Giáo trình bảo dưỡng kỹ thuật điện tử phần 1

Chương MỞ ĐẦU Kỹ thuật điện tử tin học ngành mũi nhọn phát triển Trong khoảng thời gian tương đối ngắn (so với ngành khoa học khác), từ đời tranzito (1948), có tiến nhảy vọt, mang lại nhiều thay đối lớn sâu sắc hầu hết lĩnh vực đời sống, dần trở thành công cụ quan trọng cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà điểm trung tâm tự động hóa phần hồn tồn, tin học hố, phương pháp cơng nghệ vật liệu mới) Để bước đầu làm quen với vấn đề ngành mang ý nghĩa đại cương, chương mở đầu đề cập tới khái niệm sở nhập môn giới thiệu cấu trúc hệ thống điện tử điển hình 1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 1.1.1 Điện áp dịng điện Có hai khái niệm định lượng mạch điện Chúng cho phép xác định trạng thái điện điểm, phận khác vào thời điểm khác mạch điện chúng gọi thông số trạng thái mạch điện Khái niệm điện áp rút từ khái niệm điện vật lý, hiệu số điện hai điểm khác mạch điện Thường điểm mạch chọn làm điểm gốc có điện (điểm nối đất) Khi đó, điện điểm khác mạch có giá trị âm hay dương mang so sánh với điểm gốc hiểu điện áp điểm tương ứng Tổng quát hơn, điện áp hai điểm A B mạch (ký hiệu UAB)xác định bởi: UAB = VA - VB = -UBA Với VA VB điện A B so với gốc (điểm nói đất hay cịn gọi nối mát) Khái niệm dòng điện biểu trạng thái chuyển động hạt mang điện vật chất tác động trường hay tồn gradien nồng độ hạt theo khơng gian Dịng điện mạch có chiều chuyển động từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, từ nơi có mật độ hạt tích điện dương cao đến nơi có mật độ hạt tích điện dương thấp ngược với chiều chuyển động điện tử Từ khái niệm nêu trên, cần rút nhận xét quan trọng sau: a) Điện áp đo hai điểm khác mạch dòng điện xác định điểm mạch b) Để bảo tồn điện tích, tổng giá trị dòng điện vào điểm mạch ln tổng giá trị dịng điện khỏi điểm (quy tắc nút với dịng điện) Từ suy ra, đoạn mạch gồm phần tử nối tiếp dịng điện điểm Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark c) Điện áp hai điểm A B khác mạch đo theo nhánh có điện trở khác không (xem khái niệm nhánh 1.1.4) nối A B giống UAB Nghĩa điện áp đầu nhiều phần tử hay nhiều nhánh nối song song với nhau (Quy tắc vịng điện áp) 1.1.2 Tính chất điện phần tử (Ghi chú: khái niệm phần tử tổng quát, đại diện cho yếu tố cấu thành mạch điện hay tập hợp nhiều yếu tố tạo nên phận mạch điện Thông thường, phần tử linh kiện mạch) Định nghĩa: Tính chất điện phần tử mạch điện thể qua mối quan hệ tương hỗ điện áp U hai đầu dịng điện I chạy qua định nghĩa điện trở (hay điện trở phức - trở kháng) phần tử Nghĩa khái niệm điện trở gắn liền với trình biến đổi điện áp thành dòng điện ngược lại từ dòng điện thành điện áp a) Nếu mối quan hệ tỉ lệ thuận, ta có định luật ôm: U = R.I (1-1) Ở đây, R số tỷ lệ gọi điện trở phần tử phần tử tương ứng gọi điện trở Hình 1.1 Các dạng điện trở, biến trở b) Nếu điện áp phần tử tỷ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian dịng điện nó, tức : U=L dI dt (ở L số tỉ lệ) (1-2) ta có phần tử cuộn dây có giá trị điện cảm L Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark Hình 1.3 Cuộn cảm, biến áp mạch điện tử c) Nếu dòng điện phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian điện áp nó, tức là: I=C dU (ở C số tỷ lệ) dt (1-3) ta có phần tử tụ điện có giá trị điện dung C d) Ngoài quan hệ nêu trên, thực tế tồn nhiều quan hệ tương hỗ đa dạng phức tạp điện áp dòng điện phần tử Các phần tử gọi chung phần tử khơng tuyến tính có nhiều tính chất đặc biệt Điện trở chúng gọi chung điện trở phi tuyến, điển hình đốt, tranzito, thiristo đề cập tới phần tiếp sau Các tính chất quan trọng phần tử tuyến tính là: a) Đặc tuyến Vôn - Ampe (thể qua quan hệ U(I)) đường thẳng b) Tuân theo nguyên lý chồng chất Tác động tổng cộng tổng tác động riêng lẻ lên Đáp ứng tổng cộng (kết chung) tổng kết thành phần tác động thành phần gây c) Không phát sinh thành phần tần số lạ làm việc với tín hiệu xoay chiều (không gây méo phi tuyến) Đối lập với phần tử tuyến tính phần tử phi tuyến có tính chất sau: Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark Hình 1.2 Tụ điện thực tế a) Đặc tuyến VA đường cong (điện trở thay đổi theo điểm làm việc) b) Không áp dụng nguyên lý chồng chất c) Luôn phát sinh thêm tần số lạ đầu có tín hiệu xoay chiều tác động đầu vào Ứng dụng - Các phần tử tuyến tính (R, L, C), có số ứng dụng quan trọng sau: a) Điện trở thông số đặc trưng cho tượng tiêu hao lượng (chủ yếu dạng nhiệt) thơng số khơng qn tính Mức tiêu hao lượng điện trở đánh giá công suất nó, xác định bởi: P = U.I = I2R = U2/R ( 1-4) Trong đó, cuộn dây tụ điện phần tử khơng tiêu hao lượng (xét lý tưởng) có quán tính Chúng đặc trưng cho tượng tích lũy lượng từ trường hay điện trường mạch có dịng điện hay điện áp biến thiên qua chúng Ở đây, tốc độ biến đổi thông số trạng thái (điện áp, dịng điện) có vai trị định giá trị trở kháng chúng, nghĩa chúng có điện trở phụ thuộc Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark vào tần số (vào tốc độ biến đổi điện áp hay dòng điện tính đơn vị thời gian) Với tụ điện, từ hệ thức (1-3), dung kháng giảm tăng tần số ngược lại với cuộn dây, từ (1-2) cảm kháng tăng theo tần số b) Giá trị điện trở tổng cộng nhiều điện trở nối tiếp lớn có tính chất cộng tuyến tính Điện dẫn (là giá trị nghịch đảo điện trở) nhiều điện trở nối song song lớn điện dẫn riêng rẽ có tính chất cộng tuyến tính Hệ là: - Có thể thực việc chia nhỏ điện áp (hay dòng điện) hay gọi thực việc dịch mức điện (hay mức đòng điện) điểm khác mạch cách nối nối tiếp (hay song song) điện trở - Trong cách nối nối tiếp, điện trở lớn định giá trị chung dãy Ngược lại, cách nối song song, điện trở nhỏ có vai trị định Việc nối nối tiếp {hay song song) cuộn dây dẫn tới kết tương tự điện trở: làm tăng (hay giảm) trị số điện cảm chung Đối với tụ điện, nối song song chúng, điện dung tổng cộng tăng: Css = C1 + C2 + … Cn (1-5) nối nối tiếp, điện dung tổng cộng giảm: 1/Cnt = 1/C1+ 1/C2 +…+ 1/Cn (1-6) c) Nếu nối nối tiếp hay song song R với L C nhận kết cấu mạch có tính chất chọn lọc tần số (trở kháng chung phụ thuộc vào tần số gọi mạch lọc tần số) d) Nếu nối nối tiếp hay song song L với C dẫn tới kết cấu mạch vừa có tính chất chọn lọc tần số, vừa có khả thực q trình trao đổi qua lại hai dạng lượng điện - từ trường, tức kết cấu có khả phát sinh dao động điện áp hay dòng điện ban đầu nguồn lượng ngồi kích thích, (vấn đề gặp mục 2.4) 1.1.3 Nguồn điện áp nguồn dòng điện a) Nếu phần tử tự hay chịu tác động khơng có chất điện từ,có khả tạo điện áp hay dịng điện điểm mạch điện gọi nguồn sức điện động (s.đ.đ) Hai thông số đặc trưng cho nguồn s.đ.đ : - Giá trị điện áp hai đầu lúc hở mạch (khi khơng nối với phần tử khác từ đến hai đầu nó) gọi điện áp lúc hở mạch nguồn kí hiệu Uhm - Giá trị dịng điện nguồn đưa mạch lúc mạch dẫn điện hồn tồn: gọi giá trị dịng điện ngắn mạch nguồn kí hiệu Ingm Một nguồn s.đ.đ coi lý tưởng điện áp hay dòng điện cung cấp cho mạch ngồi khơng phụ thuộc vào tính chất mạch ngồi (mạch tải) Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark b) Trên thực tế, với tải có giá trị khác nhau, điện áp hai đầu nguồn hay dòng điện cung cấp có giá trị khác phụ thuộc vào tải Điều chứng tỏ bên nguồn có xảy q trình biến đổi dịng điện cung cấp thành giảm áp nó, nghĩa tồn giá trị điện trở bên gọi điện trở trongcủa nguồn kí hiệu Rng Rng = Uhm Ingm (1-7) Nếu gọi U I giá trị điện áp dòng điện nguồn cung cấp có tải hữu hạn < Rt< ∞ thì: R ng = Uhm - U I (1-8) Ingm = U +I R ng (1-9) Từ (l-7) (l-8) suy ra: Từ hệ thức trên, ta có nhận xét sau: Nếu Rng→ từ hệ thức (1-8) ta có U → Uhm nguồn s.đ.đ nguồn điện áp lý tưởng Nói cách khác nguồn điện áp gần lí tưởng điện trở Rng có giá trị nhỏ Nếu Rng → ∞, từ hệ thức (1-9) ta có I → Ingm nguồn sđđ có dạng nguồn dịng điện lí tưởng hay nguồn dịng điện gần lí tưởng Rng lớn Một nguồn s.đ.đ thực tế coi nguồn điện áp hay nguồn dịng điện tùy theo chất cấu tạo để giá trị Rng nhỏ hay lớn Việc đánh giá Rng tùy thuộc tương quan với giá trị điện trở toàn phần mạch tải nối tới hai đầu nguồn xuất phát từ hệ thức (1-8) (l-9) có hai cách biểu diễn kí hiệu nguồn (sđđ) thực tế hình 1.1 a b Một phận mạch có chứa nguồn, khơng có liên hệ hỗ cảm với phần lại mạch mà nối với phần lại hai điểm, ln thay nguồn tương đương với điện trở điện trở tương đương phận mạch xét Trường hợp riêng, phận mạch bao gồm nhiều nguồn điện áp nối với nhiều điện trở theo cách bất kì, có đầu thay nguồn điện áp tương đương với điện trở tương đương (định lí nguồn tương đương Tevơnin) Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark Hình 1.4 a) Biểu diễn tương đương nguồn điện áp; b) nguồn dòng điện 1.1.4 Biểu diễn mạch điện kí hiệu hình vẽ (sơ đồ) Có nhiều cách biểu diễn mạch điện tử, đơn giản thuận lợi cách biểu diễn sơ đồ gồm tập hợp kí hiệu quy ước hay kí hiệu tương đương phần tử nối với theo cách (nối tiếp, song song, hỗn hợp nối tiếp song song hay phối ghép thích hợp) nhờ đường nối có điện trở Khi biểu diễn vậy, xuất vài yếu tố hình học cần làm rõ khái niệm là: · Nhánh (của sơ đồ mạch) phận sơ đồ, bao gồm phần tử nối nối tiếp nhau, qua có dịng điện · Nút điểm mạch chung cho từ ba nhánh trở lên · Vòng phần mạch bao gồm số nút nhánh lập thành đường kín mà dọc theo nhánh nút phải gặp lần (trừ nút chọn làm điểm xuất phát) · Cây phần mạch bao gồm toàn số nút nhánh nối nút khơng tạo nên vịng kín Các nhánh gọi nhánh cây, nhánh lại mạch không thuộc gọi bù Các yếu tố nêu sử dụng đặc biệt thuận lợi cần phân tích tính tốn mạch sơ đồ Người ta biểu diễn mạch gọn sơ đồ gồm nhiều khối có đường liên hệ với Mỗi khối bao gồm nhóm phần tử liên kết với để thực nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể rõ (nhưng không cụ thể cách thức liên kết bên khối) Đó cách biểu diễn mạch sơ đồ khối rút gọn, qua dễ dàng hình dung tổng quát hoạt động toàn hệ thống mạch điện tử Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 1.2 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU Tin tức tín hiệu hai khái niệm kĩ thuật điện tử tin học, đối tượng mà hệ thống mạch điện tử có chức công cụ vật chất kĩ thuật nhằm tạo ra, gia cơng xử lí hay nói chung nhằm chuyển đổi dạng lượng để giải mục tiêu kĩ thuật định 1.2.2 Tin tức hiểu nội dung chứa đựng bên kiện, biến cố hay trình (gọi nguồn tin) Trong hoạt động đa dạng người, từ lâu hình thành nhu cấu trao đồi tin tức theo hai chiêu: không gian biến cố xảy nơi A cần nhanh chóng biết nơi ngồi A thời gian: biến cố xảy vào lúc to cần lưu giữ lại để biết vào lúc to + T với khả T "∞, nhu cầu thỏa mãn phát triển nhiều hình thức phương tiện vật phù hợp với trình độ phát triển xã hội (kí hiệu, tiếng nói, chữ viết hay phương tiện tải tin khác nhau) Gần đây, phát triển tiến nhanh chóng kĩ thuật điện tử, nhu cầu ngày thỏa mãn sâu sắc điều kiện bùng nổ thông tin xã hội đại Tính chất quan trọng tin tức mang ý nghĩa xác suất thống kê, thể mặt sau: a) Nội dung chứa kiện có ý nghĩa lớn (ta nói kiện có lượng tin tức cao) xảy bầt ngờ, chờ đợi Nghĩa lượng tin có độ lớn tỉ lệ với độ bất ngờ hay tỉ lệ ngược với xác suất xuất kiện dùng xác suất mức đo lượng tin tức b) Mặc đù nhận "nội dung" kiện đó, hầu hết trường hợp, người ta khẳng đinh tính chắn, xác thực với độ tin cậy Mức độ chắn cao nội dung lặp lại (về bản) nhiều lần, nghĩa tin tức cịn có tính chất trung bình thống kê phụ thuộc vào mức độ hỗn loạn nguồn tin, môi trường (kênh) truyền tin vào nơi nhận tin, vào tất khả gây sai lầm hệ thống thơng tin Người ta dùng Entropy để đánh giá lượng tin thông qua giá trị entropy riêng rẽ nguồn tin, kênh truyền tin nơi nhận tin c) Tin tức không tự nhiên sinh mà biểu trình chuyền hóa lượng hay q trình trao đổi lượng hai dạng vật chất trường Phần lớn q trình mang tính ngẫu nhiên tn theo quy luật phân bố lí thuyết xác suất thống kê Tuy nhiên thấy rằng, hệ thống có lượng ổn định, mức độ trật tự cao khó thu thập tin tức từ ngược lại Cơ sở tốn học để đánh giá định lượng nhận xét trình bày giáo trình chun ngành lí thuyết thơng tin 1.2.3 Tín hiệu khái niệm để mơ tả biểu vật lý tin tức Các biểu đa dạng thường phân chia thành hai nhóm: có chất điện từ khơng có chất điện từ Tuy nhiên, dạng cuối thường gặp hệ thống điện tử, thể qua thơng số trạng thái điện áp hay địng điện, có chất điện từ Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark · Có thể coi tín hiệu nói chung (dù dạng nào) đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian biểu diễn dạng hàm số hay đồ thị theo thời gian thích hợp · Nếu biểu thức theo thời gian tín hiệu s(t) thỏa mãn điều kiện: s(t) = s(t + T) (1- 10) Với t T số s(t) gọi tín hiệu tuần hồn theo thời gian Giá trị nhỏ tập {T} thỏa mãn (1-10) gọi chu kỳ s(t) Nếu không tồn giá trị hữu hạn T thỏa mãn (1-10) ta có s(t) tín hiệu khơng tuần hồn Dao động hình sin (h.1.2) dạng đặc trưng tín hiệu tuần hồn, có biểu thức dạng s(t) = Acos(ωt-φ) (1-11) Hình 1.5 Tín hiệu hình sin tham số (1-11) A, ω, φ số gọi biên độ, tần số góc góc pha ban đầu s(t), có mối liên hệ ω , T f sau : ω= 2π ;f = T T (1-12) · Cũng chia tín hiệu theo cách khác thành hai dạng biến thiên liên tục theo thời gian (tín hiệu tương tự - analog) hay biến thiên không liên tục theo thời gian (tín hiệu xung số - digital) Theo đó, có hai dạng mạch điện tử làm việc (gia cơng xử lí) với loại Các dạng tín hiệu vừa nêu trên, có biếu thức s(t) hay đồ thị biểu diễn xác định, gọi loại tín hiệu xác định rõ ràng Ngồi ra, cịn lớp tín hiệu mang tính ngẫu nhiên xác định chúng qua phép lấy mẫu nhiều lần nhờ quy luật phân bố xác suất thống kê, gọi tín hiệu ngẫu nhiên Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark Hình 1.6 Các dạng xung thường gặp 1.2.4 Các tính chất tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian τ a) Độ dài trị trung bình tín hiệu Độ dài tín hiệu khoảng thời gian tồn (từ lúc bắt đầu xuất đến lúc đi) Độ dài mang ý nghĩa khoảng thời gian mắc bận với tín hiệu mạch hay hệ thống điện tử Nếu thiệu s(t) xuất lúc to có độ dài t giá trị trung bình s(t), ký hiệu s(t) xác định bởi: s(t) = to+τ s(t)dt τ ∫to (1-13) b) Năng lượng, công suất trị hiệu dụng: Năng lượng Es tín hiệu s(t) xác định Es= ò to +t S2(t)dt = to ị ¥ -¥ S2(t)dt (1-14) Cơng suất trung bình s(t) thời gian tồn định nghĩa bởi: s(t) = tò to +t to s(t)dt = Es τ (1-15) Giá trị hiệu dụng s(t) định nghĩa là: Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 10 Ở miền tần thấp mạch có tụ điện nên địng điện nhanh pha so với điện áp Như dịch pha điện áp khuếch đại so với điện áp vào miền tần thấp có đặc tính vượt trước Góc dịch pha khuếch đại tống góc dịch pha tụ, góc địch pha tụ j t = arctg ωt τ t (2-186) Đặc tuyến biên độ tần số pha tần số khuếch đại miền tần thấp vẽ hình 2.77 Đường nét liền đặc tuyến xét đến ảnh hưởng tụ đường cong nét đứt hình 2.77 đặc tuyến xét đến ảnh hưởng tất tụ khuếch đại KU0 √2 a) φt π/2 f π/4 b) f Hình 2.77: ảnh hưởng tụ nối tầng đến đặc tuyến a) Biên độ - tần số b) Pha – tần số Đặc điểm công tác khuếch đại miền tần cao phụ thuộc hệ số b tranzito vào tần số tồn điện dung mặt ghép colectơ CC(E) (đối với tầng EC) nhân tố ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số khuếch đại miền tần cao Ở miền tần cao, giảm môđun hệ số tranzito tác dụng mắc rẽ điện dung CC(E) làm giảm hệ số khuếch đại Xét mức độ giảm hệ số b người ta đưa khái niệm tần số giới hạn fb tức hệ số b bị giảm lần so với giá trị bo tần số trung bình Hệ số méo tần cao MC = 1+ (ωτ C ) (2-187) : tC ác số thời gian tương đương tầng miền tần cao Góc dịch pha tầng khuếch đại gây jc = -arctgωr c Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark (2-188) 106 Đặc tuyến biên độ tần số pha tần số miền tần cao vẽ hình 2.78 Từ đồ thị ta thấy tần số tăng thl hệ số méo tần số tăng hệ số khuếch đại giảm Đặc tuyến biên độ tần số pha tần số miền tần cao tầng khuếch đại biểu thị đường nét liền hình 2.78, cịn khuếch đại biểu thị đường nét đứt với hệ số méo tần số tần cao tách hệ số méo tầng : Mc = Mc1 Mc2…Mcn (2-189) KU a) φc f - π/4 b) - π/2 f Hình 2.78: ảnh hưởng tính chất tần số tranzito đến đặc tuyến a) Biên độ - tần số; b) Pha – tần số Cịn góc dịch pha tầng góc dịch pha tầng jc = j c1 + jc2 + + jcn (2-190) Tính tốn khuếch đại miền tần cao phải đảm bảo tần số biên dải thông khuếch đại (h.2.76a) Với dải thông cho trước, nguyên tắc không bắt buộc phải lấy hai hệ số méo tần số biên biên Tính tốn dẫn tới việc chọn loại tranzito theo tần số fb xác định t b để đảm bảo hệ số méo cần thiết tầng Méo biên độ pha khuếch đại loại méo tuyến tính khơng làm thay đổi dạng tín hiệu hình sin khuếch đại Khi tín hiệu cần khuếch đại có dạng phức tạp đặc trưng phổ thành phần điều hòa méo biên độ pha khuếch đại phá vỡ tương quan tỉ lệ thành phần điều hòa biên độ pha điện áp vào Dưới ta khảo sát đặc tuyến biên độ khuếch đại Đặc tuyến biên độ phản ánh phụ thuộc biên độ điện áp Um thay đổi biên độ điện áp vào Em Dạng điển hình đặc tuyến biên độ vẽ hình 2.79 (vẽ với tín hiệu vào hình sin tần số trung bình) Đặc tuyến cho biết giới hạn thay đổi tín hiệu vào khuếch đại Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 107 Từ đồ thị ta thấy đoạn 1-3 quan hệ điện áp vào tỉ lệ thuận Đặc tuyến biên độ không qua gốc tọa độ đầu có điện áp nhiễu ồn thân khuếch đại Đoạn điểm đặc tuyến khơng dùng tín hiệu có ích khó phân biệt với điện áp nhiễu ồn thân khuếch đại Dựa vào trị số Umin/Ko người ta đánh giá mức điện áp tín hiệu vào tối thiểu (độ nhạy) khuếch đại Khi đạt giá trị tín hiệu vào Em đó, ứng với điểm 3, phụ thuộc tỉ lệ điện áp vào bị phá vỡ Nguyên nhân hạn chế điện áp cực đại hai nửa chu kì tín hiệu vào mức khơng đổi Sự hạn chế thường tầng cuối khuếch đại làm việc với tín hiệu vào lớn Muốn có biên độ điện áp lớn phải chọn điểm làm việc tĩnh tầng đường tải xoay chiều Hình 2.79: Đặc tuyến biên độ khuếch đại Tỷ số biên độ điện áp cho phép cực đại cực tiểu gọi dải động khuếch đại, kí hiệu : D = Umax/Umin Khi tín hiệu vào hình sin tín hiệu đầu khuếch đại khơng thể coi hình sin túy Do tính không đường thẳng đặc tuyến V - A vào tranzito làm méo dạng điện áp ra, gọi méo không đường thẳng, (xem 2.3.1) b - Ghép tầng bàng biến áp (1) Ở phần ta trình bày khuếch đại ghép tầng điện dung cách chi tiết trường hợp chung sử dụng lộng rãi Ở phần nêu lên đặc điểm khác biệt tầng ghép biến áp so với tầng ghép điện dung Hơn vấn đề ghép biến áp cịn đề cặp tới phần khuếch đại cơng suất Hình 2.80a sơ đồ khuếch đại ghép biến áp (linh kiện ghép tầng biến áp) Cuộn sơ cấp (W 1) mắc vào bazơ tranzito T2 qua tụ Cp2 Ghép tầng biến áp khơng cách li tầng dịng chiều, mà làm tăng hệ số khuếch đại chung điện áp (dòng điện) tùy thuộc vào biến áp tăng (hay giảm) áp Do điện trở chiều cuộn sơ cấp biến áp nhỏ, hạ áp chiều nhỏ, nghĩa tồn điện áp nguồn cung cấp đưa tới colectơ tranzito Điều cho phép dùng nguồn điện áp thấp, ngồi tầng ghép biến áp dễ dàng thực phối hợp trở kháng thay đối cực tính điện áp tín hiệu cuộn dây Tuy nhiên có nhược điểm đặc tuyến tần số không phẳng dải tần Trong chế độ phối hợp trở kháng tầng tải xoay chiều tầng tính theo : Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 108 R’t = Rr1 (2-191) có tính trở (đường chấm chấm hình 2.80a) cảm kháng cuộn sơ cấp tần số tín hiệu wL1 >>R’t (ở L1 điện cảm cuộn sơ cấp) Méo tần số khuếch đại ghép biến áp cuộn dây biến áp tụ Cp1 Cp2, CE, CCE gây Sơ đồ tương đương khuếch đại vẽ hình 2.80b ảnh hưởng tầng đầu khuếch đại thể sơ đồ tương đương điện dung CCE Còn tầng hai thể Rt’ tải phản ánh từ thứ cấp sơ cấp Hình 2.80c vẽ đặc tuyến tần số khuếch đại ghép biến áp Ở miền tần số trung bình hệ số khuếch đại thực tế không phụ thuộc vào tần số trở kháng điện cảm dị nhỏ nên khơng ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu tải Ngồi dung kháng CCE, C2 cảm kháng L1 đủ lớn, tác dụng mắc rẽ chúng mạch tầng đầu tải không đáng kể, khơng tính đến chúng |K| K0 Df f Hình 2.80: Tầng khuếch đại ghép biến áp Sơ đồ nguyên lí, sơ đồ tương đương đặc tuyến tần số Với giả thuyết trên, ta chia sơ đồ tương đương mạch ghép tầng thành ba sơ đồ ứng với ba khoảng tần số trung bình, tần số thấp tần số cao (h.2.81) Theo sơ đồ hình 2.81a tần số trung bình tổng trở tải RT = R’t + r1 + r2 (2-192) Ở miền tần số thấp cảm kháng L1 bị giảm gây tác dụng mắc rẽ đáng kể với R’t làm cho hệ số khuếch đại giảm Ngoài dung kháng CCE C’2 lớn cảm kháng Ls1 L’s2 nhỏ so với trị số tương ứng chúng miền tần Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 109 số trung bình Cho nên sơ đồ tương đương mạch ghép có dạng hình 2.81b Với Mt wt cho trước, ta tìm điện cảm L1 tối thiều theo L1 R / ổỗ t Mt - 1ửữ è ø (2-193) : R0 = [(Rr1 + r1)(r'2 + R't)/(Rr1 + r1 + r'2 + R't)] Hình 2.81 : Sơ đồ tương đương tầng khuếch đại ghép biến áp a) tần số trung bình; b) tần thấp ; c) tần cao Ở miền tần cao điện cảm dị tăng, nên điện áp tín hiệu đưa tải R't bị giảm Ngoài tần cao làm giảm đáng kể dung kháng CCE C'2 làm giảm điện áp xoay chiều eolectơ T1 R't hệ số khuếch đại giảm Ở miền tần cao sơ đồ tương đương khuếch đại vẽ hình 2.81 Với Mc wc cho, điện cảm dị tổng xác định theo Ls £ Rr1 + r1 + r2' + R 't Mc2 - ωc (2-194) Cần ý tầng khuếch đại ghép biến áp có R’t lớn tần số miền tần cao xuất cộng hưởng (đường hình 2.80c) mạch LSC'2 định, làm đặc tuyến vồng lên 2.3.5 Khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất tầng cuối mắc với tải để nhận công suất tối ưu theo yêu cầu tải cần phải đặc biệt ý đến tiêu lượng Tầng khuếch đại cơng suất dùng tranzito lưỡng cực IC khuếch đại công suất Theo cách mắc tải, người ta chia thành tầng khuếch đại có biến áp tầng khuếch đại khơng biến áp Ba chế độ làm việc thường dùng tầng khuếch đại công suất : chế độ A, chế độ B chế độ AB (xem 2.3.1) Hình 2.82 dùng để minh họa đặc điểm chế độ ví dụ đặc tuyến tranzito theo sơ đồ EC Chế độ A dùng tầng khuếch đại cơng suất đơn, đảm bảo : tín hiệu méo hiệu suất nhỏ khoảng 20%, công suất tải không vượt vài W Trong chế độ B điểm làm việc tĩnh chọn điểm mút phải đường tài chiều Chế độ tĩnh tương ứng với điện áp UBE = Khi có tín hiệu vào, dịng colectơ xuất ứng với nửa chu kì, cịn nửa chu kì sau tranzito chế độ khóa Khi hiệu suất Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 110 lượng tầng cao (60 ¸ 70%) có khả cho cơng suất tải lớn, nhiên méo g với chế độ lớn cần khắc phục cách mắc tranzito thích hợp Chế độ AB trung gian chế độ A B đạt cách địch chuyển điếm tĩnh lên phía điểm B (h.2.82) Méo không đường thảng giảm khác nhiễu so với chế độ B IC mA IBmax · IC IB0 PA · IB =0 PAB · PB UCE V EC Hình 82: Vị trí điểm làm việc tĩnh đặc tuyến chế độ A, B, AB a- Tầng khuếch đại cơng suất có biến áp làm việc chế độ A (h.2.83) Dòng điện mạch lớn phải lưu ý chọn điện trở RE Điện trở RE thường khơng vượt q vài chục W nên khó khăn việc chọn CE để khử hồi tiếp âm dòng xoay chiều Ta khảo sát tầng khuếch đại RE = Phương pháp đồ thị giải tích dùng để tính tốn tầng khuếch đại cơng suất Số liệu ban đầu đê tính tốn cơng suất Pt điện trở tải Rt Hình 2.83: Tầng cơng suất làm việc chế độ A ghép biến áp Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 111 IC mA Ic.ϕ IBmax O Pc.cp · IB0 P · IC0 IB =0 · UC UCE V EC Hình 2.84: Đồ thị để tính tốn tầng khuếch đại làm việc chế độ A, ghép biến áp Từ đồ thị hình 2.84 ta thấy đường tải chiều qua điểm EC thẳng đứng điện trở tài chiều (h.2.83) tương đối nhỏ, (là điện trở cuộn sơ cấp biến áp) Điện trở tải xoay chiều tầng quy cuộn sơ cấp Rt~ = n2(Rt + r2) + r1 » n2Rt Trong : n = W1/W hệ số biến áp, với W1, W số vòng dây, r1, r2 điện trở tương ứng cuộn sơ thứ cấp biến áp Để chọn tọa độ điểm tinh UCEO, ICo theo cơng thức (2-119), (2-120) cần phải xác định trị số UcmIcm Các tham số tìm sau : Cơng suất xoay chiều Pr cuộn sơ cấp biến áp (công suất mạch colectơ tranzito) công suất đưa tải Pt có quan hệ : Pr = Pt ηb - a : hb - a hiệu suất biến áp (khoảng 0,8 ¸ 0,9) Trường hợp tín hiệu hình sin, cơng suất tầng có quan hệ với tham số Ucm, Icm theo Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 112 Pr = Ucm Icm U2 Ucm = cm = 2.R t ~ 2.n2 R t (2-195) từ ta có n= 2 Ucm Ucm ηηb = 2Pr Pt 2Pt R t (2-196) Chọn điện áp Ucm theo trị số UCEo (2-119) cho tầng UCEo gần Ec (h.2.82) Trị số Ucm hệ số biến áp n dùng đường tải chiều theo (2-120), Icm = Ucm /(n2Rt) Sau tìm điểm tĩnh, qua ta kẻ đường tải xoay chiều nghiêng góc xác định DUCE / DIC = Rt~ Chọn loại tranzito cần phải ý đến tham số giới hạn thỏa mãn điều kiện : Ic.cp > lc.max = Ico + Icm (2-197) UCE.cp > UCEm = UCEo + Ucm = 2Ec (2-198) Pc-cp > Pc = UCO.ICO (2-199) Theo đồ thị hình 2.84 thấy tích số UcmIcm /2 cơng suất tầng Pr, diện tích tam giác cơng suất PQR Theo giá trị Ico tìm được, xác định IBo, sau theo cơng thức (2-129), (2-130) tính Rl, R2 Hiệu suất tầng xác định : h = h c h b-a h c hiệu suất mạch colectơ Công suất tầng Pr = Ucm Icm/2 (2-200) Công suất tiêu thụ nguồn cung cấp Po = Ec Ico = UCeo.ICo (2-200) U I Pr = cm cm Po 2UCEo ICo (2-202) Hiệu suất mạch colectơ η= Từ (2-202) ta thấy tín hiệu tăng hiệu suất tăng tiến tới giới hạn 0,5 Icm = Ico ; Ucm = UCEo Công suất tiêu hao mặt ghép colectơ Pc = Po - Pr = UCEo ICo - Ucm Icm (2-203) Từ (2-203) ta thấy công suất Pc phụ thuộc vào miền tín hiệu ra, khơng có tín hiệu Pc = Po, nên chế độ nhiệt tranzito phải tính theo cơng suất Po Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 113 b- Tầng khuếch đại công suất đầy kéo chế độ B hay AB có biến áp Sơ đồ tầng khuếch đại cơng suất đầy kéo có biến áp vẽ hình 2.85, gồm hai tranzito T1 T2 Tải mắc với tầng khuếch đại qua biến áp BA2 Mạch colectơ tranzito mắc tới nửa cuộn sơ cấp biến áp Tỉ số biến áp n2 = W 21 / W t = W 22 /W t Biến áp vào BA1 có hệ số biến áp n1 = Wv/W 11 = Wv/ W 12 đảm bảo cung cấp tín hiệu vào mạch bazơ hai tranzito Trong trường hợp khuếch đại nhiều tầng Uv biến áp BA1 mắc vào mạch colectơ tầng trước theo sơ đồ khuếch đại đơn ghép biến áp (h.2.83) Tầng đẩy kéo làm việc chế độ B hay AB Trong chế độ AB thiên áp bazơ hai tranzito lấy từ nguồn Ec phân áp R1, R2 Trong chế độ B thiên áp ban đầu khơng có, nên khơng cần R1 Khi điện trở R2 dùng để đảm bảo công tác cho mạch vào tránzito chế độ gần với chế độ nguồn dịng Đầu tiên xét sơ đồ làm việc chế độ B Lúc khơng có tín hiệu vào điện áp bazơ hai tranzito emitơ chúng không Nếu không tính đến dịng điện ngược colectơ coi dịng điện tầng khuếch đại khơng Điện áp tảii không Trên colectơ tranzito có điện áp chiều điện áp nguồn Ec Khi có tín hiệu vào, nửa chu kì đương, lúc cuộn thứ cấp W 11 biến áp BA1 sê có nửa chu kì điện áp ầm điểm chung cuộn dây, cịn cuộn W 12 có nửa chu kì điện áp dương Kết tranzito T2 tiếp tục khóa có dịng Ic1 = biB1 chảy qua tranzito T1 mở Trên cuộn W 21 tạo nên điện áp U21 = íc.Rt~ = Ic1 n22 Rt Trên tải có nửa sóng điện áp dương Ut = U21/n2 Hình 2.85:Tầng đẩy kéo ghép biến áp Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 114 IC Icm UCE Ucm Hình 2.86: Đồ thị tính tầng cơng suất Khi tín hiệu vào chuyển sang nửa chu kỳ âm, cực tính điện áp cuộn thứ cấp biến ập vào đổi dấu Lúc T1 khóa, T2 mở Trên cuộn W22 có dịng điện ic = b ib chảy qua (chọn b1 = b2 = b ) tạo nên điện áp có trị số cực tính ngược lại cuộn tải Wt Trên tải có nửa sóng điện áp âm Như q trình khuếch đại tín hiệu vào thực theo hai nhịp nửa chu kỳ : nửa chu kỳ đầu có tranzito làm việc, nửa chu kỳ thứ hai thi tranzito lại làm việc Quá trình làm việc tầng khuếch đại cần giải thích đồ thị hình 2.86 nửa chu kỳ, ví dụ tranzito T1 đường tải chiều (h.2.86) xuất phát từ điểm có tọa độ (0 Ec) song song với trục dịng điện điện trở mạch colectơ gồm điện trở cuộn sơ cấp biến áp BA2 nhỏ Vì chế độ tĩnh UBeo = dòng colectơ xác định chủ yếu dịng điện ngược Đường tải xoay chiều cắt đường tải chiều điểm có tọa độ (Ico, UCE = Ec) Đường tải xoay chiều vẽ với Rt~ = n22 R t cho xác định quan hệ đặc trưng cho tiêu lượng tầng cơng suất Tín hiệu cuộn sơ cấp biến áp xác định diện tích tam giác gạch chéo (h.2.86) Pr = Ucm Icm/2 (2-204) Công suất đưa tải có tính đến cơng suất tổn hao biến áp Pt = ηb.a2 Pr (2-205) Trị số trung bình đòng tiêu thụ từ nguồn cung cấp Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 115 π I0 = 2I Icmsinθinθ = cm ò π π0 (2-206) Công suất tiêu thụ từ nguồn cung cấp P0 = 2E c Icm π (2-207) Hiệu suất mạch colectơ ηc = Pr π Ucm = Pt E (2-208) hiệu suất tầng η = ηb -a2 π Ucm Ec Hiệu suất tầng tăng tăng biên độ tín hiệu Giả thiết Ucm = Ec h b-a = h=0.785 Chú ý giá trị biên độ Ucm không vượt Ec - DUCE h b.a = 0.8 ¸ 99 hiệu suất thực tế tầng khuếch đại cơng suất kéo khống 0,6¸ 0,7 lớn gấp l,5 lần hiệu suất tầng đơn Công suất tiêu thụ mặt ghép colectơ tranzito Pc = Po - Pr = 2E c Icm - Ucm Icm π (2-209) hay Pc = 2E c Ucm U2cm - π R t ~ R t~ (2-210) Theo (2-210) cơng suất Pc phụ thuộc biên độ tín hiệu Ucm Để xác định Pcmax, lấy đạo hàm Pc theo Ucm cho không dPc 2E c Ucm = =0 dUcm π.R t~ R t ~ từ ta tìm trị số Ucm ứng với Pcmax * Ucm =2 Ec = 0.64E c π (2-211) Thay (2-211) vào (2-210) ta tìm cơng suất tiêu hao cực đại tranzito Pcmax = Ec2 π n22 R t (2-212) Việc chọn tranzitơ theo điện áp cần phải ý hình thành 1/2 sóng điện áp 1/2 cuộn W 1/2 cuộn W cịn lại hình thành điện áp cộng với điện áp nguồn Ec để xác định điện áp ngược cho tranzito khóa Trị số Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 116 điện áp ngược đặt tranzito 2Ec Xuất phát từ trị số để chọn tranzito theo điện áp Trong chế độ B, dòng điện chảy qua tranzito 1/2 chu kỳ thích hợp chọn tranzito dòng điện dựa vào Icm (h.2.84) Do với loại tranzito tầng đẩy kéo đảm bào công suất tải lớn tầng đơn IB T1 UBE t T2 Hình 2.87: Ảnh hưởng độ không đường thắng đặc tuyến vào tranzito đến méo dạng tín hiệu chế độ IB T1 UBE t T2 Hình 2.88: Giảm méo khơng đường thẳng chế độ AB Tuy nhiên chế độ B, thiên áp ban đầu không nên méo không đường thẳng điện áp lớn Nguyên nhân tính không đường thẳng đoạn đầu đặc tuyến vào tranzito dịng bazơ nhỏ, tượng méo gốc vẽ Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 117 hình 2.87 Ở đặc tuyến vào hai tranzito vẽ chung đồ thị Từ hình 2.87 thấy rõ Uv hình sin dạng iB1 iB2 bị méo phần gần gốc ứng với dịng IB nhỏ Do dạng dòng ic1,ic2 điện áp bị méo Trong chế độ A nguyên nhân không xuất dịng bazơ tĩnh đủ lớn loại trừ vùng làm việc đoạn đầu đặc tuyến vào tranzito Muốn giảm méo mạch bazơ hai tranzito, người ta đưa thêm điện trở phụ (ví dụ R2 hình 2.85) để chuyển chế độ cơng tác nguồn tín hiệu gần tới chế độ nguồn dịng làm giảm ảnh hưởng độ khơng tuyến tính đặc tuyến vào tranzito Tuy nhiên eo hạ áp điện trở phụ dông iB chảy qua nên làm giảm hệ số khuếch đại tầng Để giảm méo triệt để tầng đẩy kéo chuyển sang làm việc chế độ AB Thiên áp ban đầu xác định nhờ điện trở R1, R2 (h.2.85) Đặc tuyến vào, hai tranzito có ý đến thiên áp UBO vẽ chung đồ thị hình 2.88 Chọn UBO dịng IBo, ICo khơng lớn lắm, nên thực tế chúng không ảnh hưởng đến tiêu lượng sơ đồ so với tầng làm việc chế độ B Vì cơng thức dùng chế độ B cho chế độ AB ' c - Năng khuếch đại công suất đẩy kéo khơng có biến áp Tầng cơng suất đẩy kéo làm việc theo sơ đồ khơng biến áp ra, nhờ giảm kích thước, trọng lượng, giá thành, nâng cao tiêu chất lượng dễ dàng việc dùng vi mạch Sơ đồ tầng khơng biến áp cho hình 2.89 Có hai phương pháp mắc tải tương ứng hai phương pháp cung cấp điện áp chiều ; · Theo phương pháp thứ (h.2.89a, c) tăng cung cấp hai nguồn Ec1 Ec2 có điểm chung gọi kiểu cung cấp song song, tải mắc điểm nối E C tranzito điểm chung nguồn cung cấp tranzito T1, T2 làm việc chế độ AB cách chọn điện trở R1 ¸ R4 thích hợp Điều khiển tranzito hai nguồn tín hiệu vào ngược pha Uv1 Uv2 lấy từ tầng đảo pha trước cuối · Theo phương pháp thứ hai (h.2.89 b,d), tầng cung cấp nguồn chung (gọi cung cấp nối tiếp), cịn tải mắc qua tụ có điện dung đủ lớn Khi khơng có tín hiệu tụ C nạp điện tới tri số 0,5Ec Nếu T1 làm việc, T2 tắt tụ C đóng vai trị nguồn cho tải Cịn T2 làm việc dịng tải chạy qua nguồn cung cấp Ec Khi dịng ic2 chạy qua tụ C tích trữ lượng cho bù lại phần lượng đưa vào tải nửa chu kỳ trước Trong sơ đồ (h.2.89c, d), người ta dùng hai tranzito khác loại pnp npn, nên khơng cần hai tín hiệu vào ngược pha Ứng với 1/2 chu kỳ dương tín hiệu T1 làm việc, T2 khóa, cịn ứng với 1/2 chu kỳ âm tín hiệu ngược lại Nếu so sánh với sơ đồ tầng cơng suất có biến áp ra, thấy hình 2.85 cơng suất (UcmIcm)/2 gần trị số U cm / 2n22 Rt Nói khác đi, cách thay đổi hệ số biến áp, cách tương đối đơn giản, ta nhận cơng suất u cầu cho trước tải chọn Còn sơ đồ (h.2.89) điều khó / (2 Rt ) Khả để có cơng thực công suất tải xác định U cm suất yêu cầu với điện trở Rt cho trước, trường hợp Ucm định, ( ) Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 118 nghĩa phải ý đến điện áp nguồn cung cấp Khi Rt nhỏ khơng đủ tải điện áp cịn Rt lớn khơng đủ tải dịng điện Hình 2.89: Mạch đẩy kéo khơng biến áp Tất sơ đồ tầng đẩy kéo yêu cầu chọn cặp tranzito có tham số giống nhau, đặc biệt hệ số truyền đạt b Với mạch hình 2.89 c) d), cần ý tới vài nhận xét thực tế quan trọng sau : Để áp chế độ AB cho cặp tranzito T1, T2 cần có hai nguồn điện áp phụ chiều U1 U2 phân cực cho chúng hình 2.90 Các điện áp tạo cách sử dụng hai điện áp thuận rơi điôt Đ1 Đ2 loại silic để có tổng điện áp điểm B1B2 UB1B2 = + (1,1 ¸ 1,2)V có hệ số nhiệt độ âm (-1mV/0C) Việc trì địng điện tĩnh IBO ổn định (ở chế độ AB) dải nhiệt độ rộng đạt nhờ tác dụng bù nhiệt cặp Đ1Đ2 với hệ số nhiệt dương dòng tĩnh T1 T2 nhờ sử dụng thêm điện trở hồi tiếp âm R1, R2 < Rt Ngoài ra, điện trở vi phân lúc mở Đ1Đ2 đủ nhỏ nên mạch vào không làm tổn hao cơng suất tín hiệu, góp phần nâng cao hiệu suất tầng Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 119 Hình 2.90: Tầng đẩy kéo không biến áp chế độ AB dùng điơt ổn định nhiệt · Khi cần có cơng suất lớn, người ta thường sử dụng tầng cặp tranzito kiểu Darlingtơn hình 2.91 (a) (b) Lúc đó, cặp Darlingtơn coi tranzito mới, chức mạch T1 T2 định cịn T’1 T’2 có tác dụng khuếch đại dịng Các thơng số mạch hình 2.91a : Hệ số khuếch đại dòng điện b = b1 b1' Điện trở vào rBE = 2rBE1 Điện trở rCE = 2/3rCE’1 mạch hình (2.91b) : b = b b 2' ; rBE = 2rBE2; rCE = 1/2rCE’2 Ở điện trở R đưa vào có tác dụng tạo sụt áp UR » 0,4V điều khiển mở T’1, T’2 lúc dòng đủ lớn chuyển chúng từ mở sang khóa nhanh Hình 2.91 : Các cặp tranzito mắc kiểu Darlingtơn (a) Dạng sơ đồ Darlingtơn thường ; (b) Dạng sơ đồ Darlingtơn bù Please purchase PDF Split-Merge on www.verypdf.com to remove this watermark 120 ... trình dẫn nạp có coi dịng điện hàm biến điện áp I1 = f(U1 , U2) = g 11 U1 + g12 U2 I2 = f(U1 , U2) = g 21 U1 + g22 U2 Cặp phương trình hỗn hợp U1 = f(I1 , U2) h 11 h12 I1 U2 = f(I1 , U2) h 21. .. ∆U1 = ∆I1 [rE + (1- a)rB] hay h 11 = ∆U1/∆I1 = [rE + (1- a)rB ] với mạch đầu : ∆I2 = a.∆I1 a = h 21 ∆I1 = Dịng mạch ∆I2 = ∆U2 /(rC(B)+ rB) ≈ ∆U2 /τC(B) h22 = 1/ r c(B) ∆U1 = ∆I2.rB nên ta có h12... thường dùng cặp phương trình tuyến tính sau: Cặp phương trình trở kháng có coi điện áp hàm, dịng điện biến có dạng sau: U1 = f(I1 , I2) = r 11 I1 + r12 I2 U2 = f(I1 , I2) = r 21 I1 + r22 I2 Please purchase