Bài giảng điện tử 2

LỜI NĨI ĐẦU Bài giảng mơn Điện Tử giới thiệu đến sinh viên nội dung môt loại linh kiện tích hợp (IC) dạng Analog gọi Op Amp hay Khuếch Đại Thuật Toán Op Amp mạch khuếch đại chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại cao, có ngõ vào vi sai thơng thường có ngõ đơn Trong ứng dụng thông thường, ngõ điều khiển mạch hồi tiếp âm cho xác định độ lợi ngõ ra, tổng trở ngõ vào tổng trở ngõ Hiện nay, Op Amp có ứng dụng trải rộng nhiều thiết bị điện tử từ thiết bị điện tử dân dụng đến công nghiệp khoa học Ưu điểm Op Amp có giá bán rẻ, thiết kế đại điện tử hóa chặt chẽ trước số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng tình trạng ngắn mạch đầu mà không làm hư hỏng Với thời gian 45 tiết, mơn học trình bày chương: Chương trình bày mơ hình tốn Op Amp đặc tuyến áp dụng để khảo sát nguyên tắc hoạt động Phương thức khảo sát nguyên tắc hoạt động linh kiện không đặt tảng Vật lý khảo sát môn Điện Tử cho linh kiện diode, transistor, FET Thyristor … Chương trình bày mạch ứng dụng Op Amp theo điều kiện lý tưởng Các mạch Op Amp chương cấp nguồn kép Trọng tâm chương giới thiệu phương pháp xác định quan hệ áp ngõ áp ngõ vào mạch Op Amp Cơng cụ dùng đến khảo sát phương pháp điện nút phối hợp với giả thiết Op Amp lý tưởng Chương trình bày mạch khuếch đại dùng Op Amp có hồi tiếp dùng nguồn áp DC tham chiếu Các mạch Op Amp chương cấp nguồn đơn Trọng tâm chương giới thiệu phương pháp xác định quan hệ áp ngõ vào với ngõ để mạch không tác động sai cấp nguồn đơn Chương trình bày mạch phối hợp Op Amp với diode Nội dung chương mạch chỉnh lưu bán kỳ toàn kỳ dùng Op Amp với tín hiệu sin có biên độ nhỏ Một áp dụng khác trình bày chương mạch tạo tín hiệu đồng với áp xoay chiều sin, mạch quan trong kỹ thuật tạo xung kích dẫn SCR trình bày mơn Điện Tử Cơng Suất Chương trình bày mạch tạo tín hiệu hay xung Op Amp : xung cưa, xung chữ nhựt, xung vuông Một số áp dụng khác quan tâm đến chương mạch phát ( Zero Crossing Detector) dạng Schmitt trigger linh kiện tích hợp IC 555 Chương trình bày mạch khuếch đại đo lường Op Amp Đây mạch ứng dụng thường dùng kỹ thuật đo lường đại lượng không điện dùng điện Trọng tâm chương phương pháp khử nhiểu mạch khuếch đại đo lường phương pháp hiệu chỉnh đặc tính chuyển hàm quan hệ áp ngõ mạch theo thông số vật lý cần đo lường Chương trình bày mạch áp dụng Op Amp khí cụ bảo vệ mạch điện Trọng tâm chương trình bày phương pháp phối hợp mạch Op Amp trình bày chương với linh kiện rời để thực chức hay yêu cầu định trước Sau chương từ đến sinh viên nên giải tập để lý luận áp dụng nội dung lý thuyết để hiểu rõ ứng dụng Op Amp Người Biên soạn NGUYỄN-THÊ-KIỆT BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP [ – 2010] CHƯƠNG 1.1.VỊ TRÍ OPAMP TRONG THẾ GIỚI NGÀY NAY: Năm 1934, Harry Black thường xuyên dùng xe lửa làm phương tiện di chuyển từ nhà thuộc thành phố Newyork đến làm việc phịng thí nghiệm cơng ty Bell New Jersey Trong thời gian ngồi xe lửa, Harry suy nghỉ vấn đề cần phải giải liên quan đến đường dây dài điện thoại Tín hiệu truyền đường dây cần phải khuếch đại khuếch đại không tin cậy giới hạn khả hoạt động đường dây điện thoại Đầu tiên, độ lợi khuếch đại thấp vấn đề xử lý nhanh phương pháp hiệu chỉnh Kế tiếp, khuếch đại hiệu chỉnh xác q trình sản xuất, độ lợi trơi nhiều q trình hoạt động; biên độ âm nhỏ hay tiếng nói bị sái dạng Có nhiều cải tiến hồn thiện ổn định khuếch đại, ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ điện áp nguồn cung cấp tác động lớn đến đường dây điện thoại, đưa đến tượng trơi khơng kiểm sốt độ lợi khuếch đại Các phần tử thụ động có đặc tính làm trơi độ lợi nhiều so với các phần tử tác động Đây toán cần phải giải Chính Harry tìm giải pháp vấn đề khoảng thời gian ngồi xe lửa, tuyến đường từ nhà đến văn phòng làm việc Giải nghiệm tạo khuếch đại có độ lợi lớn giá trị yêu cầu Một phần tín hiệu hồi tiếp ngõ vào, để độ lợi mạch phụ thuộc vào phần tử thụ động hồi tiếp phần tử tác động khuếch đại (mạch khuếch đại có phần tử hồi tiếp) Mạch điện gọi hồi tiếp âm, nguyên lý hoạt động tảng tất op amps đại ngày Tại thời điểm này, mạch hồi tiếp tạo chắn nhà thiết kế không để ý đến hiệu Thời gian trơi qua chứng minh suy nghĩ Harry đúng, có vấn đề mà Harry khơng giải thích tượng dao động Một mạch khuếch đại thiết kế với độ lợi vòng hở lớn đơi dao động hoạt động điều kiệnvịng kín Nhiều người nghiên cứu tìm tịi tượng bất ổn hiểu thấu đáo vấn đề vào năm 1940 Nhưng việc giải vấn đề ổn định cần nhiều thời gian để tính tốn tóan phức tạp, nhiều năm trôi qua người chưa tạo giải nghiệm đơn giản dễ hiểu Năm 1945 H.W.Bode biểu diễn hệ thống giải tích ổn định hệ thống hồi tiếp phương pháp đồ thị Cho đến nay, giải tích hồi tiếp thực phép tính nhân, chia, tính tốn hàm chuyển (transfer functions – hay hàm truyền) công việc cần nhiều thời gian cố gắng Chúng ta nên nhớ giai đoạn năm 1970, kỹ sư khơng tính tốn máy tính Giản đồ Bode biểu diễn logarit, chuyển sang phương pháp tốn học mạnh mẻ để tính toán ổn định hệ thống hồi tiếp phương pháp giải tích đồ thị đơn giản dễ hiểu Việc thiết kế hệ thống hồi tiếp cịn phức tạp, sau khơng lâu số kỹ sư điện đề nghị phương pháp dùng đến hộp đen Bất kỳ kỹ sư điện dùng phương pháp Bode xác định tính ổn định cho mạch hồi tiếp, từ áp dụng hồi tiếp cho máy móc thiết bị phát triển Thiết kế hệ thống hồi tiếp mạch điện tử thực không cần đến nhiều thời đại máy tính chuyển đổi đời Các máy tính dạng máy tính tương đồng (analog computer) Các máy tính sử dụng phương trình lập trình trước liệu nhập để tính tốn điều khiển tác động Sự lập trình kết nối với chuổi mạch nối STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT [ – 2010 ] BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP tiếp để thực thi phép tính liệu; cuối kết nối làm giãm tính thơng dụng máy tính tương tự Thành phần máy tính tương đồng linh kiện gọi khuếch đại thuật tốn (operational amplifier) cấu hình dùng thực thi phép tính: cộng, trừ, nhân, chia liệu tín hiệu ngõ vào Tên gọi tắt linh kiện khuếch đại thuật toán Op Amp Op Amp dùng để khuếch đại với độ lợi khuếch đại vòng hở giá trị lớn, khuếch đại vịng kín, khuếch đại tạo thành phép tính tốn học ghi nhận phần tử thụ động bên Các khuếch đại có kích thước lớn tạo thành từ đèn điện tử chân không cần điện áp nguồn cung cấp có giá trị cao dẫn đến giá thành cao sử dụng lãnh vực thương mại Ngày nay, máy tính tương đồng có mục tiêu tổng qt tìm thấy trường đại học phịng thí nghiệm lớn với mục tiêu nghiên cứu hoạt động Cần thực hoạt động song song tín hiệu chuyển đổi thí nghiệm Op Amps tìm phương thức ứng dụng tín hiệu Khi áp dụng tín hiệu mở rộng, yêu cầu sử dụng Op Amps phát triển, dẫn đến cần thiết máy tính tương đồng: Op Amp tiếp tục tồn tính quan trọng áp dụng analog đa Ngay máy tính số thay máy tính tương tự (khi cần đo lường theo thời gian thực) yêu cầu Op Amps gia tăng áp dụng đo lường cịn có nhu cầu Các tín hiệu tác động tạo thành đèn chân không tiếp đến transistor.Trong suốt khoảng thời gian thập niên 1950, đèn chân khơng có kích thước nhỏ hoạt động với điện áp nguồn thấp nhà sản xuất thu gọn kích thước đưa vào thiết bị dân dụng, module Op Amps lúc có tên riêng “brick” Kích thước đèn chân không linh kiện giảm dần Op Amps thu nhỏ kích thước cịn kích thước đèn octal chân khơng (đèn cực chân không) Khi cáctransistor đưa vào lãnh vực thương mại thập niên 1960, kích thước Op Amps thu gọn đến vài inches3 (1 inch3  16,4 cm3) gọi “brick” Tên gọi “brick” gọi cho module điện tử sử dụng phương pháp kết khối dùng phương pháp hổn hợp, không dùng phương pháp tạo khối dùng mạch tích hợp IC (intergrated circuit) Hầu hết Op Amps chế tạo với ứng dụng riêng, khơng có mục tiêu chung tổng qt Các IC trang bị vào năm cuối thập niên 1950 đầu thập niên 1960, thập niên 1960 nhà sản xuất Fairchild cho linh kiện Op Amp µA709 Robert J.Widler thiết kế lãnh vực thương mại Bất lợi linh kiện µA709 vấn đề ổn định, linh kiện cần bồi hoàn (bù) từ mạch Tiếp theo linh kiện µA741 Op Amps có bồi hồn bên khơng dùng mạch ngồi hoạt động theo tính hướng dẫn tài liệu kỹ thuật (data sheet) Tuy nhiên µA741 khơng chấp nhận sử dụng nhiều so với µA709 Tiếp sau phiên khác Op Amps thiết kế liên tục với đặc tính độ tin cải thiện khơng ngừng Các Op Amp ngày hoạt động ổn định dảy tần số (frequency spectrum) từ kHz đến GHz Dảy điện áp nguồn cung cấp đảm bảo cho hoạt động từ 0,9 V đến 1000 V Op Amps thật trở thành IC analog đa cho họat động dạng analog Op Amps hoạt động driver ,bộ so sánh (comparator), khuếch đại (amplifier), dời mức (level shifter) , dao động (oscilator), lọc (filter), tạo tín hiệu điều khiển, actuatordriver, nguồn dòng (current source), nguồn áp (voltage source) áp dụng khác Vấn đề thường đặt cho người thiết kế là: cách giải nhanh chọn mạch hiệu chỉnh dùng tổ hợp từ Op Amps, cách tính nhanh thơng số cho phần tử thụ động cần thiết mạch dùng làm hàm chuyển (hàm truyền) Quá trình giải nhiều môn học: Mạch Điện Tử , Điều Khiển Tự Động Với phần trình bày tóm tắt q trình lịch sử hình thành phát triển linh kiện Op Amps, có tầm nhìn khái quát hiểu phạm vi áp dụng công dụng linh kiện Op Amps STU – KHOA CƠ KHÍ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT –TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ 2010 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP [ – 2010] 1.2.MƠ HÌNH CỦA OP AMPS: 1.2.1 MƠ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI: Bộ khuếch đại linh kiện có tính làm tăng biên độ tín hiệu Thành phần khuếch đại nguồn áp phụ thuộc điện áp ngõ vào Mơ hình đơn giản khuếch đại điện áp trình bày hình H.1.1 Từ mơ hình này, rút nhận xét sau: Khi ngõ hở mạch, điện áp ngõ xác định theo quan hệ: H.1.1 v2  K.v1 (1.1) Trong đó, K hệ số nhân; gọi Độ Lợi mạch hở (Open circuit Gain) Điện trở Ri Ro gọi là: Điện trở ngõ vào Điện Trở ngõ khuếch đại Với yêu cầu hoạt động tốt cho khhuếch đại, giá trị Ri lớn giá tri Ro bé Trong khuếch đại lý tưởng, Ri =  Ro = H.1.2 Mạch tương đương Khuếch đại lý tưởng trình bày hình H.1.2 THÍ DỤ 1.1 v Cho mạch khuếch đại hình H.13 Xác định độ lợi A v  theo hai trường hợp : Vs a./ Ngõ khuếch đại hở mạch b./ Tải ngõ khuếch đại điện trở RT GIẢI a./ Trường hợp khuếch đại hở mạch ngõ ra: Áp dụng cầu phân áp mạch ngõ vào, ta có quan hệ sau:  Ri v1    Ri  R s    vs  (1.2) Suy ra: H.1.3  K.Ri v2  K.v1    Ri  R s Độ lợi điện áp Av xác định theo quan hệ:    vs  v K.Ri Av   v s Ri  R s (1.3) (1.4) Từ quan hệ (1.4) cho thấy Độ lợi (hay độ khuếch đại) điện áp mạch hở giảm thấp phụ thuộc vào giá trị nội trở Rs cuả Nguồn áp cấp đến ngõ vào khuếch đại Giá trị Rs thấp giá trị Av lớn STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP [ – 2010 ] b./ Trường hợp tải RT lắp ngõ khuếch đại: Áp dụng cầu phân áp mạch ngõ vào, ta có quan hệ sau:  Ri  v1     vs  Ri  R s  (1.5) Tương tự, áp dụng cầu phân áp mạch ngõ ra, ta có quan hệ sau: H.1.4  RT v2    RT  Ro    Kv1  (1.6) Từ (1.5) (1.6) suy quan hệ sau:  Ri   R T  v AV      v s  Ri  R s   R T  R o  (1.7) Tóm lại, theo quan hệ (1.7) cho thấy độ lợi điện áp phụ thuộc giá trị Điện trở Tải RT 1.2.2 MƠ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI LÝ TƯỞNG CĨ HỒI TIẾP: Với khuếch đại lý tưởng có mạch tương đương trình bày hình H.1.2: cấp nguồn áp vs ngõ vào khuếch đại; ngõ nối vào điện trở tải RT; điện trở hồi tiếp Rf, nối hai điểm A từ đầu ngõ vào đến điểm B đầu ngõ , xem hình H.1.5 Bây khảo sát độ lợi điện áp mạch khuếch đại có hồi tiếp Áp dụng phương pháp giải mạch dùng phương trình điện nút A, ta có: H.1.5 v1  v s v1  v2  0 Rs Rf (1.8)  1 v1    Rs Rf (1.9) Hay:  v2 v s    Rf Rs Tại B ta có: v2  K.v1 (1.10) Từ (1.9) (1.10) suy ra:  v2  K  K  vs   R  R  R   R  s f f  s Tóm lại:  K v AV    vs  R s   K       K   Rs    Rs Rf Rf   R sR f   R f   K  1 R s STU – KHOA CƠ KHÍ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT –TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ 2010 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP [ – 2010] Thu gọn ta có: v KR f AV   v s R f   K  1 R s (1.11) Đặt: B Tóm lại: Rs Rs  Rf (1.12)   B  K v AV   vs  B.K (1.13) Điều cần ý K có giá trị lớn, mặt toán học xem giá trị K  +; trường hợp giá trị độ lợi điện áp Av tiến đến giá trị sau: lim A V  lim K  K    B  K  B.K  B1  1 B B (1.14) 1.2.3 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MỘT OPAMP: Theo Tài liệu Kỹ Thuật nhà sản xuất National Semiconductor sơ đồ nguyên lý mạch điện bên trong, cấu thành IC Op Amp LM 741 trình bày hình H.1.6 Chúng ta hiểu cách đơn giản: Op Amps linh kiện tạo thành tổ hợp từ nhiều phần tử tích cực (transistor) với phần tử thụ động khác theo qui luật riêng qui định nhà sản xuất Qui luật riêng mạch điện trình bày sơ đồ nguyên lý Hình dạng thực linh kiện Op Amp LM741 trinh bày hình H.1.7, kích thước thực IC chân trình bày hình H.18 H.1.6: Sơ đồ nguyên lý (Schematic Diagram) mô tả cấu trúc bên Op Amp LM 741 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT [ – 2010 ] H.1.7 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP Đế chân IC ( DIP Socket) IC Opamp có chân H 1.8: Kích thước thực IC Op Amp chân ( tính theo đơn vị inches mm) Với IC Op Amp LM741 với kiểu vỏ DIP 300 chân đánh số thứ tự từ đến xếp theo thứ tự tứ đến theo chiếu dương lượng giác Vị trí chân qui định xếp hàng chân phía trái nhìn xuống từ phía thân IC H.1.9: Chức chân IC LM741 Vị trí chân cịn qui định theo vị trí dấu chấm phía đầu thân IC (xem hình H.1.8) Mỗi chân IC mang tên theo chức Ký hiệu biểu diễn cho IC Opamp trình bày hình H.1.10 STU – KHOA CƠ KHÍ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT –TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ 2010 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP [ – 2010] Năm 1968, nhà sản xuất Fairchild Semiconductor sản xuất opamp A741 với ứng dụng rộng rãi tổng quát lãnh vực thương mại Linh kiện có kiểu vỏ MINIDIP có chân DIP danh từ viết tắt từ thuật ngữ Dual In–line Packages, có nghĩa tất đầu linh kiện phía bố trí đường thẳng (các đầu phía thẳng hàng với nhau) H1.10 Khi khảo sát Opamp, cần quan tâm đến đầu sau : Đầu cấp nguồn điện DC để Opamp họat động: đầu Vcc+ đầu Vcc- Ngõ vào không đảo (noninverting input) Ngõ vào đảo (inverting input) Ngõ (output) Thơng thường đánh dấu đầu cung cấp nguồn điện để Opamp họat động ký hiệu V+ (hay Vcc+ ) ; V- (hay Vcc-) Trên ngõ vào khối Opamp, tín hiệu vào cấp ví trí có đánh dấu + ngõ vào khơng đảo; ngược lại tín hiệu cấp vào vị trí có đánh dấu – ứng với ngõ vào đảo 1.2.4 ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN TRÊN CÁC ĐẦU CỦA OP AMP: Khi khảo sát điện áp đầu Opamp, cần chọn nút làm nút điện chuẩn (0V) Trong trường hợp nút chuẩn chọn giao điểm cực dương cực âm hai nguồn DC có điện áp Vcc tạo thành nguồn kép cung cấp vào hai đầu V+ V- opamp, xem hình H1.11 Các tín hiệu điện áp cấp ngõ vào đảo không đảo opamp đấu chung đầu nút chuẩn Các quan hệ điện áp ngõ với điện áp cấp đến ngõ vào xây dựng sau: Với: vo  A.(vin   Vin  ) (1.15)  Vcc  vo  Vcc (1.16) Quan hệ (1.15) xác định điện áp ngõ theo độ chêch lệch điện áp ngõ vào opamp vin   vin   vin   Quan hệ (1.16) xác định điều kiện giới hạn điện áp ngõ A hệ số khuếch đại điện áp vòng hở Một cách tổng quát, cung cấp nguồn điện kép có giá trị Vcc cho Op Amp, điện áp ngõ vo thỏa tính chất sau: Opamp họat động theo chế độ khuếch đại tuyến tính vo  Vcc Khi giá trị vo nằm ngòai khỏang giá trị cho quan hệ (1.16), Opamp họat động theo chế độ bảo hòa Tại trạng thái điện áp ngõ vo = +Vcc (bảo hòa dương) hay vo = Vcc (bảo hòa âm) độc lập giá trị vin   vin   vin   STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ OPAMP [ – 2010 ] Đặc tính làm việc Opamp mô tả quan hệ vo theo v in  v in   v in   trình bày hình H.1.12 Đặc tính làm việc cịn gọi đặc tính chuyển điện áp (Voltage Transfer characteristic) v in  Vcc A Vcc A Chúng ta cần ý tính chất sau: với Opamp có hệ số khuếch đại điện áp vòng hở A = 10000 =104, cấp điện áp nguồn cho Opamp có giá trị Vcc = 20 V (giá trị tối đa cho phép số Opamp) giá trị tương ứng v in  v in   v in   xác định sau: V 20V vin  cc   2mV A 10000 H.1.12: Đặc tính chuyển điện áp Op Amp vin   vin   vin     Với kết thấy vùng khuếch đại tuyến tính mở rộng phạm vi vin từ - 2mV đến +2mV Lúc xem Vin+  Vin-  Vin  Vin  (1.17) Kết tìm cho thấy điều kiện thật ngõ vào opamp Vấn đề đặt làm trì điều kiện ngõ vào opamp mạch điện họat động Câu trả lời cho vấn đề là: dùng tín hiệu ngõ hồi tiếp ngõ vào đảo opamp, q trình phản hồi tín hiệu theo mơ tả gọi hồi tiếp âm; tín hiệu nhận ngõ đưa trừ với tín hiệu ngõ vào khơng đảo Bây xét đến thành phần dòng điện đầu opamp, xem hình H.1.13 Áp dụng định luật Kirchhoff ta có kết sau: iin+ + iin- + ic+ + ic- + io = (1.18) Với giả thiết ràng buộc dòng điện ngõ vào Opamp nhỏ so với dòng điện đầu khác cịn lại Opamp, có mơ hình Opamp lý tưởng với dịng điện ngõ vào triệt tiêu, iin+ = iin-  Với giả thiết cho thấy tổng trở nhập opamp có giá trị lớn Dảy giá trị tổng trở nhập từ vài trăm K đến vài ngàn M Quan hệ iin+ = iin-  áp dụng để giải tích mạch sử dụng opamp Từ giả thiết trên,quan hệ (1.18) viết lại sau: H.1.13: io    ic   ic   (1.19) Tóm lại , bỏ qua ảnh hưởng dòng điện ngõ vào opamp; dòng điện ngõ opamp tổng giá trị dòng điện từ nguồn cung cấp vào opamp STU – KHOA CƠ KHÍ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT –TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ 2010 GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] D1 OUT + C1 2200UF + C2 1000UF 1N4007 R5 1.2K 2 D3 2 1N4007 1 HEADE R IN GND 2 1N4007 D2 JP1 U1 UA7812KC 1N4007 D4 U3A 11 12 10 11 13 14011 14011 R6 1.2K R7 1.2K 2 C4 10UF K 1 + D40 LED R2 1.2K U3D 2 VR1 10K 14011 U3C D10 LED VZ 5.6 14011 VR2 10K D8 C3 100UF D9 1 + U3B 2 1 R4 1.5K D7 1N4007 R3 100K R1 1.2K 1N4007 1 - 1N4007 R8 10K U2A + LM324 HEADE R D6 2 1 1N4007 JP2 D5 D41 1N4007 21 1 R41 1.2K 2 R26 1.2K R27 1.2K 2 + VR21 10K C24 10UF R22 1.2K 1 C40 10UF 11 C23 100UF D15 VZ 5.6 D14 Q D468 D16 LED VR22 10K 1N4007 + R24 1.5K 2 R23 100K D13 1N4007 LM324 R21 1.2K + - 1N4007 HEADE R D12 U2B + 10K R28 10K 1 1N4007 JP3 D11 1 R25 1.2K RELAY DP DT 21 R40 2 R35 1.2K R38 10K 10 11 1 D22 LED R37 1.2K R36 1.2K 2 + VR31 10K C34 10UF R32 1.2K D21 VZ 5.6 D20 C33 100UF VR32 10K 1N4007 + 2 R34 1.5K D19 R33 100K R31 1.2K 1N4007 1 1N4007 + LM324 HEADE R D18 1 1N4007 JP4 D17 U2C HÌNH H7.18: Mạch bảo vệ thấp áp áp cho nguồn áp pha (mạch hoàn chỉnh) 166 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] 7.4 KHẢO SÁT MẠCH BẢO VỆ MẤT PHA: Sơ đồ khối mạch bảo vệ pha trinh bày hình H7.19 TÊN HIÃÛU ÂIÃƯU KHIÃØN PHÁT RA NGƯN ÂIÃÛN LỈÅÏI PHA CHÊNH TÊN HIÃÛU ÂIÃÛN ẠP CM BIÃÚN BÄÜ BIÃÚN ẠP PHA ÂÁÚU HÇNH V BÄÜ NGƯN CHÈNH LỈU CỌ ÄØN ẠP DC CONTROL RELAY MẢC H SO SẠN H ÂIÃÛN ẠP KHÁU TRÃØ HìNH H7.19: Sơ đồ khối mạch bảo vệ pha Các khâu thành phần mạch bảo vệ pha gồm: Bộ biến áp pha (đấu theo hình V) cảm biến áp dây nguồn pha đưa mạch so sánh điện áp, đồng thời cung cấp nguồn cho mạch bảo vệ làm việc ổn định Mạch so sánh điện áp dùng IC opamp (TL084 hay LM 324) Mạch tạo trễ, trì hỗn tín hiệu điều khiển ngắt mạch có cố pha xảy ra; tránh thao tác lầm cố thoáng qua Mạch tạo trễ dùng IC định LM555 Mạch động lực relay điện áp nhận tín hiệu điều khiển từ mạch so sánh để tác động lên cuộn dây contactor Contactor cung cấp nguồn áp 3pha đến Tải 7.4.1 KHẢO SÁT HỆ THỐNG BIẾN ÁP ĐẤU HÌNH V: C L3 B L2 B A L1 U AB N U BC * b1 * U * a2 * d1 a1b1 c1 a1 U *U c1d1 U c1c2 U a1b2 * a2b2 c2 U d2 c2d2 b2 HÌNH H7.20 : Sơ đồ đấu biến áp pha theo hình V (hay  hở) STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 167 [ – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP A Hệ thống hai biến áp pha đấu hình V ( hay  hở ) lưới pha mơ tả theo hình H7.20.Trong đó, biến áp có áp sơ cấp định mức tương ứng với áp dây nguồn áp pha Mỗi biến áp có hai dây thứ cấp: hình thành nguồn cung cấp nuôi cho mạch điện tử, cịn lại tạo tín hiệu điện áp cảm biến đưa mạch so sánh U a1b1 U a1b2 60 U a1b1 U c1d1 U a2b2 UAB U c1c2 U c1d1 60 C B U BC 60 U a2b2 U c2d2 - U c2d2 U c2d2 HÌNH H7.21: Giản đồ vector áp phía thứ cấp biến áp đấu hình V Khi nguồn pha tình ( Khi nguồn điện lưới pha ổn định) trạng ổn định không cố, đồng thời chưa xét đến tải hệ thống; giản đồ vector áp ngõ hệ thống biến áp đấu hình V trình bày hình H7.21 Chúng ta tóm tắt kết sau: Tại phía thứ cấp dây a1b1 đấu nối tiếp với dây a2b2 ; dựa vào cực tính cách đấu dây giống cực tính bơ dây phía sơ cấp suy vector áp d0ật ngang qua hai đầu a1b2 có trị số với giá trị điện áp Ua1b1 = Ua2b2 Tóm lại: KHI KHƠNG MẤT PHA : Ua1b2  Ua1b1  Ua2b2 Ngược lại dây c1d1 đấu nối tiếp ngược tính với dây c2d2 (khi so sánh tương hai dây a1b1 a2b2) ; áp dụng phép cộng vector suy vector áp đặt ngang qua hai đầu c1c2 Tóm lại ta có : KHI KHƠNG MẤT PHA : Uc1c2  3.Uc1d1  3.Uc2d2 Bây ta xét trường hợp pha xảy ra, kèm thêm điều kiện hở mạch tải (lưới điện vận hành chế độ không tải), ta chia trường hợp pha thành hai trường hợp :  Khi pha dây nguồn, dây chứa điểm nối chung hai dây sơ cấp biến áp, pha dây L3 hay dây L1 (xem hình H7.20): ta gọi trường hợp pha bìa hệ thống biến áp pha đấu hình V  Khi pha dây chứa điểm chung hai sơ cấp biến áp , ta gọi trường hợp pha xảy pha 7.4.1.1 KHẢO SÁT HỆ THỐNG NGUỒN KHI MẤT PHA BÌA VÀ HỞ MẠCH TẢI : Khi hệ thống cấp nguốn vào sơ cấp hai biến áp đấu hình V đồng thời hở mạch tải, xảy cố điện hai dây pha bìa hệ thống biến áp vận hành, biến áp cịn lại có điện áp đặt vào sơ cấp Tóm lại : Ua1b2  Ua1b1 KHI MÁÚT PHA BÇA : Ua2b2  (hay Ua1b2  Ua2b2 Uc1c2  Uc1d1 Ua1b1  0) Uc2d2  (hay Uc1c2  Uc2d2 Uc1d1  ) So sánh giá trị áp ngõ thứ cấp giửa hai trạng thái bình thường lưới lúc xảy cố pha bìa  Áp hiệu dụng Ua1b2 không đổi  Áp hiệu dụng Uc1c2 thay đổi từ giá trị 168 3.Uc1d1 xuống Uc1d1 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] 7.4.1.2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG NGUỒN KHI MẤT PHA GIỬA VÀ HỞ MẠCH TẢI : Khi hệ thống điện dây pha giửa lúc cấp nguồn vào sơ cấp hai biến áp đấu hình V hệ thống tình trạng khơng tải; hệ thống xem có biến áp đấu nối tiếp dây sơ cấp để vận hành Với điều kiện hai biến áp có cấu tạo hồn tồn giống hệt nhau, cấp cơng suất; áp dây nguồn đặt lên hai dây sơ cấp đấu nối tiếp ; gánh 1/ giá trị áp dây nguồn Điện áp ngõ dây thứ cấp biến áp giảm 1/2 giá trị so với lúc chưa pha; nhiên góc lệch pha điện áp thứ cấp thay đổi khác với lúc chưa pha Lúc đó, hai dây a1b1 a2b2 đấu nối tiếp đồng cực tính, đồng thời điện áp Ua1b1 Ua2b2 đồng pha với nhau.Suy ra, áp Ua1b2 = Ua1b1+ Ua2b2 Ngược lại hai dây c1d1 c2d2 đấu nối tiếp ngược cực tính, với giá trị Uc1d1 = Uc2d2 suy giá trị điện áp Uc1c2 = Tóm lại , pha giửa kết nhận (so với lúc chưa pha) sau :  Áp hiệu dụng Ua1b2 không đổi  Áp hiệu dụng Uc1c2 thay đổi từ giá trị 3.Uc1d1 xuống Căn vào nội dung vừa khảo sát ta dùng biến áp đấu hình V làm cảm biến để phát tình trạng pha lưới Tuy nhiên, hệ thống mang tải có cố pha, áp dây giửa dây bị pha với dây khác không giãm 0, cịn phụ thuộc vào tính chất tải (đặc biệt với phụ tải động điện, dây bị pha có điện áp tượng càm ứng sinh dây quấn động cơ) Chỉ riêng trường hợp pha dây giửa, hệ thống biến áp đấu hình V hoạt động ổn định trường hợp lưới không mang tải Do muốn thực bảo vệ pha xác , ta cần sử dụng biến áp đấu hình V ; biến áp đấu đầu chung hình V lên dây L1, L2, L3 Sơ đồ đấu dây cho biến áp cảm biến hình V mơ tả hình H7.22 L1 L2 L3 * * * * c1 d1 MẢCH SO SẠNH ÂIÃÛN AÏP (MAÛCH1) * * a * * b MAÛCH CHÈNH LỈU DC V ÄØN ẠP DC * * c2 * * * * d2 MẢCH SO SẠNH ÂIÃÛN ẠP (MẢCH 2) c3 d3 MẢCH SO SẠNH ÂIÃÛN ẠP (MẢCH 3) HÌNH H7.22: Sơ đồ đấu biến áp hình V vào lưới pha 7.4.2 SƠ ĐỒ MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP : Theo phân tích biến áp cảm biến trên, mạch bảo vệ pha hoàn chỉnh gồm có ba mạch so sánh điện áp; mạch so sánh dùng IC opamp dạng mạch mơ tả theo hình H7.23 Áp cảm biến đưa mạch so sánh điện áp thông qua trạm liên lạc JP7; điện áp lấy từ thứ cấp máy biến áp đấu hình V (trên dây c1d1 , c2d2 , c3d3 hình H7.22) Điện áp lấy so sánh dạng xoay chiều đưa qua cầu chỉnh lưu để biến đổi thành tín hiệu chiều sau dùng tụ lọc phẳng STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 169 [ – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP VCC = 12V R25F1 R20F1 100uf 10K 2 C10F1 + R21F1 D1N4007 D1N4007 22uf R32 - 10K 11 C8F1 R28F1 OUT V- 10K R22F1 + CON2 R24F1 1 + TL084 JP7 D1N4007 D1N4007 10 V+ U12C 560 1k 10k D13 DIODE ZENER1 R26F1 560 560 HÌNH H7.23: Mạch so sánh điện áp dùng IC opamp Áp chiều sau qua lọc đưa vào cầu phân áp điều chỉnh giảm thấp điện áp trước đưa vào mạch so sánh Mức áp chuẩn cấp đến hai ngõ vào Op Amp lấy qua hệ thống diode zener biến trở (ghép song song với diode zener) Công dụng biến trở dùng điều chỉnh thay đổi mức áp DC chuẩn trình cân chỉnh mạch lúc ban đầu.Phương pháp cân chỉnh mạch để vận hành tóm tắt sau:  Giả sử với giá trị điện áp Zener Vz = 5,6 V, dùng biến trở ta chỉnh định thành 5V đưa ngõ vào đảo Opamp  Khi nguồn áp pha bình thường khơng pha, giả sử áp hiệu dụng thứ cấp hai biến áp đấu hình V có giá trị 10V, đấu ngược cực tính hình thành dây c1d1 c3d3 ; áp hiệu dụng đưa vào cầu chỉnh lưu 10  17,3V Sau qua tụ lọc, với điện dung tương ứng; mức áp DC đặt vào cầu phân áp lên đến mức tối đa 17,3  24,5V  Điều chỉnh biến trở ta đặt mức áp chiều ngõ vào không đảo Op Amp 6V Như vậy, hệ thống khơng có cố pha: áp chiều nhận ngõ Op Amp đặt đến mức gần điện áp DC nguồn cấp vào Opamp 12 V Khi nguồn áp pha gặp cố pha, áp hiệu dụng đưa mạch giảm thấp xuống (thay 17,3 V) cịn 10V hay 0V tùy thuộc vào trạng thái pha Lúc mức áp cấp đến ngõ vào khơng đảo Op Amp giảm giá trị 1,73 lần (còn khỏang 3,5V) hay giảm đến mức V Bây áp DC ngõ Opamp 0V  7.4.3 MẠCH TỔNG HỢP CÁC TÍN HIỆU NGÕ RA TỪ CÁC MẠCH SO SÁNH: Tương ứng với biến áp đấu hình V, ta dùng ba mạch so sánh trên, khơng có cố cà ngõ Opamp đạt mức 12 V Trường hợp pha bị cố pha, ngõ Opamp mạch so sánh giảm đến mức V Trong trình vận hành, nên điều chỉnh mức áp DC đưa so sánh Opamp cao mức chuẩn, ngừa trường hợp điện áp nguồn giảm thấp định mức khiến mức điện áp đưa so giảm tương ứng có khả thấp mức điện áp chuẩn định diode zener Lúc mạch tác động lầm hiểu trạng thái thấp áp cố pha Thông thường, cân chỉnh ta nên chọn mức áp đưa so phải cao mức chuẩn áp nguồn lưới giảm thấp 10% , mức điện áp phải cao điện áp chuẩn Thí dụ với áp nguồn giảm thấp định mức 10% , Upha = 200V thay 220V định mức ; điện áp đưa so chọn 6V , điện áp nguồn định mức, mức điện áp đưa mạch 6,6V 170 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] Với ngõ từ Opamp, để tổng hợp tín hiệu q trình điều khiển ta dùng cổng logic AND ngõ nhập tổ hợp ghép cổng NAND theo sơ đồ hình H7.24 HÌNH H7.24: Tổ hợp cổng NAND thành cổng AND ngõ nhập 7.4.4 MẠCH TRỈ HOẢN TẠO TRỄ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN: Để phịng hờ trường hợp áp lưới thay đổi đột ngột, cố thật (sự cố thoáng qua) để tránh tình trạng mạch bảo vệ tác động lầm trước chuyển tín hiệu từ mạch tổng hợp tín hiệu đến relay trung gian hay sang mạch điều khiển khác; nên sử dụng khâu trễ dùng IC định 555 đặt ngõ mạch tổng hợp tín hiệu 1 GND 2 VCC R 1 Mạch tạo trễ trình bày hình H7.25 HÌNH H7.25: Khâu trễ dùng IC định 555 Nguyên tắc họat động khâu trể tóm tắt sau:  Khi khơng có cố pha, qua mạch tổng hợp mức áp ngõ cổng NAND sau đạt giá trị khỏang 12V Điện áp cấp vào cực Transistor Q6 Vì Q6 Transistor pnp nên ngưng dẫn  Khi Q6 ngưng dẫn, dịng điện qua cực phát có giá trị 0, không tạo điện áp rơi điện trở R23 Vì điện áp phân cực (giửa hai cực phát) transistor Q4 V, nên transistor Q4 tình trạng ngưng dẫn Mạch điện cấp nguồn cho IC 555 xem trạng thái hở, IC không họat động  Ngược lại có cố pha nguồn chính, qua mạch tổng hợp mức áp ngõ cổng NAND sau giảm đến giá trị 0V Transistor Q6 dẫn bảo hòa, tạo dòng qua cực phát tối đa Như transistor Q4 phân cực chuyển sang trạng thái dẫn bảo hòa Mạch điện cấp nguồn cho IC 555 xem kín mạch, IC định bắt đầu họat động  Sau khỏang thời gian định chỉnh trước ngõ (chân 3) IC chuyển trạng thái từ 0V sang mức điện áp gần giá trị 12 V  Nếu mạch điện xãy cố giả tạo, thời gian ngắn so với thời gian định ; IC định lưới có lại tình trạng ổn định, IC nguồn cung cấp nên không thực chức định tiếp tục Như vậy, khơng có điện áp xuất ngõ (chân 3) IC 555 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 171 GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] 7.5 MẠCH BẢO VỆ ĐẢO THỨ TỰ PHA: 7.5.1.MẠCH PHÁT HIỆN SỰ CỐ ĐẢO THỨ TỰ PHA: Muốn thực mạch phát cố đảo thứ tự pha nguồn áp pha, áp dụng mạch điện sau để phát cố đảo thứ tự pha , xem hình H7.26  V1  220 0 o  R V2 VAMPL = 311V FREQ = 50hz Các nguồn áp V1; V2; V3 nguồn xoay chiều hình sin pha thứ tự thuận Các áp phức nguồn áp viết theo dạng sau: V1 VAMPL = 311V FREQ = 50hz VAMPL = 311V FREQ = 50hz R C a R b R4 220K V3 Vout R5 10K V  220   120o  V  220   240o Biên độ điện áp V1; V2; HÌNH H7.26: Mạch phát cố đảo thứ tự pha V3 : 220  311V Áp dụng phương pháp điện nút để xác định điện áp Vout tải theo điện áp pha nguồn pha giá trị : R; C PHƯƠNG TRÌNH NÚT TẠI a : V a  V R Hay:  V a  V  j.X  c  V a  Vb R 0 2 V     V    V a   V   b   R j.X c   R  R j.X c (7.2) (7.3) PHƯƠNG TRÌNH NÚT TẠI b : Hay: Vb  V1 Vb  V a Vb   0 R R RL (7.4) 1  1  V  V a    Vb      R RL  R R (7.5) Từ quan hệ (7.3) (7.5) ta thu kết sau:   V     V    V2  V3  a b   R  R j.X c  R j.X c   1  1  V1   Va    Vb      R RL  R R Áp dụng phương pháp Cramer ta suy biểu thức xác định điện áp nút b sau: 172 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP 2      R j.X c  Vb   1    R  V V      R j.X c   V1    R   2  1        R  R j.X c  1  1  1      R  R RL   A B [ – 2009 ] (7.6) Từ (7.6) ; rút nhận xét sau: áp Vb = A = Trong đó, ta có: A Vậy:  V V      R j.X c   V   1 R   2      R j.X c   1     R  V   j.V  j     V A   .     .    R  R X   R   R X c  c       A     2X c  j.R V1  X c V  j.R.V     R X c      (7.7) Với nguồn áp pha cân ta suy quan hệ sau:   A     2X c  j.R U  X c U  120o  j.R U  240o     R X c           U  A     2X c  j.R  X c cos 120o  j sin 1200  j.R cos 240o  j sin 2400    R X c          Hay:   1 j   1 j     U     j.R      A     2X c  j.R   X c        2 2  R X  c            U   3X R   R X c   c  j   A        2   R X c        U  A     Xc  R  j Xc  R    2R X c    U  A     j Xc  R  2R X c         STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 173 [ – 2009 ] GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP Suy ra: Vb   A    Vb   X c  R  (7.8) Vb   X c  R Tóm lại: Áp tải Vout = ta có điều kiện R  X c ; điều kiện để điện áp Vout = không phụ thuộc vào điện trở tải RL Trong trường hợp nguồn áp pha không cân bằng, biên độ điện áp pha không nhau; điện áp tải RL xác định theo quan hệ (7.6) Trong hình H7.27 trình bày áp tải RL nguồn pha không cân bằng; giả sử có giá trị sau: V1  220 0o ; V  220   120o ; V3  198   240o 15V 10V 5V 0V -5V -10V -15V 0s 10ms V(R3:2) 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms V(R5:2) HÌNH H7.27: Áp nút b nguồn pha không cân ( Va = 220V ; Vb= 220V ; Vc = 198V) Biên độ áp nhận điện trở tải nút b : 10,5V ; biên độ áp nhận điện trở 22K (một phần cầu phân áp 220K 22K) khoảng :1V Tóm lại, nguồn pha không cân nút b xuất điện áp Tuy nhiên biên độ điện áp có giá trị thấp nhỏ nhiều lần so với lúc hệ thống nguồn ba pha xảy trạng thái đảo thứ tự pha xem hình H7.28 Trong hình H7.28 hoán vị thứ tự hai pha V3 V2 áp xoay chiều xuất điện trở tải có giá trị lớn Biên độ điện áp nhận điện trở 22K (trong hai điện trở tải 220K 22K) 25V Với mức điện áp cho thấy chênh lệch rõ ràng áp xuất tải nguồn xảy cố đảo thứ tự pha Chúng ta có thễ thay đổi mức điện áp xuất điện trở tải (khi có cố) cách thay đổi giá trị điện trở tải đến giá trị thích hợp hay điều chỉnh thông qua biến trở dây quấn 174 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] 300V Điện áp xuất nút b 200V 100V 0V ‐100V ‐200V Điện áp xuất điện trở 22K cầu phân áp 220K ; 22K ‐300V 0s 10ms V(R3:2) 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms V(R5:2) HÌNH H7.29: Áp nút b nguồn pha đảo thứ tự pha (pha pha đảo thứ tự) 7.5.2.CÁC KHÂU THÀNH PHẦN CỦA MẠCH BẢO VỆ ĐẢO THỨ TỰ PHA: Trong trường hợp dùng mạch phát cố theo hình H7.26; tín hiệu nhận điện trở tải đưa đến khâu thành phần bao gồm: Mạch chỉnh lưu xác dùng IC Opamp Mạch so sánh tín hiệu điện áp với điện áp chuẩn (định trước) Khâu tạo trễ Tầng đệm (Driver) relay trung gian Sơ đồ khối trình bày khâu thành phần trình bày hình H7.30 MẠCH NGUỒN CHỈNH LƯU ỔN ÁP NGUỒN ÁP LƯỚI PHA MẠCH TẠO ĐIỆN ÁP CHUẨN MẠCH PHÁT HIỆN SỰ CỐ ĐẢO THỨ TỰ PHA RELAY TRUNG GIAN MẠCH CHỈNH LƯU CHÍNH XÁC TẦNG ĐỆM (DRIVER) MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP MẠCH TẠO TRỄ HÌNH H7.30: Sơ đồ khối mạch bảo vệ đảo thứ tự pha STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 175 GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] 7.5.2.1 MẠCH CHỈNH LƯU CHÍNH XÁC: Vcc = 12V R7 2.2k R6 U1C + J3 OUT D2 DIODE - 11 - TL084 R9 10K CON2 TL084 10 11 2.2K 4 OUT R4 10k 5K 12 TL084 VR4 11 - 2.2k 11 R8 D1 DIODE 11 OUT U1B + 2.2K R5 11 4.7K Tín hiệu áp từ mạch phát đảo thứ tự pha U1A + 4 0 Vcc = -12V HÌNH H7.31: Sơ đồ mạch chỉnh lưu xác Tín hiệu điện áp lấy từ mạch phát đảo thứ tự pha; cấp vào Op Amp U1A ; mạch “voltage follower” Điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu xác dùng Op Amp U1B U1C phối hợp với điện trở R5; R6; R7; R8; VR4 diode D1; D2 7.5.2.2 MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP: Tín hiệu khỏi mạch chỉnh lưu xác cấp đến mạch so sánh điện áp, xem hình H7.32 HÌNH H7.32: Mạch so sánh điện áp phát cố đảo thứ tự pha Mạch so sánh dùng Opamp bao gồm hai tầng: Tầng tầng so sánh áp với điện áp chuẩn cung cấp từ cầu phân áp, điện áp chuẩn có khả điều chỉnh biến trở Tín hiệu từ mạch chỉnh lưu xác lọc trước cấp vào mạch so sánh Tín hiệu từ mạch so sánh đưa vào tầng “voltage follower” ngõ tầng cấp đến cực transistor tầng đệm để vận hành relay trung gian ngắt mạch có cố đảo thứ tự pha 176 STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP [ – 2009 ] Nguyên lý hoạt động tầng lý luận tóm lược sau:  Khi khơng có cố đảo thứ tự pha; áp từ mạch chỉnh lưu xác 0V cấp vào so sánh Vì điện áp so sánh cấp vào ngõ vào khơng đảo, điện áp chuẩn (có giá trị dương) đặt ngõ vào đảo; nên điện áp ngõ mạch so sánh đạt giá trị 0V (vì opamp ni nguồn đơn)  Khi có cố đảo thứ tự pha, áp từ mạch chỉnh lưu xác cấp vào mạch so sánh có giá trị khác 0V Do đó, cân chỉnh điện áp chuẩn có giá trị tương thích với điện áp so cấp từ mạch chỉnh lưu xác (sau qua lọc); ngõ mạch so sánh đạt đến giá trị điện áp nguồn Vcc cung cấp vào cho hệ thống Với mức điện áp Vcc (trên ngõ mạch so sánh) cấp vào cực transistor tầng đệm làm transistor dẫn, khiến relay trung gian tác động làm ngắt mạch động lực, tách hệ thống tải khỏi nguồn lưới xảy cố STU – KHOA CƠ KHÍ - TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN-THẾ-KIỆT 177 MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ OP AMP  1.1.VỊ TRÍ OPAMP TRONG THẾ GIỚI NGÀY NAY: .1 1.2.MƠ HÌNH CỦA OP AMPS: 1.2.1 MƠ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI: ….3  1.2.2 MƠ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI LÝ TƯỞNG CÓ HỒI TIẾP: 1.2.3 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MỘT OPAMP: 5  1.2.4 ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN TRÊN CÁC ĐẦU CỦA OP AMP: .7 1.2.4.1.MƠ HÌNH TĨAN OPAMP KHI HỌAT ĐỘNG TRONG VÙNG KHUẾCH ĐẠI: 1.2.4.2.MƠ HÌNH TĨAN CỦA OPAMPLÝ TƯỞNG: 1.3.GIẢI TÍCH MẠCH OP AMPS DÙNG MƠ HÌNH TỐN DẠNG CHÍNH XÁC : 1.3.1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI NGÕ VÀO ĐÀO VỚI MƠ HÌNH OPAMP CHÍNH XÁC: 10  1.3.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI NGÕ VÀO KHÔNG ĐẢO VỚI OPAMP CHÍNH XÁC: …….12 CHƯƠNG MẠCH OP AMP LÝ TƯỞNG  2.1 TỔNG QUAN : 15 2.2.1 GIẢ THIẾT OPAMP LÝ TƯỞNG: 15 2.1.2 MẠCH NGUỒN CUNG CẤP CHO OPAMPS: 15 2.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÓ HỒI TIẾP : .16 2.2.1.MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẦU VÀO KHÔNG ĐẢO (NON-INVERTING OPAMP): 16  2.2.2.MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẦU VÀO ĐẢO (INVERTING OPAMP): 19  2.2.3.MẠCH CỘNG TÍN HIỆU (ADDER): 20 2.2.4 MẠCH TRỪ TÍN HIỆU VÀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI: .24 2.3 MẠCH VOLTAGE FOLLOWER : 27 2.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP PHỨC TẠP: 28 2.5 MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP DÙNG OPAMP: 30 2.5.1 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG OPAMP SO SÁNH ÁP: .31  2.5.2 ĐIỆN TRỞ PULL-UP VÀ ĐIỆN ÁP TRÊN NGÕ RA OPAMP : 33 BÀI TẬP 34 CHƯƠNG MẠCH OP AMP CẤP NGUỒN ĐƠN  3.1 TỔNG QUAN : 41 3.2 GIẢI TÍCH MẠCH OPAMP CẤP NGUỒN ĐƠN : 45 3.3 TÍNH TỐN THƠNG SỐ MẠCH OPAMP DÙNG NGUỒN ĐƠN : 48 3.3.1 TH 1: ĐẶC TUYẾN CHUYỂN DẠNG Vo = A.Vin + B (A > B > 0) .…………… 49  3.3.2 TH2: ĐẶC TUYẾN CHUYỂN DẠNG Vo = A.Vin + B (A > VÀ B < 0) 52 3.3.3 TH 3: ĐẶC TUYẾN CHUYỂN DẠNG Vo = A.Vin + B (A < VÀ B > 0) 57  3.3.4 TH 4: ĐẶC TUYẾN CHUYỂN DẠNG Vo = A.Vin + B (A < VÀ B < 0) 60 BÀI TẬP 62  CHƯƠNG MẠCH OP AMP VÀ DIODE 4.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CHÍNH XÁC: 65 4.2 MẠCH CHỈNH LƯU BÁN KỲ CHÍNH XÁC : 67 4.2.1 CHỈNH LƯU BÁN KỲ CHÍNH XÁC  ÁP RA DƯƠNG: 67 4.2.2 CHỈNH LƯU BÁN KỲ CHÍNH XÁC  ÁP RA ÂM: 71 4.3 MẠCH CHỈNH LƯU TOÀN KỲ CHÍNH XÁC : 73 4.3.1 DẠNG 1: 73 4.3.2 DẠNG 2: 80 4.3.2 DẠNG 3: 84 4.4 MẠCH TẠO VÙNG CHẾT (DEAD ZONE CIRCUITS) DÙNG OPAMP : 86 4.4.1 MẠCH TẠO VÙNG CHẾT VỚI TÍN HIỆU RA ÂM: 86 4.4.2 MẠCH TẠO VÙNG CHẾT VỚI TÍN HIỆU RA ÂM: 90 4.5 MẠCH TẠO TÍN HIỆU ĐỒNG BỘ VỚI ĐIỆN ÁP AC DÙNG OPAMP : 94 4.6 MẠCH KHUẾCH ĐẠI LOGARITH (LOGARITH AMPLIFIER) DÙNG OPAMP: 97 4.6.1 TÓM TẮT LÝ THUYẾT DIODE: 97 4.6.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI LOGARITH: 98 BÀI TẬP 102 CHƯƠNG MẠCH TẠO TÍN HIỆU BẲNG OP AMP 5.1 MẠCH VI PHÂN – MẠCH TÍCH PHÂN : 105 5.1.1 MẠCH TÍCH PHÂN: 105 5.1.2 MẠCH VI PHÂN: 110 5.1.3 MẠCH TÍCH PHÂN CĨ ĐIỆN TRỞ HỒI TIẾP: 112 5.2 SCHMITT TRIGGER - MẠCH PHÁT HIỆN MỨC VỚI HIỆN TƯỢNG TRỄ : 115 5.2.1.MẠCH PHÁT HIỆN O CƠ BẢN ( ZERO-CROSSING DETECTOR): 115 5.2.2.MẠCH PHÁT HIỆN MỨC VÀ HIỆN TƯỢNG TRỄ : 116 5.2.3.MẠCH PHÁT HIỆN MỨC CÓ TRỄ VÀ ĐIỆN ÁP THAM CHIẾU VREF: 122 5.3 MẠCH TẠO SÓNG RĂNG CƯA TAM GIÁC (SAWTOOTH-WAVE GENERATOR): 129 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH: 129 5.4 MẠCH TẠO XUNG CLOCK DÙNG IC 555: 135 5.4.1 CÁC KHỐI TRONG MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA IC 555 136 5.4.2 CÁC MẠCH CƠ BẢN DÙNG I C 555: 137 BÀI TẬP 141 CHƯƠNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐO LƯỜNG 6.1.MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐO LƯỜNG DÙNG OPAMP: 145 6.2 KHUẾCH ĐẠI ĐO LƯỜNG CÓ NGUỒN ÁP THAM CHIẾU (VREF): 150 6.3.CÁC IC KHUẾCH ĐẠI ĐO LƯỜNG CHUYÊN DÙNG: 156 CHƯƠNG MẠCH ỨNG DỤNG OPAMP 7.1 MẠCH ĐỊNH THÌ (DẠNG ON DELAY) DÙNG IC 555 : 157 7.2 KHẢO SÁT MẠCH WINDOWS DECTECTOR: 160 7.3 KHẢO SÁT MẠCH BẢO VỆ THẤP ÁP (UV) VÀ QUÁ ÁP (OV) : 163 7.3.1 MẠCH NGUỒN DC CHiỈNH LƯU CÓ ỔN ÁP : .163 7.3.2.MẠCH LẤY MẪU TÍN HIỆU ÁP AC ĐƯA VỀ SO SÁNH : .164 7.3.3.MẠCH TỔNG HỢP TÍN HIỆU TỪ CÁC BỘ SO SÁNH TRÊN PHA : 165 7.3.4.MẠCH ĐỊNH THÌ TRÌ HỎAN TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN RELAY: 165 7.4 KHẢO SÁT MẠCH BẢO VỆ MẤT PHA: .168 7.4.1 KHẢO SÁT HỆ THỐNG BIẾN ÁP ĐẤU HÌNH V: 168 7.4.1.1 KHẢO SÁT NGUỒN KHI MẤT PHA BÌA VÀ HỞ MẠCH TẢI : 169 7.4.1.2 KHẢO SÁT GUỒN KHI MẤT PHA GIỬA VÀ HỞ MẠCH TẢI : 170 7.4.2 SƠ ĐỒ MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP : .170 7.4.3 MẠCH TỔNG HỢP CÁC TÍN HIỆU NGÕ RA TỪ CÁC MẠCH SO SÁNH: 171 7.4.4 MẠCH TRỈ HOẢN TẠO TRỄ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN: 172 7.5 MẠCH BẢO VỆ ĐẢO THỨ TỰ PHA: 173 7.5.1.MẠCH PHÁT HIỆN SỰ CỐ ĐẢO THỨ TỰ PHA: 173 7.5.2.CÁC KHÂU THÀNH PHẦN CỦA MẠCH BẢO VỆ ĐẢO THỨ TỰ PHA: 176 7.5.2.1 MẠCH CHỈNH LƯU CHÍNH XÁC: 177 7.5.2.2 MẠCH SO SÁNH ĐIỆN ÁP: .177 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] JIMMIE J CATHEY THEORY AND PROBLEMS OF ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUITS Schaum’s Outline Series- McGRAW-HILL - 2002 [2] RON MANCINI OP AMPS FOR EVERYONE Texas Instruments Incorporated - August 2002 [3] STEVEN T KARRIS ELECTRONIC DEVICE AND AMPLIFIER CIRCUITS WITH MATLAB APPLICATIONS Orchard Publications 2005 [4] WALT JUNG, OP AMP APPLICATIONS HANDBOOK Newnes - Elsevier - Oxford 2005 ... phép điện áp V3 - 0 H .2. 42 BÀI TẬP 2. 10 R2 R4 50 k 25 0 k + 12 V R1 Giả sử Op Amp cho mạch hình H .2. 43 lý tưởng - 10 k R3 k OUT OUT + + 2V 25 k io - 12 V 0 H .2. 43 VR R2 R1 BÀI TẬP 2. 11 80 k R4 20 ... LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ 20 10 (2. 33) 25 [ – 20 10 ] BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG – MẠCH OPAMP LÝ TƯỞNG  R  Vc    RF2   R3  Vo     R2   Vin2  (2. 34) Từ quan hệ (2. 32) (2. 34) suy ra:  R3... (2. 22)  1 Vb    RF R (2. 23) Và  Vin2 Vo   RF  R2 Lập tỉ số (2. 22) (2. 23) ta có kết sau:   Vin1         R G R1    R1   1   Vin2 Vo        RF   RF R   R (2. 24)