1 Chương 5: MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT TRẠNG THÁI ỔN Đ Ị NH Đây là loại mạch có một trạng thái ổn đ ị nh bền. Trạng thái thứ hai của nó ch ỉ ổ n đ ị nh trong một khoảng thời gian nhất đ ị nh nào đó (phụ thuộc vào tham số của m ạ ch) sau đó mạch lại quay về trạng thái ổn đ ị nh bền ban đầu. Vì thế, mạch còn có tên là trigơ một trạng thái ổn đ ị nh hay đa hài đợi hay đơn giản hơn là mạch rơ le thời gian. 3.3.1. Đa hài đ ợ i dùng tranzito Hình 3.17a ch ỉ ra mạch điện nguyên lí và hình 3.17b là giản đồ đlện áp - t h ờ i gian minh họa nguyên lí hoạt động của mạch đa hài đợi dùng tranzito. Hình 3.17: Mạch điện nguyên lý đa hài đợi dùng tranzito (a), giản đồ thời gian qua b ố n điểm đo U vào ; U B1 ; U B2 ; U ra (b) Thực chất mạch hình 3.17a là một trigơ RS, trong đó một trong các điện trở h ồ i tiếp dương được thay bằng một tụ điện. Trạng thái ban đầu T 2 mở -T 1 khóa nhờ R, T 2 mở bão hòa làm U CE2 = U BEI = 0 nên T 1 khóa, đây là trạng thái ổn đ ị nh bền (gọi là trạng thái đ ợ i) . Lúc t = t o có xung điện áp dương ở lối vào mở T 1 , điện thế cực colectơ của T 1 giảm từ +E xuống gần bằng 0. Bước nhảy 2 điện thế này thông qua bộ lọc tần số cao RC đặt toàn bộ đến cực bazơ của T 2 làm điện thế ở đó đột biến từ mức thông (kho ả ng +0,6v) đến mức -E + 0,6v ≈ -E, do đó T 2 b ị khóa lại. Khi đó T 1 được đuy trì ở trạng thái mở nhờ mạch hồi tiếp dương R 1 R 2 ngay cả khi điện áp vào bằng 0. Tụ C (đấu qua R đến điện thế +E) bắt đầu nạp điện làm điện thế cực bazơ T 2 biến đổi theo quy luật : U B2 ≈ E [ 1 - 2exp( -t/RC )] (3-15) 210 Với điều kiện ban đầu: U B2 (T = t o ) = -E và điều kiện cuối: U B2 (T -> ∞) = E T 2 b ị khóa cho tới lúc t = t 1 (h.3.17b) khi U B2 đạt tới giá trl +0,6 khoảng thời gian này xác đ ị nh từ điều kiện U B2 (t 1 ) = 0 và quyết đ ị nh độ dài xung ra tx: t 1 - t o = tx = RCln2 = 0,7RC (3-16) Sau lúc t = t 1 , T 2 mở và quá trình hồi tiếp dương qua R 1 , R 2 đưa mạch về l ạ i trạng thái ban đầu, đợi xung vào tiếp sau (lúc t = t 2 ). Lưu ý những điều trình bày trên đúng kh i T > t x > τ x (3-17) ( τ x là độ rộng xung vào và T v là chu kì xung vào) và khi điều kiện (3-17) đ ượ c thỏa mãn thì ta luôn có chu kì xung ra T ra = T v . 3.3.2. Mạch đa hài đ ợ i dùng IC thuật toán 211 Hình 3.18: Nguyên lý mạch đa hài đợi dùng IC. Khởi động bằng cực tính dương (a), cực tính âm (c), giản đồ điện áp tương ứng (b) và (d) 212 Hình 3.18a đưa ra một dạng của sơ đồ nguyên lí mạch đa hài đợi dùng IC t hu ậ t toán và hình 3.18b là giản đồ thời gian giải thích hoạt động của mạch. Để đơn gi ả n , giả thiết IC được cung cấp từ một nguồn đối xứng ± E và khi đó U ramax = |U ramin | = U max Ban đầu lúc t < t 1 , U v = 0; D thông nối đất (bỏ qua sụt áp thuận trên điôt) do U ra = -U max từ đó U N = U c = 0. Qua mạch hồi tiếp dương R 1 R 2 , - U max đưa tới đầu vào P đ i ệ n áp U p = -βU max . (v ớ i β = R 1 R 1 + R 2 là hệ số phân áp mạch hồi tiếp). Đây là trạng thái ổn đ ị nh bền ( t r ạ ng thái đợi) của m ạ ch . Lúc t = t 1 có xung nhọn cực tính dương tới đầu vào P. Nếu biên độ thích h ợ p vượt hơn giá tr ị -βU max , sơ đồ lật sang trạng thái cân bằng không bền với U ra = +U ramax = U max và qua mạch hồi tiếp dương có U p = βU max . Sau lúc t 1 , điện áp ra U max nạp cho tụ C làm cho U c = U N dương dần cho tới lúc t=t 2 khi đó U N = βU max thì xảy ra đột biến do điện thế đầu vào vi mạch U N - U p đổi dấu, điện áp ra đổi dấu lần thứ hai U ra = -U max (lưu ý trong khoảng t 1 - t 2 , U N = U c > 0 nên điôt b ị phân cực ngược và tách khỏi m ạ ch). Tiếp đó, sau lúc t 2 tụ C phóng điện qua R hướng tới giá tr ị điện áp ra lúc đó là - U max lúc t = t 3 , U c = U n ≈ 0 điốt trở nên mở, ghim mức thế đầu vào đảo ở giá tr ị 0, mạch quay về trạng thái đợi ban đầu. Nếu xung khởi động U vào cực tính âm, có t h ể dùng sơ đồ hình 3.18c với tần số xung ra thay đối được nhờ R. Hoạt động của m ạ ch được minh họa trên đồ th ị hình 3-18d. Với 3.18a, b ta có nhận xét độ rộng xung τ x = t 2 -t 1 có liên quan tới quá trình n ạ p cho tụ C từ mức 0 tới mức -βU max . Từ đó, với giả thiết U + =|U - | = U ta có ramax ra mi n max U (t) = U (t) = U (1 − e t/RC ) (3-18) c N max 213 thay giá tr ị U c (t 1 ) = 0, U c (t 2 ) = βU max vào phương trình (3-18) ta có 1   R  τ x = t 2 − t 1 = RCln 1  = RCln  1 + 1  β R (3-19)  −   2  Gọi t 3 - t 2 = t hph là thời gian hồi phục về trạng thái ban đầu của sơ đồ, có liên quan tới quá trình phóng điện của tụ C từ mức βU max về mức 0 hướng tới lúc xác l ậ p U c (∞) = -U max xuất phát từ phương trình: U c (t) = U c (∞) - [U c (∞) - U c (0)] exp ( -t / RC) (3-20) có kết qu ả : t hph = RCln (1 + β) = RCln[1+R 1 / ( R 1 + R 2 )(3-21) 214 So sánh hai biểu thức xác đ ị nh τ x và t hph thấy do β < 1 nên τ x >> t hph . Người ta cố gắng chọn các thông số và cải tiến mạch để t hph giảm nhỏ, nâng cao độ tin cậy c ủ a mạch khi có dãy xung tác động đầu vào. Khi đó cần tuân theo điều ki ệ n : τ x + t hph < T vào = T ra (3- 22) với T v là chu kỳ dãy xung khởi động ở cửa vào. Các hệ thức (3-19) và (3-21) cho xác đ ị nh các thông số quan trọng nhất của mạch 3.18a. . bazơ T 2 biến đổi theo quy luật : U B2 ≈ E [ 1 - 2exp( -t/RC )] ( 3-1 5) 210 Với điều kiện ban đầu: U B2 (T = t o ) = -E và điều kiện cuối: U B2 (T -& gt; ∞) = E T 2 b ị khóa cho tới lúc t = t 1 (h.3.17b). τ x ( 3-1 7) ( τ x là độ rộng xung vào và T v là chu kì xung vào) và khi điều kiện ( 3-1 7) đ ượ c thỏa mãn thì ta luôn có chu kì xung ra T ra = T v . 3.3.2. Mạch đa hài đ ợ i dùng IC thuật toán 211 Hình. xác l ậ p U c (∞) = -U max xuất phát từ phương trình: U c (t) = U c (∞) - [U c (∞) - U c (0)] exp ( -t / RC) ( 3-2 0) có kết qu ả : t hph = RCln (1 + β) = RCln[1+R 1 / ( R 1 + R 2 )( 3-2 1) 214 So sánh