Giáo trình Kỹ thuật điện tử (Phần 2) - Nghề: Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng nghề Vĩnh Long

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điện tử (Phần 2) - Nghề: Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính - Trình độ: Cao đẳng - Trường Cao đẳng nghề Vĩnh Long

1. Bài 4. MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ A. MỤC TIÊU - Hiểu được nguyên lý hoạt động các mạch khuếch đại - Lắp ráp được các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ - Rèn luyện tính cẩn thận B. NỘI DUNG 1. Mạch khuếch đại E chung(CE: Common Emitter) 1.1 Sơ đồ mạch điện - Điện trở R1, R2 phân áp cấp nguồn cho cực B tạo chế độ làm việc tĩnh. - Điện trở RE phân cực cho cực E và tạo ổn định nhiệt. - Điện trở RC phân cực cho cực C. - Tụ điện Ci, Co ngăn dòng một chiều (DC) ở ngõ 1.2. Tính toán phân cực Tính toán các thông số: VCC RR12 VVVVBB−− BE BB BE VRBB = 2 ; RB = ; IB = RR12+ RR12+ RRRRBEBE+(1 +) + VVVV−−VVIRR= − + II==  BBBEBBBE ; CEQ CC CQ( C E ) CQB R RB (1+  ) B + R + RE E  37
2. 1.3. Tính công suất khuếch đại và độ lợi Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ đầy đủ của Transistor BJT iC - Hệ số khuếch đại dòng h fe  = ib - Trở kháng ngõ vào giữa cực B và cực E: VT h ie = m h fe với m = (12) thường chọn m = 1, VT = 25mV. I EQ VT Đặt re = hie =  re ICQ - Tham số hre, hoe có giá trị rất nhỏ thường bỏ qua. Hinh: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ bỏ qua hre, hoe của Transistor BJT Hình: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại E chung - Tính hệ số khuếch đại dòng điện (Độ lợi về dòng điện) i i i R R A = o = L b = −h C b i fe ii ib ii RC + RL Rb + hie + (1+ h fe )RE RL RC iL RC Chứng minh: Điện áp tại: Vo = iL RL = −h feib = −h fe RL + RC ib RL + RC Điện áp tại B: VihiRih= + = +11 + hiRih = + + hR b bie eE bie( febE) bie ( fe) E 38
3. Rb Z Đặt Z = hie + (1+ h fe )RE  Vb = ib Z = ii Với Rb = R1 R2 Rb + Z i R R Suy ra b = b = b ii Rb + Z Rb + hie + (1+ h fe )RE - Hệ số khuếch đại điện áp (Độ lợi về điện áp) V V i R R 1 A = o = o b = −h C L V fe Vi ib Vb RC + RL hie + (1+ h fe )RE RL RC Vo RL RC Chứng minh: Điện áp tại: Vo = −h feib = −h fe RL + RC ib RL + RC ib 1 Điện áp tại: Vb = ib hie + (1+ h fe )RE  = Vb hie + (1+ h fe )RE RhhR ++ 1 Vin biefeE ( ) - Tổng trở ngõ vào: Zin == ii RhhRbiefeE+++ (1 ) Vo - Tổng trở ngõ ra: ZRoC== khi Vin =0 io 2. Mạch khuếch C chung (CC: Common Collector) 2.1. Sơ đồ mạch - Điện trở R1, R2 phân áp cấp nguồn cho cực B. - Điện trở RE phân cực cho cực E. - Tụ điện Ci, Co ngăn dòng một chiều (DC). 39
4. 2.2. Tính toán phân cực (học sinh xem lại mục 1.2) 2.3. Tính công suất khuếch đại và độ lợi Hình: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch khuếch io - Hệ số khuếch đại dòng điện (Độ lợi về dòng điện) Ai = ii i i i i R R A = o = L e b = 1+ h C b i ( fe ) ii ie ib ii RC + RL Rb + hie + (1+ h fe )RE RL Chứng minh: RRRLCC iL - Điện áp tại: VioLLe== = Ri RRiRRLCeLC++ ie Ta có ie = (1+ h fe )ib = 1+ h fe ib V = i h + i R R = i h + 1+ h R R - Điện áp tại: b b ie e E L b  ie ( fe ) E L  Z = h + 1+ h R R R = R R - Đặt C  ie ( fe ) E L  và b 1 2 R Z i R R V = i b C = i Z b = b = b b i R + Z b C i R + Z R + h + 1+ h R R b C i b C b ie ( fe ) E L Vo - Hệ số khuếch đại điện áp (Độ lợi về điện áp) AV = Vi V V V i i R R 1 A = o = o = o e b = 1+ h C L V ( fe ) Vi Vb ie ib Vb RC + RL hie + (1+ h fe )RE RL Chứng minh: R R V R R V = i L C o = L C o e R + R i R + R - Điện áp tại: L C e L C (6.12) ib 1 - Điện áp tại: Vb = ib hie + (1+ h fe )RE RL  = V b hie + (1+ h fe )RE RL 40
5. Vin Rb (hie + (1+ h fe )RE RL ) - Tổng trở ngõ vào Z in = = Rb Z C = ii Rb + hie + (1+ h fe )RE RL Vout - Tổng trở ngõ ra Zo Z o = = RE hib khi Vin =0 io - Các đặc tính của mạch khuếch đại C chung - Tín hiệu vào cực B, ra cực E, mạch có tính đồng pha. - Khuếch đại dòng (dòng điện áp ngõ ra lớn hơn ngõ vào). - Không khuếch đại áp (điện áp ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào). - Trở kháng ngõ vào vài kΩ đến vài chục kΩ. - Trở kháng ngõ ra nhỏ vài Ω đến vài trăm Ω. - Ứng dụng của mạch khuếch đại C chung(CC) Mạch khuếch đại C chung khuếch đại dòng, không khuếch đại áp nên thường dùng mạch ngõ ra có dòng lớn, các mạch công suất lớn 3. Mạch khuếch đại cực B chung(CB: Common Base) 3.1. Sơ đồ mạch - Điện trở R1, R2 phân áp cấp nguồn cho cực B. - Điện trở RE phân cực cho cực E và tạo ổn định nhiệt. - Điện trở RC phân cực cho cực C. - Tụ điện Ci, Co ngăn dòng một chiều (DC). - Tụ điện CB nối cực B xuống mass đối với tín hiệu xoay 3.2. Tính toán phân cực(xem lại mục 1.2) 3.3. Tính công suất khuếch đại và độ lợi 41
6. Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ mạch khuếch đại B chung - Hệ số khuếch đại dòng điện (Độ lợi về dòng điện) i i i R R o L e C E Ai = = = ii ie ii RC + RL RE + hib RL RC iL RC Chứng minh: Điện áp tại Vo = iL RL = −ie = − RL + RC ie RL + RC RE hib ie RE Điện áp tại Vb = −iehib = ii = − RE + hib ii RE + hib - Hệ số khuếch đại điện áp (Độ lợi về điện áp) Vo V o i e R C. R L 1 AV = = = Vi i e V i R C+ R L h ib RL RC Vo RL RC Chứng minh: Điện áp tại: Vo = −ie = − RL + RC ie RL + RC ie 1 Điện áp tại: Ve = −iehie = − Ve hib Vin RE hib - Tổng trở ngõ vàoZin: Zin = = RE hib = ii RE + hib Vout - Tổng trở ngõ ra Zo: Z o = = RC khi Vin = 0 io - Các đặc tính của mạch khuếch đại B chung - Tín hiệu vào cực E, ra cực C, mạch có tính đồng pha ( vào dương, ra dương). - Khuếch đại áp; Không khuếch đại dòng (dòng điện ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào). - Trở kháng ngõ vào nhỏ từ vài chục Ω đến vài trăm Ω. - Trở kháng ngõ ra lớn từ vài chục kΩ đến trăm k Ω. - Ứng dụng của mạch khuếch đại B chung Mạch khuếch đại B chung chỉ khuếch đại áp không khuếch đại dòng nên thường dùng trong các mạch có dòng ra nhỏ công suất thấp, trở kháng vào thấp nên dùng khuếch đại tần số cao. Câu hỏi ôn tập - Cho biết đặc điểm của mạch ghép CE, CB, CC ? 42
7. Bài 5. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT A. MỤC TIÊU - Hiểu được nguyên lý hoạt động các mạch khuếch đại công suất - Lắp ráp được các mạch khuếch đại - Rèn luyện tính cẩn thận, siêng năng B. NỘI DUNG 1. Mạch khuếch đại đẩy kéo 1.1. Những vấn đề chung về tầng khuếch đại công suất đẩy kéo Trong phần này ta khảo sát một số dạng mạch công suất loại B thông dụng. Tín hiệu vào có dạng hình sin sẽ cung cấp cho 2 tầng công suất khác nhau. Nếu tín hiệu vào là hai tín hiệu sin ngược pha, 2 tầng công suất giống hệt nhau được dùng, mỗi tầng hoạt động ở một bán kỳ của tín hiệu. Nếu tín hiệu vào chỉ có một tín hiệu sin, phải dùng 2 transistor công suất khác loại: một NPN hoạt động ở bán kỳ dương và một PNP hoạt động ở bán kỳ âm. Để tạo được 2 tín hiệu ngược pha ở ngỏ vào(nhưng cùng biên độ), người ta có thể dùng biến thế có điểm giữa(biến thế đảo pha), hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch đại có độ lợi điện thế bằng 1 hoặc dùng op- amp mắc theo kiểu voltage - follower như diễn tả bằng sơ đồ sau: 43
8. 1.2. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo hoạt động ở chế độ B - Trong bán kỳ dương của tín hiệu, Q1 dẫn. Dòng i1 chạy qua biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cấp cho tải. Lúc này pha của tín hiệu đưa vào Q2 là âm nên Q2 là âm nên Q2 ngưng dẫn. - Đến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q2 có pha dương nên Q2 dẫn. Dòng i2 qua biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lúc đó pha tín hiệu đưa vào Q1 là âm nên Q1 ngưng dẫn. Chú ý là i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên điện thế cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín hiệu. Thực tế, tín hiệu ngõ ra lấy được trên tải không được trọn vẹn như trên mà bị biến dạng. Lý do là bị bắt đầu một bán kỳ, transistor không dẫn điện mà phải chờ khi biên độ vượt qua điện thế ngưỡng VBE. Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm(cross-over). Để khắc phục, người ta phân cực VB dương một chút(ví dụ ở transistor NPN) đển transistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào chân B. Cách phân cực này gọi là phân cực loại AB. Chú ý trong các phân cực này độ dẫn điện của transistor công suất không đáng kể khi chưa có tín hiệu 44
9. 1.3. Phân tích mạch điện Hình bên dưới là đặc tuyến ngõ ra của mạch công suất hạng B. Điểm làm việc tĩnh Q là điểm cắt trục hoành ở điểm Vcc, đường tải tĩnh gần như thẳng đứng từ điểm Q song song với trục tung vì điện trở cuộn sơ cấp nhỏ. Để có công suất ra lớn nhất thì đường tải động là đường thẳng từ Q vẽ tiếp xúc với đường công suất tiêu tán cực đại PDmax tại điểm Q’ với tọa độ: VCC VCC I C = , VCE = 2RL 2 VCC Đường tải động cắt trục tung tại điểm I CCmax = R'L Tải R’L là tải RL được qui về sơ cấp nhưng chỉ xét nửa cuộn trên hoặc dưới. Nếu gọi số vòng dây của nửa cuộn sơ cấp là N1 và số vòng dây thứ cấp là N2 thì: R'L N1 2 N1 2 = ( ) R'L = RL ( ) RL N 2 N2 Điểm Q’ tiếp xúc với đường công suất cực đại PDmax nên ở điểm này công suất tiêu tán cũng chính là PDmax. 2 VCC VCC VCC Ta có: PD max = IC .VCE = X = 2R'L 2 4RL Như vậy nếu có một transistor với PDmax cụ thể thì khi chọn nguồn VCC ta sẽ tính được tải R’L để chọn biến áp và tải RLở thức cấp. Theo đặc tuyến thì ta có: VCC I C = iC max = (vì chỉ có một bán kỳ) R'L VCE = vce max = VCC (vì chỉ có một bán kỳ) - Công suất ra tải cực đại do hai transistor cung cấp là: 2 iC max vce max VCC VCC VCC P'01 = x = x = 2 2 2R'L 2 2R'L Ở trạng thái tĩnh hai transistor không tiêu hao điện. Khi khuếch đại thì dòng điện đốt nóng transistor chính là dòng điện IC ở trị số trung bình là: iC max VCC I C = = .R'L - Công suất điện cung cấp cho mạch bởi nguồn VCC là: 45
10. VCC PCC = 2.VCC I C = 2.VCC . R'L 2 2 VCC Hay PCC = x R'L - Hiệu suất cực đại của mạch là: P'  = 0 x100% = x100% = 78,5% PCC 4 Như vậy mạch khuếch đại hạng B có hiệu suất cao hơn hạng A. Tuy nhiên mạch khuếch đại hạng B có nhược điểm là tín hiệu ra bị biến dạng xuyên trục. 2. Mạch khuếch đại OCL Mạch khuếch đại công suất OCL được cấp nguồn đối xứng +VCC, -VCC, nên điện thế ngõ ra bằng 0v, do đó được ghép trực tiếp với loa mà không dùng tụ điện, nên gọi là OCL OCL: Output Capacitor Less: Ngõ ra không dùng tụ điện. 46
11. 2.1. Sơ đồ mạch điện: Trong đó: - R1, R2, R3: Là các thành phần điện trở phân cực cho Q1, Q2. - C1, C2: Là các tụ điện liên lạc(cho tín hiệu AC qua, ngăn DC). Nguyên lý hoạt động: - Giả sử Vi có bán kỳ dương, bán kỳ này sẽ làm cho Q2 ngưng dẫn, Q1 dẫn, dòng điện từ nguồn VCC qua Q1 rồi qua loa xuống mass, tại loa xuất hiện bán kỳ dương. - Khi Vi có bán kỳ âm, bán kỳ này làm cho Q1 ngưng dẫn, Q2 dẫn mạnh. Dòng điện từ mass qua loa, qua Q2 trở về nguồn âm. Tại loa xuất hiện bán kỳ âm. Như vậy với một chu kỳ hình sin của Vi tại loa cũng xuất hiện một tín hiệu hình sin tương tự. 2.2. Tính toán công suất VCC - Dòng điện qua tải tối đa là: ic max = RL 1 2 1 VCC 2 - Công suất cực đại trên tải: PL max = RLic max = RL ( ) 2 2 RL - Công suất do nguồn cung cấp: i P = V c max (do một nguồn cung cấp) CC CC 2 2VCC 2VCC PCC = ic max = (do hai nguồn cung cấp) RL - Công suất tiêu tán trên mỗi transistor: 2 PC = PCC(2 nguồn)- PL P P V 1 P = CC(2nguon) − L = CC i − R i 2 (1) C 2 2 c max 4 L c max Lấy đạo hàm hai vế ta được: 47
12. V 1 P' = CC − R i C 2 L c max Triệt tiêu đạo hàm bằng 0 Ta được: 2VCC ic max = (2) RL 2 VCC Thay (2) vào (1) ta được: PC max = 2 RL - Hiệu suất: PL max max = = = 78,5% PCCmax 4 + Ưu nhược điểm * Ưu điểm - Khả năng chống nhiểu tốt, do thường được sử dụng kiểu khuếch đại vi sai ở ngõ vào - Đáp tuyến tần số rộng, do không dùng tụ và biến thế ra loa - Mạch kết cấu gọn, ít linh kiện * Nhược điểm Do ngõ ra không dùng tụ được ghép trực tiếp với loa, nên dể bị cháy loa khi tầng công suất có sự cố, vì vậy cần phải có mạch bảo vệ loa. 48
13. 2.3 Mạch ứng dụng - Mạch khuếch đại công suất OCL được cấp nguồn đối xứng +Vcc, -Vcc, nên điện thế điểm giữa bằng 0v. Do đó được ghép trực tiếp vào loa không qua tụ, nên gọi là mạch công suất OCL. - Do cấp nguồn đối xứng nên ngõ vào được dùng kiểu khuếch đại vi sai, do đó mạch có khả năng chống nhiễu rất tốt. + Nhiệm vụ linh kiện. - Q1, Q2: Cặp khuếch đại vi sai được phân cực bằng R1, R2, R3, R4, R5. - Q3: Tiền driver: khuếch đại công suất nhỏ chế độ lớp A được phân cực trực tiếp từ Q1 và được ghép trực tiếp ra tải là Q4, Q5, Q6, Q7, và có R7, R8 được xem là tải một chiều cho Q3. - Q4, Q5: Cặp bổ phụ công suất nhỏ, hay gọi là cặp driver ghép phức hợp (Darlington) với Q6, Q7 nhằm tăng hệ số khuếch đại dòng điện - Q6, Q7: Cặp bổ phụ công suất lớn - Q4, Q5, Q6, Q7: Là hai bộ khuếch đại công suất chế độ AB theo nguyên lý kéo đẩy(push – pull). Được phân cực chế độ lớp AB nhờ thành phần 4 diode D1, D2, D3, D4 và R9. - R9: Điều chỉnh điện áp phân cực từ 2v –4v. Chỉnh R9 sao cho mỗi transistor có VBE = 0.5v làm việc đúng chế độ lớp AB tránh méo xuyên tâm. Nên R9 có tên gọi là biến trở bias: điều chỉnh phân cực cho tần KĐCS, chỉnh méo xuyên tâm. - R10, R11, R12, R13: Thành phần bổ chính nhiệt cho Q4, Q5, Q6, Q7. - R14, C6: Đây là mạch lọc Zobel, có tác dụng cân bằng độ lợi với mọi tần số, chống méo tần số. 49
14. - R15, L1: Mạch nâng độ lợi âm trầm, tăng tiếng bass cho ampli. - R16, C2, Dz1: Mạch ổn áp cấp cho tầng khuếch đại vi sai. - C1: Liên lạc tín hiệu ngỏ vào, ngăn thành phần DC, nối tắt với thành phần AC - C3: Tụ thoát, ngăn DC, nối tắt tín hiệu hồi tiếp âm xuống mass. - R5, R6: Xác định tỉ số hồi tiếp âm, quyết định độ khuếch đại cho toàn mạch Độ khuếch đại hồi tiếp âm được xác định bằng tỉ số: AVf = 1 + R5/ R6 - C4: Tụ Bootstrap: Tụ tự cữ đóng vai trò hồi tiếp dương tăng độ khuếch đại cho Q3. - C5: Hồi tiếp âm chống dao động tự kích. + Nguyên lý hoạt động. Tín hiệu từ ngỏ Main In đưa đến cực B của Q1 được Q1 khuếch đại lấy ra cực C, truyền đến cực B của Q3 khuếch đại lấy ra cực C của Q3, đưa đến cực B của Q4, Q5 có tín hiệu giống y như nhau, vì 4 diode phân cực thuận xem như nối tắt về mặt tín hiệu Nếu tại cực C của Q3 có nửa chu kỳ dương làm cho Q4 phân cực thuận, Q5 phân cực nghịch, nên Q4 dẫn, Q5 ngưng dẫn kéo theo Q6 dẫn mạnh, Q7 ngưng dẫn. Dòng Ic của Q6 qua loa xuống mass, tạo động lực đẩy loa. Nửa chu kỳ tiếp theo có bán kỳ âm nên Q4 phân cực nghịch, Q5 phân cực thuận do đó Q4 ngưng dẫn, Q5 dẫn làm cho Q6 ngưng, Q7 dẫn. Dòng Ic của Q7 từ mass qua loa về nguồn âm ngược chiều với Ic của Q6, nên tạo động lực kéo loa. Loa được kéo đẩy làm rung màn loa phát ra âm thanh theo tần số tín hiệu. Nên mạch khuếch đại công suất như trên được gọi là mạch khuếch đại Push – Push. Như vậy dòng điện qua loa là hai dòng điện nữa hình sin ngược chiều nhau. 3. Mạch khuếch đại OTL - Mạch khuếch đại công suất OTL được cấp nguồn đơn, tầng công suất đẩy kéo dùng hai transistor bổ phụ đối xứng, nên điện thế ra loa bằng ½ nguồn (mỗi transistor công suất làm việc ½ nguồn). do đó phải dùng tụ ra loa, không dùng biến thế ra loa gọi là OTL. OTL: Output Transformer Less: ngõ ra không dùng biến thế. 50
15. 3.1. Sơ đồ mạch điện Trong đó: - R1, R2, R3: Là các thành phần điện trở phân cực cho Q1, Q2. - C1, C2: Là các tụ điện liên lạc(cho tín hiệu AC qua, ngăn DC). - C3: Là tụ xuất âm - Thường chọn RE<< RL Nguyên lý hoạt động: - Giả sử Vi có bán kỳ dương, bán kỳ này sẽ làm cho Q2 ngưng dẫn, Q1 dẫn, dòng điện từ nguồn VCC qua Q1 qua RE và nạp vào tụ C3 theo chiều như hình vẽ rồi qua loa xuống mass, tại loa xuất hiện bán kỳ dương. - Khi Vi có bán kỳ âm, bán kỳ này làm cho Q1 ngưng dẫn, Q2 dẫn mạnh. Dòng điện từ cực dương của tụ C3 qua RE qua Q2 xuống mass rồi từ mass qua loa trở về cực âm. Tại loa xuất hiện bán kỳ âm. Như vậy với một chu kỳ hình sin của Vi tại loa cũng xuất hiện một tín hiệu hình sin tương tự. Tuy nhiên biên độ đỉnh của tín hiệu hình sin này có giá trị tối đa là: V V = CC OP max 2 Từ đó ta suy ra được dòng qua tải tối đa là: VCC iC max = 2RL 3.2. Tính toán công suất - Công suất tối đa là: 1 P = R i 2 L 2 L cm 2 1 VCC 2 VCC PL max = RL ( ) = 2 2RL 8RL 51
16. - Công suất do nguồn cung cấp: icm PCC=VCC.ICC với ICC= V P = CC i CC cm 2 VCC VCC VCC PCCmax = x = 2RL 2 RL - Công suất tiêu tán trên mỗi transistor: 2PC = PCC - PL P P V 1 P = CC − L = CC i − R i 2 (1) C 2 2 2 cm 4 L cm ` Tính PCmax: VCC Lấy đạo hàm theo icm ta được icm = (2) RL Thay (2) vào (1) ta được 2 VCC PC max = 2 4 RL - Hiệu suất: PL max max = = = 78,5% PCCmax 4 + Ưu nhược điểm: * Ưu điểm - Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo dùng transistor bổ phụ, không dùng biến thế ra loa, nên ít tốn linh kiện - Hiệu suất cao vì không tổn hao trên biến thế - Âm thanh đạt chất lượng hơn, do đáp tuyến tần số rộng, không bị suy giảm tín hiệu tần số cao do tụ ký sinh trong máy biến thế * Nhược điểm - Phải chỉnh điểm ra loa bằng nửa nguồn cung cấp - Khó tìm cặp transistor công suất bổ phụ hoàn toàn chỉ gần giống nhau. 3.3 Mạch ứng dụng thực tế - Thường dùng trong máy radio cassette. - Trong mạch vert trong tivi màu 52
17. * Mạch điện thực tế: Câu hỏi ôn tập 1. Trình bày ưu nhược điểm của mạch khuếch đại công suất OTL 2. Trình bày ưu nhược điểm của mạch khuếch đại công suất OCL 3. Vẽ sơ đồ bộ nguồn mạch OCL 53
18. BÀI 6. MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN A. MỤC TIÊU - Hiểu được nguyên lý hoạt động các mạch thuật toán; - Lắp ráp được các mạch; - Tính tư duy khoa học, suy luận chặc chẽ. Tính chính xác trong công việc. B. NỘI DUNG 1. Vi mạch thuật toán 1.1 Khái niệm chung - Vi mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier) goi tắt là Op- có khả năng thực hiện các phép biển đổi toán học như cộng trừ, biến đổi tỷ lệ, vi tích phân, khuếch đại, biến đổi tín hiệu, các bộ lọc tích cực, tạo hàm trong các tín hiệu tương tự. - Vi mạch khuếch đại thuật toán bên trong gồm các tầng khuếch đại vi sai, dùng khuếch đại tín hiệu vào, khuếch đại đầu ra. cho phép khả năng tải dòng lớn, có các mạch chống ngắn mạch và hạn chế dòng điện.Vi mạch khuếch đại thuật toán phổ dụng là 741. Kí hiệu và hình dạng của vi mạch thuật toán (Op-Amp) - − Vin là điện áp ngõ vào tại (-) gọi là ngõ vào đảo. + − Vin là điện áp tại ngõ vào (+) gọi là ngõ vào không đảo. - − Iin là dòng điện ngõ vào tại (-). + − Iin là dòng điện tại ngõ vào (+). 1.2. Mạch khuếch đại đảo. 54
19. 1.3. Mạch khuếch đại không đảo. + Một số Op – Amp thường dùng trong ampli. - Op – Amp JRC 4558. a. Hình dạng. b. Sơ đồ chân. - Op – Amp TL 082. a. Hình dạng. 55
20. b. Sơ đồ chân.  Chú ý: - Op – Amp cấp nguồn đơn: Chân số 4 nối mass, điện thế đo được tại các chân còn lại phải bằng nửa nguồn cung cấp - Op – Amp cấp nguồn đôi: Chân số 4 nối với nguồn – Vcc, điện thế đo được tại các chân còn lại phải bằng 0v. 1.4. Mạch cộng 1.4.1. Mạch cộng đảo 56
21. 1.4.2. Mạch cộng không đảo 57
22. 1.5. Mạch trừ 58
23. Câu hỏi ôn tập 1. Cho biết đặc điểm của mạch khuếch đại đảo pha 2. Vẽ sơ đồ chân của IC TL082, giải thích nhiệm vụ từng chân linh kiện 59
24. Bài 7. THYRISTOR A. MỤC TIÊU - Hiểu được nguyên lý hoạt động của họ Thyristor - Xác định được chân linh kiện - Xác định được linh kiện còn tốt hay hỏng - Rèn luyện tính cẩn thận, thẩm mỉ, say mê. B. NỘI DUNG 1. SCR (Thyristor – Silicon Controlled Rectifier) 1.1. Cấu tạo – Ký hiệu SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối PN). Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi cổng silicium. Các tiếp xúc kim loại được tạo ra các cực Anod A, Catot K và cổng G. 60
25. 1.2. Nguyên lý hoạt động Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dòng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều. Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cực âm nối với anod) sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng điện kích IG. Như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode nhưng có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng. Ta thấy SCR có thể coi như IA tương đương với hai transistor PNP và A NPN liên kết nhau qua ngõ nền và thu. G P Khi có một dòng điện nhỏ IG kích N VA Cổng IG vào cực nền của Transistor NPN T tức K 1 (Gate) P cổng G của SCR. Dòng điện IG sẽ tạo ra RG N RA dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại K chính là dòng nền IB2 của transistor PNP VAA T2 nên tạo ra dòng thu IC2 lại lớn hơn VGG trước Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hòa. Dòng bảo hòa qua hai Hình 8.2 transistor chính là dòng anod của SCR. Dòng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA. Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor. Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dòng điện duy trì IH (hodding current). 61
26. 1.3. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR IA Diode SCR thường IG2 > IG1 > IH IG = 0 0 VBR 0 VAK 0,7V VBO Hình 8.3 Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế anod-catod VAK với dòng cổng IG coi như thông số. - Khi SCR được phân cực nghịch (điện thế anod âm hơn điện thế catod), chỉ có một dòng điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR. - Khi SCR được phân cực thuận (điện thế anod dương hơn điện thế catod), nếu ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ, chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem như SCR không dẫn điện), nhưng khi VAK đạt đến một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK tự động sụt xuống khoảng 0,7V như diode thường. Dòng điện tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy trì IH. Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như diode thường. Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi dòng kích IG càng lớn, điện thế quay về VBO càng nhỏ. 1.4. Các thông số của SCR Sau đây là các thông số kỹ thuật chính của SCR - Dòng thuận tối đa: Là dòng điện anod IA trung bình lớn nhất mà SCR có thể chịu đựng được liên tục. Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR, có thể từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere. - Điện thế ngược tối đa: Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà chưa xảy ra sự hủy thác (breakdown). Đây là trị số VBR ở hình trên. SCR được chế tạo với điện thế nghịch từ vài chục volt đến hàng ngàn volt. - Dòng chốt (latching current): Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Dòng chốt thường lớn hơn dòng duy trì chút ít ở SCR công suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở SCR có công suất lớn. 62
27. - Dòng cổng tối thiểu (Minimun gate current): Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG. Tuy nhiên trong ứng dụng, thường người ta phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện ngay. Tùy theo mỗi SCR, dòng cổng tối thiểu từ dưới 1mA đến vài chục mA. Nói chung, SCR có công suất càng lớn thì cần dòng kích lớn. Tuy nhiên, nên chú ý là dòng cổng không được quá lớn, có thể làm hỏng nối cổng-catod của SCR. - Thời gian mở (turn – on time): Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường là 0,9 lần dòng định mức). Thời gian mở khoảng vài S. Như vậy, thời gian hiện diện của xung kích phải lâu hơn thời gian mở. - Thời gian tắt (turn – off time): Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK xuống 0 Volt, tức dòng anod cũng bằng 0. Thế nhưng nếu ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì SCR vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích. Thời gian tắt SCR là thời gian từ lúc điện thế VAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà SCR không dẫn điện trở lại. Thời gian này lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục S. Như vậy, SCR là linh kiện chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa khoảng vài chục KHz. - Tốc độ tăng điện thế. Ký hiệu: dv/dt Ta có thể làm SCR dẫn điện bằng cách tăng điện thế anod lên đến điện thế quay về VBO hoặc bằng cách dùng dòng kích cực cổng. Một cách khác là tăng điện thế anod nhanh tức là dv/dt lớn mà bản thân điện thế V anod không cần lớn. Thông số dv/dt là tốc độ tăng điện thế lớn nhất mà SCR chưa dẫn, vượt trên vị trí này SCR sẽ dẫn điện. Lý do là có một điện dung nội Cb giữa hai cực nền của transistor trong mô hình tương đương của SCR. dv Dòng điện qua tụ là: i = C . Dòng điện này chạy vào cực nền của T1. Khi cb b dt dv đủ lớn thì icb lớn đủ sức kích SCR. Người ta thường tránh hiện tượng này bằng dt cách mắc một tụ C và điện trở R song song với SCR để chia bớt dòng icb - Tốc độ tăng dòng thuận tối đa ký hiệu là di/dt. Đây là trị số tối đa của tốc độ tăng dòng anod. Trên trị số này SCR có thể bị hư. Lý do là khi SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu điện thế giữa anod và catod còn lớn trong lúc dòng điện anod tăng nhanh khiến công suất tiêu tán tức thời có thể quá lớn. Khi SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này dễ bị hư hỏng. Khả năng chịu đựng của di/dt tùy thuộc vào mỗi SCR. 1.5. Ứng dụng 1.5.1. Mạch điều khiển tốc độ động cơ Trong mạch điều khiển hình dưới đây thì động cơ M là động cơ vạn năng - loại 63
28. động có thể dùng điện AC hay DC + Vcc 1 M 2 D R1 1K VR 100K R2 SCR + 4,7K R3 C=1 1K - Vcc Dòng điện qua động cơ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thay đổi góc kích của dồng IG. Khi SCR chưa dẫn thì chưa có dòng điện qua động cơ, Diode D nắn điện bán kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở VR. điện áp cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R2 – R3. Giả sử điện áp đủ để kích cho cực G là VG = 1V và dòng điện kích IGmin = 1mA thì điện áp trên tụ C phải khoảng 10V. Tụ C nạp điện qua R1 và qua VR với hằng số thời gian là:  = C (R1 + R2) Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ tức là thay đổi thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của SCR tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của động cơ bị thay đổi. Khi dòng AC có bán kỳ âm thì Diode D và SCR đều bị phân cực nghịch nên Diode ngưng dẫn và SCR cũng chuyển sang trạng thái ngưng. 1.5.2. Mạch báo động Hình 8.5 64
29. Xét mạch thí nghiệm trên: - Nếu SCR dùng với nguồn một chiều thì có thể ứng dụng trong các mạch báo động quá nhiệt, quá áp suất, theo ánh sáng hay báo trộm khi kẻ trộm mở cửa hay cửa tủ. - Nếu nút P là nút ấn bằng tay để ấn khi khẩn cấp, công tắc K là công tắc tự động có thể là loại Thermostat để bảo vệ quá nhiệt hay Pressostat để báo quá áp suất và S là công tắc tí hon được đặt ở các cửa nhà, cửa tủ, - Khi một trong các tiếp điểm trên đóng lại thì SCR sẽ được kích dẫn điện và duy trì trạng thái dẫn để cấp điện đèn báo hiệu và còi hú để báo động. 1.5.3. Mạch đèn khẩn cấp khi mất điện: D1 R1 Được chọn tùy theo dòng nạp accu D2 SCR T1 6,3V 220V/ 100 D3 R3 1K 50Hz 6,3V F R2 150 + Ắc qui = 6V - ĐÈN Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, ắc qui được nạp qua D1, R1. Khi mất điện, nguồn điện ắc qui sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn. 1.5.4. Mạch nạp accu tự động - Khi ắc qui nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi ắc qui đã nạp đầy, điện thế cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ ắc qui. - VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp). 65
30. 2. DIAC (Diode AC Semiconductor Switch) 2.1. Cấu tạo – ký hiệu Diac có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp nhau như một Transistor nhưng chỉ ra có hai chân nên được xem như một Transistor không có cực nền. hai cực ở hai đầu được gọi là T1 và T2 và do tính chất đối xứng của Diac nên không cần phân biệt T1 – T2. Hình 8.14 2.2. Nguyên lý hoạt động Hình 8.15 Xét mạch thí nghiệm trên nguồn Vcc có thể chỉnh được từ thấp lên cao. Khi Vcc có trị số thấp thì dòng điện qua Diode chỉ là dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ. Khi tăng điện thế Vcc lên một trị số đủ lớn là VBO thì điện thế trên Diac bị giảm xuống và dòng điện tăng lên nhanh. Điện thế này gọi là điện thế ngập (Breakover) và dòng điện qua Diac ở điểm VBO là dòng điện ngập IBO. V V Điện thế VBO của Diac có trị số trong khoảng từ 20 đến 40 . Dòng điện IBO có trị số khoảng từ vài chục A đến vài trăm A. Hình đặc tính của Diac hơi giống như đặc tính của hai Diode Zener ghép nối tiếp như ngược chiều nhau. Khi điện thế đặc vào hai chân T1 – T2 của hai Diode Zener Z1 – Z2 thì sẽ bị phân cực thuận một Diode Zener cho ra điện thế VD 0,7V và phân cực ngược Diode 66
31. Zener tạo ra hiệu ứng Zener cho ra điện thế VZ. Như vậy điện thế VBO của Z1 – Z2 chính là: VBO = VD + VZ Khi đổi chiều dòng điện ngược lại thì vẫn có một Zener phân cực thuận và một Zener phân cực nghịch nên ta cũng có điện thế VBO theo công thức trên. 2.3. Ứng dụng Trong ứng dụng, DIAC thường dùng để mở Triac. Thí dụ như mạch điều chỉnh độ sáng của bóng đèn Ở bán ký dương thì điện thế tăng, tụ nạp điện cho đến điện thế VBO thì DIAC dẫn, tạo dòng kích cho Triac dẫn điện. Hết bán kỳ dương, Triac tạm ngưng. Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện thế -VBO, DIAC lại dẫn điện kích Triac dẫn điện. Ta thay đổi VR để thay đổi thời hằng nạp điện của tụ C, do đó thay đổi góc dẫn của Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng của bóng đèn. Hình 8.16 3. TRIAC (Triod AC Semiconductor Switch) 3.1. Cấu tạo – ký hiệu Về cấu tạo Triac gồm các lớp bán dẫn P –N ghép nối tiếp nhau như hình 8.7 và được nối ra ba chân, hai chân đầu cuối là T1 – T2 và một chân là cực cửa G. Triac có thế được xem như hai SCR ghép song song và ngược chiều nhau sao cho có chung cực cửa G. Từ cấu tạo hình 8.7 Triac có ký hiệu như hình 8.8 và cũng được coi như hai SCR ghép song song và ngược chiều nhau. 67
32. Hình 8.8 Hình 8.9a: Ký hiệu Triac Hình 8.9b: Triac tương đương 2SCR 3.2. Nguyên lý hoạt động Theo cấu tạo một Triac được xem như hai SCR ghép song song và ngược chiều nên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta khảo sát như thí nghiệm trên hai SCR 3.2.1. Khi cực T2 có điện thế dương và cực G được kích xung dương thì Triac dẫn điện theo chiều từ T2 qua T1 (hình 8.10a) Hình 8.10a 3.2.2. Khi T2 có điện thế âm và cực G được kích xung âm thì Triac dẫn điện theo chiều từ T1 qua T2 (hình 8.10b). Hình 8.10b Hình 8.10c 68
33. 3.2.3. Khi Triac được dùng trong mạch điện xoay chiều công nghiệp thì nguồn có bán kỳ dương, cực G cần được kích xung dương, khi nguồn có bán kỳ âm, cực G cần được kích xung âm. Triac cho dòng điện qua được cả hai chiều và khi đã dẫn điện thì điện thế trên hai cực T1 – T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dùng trong mạch điện xoay chiều (hình 8.10c) 3.3. Đặc tính Triac như gồm bởi một SCR PNPN dẫn điện theo chiều từ trên xuống dưới, kích bởi dòng cổng dương và một SCR NPNP dẫn điện theo chiều từ dưới lên kích bởi dòng cổng âm. Hai cực còn lại gọi là hai đầu cuối chính (main terminal). - Do đầu T2 dương hơn đầu T1, để Triac dẫn điện ta có thể kích dòng cổng dương và khi đầu T2 âm hơn T1 ta có thể kích dòng cổng âm. Triac có đặc tính Volt Ampere gồm hai phần đối xứng nhau qua điểm 0, hai phần này giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiều nhau. Hình 8.11 3.4. Các cách kích Triac Theo nguyên lý vận chuyển của Triac thì Triac cần được kích xung dương thì T2 có điện thế dương và cần được kích xung âm khi cực T2 có điện thế âm. Thực ra Triac có thế kích bằng bốn cách như trong hình 8.11 trong đó cách thứ nhất và thứ hai được gọi là cách kích thuận vì đúng theo nguyên lý và chỉ cần dòng điện kích trị số nhỏ so với cách thứ ba và thứ tư. Hình 8.12 69
34. 3.5. Ứng dụng Hình 8.13a Hình 8.13b Hình 8.13a là sơ đồ nguyên tắc mạch điều khiển Triac thay đổi dòng điện cung cấp cho tải. Mạch dịch có tác dụng thay đổi thời điểm cho ra xung kích cho cực G của Triac sớm hay trễ, mạch phát xung thường là mạch dao động tích thoát tạo ra xung nảy hay là Diac để khống chế điện thế kích cho cực G. Hình 8.13b là mạch điều khiển Triac đơn gian dùng cho các loại tải có công suất nhỏ. Ở mỗi bán kỳ của nguồn điện xoay chiều cực G của Triac điều được kích bằng điện thế thích hợp theo cách kích thuận nên Triac dẫn điện liên tục cả hai bán kỳ khi công tắc S ở vị trí ON. Khi công tắc S ở vị trí Auto thì tuỳ thuộc vào trạng thái tiếp điểm K, tiếp điểm K có thể là tiếp điểm của bộ điều nhiệt tự động (Thermosmat) hay bộ điều áp tự động (Pressostat) hay các loại công tắc giới hạn (thường gọi là Micro Switch). Câu hỏi ôn tập 1. Trình bày ứng dụng của DIAC ? 2. Trình bày ứng dụng của TRIAC ? 70
35. TÀI LIỆU THAM KHẢO  1. Nguyễn Tấn Phước Giáo trình lý thuyết. 2. Trương Văn Tám Giáo trình mạch điện tử. 71