Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu điện tử ứng dụng
2010 ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM THS. NGUYỄN VĂN HIỆP ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay có thể nói lãnh vực điện tử đã và đang mang đến cho chúng ta những sản phẩm công nghệ cải thiện đáng kể trong đời sống vật chất và tinh thần. Các ứng dụng của nó trở nên quá gần gũi và nhƣ là một nhu cầu gần nhƣ không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Các sản phẩm tồn tại và đang hoàn thiện phát triển một cách nhanh chóng. Thử tƣởng tƣợng một ngày nào đó bỗng dƣng xung quanh ta không còn chiếc tivi, máy vi tính, máy điện thoại, nồi cơm điện, máy điều hòa hay một cái máy quạt…thì cuộc sống bỗng trở nên “khó khăn” hơn đến mức nào?! Tuy nhiên mặc dù những thiết bị trên thân thuộc, gần gũi nhƣ thế nhƣng hầu hết ngƣời sử dụng không biết bên trong nó là gì, nguyên lý hoạt động ra sao,…Đó cũng là điều dễ hiểu bởi vì đâu phải ngƣời sử dụng nào cũng có kiến thức, sự hiểu biết nhất định về lãnh vực điện tử. Quyển sách này không mang tham vọng sẽ đƣa đến cho ngƣời đọc những kiến thức bách khoa, toàn diện, chuyên sâu về tất cả các thiết bị điện tử hiện nay vì đó là điều không thể! Quyển sách đƣợc thiết kế cho sinh viên hệ không chuyên (lãnh vực điện tử) nhƣ ngành Kỹ thuật công nghiệp, cơ khí, công nghệ thông tin , nó trang bị cho ngƣời đọc một phần những kiến thức cơ bản, nền tảng và đƣợc trình bày sao cho dễ đọc, dễ hiểu và không quá trừu tƣợng. Mặc dù nội dung không chuyên sâu nhƣng qua quyển sách ngƣời đọc có thể hiểu đƣợc những linh kiện cơ bản, các ứng dụng và phát triển của nó. Vì thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn quyển sách này còn rất nhiều sai sót, rất mong sự góp ý chân thành của quý thầy cô, đồng nghiệp và các bạn sinh viên. Liên hệ email: thewind030282@gmail.com Tác giả Ths. Nguyễn Văn Hiệp 2 Chƣơng 1 Các Linh Kiện Giao Tiếp Trong phần này, các kiến thức đƣợc trình bày cơ bản, không quá chuyên sâu về mặt lý thuyết nhƣng nó đem đến ngƣời đọc một sự khái quát cần thiết và có thể vận dụng. Sau chƣơng này, ngƣời đọc có khả năng: - Nhận dạng đƣợc các sơ đồ mạch, mô tả hoạt động và tính toán ngõ ra bộ khuếch đại đảo, không đảo, bộ cộng (Op-amp) và mạch khuếch đại transistor lƣỡng cực. - Nhận dạng sơ đồ mạch tích phân, mạch vi phân dùng Op-amp và vẽ dạng sóng ngõ ra khi tín hiệu ngõ vào khác nhau đƣợc đƣa vào. - Với các tín hiệu vào cho trƣớc, vẽ kết quả ngõ ra của mạch khuếch đại vòng hở, khuếch đại sai biệt và bộ so sánh dạng số. - Mô tả khả năng tạo dạng sóng và đặc tính hoạt động của mạch Schmitt trigger. - Giải thích cách đóng ngắt của transisstor và thyristor bán dẫn, vẽ tín hiệu ngõ ra bộ điều chế. - Lắp ráp mạch đơn ổn và dao động đa hài dùng mạch tích hợp 555 và tính toán để xác định ngõ ra. Giải thích đƣợc nguyên lý hoạt động của mạch. 3 1 BỘ KHUẾCH ĐẠI: Độ khuếch đại là một hàm điều khiển đƣợc sử dụng bởi nhiều loại thiết bị công nghiệp. Khuếch đại bao gồm việc chuyển đổi tín hiệu yếu trở thành tín hiệu công suất cao. Ví dụ, ngõ ra của bộ điều khiển, chẳng hạn nhƣ bộ vi xử lý máy tính, dùng để điều khiển một van servo đòi hỏi tín hiệu điều khiển lớn để vận hành. Bộ khuếch đại đƣợc thực hiện bởi một vài thiết bị ở trạng thái rắn. Một số bộ khuếch sẽ đƣợc mô tả bao gồm transistor lƣỡng cực và bộ khuếch đại thuật toán. 1.1 Transistor Transistor đƣợc cấu trúc xếp, một lớp mỏng của một loại vật liệu bán dẫn nằm giữa hai lớp của một loại vật liệu bán dẫn loại khác. Ví dụ, transistor NPN hình 2-1(a) cấu tạo bởi một lớp vật liệu P (positive) nằm giữa hai lớp vật liệu N (negative). Transistor PNP hình 2-1(b) có dạng ngƣợc lại. Ba lớp này đƣợc định nghĩa gồm emitter (E)(cực phát), base (B)(cực nền), và collector (C)(cực thu). Hình 1-1(c) là ký hiệu cấu trúc của NPN và PNP transistor. Điểm khác nhau duy nhất là sự định hƣớng mũi tên cực E. Mũi tên cực E của transistor NPN hƣớng từ B sang E, trong khi transistor PNP có hƣớng ngƣợc lại. Transistor có hai mối nối PN nên đƣợc gọi là transistor lƣỡng cực. Một mối nối đƣợc cho là base-emitter, mối nối còn lại là base-collector. Để bộ điều khiển hoạt động, hai mối nối PN phải có một chênh lệch điện áp DC. Hình 1-1: Transistor lưỡng cực Hình 1-2, transistor NPN với mối nối B-E phân cực thuận và mối nối B-C phân cực nghịch. Dòng điện chạy qua mối nối B-E có hƣớng nhƣ phân cực thuận diode, từ cực âm sang cực dƣơng của nguồn 1. Tuy nhiên, nếu vùng B mỏng và có tạp chất thì nó có giới hạn số lƣợng lỗ trống. Cho nên sẽ chỉ có một số ít phần trăm trong tổng số electron ở cực E liên kết với lỗ trống chảy qua cực B. Số electron còn lại không có chỗ để đi ngoại trừ đi xuyên qua mối nối B-C. Chúng tiếp tục đi qua vùng C đến cực dƣơng của nguồn 2. Khi điện áp nguồn 1 thay đổi thì dòng điện qua cực B thay đổi. Độ lớn dòng điện cực B quyết 4 định điện trở giữa E và C. Điện áp tại B càng cao thì dòng điện qua B càng nhiều tƣơng ứng với điện trở giữa E-C càng thấp. Transistor hoạt động giống nhƣ vòi nƣớc ở Hình 1-3. Cực E là ngõ vào, C là ngõ ra. Cực B là van điều khiển dòng điện chảy qua. Dòng B-E điều khiển đƣờng dòng điện chính giữa E và C. Một vài mili-ampe của dòng B có thể điều khiển vài trăm mili-ampe của dòng điện C. Hình 1-2: Sự phân cực của transistor NPN Hình 1-3: Transistor hoạt động như vòi nước. 5 - Thay thế cho việc dùng nguồn pin để phân cực cho mối nối transistor, một mạng điện trở và một nguồn DC (hình 2-4(a)) đƣợc sử dụng. Điện trở R1 và R2 là mạch phân áp cung cấp điện áp cho cực B. Điện trở R L mắc nối tiếp với trasistor dẫn điện. Tín hiệu ngõ vào Vin cấp vào cực B. Ngõ ra bộ khuếch đại đƣợc xác định là giữa cực C và mass, kết quả là điện áp tại C biến thiên. - Khi Vin càng dƣơng, thể hiện giữa thời gian T1 và T2 của dạng sóng trong Hình 1-4(b), dòng điện B tăng lên. Dòng điện C tăng lên, độ sụt áp Ic.Rc cũng tăng, làm cho điện áp cực C giảm xuống (vì Vout = Vcc – Ic.Rc). Tƣơng tự, khi điện áp ngõ vào giảm xuống, dòng điện B thấp, dòng điện C giảm. Kết quả là Ic.Rc giảm nên điện áp cực C tăng lên. 6 Hình 1-4: Bộ khuếch đại Transistor NPN. - Dạng sóng thể hiện sự đảo pha 180 độ giữa điện áp vào và tín hiệu ngõ ra. Dạng sóng chỉ ra sự khuếch đại từ khi điện áp biến đổi nhỏ ở ngõ vào làm cho điện áp biến đổi lớn ở ngõ ra. Điện áp dƣơng càng cao cấp cho transistor NPN làm cho transistor càng dẫn mạnh. Khi điện áp đạt mức ngƣỡng cao, transistor sẽ ở chế độ bão hòa vì nó không thể dẫn đƣợc dòng điện cao hơn nữa. Khi đó điện áp gần bằng 0V sẽ đƣợc đọc ở ngõ ra. Giống nhƣ vậy, khi ngõ vào giảm điện áp, B-E không thể phân cực thuận và dòng điện C cũng không còn. Điện trở giữa E-C tăng đến vô cực. Chế độ đó gọi là chế độ ngắt do Transistor giảm điện áp cung cấp, giống nhƣ một công tắc mở. - Một transistor PNP hoạt động theo hƣớng ngƣợc lại. Điện áp âm cấp vào ngõ vào B làm cho transistor dẫn mạnh. điện áp dƣơng sẽ làm transistor dẫn yếu hơn. Tóm lại: Ở phần này, tác giả chỉ muốn nhắc lại nguyên tắc cơ bản nhất hoạt động của một transistor lƣỡng cực. Những phần tính toán các mạch khuếch đại cụ thể không phải mục đích chính ở phần này. 1.2 Bộ khuếch đại thuật toán: Một bộ khuếch đại rất linh hoạt là bộ khuếch đại thuật toán: operational amplifier (op-amp). Op-amp phổ biến nhất là uA741 đƣợc tích hợp sẵn trong một IC 8 chân. Nó có 3 đặc tính quan trọng của Op-amp là tạo ra các bộ khuếch đại lý tƣởng có: o Tổng trở ngõ vào cao. o Hệ số khuếch đại điện áp cao. o Tổng trở ngõ ra thấp. Hình 1-5 thể hiện ký hiệu chuẩn của op-amp uA741. Đƣợc biểu diễn bởi hình tam giác, op-amp có hai ngõ vào gắn ở cạnh bên trái và một ngõ ra gắn ở đỉnh của hình tam 7 giác. Thông thƣờng, op-amp có hai chân cấp nguồn riêng biệt. Một chân gắn ở cạnh trên tam giác, kết nối với nguồn dƣơng, chân còn lại nối với nguồn âm. Hai nguồn này cho phép điện áp ngõ ra dao động với một trong hai điện áp âm hoặc dƣơng so với mass. Hình 1-5: Ký hiệu chuẩn cưa OP-AMP Một ngõ vào có dấu trừ gọi là ngõ vào đảo, vì bất cứ tín hiệu DC hay AC cấp vào nó cũng bị đảo pha 180 độ ở tín hiệu ngõ ra. Ngõ vào còn lại có dấu cộng gọi là ngõ vào không đảo; bất cứ tín hiệu DC hay AC cấp vào nó cũng cùng pha với tín hiệu ở ngõ ra. Khi linh kiện ngoài kết nối với ngõ vào và ngõ ra, op-amp có khả năng làm việc với nhiều chức năng . Cách kết nối linh kiện sẽ xác định chức năng làm việc của op-amp. 1.2.1 Bộ khuếch đại đảo: Đặc tính của op-amp là có thể khuếch đại điện áp khoảng 200,000 lần. Tuy nhiên, điện áp ngõ ra không thể vƣợt quá 80 phần trăm điện áp nguồn cung cấp. Ví dụ, điện áp tối đa ở ngõ ra của op-amp ở hình 1-5 là +5V và -5V vì điện áp nguồn là +6.26V và - 6.25V. Cho nên, nó chỉ khuếch đại từ 25uV ngõ vào thành +5V hay -5V ở ngõ ra tùy thuộc vào chiều phân cực tín hiệu ngõ vào và đầu cấp tín hiệu đƣa đến opamp. Tuy nhiên, op-amp đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng yêu cầu độ khuếch đại điện áp nhỏ hơn 200,000. Trong kỹ thuật gọi đó là hồi tiếp (Feedback) đƣợc dùng để điều khiển độ khuếch đại của thiết bị, nó đƣợc hình thành bằng cách nối điện trở từ ngõ ra trở đến một ngõ vào. Mạch hồi tiếp âm đƣợc thể hiện bởi hình 1-6. Nó hoạt động nhƣ sau: o Cả hai ngõ vào đều có trở kháng cao; cho nên nó không cho phép dòng điện chạy vào hoặc ra. 8 Hình 1-6: Khuếch đại đảo Áp dụng định luật K1 tại nút VG ta có : I IN = I F Mà V G = V + = 0 v nên ta có o Điện áp ở ngõ vào trừ gọi là “0-volt virtual ground” (tạm dịch là mass 0V ảo) (vì nó tác động giống nhƣ mass 0V). Ngõ vào cộng kết nối với mass 0V thực tế. o Vì điểm VG là 0V, có điện áp 2V rơi trên điện trở 2 kilohm (Rin) và dòng điện chạy qua là 1mA. o Dòng điện 1mA không thể chạy vào bên trong op-amp, do đó nó chạy qua điện trở hồi tiếp 10 kilohm (R F ) và tạo nên điện áp 10V đặt trên 2 đầu R F . o Vì Vout đƣợc đo so với mass ảo nên điện áp là -10V - Độ lợi điện áp của op-amp đƣợc xác định bằng công thức: - Độ khuếch đại của mạch khuếch đại đảo liệt kê ở hình 1-6, vì tín hiệu 2V đặt lên ngõ vào đƣợc đảo thành -10V ngõ ra. Đặt điện áp âm tại ngõ vào bộ khuếch đại sẽ tạo nên điện áp dƣơng ở ngõ ra. Độ khuếch đại bị ảnh hƣởng bởi tỉ số giữa điện trở R F và Rin. R F càng lớn so với Rin thì độ khuếch đại càng lớn. - Điện áp ngõ ra có thể xác định bằng công thức: 9 - Bảng 1-1 cung cấp ví dụ về bộ khuếch đại đảo với độ khuếch đại 10 lần với nhiều giá trị điện áp ngõ vào. Bảng 1-1 1.2.2 Bộ khuếch đại cộng: Khi hai hay nhiều ngõ vào đƣợc nối với nhau và cùng đặt lên ngõ vào của bộ khuếch đại op-amp, bộ khuếch đại cộng đƣợc hình thành. Dạng khuếch đại này có thể cộng đại số các tín hiệu DC và AC. Mạch điện hình 1-7 là mạch khuếch đại cộng đảo. Nó bao gồm điện trở hồi tiếp R F 20kΩ, ba điện trở 20kΩ mắc đồng thời và nối chung với nhau vào ngõ vào đảo của op-amp, ba nguồn +2V, +1V, +3V cấp đến đầu còn lại của 3 điện trở. Sự tính toán trên sơ đồ thể hiện cách xác định điện áp tại ngõ ra. Dòng điện của mỗi ngõ vào đƣợc tính toán sau đó cộng lại thu đƣợc kết quả là dòng điện chạy qua R F . Tiếp đến điện áp ngõ ra đƣợc xác định bằng phép nhân I RF với R F . Hình 1-7: Bộ khuếch đại cộng đảo. [...]... dòng điện vòng qua R1 và nạp điện cho tụ điện Ngƣợc với quá trình nạp của tụ, dòng điện vào động cơ nhỏ không có tác dụng với động cơ Khi bán kỳ dƣơng xuất hiện, điện áp xoay chiều bắt đầu tăng, SCR bắt đầu phân cực thuận, và tụ điện xả năng lƣợng đã nhận trong suốt bán kỳ âm Ngay khi nó xả thì nó nạp điện theo chiều ngƣợc lại Tốc độ nạp và xả đƣợc xác định bằng giá trị linh kiện của mạch RC Khi điện. .. của nó khác với mạch tích phân vì tụ điện thay thế điện trở ngõ vào trong khi phần tử hồi tiếp là điện trở Biểu đồ dạng sóng đƣợc biểu diễn ở hình 1-10(b) minh họa sự đáp ứng của mạch vi phân khi các tín hiệu ngõ vào khác nhau Khi ngõ vào đảo đƣợc sử dụng, tín hiệu ngõ ra sẽ đáp ứng theo chiều ngƣợc lại của tín hiệu ngõ vào 14 Hình 1-10: Mạch vi phân dùng op-amp Khi điện áp ngõ vào là DC và phần còn lại... động so sánh điện áp Thiết bị này so sánh điện áp tại đặt trên 1 ngõ vào với điện áp trên 1 ngõ vào khác Sự chênh lệch giữa các điện áp tại ngõ vào làm cho ngõ ra op-amp bão hòa hoặc là +5V hoặc -5V Chiều phân cực ngõ vào đƣợc xác định bằng cực tính điện áp đặt trên các ngõ vào của op-amp Khi điện áp đặt trên ngõ vào đảo càng dƣơng hơn điện áp tại ngõ vào không đảo, ngõ ra sẽ chuyển thành điện áp -5V... vậy, khi điện áp đặt trên ngõ vào đảo càng âm hơn điện áp tại ngõ vào không đảo, ngõ ra sẽ chuyển thành điện áp +5V bão hòa Tuy nhiên, khi điện áp hai ngõ vào có biên độ bằng nhau thì ngõ ra bằng 0 17 Hình 1-12: Bộ khuếch đại so sánh Công thức sau đây cung cấp một cách tóm tắt ngắn gọn hoạt động của bộ khuếch đại so sánh: Điện áp ngõ vào đảo < điện áp ngõ vào không đảo = điện áp âm ngõ ra Điện áp ngõ... tụ điện thay thế điện trở làm phần tử hồi tiếp Dạng sóng biểu diễn bởi hình 1-9(b) minh họa hoạt động của mạch khi có các nguồn DC khác nhau đặt lên ngõ vào 12 Hình 1-9: Mạch tích phân dùng op-amp Khi điện áp ngõ vào thay đổi từ 0V đến 5V, tại thời điểm T1 của dạng sóng, tụ điện lúc ban đầu có điện áp thấp vì nó không đƣợc nạp Độ khuếch đại của op-amp là zero vì tỷ số của điện trở hồi tiếp với điện. .. 1-21: UJT Điện áp phân cực đặt lên mối nối với cực E dƣơng hơn B1 Tại trạng thái bình thƣờng, không có dòng điện chạy từ B1 đến E Khi điện áp phân cực đạt đến 7.7V ( VrB1 + VD), UJT bật (ON) làm tăng dòng điện chạy từ B1 đến B2, và từ B1 đến E Dòng điện tiếp tục chạy qua cho đến khi điện áp phân cực mối nối hạ xuống thấp hơn 3V UJT tắt (OFF) cho đến khi điện áp phân cực trở lại 7.7V Mạch điện hình... có điện áp hình thành dòng điện nền (base current) Kết quả là transistor ngắt lý tƣởng, không có kết nối giữa cực C và cực E Điều đó có thể đƣợc xác định là transistor có dẫn điện hay không bằng cách đo điện áp trên giữa cực C và mass Chỉ số thể hiện giá trị điện áp nguồn 24 Hình 1-17: Transistor sử dụng như một chuyển mạch Hình 1-17(b) biểu diễn sự phân cực thuận của mối nối B-E khi cực B nối với điện. .. Rectifier (SCR - bộ nắn điện silicon) Một dạng tải sử dụng nguồn DC là động cơ DC Động cơ DC thƣờng đƣợc dùng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ chính xác và mômen xoắn không đổi Sự điều chỉnh hay thay đổi tốc độ hoặc mô men xoắn của động cơ DC xác định bằng cách thay đổi giá trị điện áp đặt vào động cơ Tăng điện áp nguồn có thể làm động cơ tăng tốc độ hay mô men xoắn bằng cách rút dòng Giảm điện áp nguồn sẽ...Công thức điện áp ngõ ra của mạch điện trên có thể đƣợc chứng minh đơn giản nhƣ sau: Áp dụng định luật K1 tại VG ta có: I1 + I2 + I3 = IF Ta có VG = 0 V = V+ Nên Bảng 1-2 cung cấp ví dụ về bộ khuếch đại cộng đảo nhiều giá trị điện áp ngõ vào Bảng 1-2 10 1.2.3 Bộ khuếch đại không đảo: Một số ứng dụng đòi hỏi tín hiệu ngõ ra bộ khuếch đại phải cùng pha... ngõ ra Điện áp ngõ vào đảo > điện áp ngõ vào không đảo = điện áp dƣơng ngõ ra Điện áp ngõ vào đảo = điện áp ngõ vào không đảo = điện áp ngõ ra bằng 0 Bảng 1-4 cho ví dụ về các hoạt động của op-apm nhƣ là một bộ so sánh với nhiều điện áp ngõ vào Bảng 1-4: Hoạt động của bộ so sánh Op Amp Có rất nhiều Op amp có thể dùng để hoạt động tốt nhƣ một mạch so sánh, các IC op amp thông dụng nhƣ 741, TL081, TL082,…Tuy . bỗng dƣng xung quanh ta không còn chiếc tivi, máy vi tính, máy điện thoại, nồi cơm điện, máy điều hòa hay một cái máy quạt…thì cuộc sống bỗng trở nên “khó khăn” hơn đến mức nào?! Tuy nhiên mặc. cơ bản, nền tảng và đƣợc trình bày sao cho dễ đọc, dễ hiểu và không quá trừu tƣợng. Mặc dù nội dung không chuyên sâu nhƣng qua quyển sách ngƣời đọc có thể hiểu đƣợc những linh kiện cơ bản, các. của op-amp là có thể khuếch đại điện áp khoảng 200,000 lần. Tuy nhiên, điện áp ngõ ra không thể vƣợt quá 80 phần trăm điện áp nguồn cung cấp. Ví dụ, điện áp tối đa ở ngõ ra của op-amp ở hình