dải tần số của một nguồn AC.

Điều kiện: Có một nguồn AC trong mạch.

Các nguồn AC thường dùng trong chế độ quét AC:

- VAC, VSRC: nguồn áp.

- IAC, ISRC: nguồn dòng .

Cách tiến hình mô phỏng:

- Chọn mạch mô phỏng.

trên màn hình. Xuất hiện hộp thoại - Pspice -> New simulation profile hoặc chọn biểu tượng

new simulation, đánh tên bài mô phỏng vào mục name ,sau đó nhấn create.

Xuất hiện hộp thoại simulation settings. Chọn Analysis

+ Tại mục Analysis type: chọn AC sweep

+ Tại mục options :chọn genaral settings

+ Tại AC sweep type: chọn logarithmic.

+ Tại start frequency: chọn tần số bắt đầu.

+ Tại end frequency : chọn tần số kết thúc.

+ Tại point /decade : chọn số điểm.

+Nhấp Apply, sau đó nhấp OK.

- Nhấn Run để chạy mô phỏng.

b. Mô phỏng số:

*Công việc trước tiên của mô phỏng số cũng giống như mô phỏng tương tự là vẽ sơ đồ nguyên

lý.

*Các nguồn tín hiệu được sử dụng trong mô phỏng số có 2 loại:

- Các nguồn tín hiệu được lấy từ thư viện SOURCE giống như trên, chỉ cần lấy ra từ thư viện và

nhấp phải chuột chọn edit properties và thay đổi các thông số mong muốn. Các nguồn đó là:

+ Filestim1 : 1 bit

+ Filestim2 : 2 bit

+ Filestim4: 4 bit

+ Filestim8: 8 bit

+ Filestim16: 16 bit

+ Filestim 32: 32 bit

+ Digclock: xung đồng hồ.

-Các nguồn tín hiệu được lấy từ thư viện SOURCETM thì sau khi lấy ra được định nghĩa theo các nguồn

tín hiệu mong muốn như: nguồn tín hiệu rời rạc, nguồn xung clock hay là 1 bus.

Cách định nghĩa như sau :

- Lấy nguồn ra từ thư viện SOURCE

- Nhấp phải vào nguồn lấy ra và chọn edit -> pspice stimulus. Xuất hiện cửa sổ stimulus editor,

thiết lập các thông số cần thiết trong các mục có trong cửa sổ, kết quả sẽ được hiện lên trên

màn hình.

-Nhấn Save để lưu lại trong mạch mô phỏng.

Cách tiến hành mô phỏng số:

Chọn mạch cần mô phỏng.

Chọn các nguồn tín hiệu thích hợp.

Chọn mô phỏng transient, nhập các thông số thời gian.

Điều chỉnh nguồn tín hiệu cần thiết.

Nhấn Run để tiến hành mô phỏng.

KẾT LUẬN

Sau một thời gian thực hiện đề tài với sự hướng dẫn rất tận tình của thầy Phan Thanh Vân cùng với

sự nổ lực của bản thân, em đã thực hiện được các yêu cầu cụ thể của đề tài như sau:

Nghiên cứu vi mạch định thời 555 trên cơ sở lý thuyết.

Các mạch điện tử ứng dụng trong thực tế và một số ứng dụng của mạch định thời dùng IC 555 trong

thực tế.

Nghiên cứu và biết sử dụng phần mềm OrCad để vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in.

Thực hành lắp ráp một số mạch định thời trong thực tế sử dụng IC định thời 555.

Qua thời gian nghiên cứu các tài liệu em đã trình bày luận văn theo hướng cung cấp cho các đối

tượng đã có những kiến thức cơ bản về kỹ thuật điện tử, do đó nội dung luận văn được trình bày

theo một trình tự logic sao cho thật dễ hiểu, không hạn chế số trang; hình ảnh được minh họa rõ

ràng, cụ thể, từng bước sao cho người đọc có thể hiểu và nắm bắt một cách nhanh chóng những vấn

đề đưa ra trong đề tài.

Hướng phát triển đề tài:

Dựa vào những kiến thức đã trình bày, một số mạch điện ứng dụng trên lý thuyết và thực hành cùng

với công cụ thiết kế mạch điện tử đơn giản và phổ biến như OrCad, ta có thể tự mình thiết kế ra các

mạch điện tử ứng dụng phù hợp với các yêu cầu thực tế, có thể chỉ cần sử dụng IC 555 hoặc có thể

kết hợp sử dụng IC 555 với các loại IC khác trong một mạch điện để đạt được mục đích sử dụng của

mạch điện.

Chỉ là một con Chip rất nhỏ trong vô vàn con Chip được tạo ra, IC 555 được sử dụng rất rộng rãi và

có thể tạo ra vô số ứng dụng cho con người, trong phạm vi đề tài này chắc chắn không thể trình bày

hết được.

Vì lí do đề tài được thực hiện trong thời gian ngắn và bản thân chưa có kinh nghiệm nên đề tài

không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, các bạn

sinh viên và bạn đọc tham khảo.

Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phan Thanh Vân đã tận tình hướng dẫn và giúp

đỡ em hoàn thành luận văn của mình.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Minh Đức, Lê Thanh Duy (2002) Cách đọc sơ đồ điện tử, CB Tạp chí điện tử và công

ty điện toán truyền số liệu VDC.

[2] Du Văn Ba, Lê Thanh Duy, Trịnh Văn Sơn (2001) Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555,

NXB trẻ, Tp. Hồ Chí Minh.

[3] Bạch Gia Dương (2007) Kỹ thuật điện tử số thực hành, NXB Đại học quốc gia, Hà Nội.

[4] Nguyễn Minh Huân (2003) Mạch tuần tự hai trạng thái bền (FLIP – FLOP), Luận văn tốt

nghiệp 2001 – 2005, Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí Minh.

[5] Nguyễn Viết Nguyên (2007) Giáo trình linh kiện điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội.

[6] ThS. Nguyễn Tấn Phước (2008) Mạch điện tử tập 2, NXB Hồng Đức, Tp. Hồ Chí Minh.

[7] Hoàng Cao Tân, Nguyễn Văn Ninh (1996) Mạch vi điện tử, NXB Giáo Dục, Hà Nội.

[8] Nguyễn Thị Thanh Thảo (2005) Khảo sát mạch tạo xung vuông và ứng dụng, Luận văn tốt

nghiệp 2001 – 2005, Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí Minh.

Các trang web:

[1] http://picvietnam.com/forum/showthread.php?p=20457

[2] http://clarkson-uk.com/downloads/555-Timer.zip

[3]http://cdtvn.net/index.php?option=com_content&view=article&id=1712:orcad105-

manuals&catid=50:mechatronics-software&Itemid=266

[4] http://www.mediafire.com/?ugc12kwx3kq

[5] http://ebook.edu.net.vn/?page=1.12&view=1326

[6]http://downloads.ziddu.com/downloadfile/5992424/TUTORIAL_ORCADtiengviet.rar.html

[7] http://www.scribd.com/doc/20037986/Huong-Dan-Su-Dung-PSpice

[8]http://vn.diplodocs.com/414159.php?k=3bc5ddb1c1dbb2109560e6ba800ec22e&ID=109604&q=

ORCAD%20PSPICE

[9] http://www.ebook.edu.vn/?page=1.6&view=26730

[10] http://www.ebook.edu.vn/?page=1.6&view=2940

[11] http://picvietnam.com/forum/showthread.php?p=20457

[12] http://picvietnam.com/forum/showthread.php?p=20457

[13] http://picvietnam.com/forum/showthread.php?t=54&highlight=Orcad

[14] http://www.williamson-labs.com/480_555.htm

[15]http://cdtvn.net/index.php?option=com_content&view=article&id=73:orcad-

drawing&catid=35:informatics&Itemid=240

[16]http://cdtvn.net/index.php?option=com_content&view=article&id=1028:orcad-

circuilt&catid=68:electrics-electronics-lecture-notes&Itemid=308

[17]http://cdtvn.net/index.php?option=com_content&view=article&id=1602:orcad-circuit-

design&catid=68:electrics-electronics-lecture-notes&Itemid=308

[18] http://www.ebook-search-engine.com/ic-555-ebook-doc.html

[19] http://dientuvietnam.net/forums/showthread.php?t=9843

[20] http://www.ebook.edu.vn/?page=1.6&view=2256

[21]http://cdtvn.net/index.php?option=com_content&task=view&id=978&Itemid=308