Ứng dụng Multimedia trong gảng dạy môn kỹ thuật xung - Chương 4

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

131
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT) I. KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được định nghĩa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu điện áp AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng. Mạch kẹp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC. Nó dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác định nào đó bằng hoặc khác không. Dạng sóng điện áp có thể bị dịch một mức, do nguồn điện...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng Multimedia trong gảng dạy môn kỹ thuật xung - Chương 4

CHƯƠNG 4 MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT) I. KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được định nghĩa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu điện áp AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng. Mạch kẹp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC. Nó dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác định nào đó bằng hoặc khác không. Dạng sóng điện áp có thể bị dịch một mức, do nguồn điện áp không phụ thuộc được cộng vào. Mạch kẹp vận hành dịch mức, nhưng nguồn cộng vào không lớn hơn dạng sóng độc lập. Lượng dịch phụ thuộc vào dạng sóng hiện thời.
Có hai loại mạch kẹp chính: Mạch kẹp Diode và Transistor. Dạng này ghim mức biên độ dương hoặc mức biên độ âm, và cho phép ngõ ra mở rộng chỉ theo một hướng từ mức chuẩn. Mạch kẹp khóa (đồng bộ), mạch này duy trì ngõ ra tại một số mức cố định cho đến khi được cung cấp xung đồng bộ và lú c đó ngõ ra mới được cho phép liên hệ với dạng sóng ngõ vào . Trước khi hiểu sự hoạt động của mạch kẹp, đầu tiên cần phải hiểu kỹ những dạng mạch về sự hoạt động của một mạng đôi gồm điện trở và tụ điện (mạch RC). Nguyên lý làm việc của các mạch ghim điện áp dựa trên việc ứng dụng hiện tượng thiên áp, bằng cách làm cho các hằng số thời gian phóng và nạp của tụ trong mạch khác hẳn nhau.
II. MẠCH KẸP DÙNG DIODE LÝ TƯỞNG Loại mạch kẹp đơn giản sử dụng một Diode kết hợp với mạch RC. Tụ C đóng vai trò là phần tử tích - phóng năng lượng điện trường, Diode D đóng vai trò là khóa điện tử , còn nguồn DC tạo mức chuẩn. Các giá trị R và C phải chọn thích hợp, để hằng số thời gian  = RC đủ lớn nhằm làm sụt áp qua tụ C không quá lớn hoặc tụ C không được xả điện nhanh. Tụ nạp đầy và phóng điện hết trong thời gian 3 đến 5, ở đây ta xét thời gian này là 5, các Diode được xem là lý tưởng. 1. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Mức Không Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là Vm Dạng mạch
C A + vv v r D R Hình 4-1a Hình 4-1b: Dạng sóng vào ra Mạch này có chức năng cố định đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0v. Điện trở R có giá trị lớn, với nhiệm vụ là nhằm khắc phục nhược điểm: Khi biên độ tín hiệu vào giảm thì mất khả năng ghim đỉnh trên của tín hiệu vào ở mức không.
Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, thời điểm tồn tại xung dương đầu tiên, vv = Vm , Diode D dẫn, tụ C được nạp điện qua Diode (không qua R, vì điện trở thuận của D rất nhỏ), cực âm của tụ tại điểm A, tụ nạp với hằng số thời gian là:  n = C. Rd = 0  biên độ điện áp của tụ là vC = + Vm (tụ nạp đầy tức thời), lúc này vr = vv - vc = Vm - Vm = 0 -Thời điểm từ t1 đến t2 , thời điểm mà ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , Diode bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương như hình vẽ. Vc D + R V + Hình 4-1c
Thời hằng phóng điện là  f = C.R , thời gian này rất lớn so với khoảng thời gian từ t1 đến t2 , do vậy tụ C chưa kịp xả mà vẫn còn tích lại một lượng điện áp là vc = Vm. Do vậy, vr = vv - vc = -Vm -Vm = - 2Vm . 2. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ Dạng mạch C + D v v v r R + Vdc Hình 4-2a Hình 4-2b: Dạng sóng vào -r a
Tín hiệu vào là dạng xung có tần số f = 1 Hz và biên độ max là Vm.Giả sử cho C = 0,1  F, VDC = 5v, R = 1000 k  , Vm = 10(v) 1  1( ms ) Ta có f = 1KHz  T = f T Bán kỳ có thời gian là  0.5(ms) 2 Giải thích nguyên lý hoạt động: -Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương vv = Vm = 10v >VDC, Diode D dẫn điện, tụ C được nạp điện qua Diode D với hằng số thời gian  = rd.C  0, giá trị điện áp mà tụ nạp đầy là: Tacó VDC + V + vc = vv  vc = vv - V - VDC = 10 – 5 = 5(v) Do đó vr = VDC - V = 5(v)
-Thời điểm từ t1 đến t2 thì ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm = -10v , Diode D ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R, với thời hằng phóng điện là f = C.R = 0,1.10-6 .106 = 0,1(s ) = 10 (ms). Vậy sau 5 thì tụ phóng hết, tức sau 5.10 = 50 (ms), thời gian này lớn gấp 20 lần thời gian từ t1 đến t2 (0,5ms), do vậy vc vẫn giữ mức điện áp là 5v Ta có vr = vR = vv- vc = -10 - 5 = -15v . Nếu đảo cực tính của nguồn VDC thì đỉnh trên ghim ở mức điện áp là -5(v). 3. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Mức Không Dạng mạch
C A + vv vr D R Hình 4-3a Hình 4-3b: Dạng sóng vào ra Mạch này có chức năng cố định đỉnh dưới của tín hiệu ở mức 0(v).
Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, tồn tại xung dương, vv = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian là n = RC, vì R rất lớn nên n rất lớn, do đón >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t1. Do vậy tụ C gần như không được nạp vc = 0, do đó vr = vv = + Vm. -Thời điểm t1 đến t2, ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , Diode dẫn điện, tụ C được nạp qua Diode, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là n = rd. C  0, vc = Vm (tụ nạp đầy ngay tức thời), lúc này vr = vv + vc = -Vm +Vm = 0. -Thời điểm từ t2 đến t3, ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo vv = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với hằng số thời gian là f = C.R. f rất lớn so với bán kỳ từ t2 đến t3, do vậy tụ C vẫn giữ nguyên mức điện áp là Vm . Mạch tương đương của trường hợp này như sau:
Vc = Vm + + R Vm Ta có vr = vv + vc = Vm + Vm = 2Vm Nhận xét: Thời điểm từ 0 đến t1 dạng sóng ra có xung dương không ổn định so với chuỗi xung ra. Do vậy, xung này không xét đến mà chỉ xét các xung ổn định từ thời điểm t1 trở đi. 4. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ Dạng mạch 1
C A + v D v r v R + Vdc Hình 4-4a Hình 4-4b: Dạng sóng vào - ra Nguồn VDC tạo mức ghim dưới của tín hiệu vào,VDC = 1/2 Vm
Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương, vv = + Vm , VDC < Vm , Diode D ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian n = RC, do n >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t1 , nên tụ C gần như không được nạp, vc = 0, như vậy vr = vv = + Vm . -Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , D dẫn, tụ C được nạp qua D, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là n = rd. C  0, tụ C nạp đầy tức thời, tụ nạp đầy đến giá trị là: Ta có vc + vv = VDC - V  vc = VDC - vv = VDC + Vm Do đó vr = VDC + V = VDC -Thời điểm từ t2 đến t3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, vv = + Vm , Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian f = C R. f >> so với bán kỳ từ t2 đến t3 do vậy tụ C vẫn cố định mức điện áp vc = VDC + Vm trong khoảng thời gian này.
- Mạch tương đương của trường hợp này là: = Vm + Vdc Vc + + Vm R Ta có vr = vv + vc = Vm + VDC + Vm = 2 Vm + VDC Thời điểm từ 0 đến t1 ta không xét (cách giải thích như phần II .3) Dạng mạch 2 C A + v v D1 v r R D2 B
Hình 4-5a Hình 4-5b: Dạng sóng vào – ra Vz2 = 1/2Vm V1= 1/10 Vm Vz2 + V 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương vv = + Vm , cả D1 và D2 ngưng dẫn (do VA = + Vm , VB = 0, D1 và D2 bị phân nghịch ), tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian  n = RC , do đó n >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t1, nên tụ C gần như không được nạp, vc = 0, vr = vv= + Vm -Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , lúc này VB = + Vm , do vậy D1 hoạt động như Diode thường, D2 hoạt động như Diode Zenner. Tụ C được nạp qua D1 và D2 , điểm A là cực dương của tụ, thời hằng nạp là n = rd. C  0, tụ C nạp đầy tức thời, giá trị lớn nhất mà tụ có thể nạp được là:
vc = -vv + VZ2 + V 1 = Vm + 3/5Vm = 8/5 Vm Do đó vr = -( VZ2 + V 1 ) = -3/5Vm -Thời điểm từ t2 đến t3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, vv = + Vm , Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian  f = CR.  f >> so với bán kỳ từ t2 đến t3 , do vậy tụ C vẫn cố định mức điện áp là vc = 8/5 Vm Ta có vr = vv + vc = Vm+ 8/5 Vm = 13/5 Vm 5. Mạch Ghim Dùng Diode Khi Kể Cả Điện Trở Thuận Của Diode Và Điện Trở Nguồn. 5.1. Phân Tích Mạch Xét dạng mạch như hình 4-6, Bỏ qua ảnh hưởng của V ( V = 0)
C Rng A + v + r D Vng R - Hình 4-6a Hình 4-6b: Dạng sóng vào ra
Trước khi đạt trạng thái xác lập, mạch có một giai đoạn quá độ. Biên độ của nguồn vào, vng , phải đủ lớn để làm tắt hay mở Diode (Diode khi được phân cực thuận xem như một điện trở và nguồn vào có nội trở bên trong, do đó cần nguồn vào đủ lớn để sau khi bỏ qua sụt áp trên các điện trở này vẫn còn tắt mở được Diode). Tín hiệu của nguồn vào có dạng xung, biên độ max là Vm . Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương vv = + Vm , Diode dẫn, tụ C được nạp qua Rng và rd với thời hằng nạp của tụ là n = C.(Rng + rd) Giả sử Rng và R >> rd Tụ nạp theo quy luật hàm mũ với giá trị điện áp được nạp là vc = Vm (1-e-t / n), giá trị này tăng dần, do đó điện áp ra được lấy trên điện trở rd giảm dần cũng theo quy luật hàm mũ. Mạch tương đương ở trường hợp này như sau:
C + A Rng + in Vng - v r r d B Ta có vAB = Vm . e-t/ n rd rd .Vm.et /n vra vAB  rd Rng rd Rng rd Biên độ max là .Vm  Vm rd  Rng rd Tại t = 0  vr = Vm rd  Rng
-Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào không tồn tại xung, vng = 0, Diode ngưng dẫn (do điện áp trên tụ C phân cực ngược). Tụ C phóng điện qua Rng và R với hằng số thời gian là f = C.(R+Rng). Giá trị điện áp của tụ khi xả theo quy luật hàm mũ. Khi đó, điện áp trên tụ giảm dần còn điện áp ở ngõ ra tăng dần. Mạch tương đương ở trường hợp này là: C + A Rng - Vng + v r R B vc(t) đóng vai trò là nguồn cung cấp cho mạch. Điện áp của tụ ở quá trình này có dạng như sau: vc(t) = Vm . e-t/ f vAB = Vm (1 - e-t/  f)