Giáo trình điện tử cơ bản 1

1 BỘ LAO ĐỘNG -THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mơ đun: Điện tử NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số: 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề) Hà nội, năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc sách giáo trình nên nguồn thơng tin đuợc phép dùng ngun trích cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu Điện tử kết Dự án “Thí điểm xây dựng chƣơng trình giáo trình dạy nghề năm 2011-2012”.Đƣợc thực tham gia giảng viên trƣờng Cao đẳng nghề cơng nghiệp Hải Phịng thực Trên sở chƣơng trình khung đào tạo, trƣờng Cao đẳng nghề cơng nghiệp Hải phòng, với trƣờng điểm tồn quốc, giáo viên có nhiều kinh nghiệm thực biên soạn giáo trình Điện tử phục vụ cho công tác dạy nghề Chúng xin chân thành cám ơn Trƣờng Cao nghề Bách nghệ Hải Phòng, trƣờng Cao đẳng nghề giao thông vận tải Trung ƣơng II, trƣờng Cao đẳng nghề số Bộ quốc phòng, trƣờng Cao đẳng nghề điện Hà Nội góp nhiều cơng sức để nội dung giáo trình đƣợc hồn thành Giáo trình đƣợc thiết kế theo mơ đun thuộc hệ thống mơ đun/ mơn học chƣơng trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp cấp trình độ Trung cấp nghề, đƣợc dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo Mơ đun đƣợc thiết kế gồm Bài mở đầu: Khái quát chung linh kiện điện tử Bài 1.Các khái niệm Bài 2.Linh kiện thụ động Bài 3.Linh kiện bán dẫn Bài 4.Các Mạch khuếch đại dùng tranzito Bài 5.Các mạch ứng dụng dùng BJT Mặc dù cố gắng, song sai sót khó tránh Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến phê bình, nhận xét bạn đọc để giáo trình đƣợc hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tham gia biên soạn 1.Vũ Thị Minh Nguyệt: Chủ biên Nguyễn thị Hƣơng Đỗ trƣờng Giang MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu Mục lục Giới thiệu mô đun Bài mở đầu: Khái quát chung linh kiện điện tử 1.Khái quát chung kỹ thuật điện tử 6 2.Các ứng dụng kỹ thuật điện tử 7 Bài 1: Các khái niệm 10 1.Vật dẫn điện cách điện 10 2.Các hạt mang điện dịng điện mơi trƣờng 16 10 Bài 2: Lịnh kiện thụ động 23 11 1.Điện trở 23 12 2.Tụ điện 31 13 3.Cuộn cảm: 37 14 Bài 3: Linh kiện bán dẫn 49 15 1.Khái niệm chất bán dẫn 49 16 2.Tiếp giáp P-N; điôt tiếp mặt 54 17 3.Cấu tạo, phân loại ứng dụng điốt 59 18 4.Tranzitor BJT 67 19 6.SCR – Triac- Diac 81 20 Bài 4: Các mạch khuếch đại dùng Tranzítor 107 21 1.Mạch khuếch đại đơn 107 22 2.Mạch khuếch đại phức hợp 115 23 3.Mạch khuếch đại công suất 120 24 Bài 5: Các mạch ứng dụng dùng BJT 142 25 1.Mạch dao động 142 26 2.Mạch xén 156 27 3.Mạch ổn áp 160 28 Tài liệu tham khảo 168 MƠ ĐUN : ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Mã mơ đun: MĐ13 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: Mơ đun Điện tử học trƣớc môn học, mô đun nhƣ: PLC bản, kỹ thuật cảm biến; học song song với mơn học Mạch điện - Tính chất: Là mô đun kỹ thuật sở - Ý nghĩa vai trị : Với phát triển hồn thiện không ngừng thiết bị điện lĩnh vực đời sống xã hội, mạch điện tử trở thành thành phần thiếu đƣợc thiết bị điện, cơng dụng để điều khiển khống chế thiết bị điện, thay số khí cụ điện có độ nhạy cao Nhằm mục đích gọn hoá thiết bị điện, giảm tiêu hao lƣợng thiết bị, tăng độ nhạy làm việc, tăng tuổi thọ thiết bị Mục tiêu mô đun: - Giải thích phân tích đƣợc nguyên lý linh kiện kiện điện tử thông dụng - Nhận dạng đƣợc xác ký hiệu linh kiện, đọc xác trị số chúng - Phân tích đƣợc nguyên lý số mạch ứng dụng tranzito nhƣ: mạch khuếch đại, dao động, mạch xén - Rèn luyện tính cẩn thận khoa học - Rèn luyện tính t m , cẩn thận, xác, khoa học tác phong công nghiệp Nội dung mô đun: Thời gian (giờ) Số TT Tên mô đun Tổng số Lý thuyết Bài mở đầu: Khái quát chung linh kiện điện tử Các khái niệm Linh kiện thụ động Linh kiện bán dẫn Các Mạch khuếch đại dùng tranzito Các mạch ứng dụng dùng BJT Cộng: 2 10 25 18 30 90 8 30 Thực hành 16 12 20 55 Kiểm tra* 1 BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Giới thiệu: Linh kiện điện tử phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) …tạo nên mạch điện tử, hệ thống điện tử Linh kiện điện tử đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực Nổi bật ứng dụng lĩnh vực điện tử -viễn thông, CNTT Linh kiện điện tử phong phú, nhiều chủng loại đa dạng.Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ, tạo vi mạch có mật độ lớn (Vi xử lý Pentium 4: > 40 triệu Transistor,…) Xu linh kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày cao, tính mạnh, tốc độ lớn… Mục tiêu: - Trình bày đƣợc khái quát phát triển công nghệ điện tử - Trình bầy đƣợc vật liệu điện tử,phân loại ứng dụng linh kiện điện tử - Rèn luyện tính nghiêm túc học tập thực công việc Kh i qu t chung thuật điện tử Mục tiêu: - Trình bầy đƣợc lịch sử phát triển kỹ thuật điện tử Các cấu kiện bán dẫn nhƣ diodes, transistors mạch tích hợp (ICs) tìm thấy khắp nơi sống (Walkman, TV,ơtơ, máy giặt, máy điều hồ, máy tính,…) Những thiết bị có chất lƣợng ngày cao với giá thành rẻ PCs minh hoạ rõ xu hƣớng Nhân tố đem lại phát triển thành cơng cơng nghiệp máy tính việc thơng qua kỹ thuật kỹ công nghiệp tiên tiến ngƣời ta chế tạo đƣợc transistor với kích thƣớc ngày nhỏ→ giảm giá thành công suất Lịch sử phát triển : - 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”) - 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode”) - 1906 Lee de Forest (“Triode”)Vacuum tube devices continued to evolve - 1940 Russel Ohl (PN junction) - 1947 Bardeen and Brattain (Transistor) - 1952 Geoffrey W A Dummer (IC concept) - 1954 First commercial silicon transistor - 1955 First field effect transistor – FET - 1958 Jack Kilby (Integrated circuit) - 1959 Planar technology invented - 1960 First MOSFET fabricated At Bell Labs by Kahng - 1961 First commercial ICs Fairchild and Texas Instruments - 1962 TTL invented - 1963 First PMOS IC produced by RCA - 1963 CMOS invented Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor - U S patent # 3,356,858 2.C c ứng dụng thuật điện tử Mục tiêu: Trình bầy đƣợc ứng dụng kỹ thuật điện tử 2.1.Ứng dụng vật lý Linh kiện hoạt động nguyên lý điện từ hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS… IC từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI Linh kiện hoạt động nguyên lý quang điện: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ linh kiện chuyển hoá lƣợng quang điện nhƣ pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử Linh kiện hoạt động dựa nguyên lý cảm biến: họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học; họ sensor cơ, áp suất, quang xạ, sinh học chủng loại IC thông minh dựa sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống công nghệ chế tạo sensor Linh kiện hoạt động dựa hiệu ứng lƣợng tử hiệu ứng mới: linh kiện đƣợc chế tạo cơng nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ: Bộ nhớ điện tử, Transistor điện tử, giếng dây lƣợng tử, linh kiện xuyên hầm điện tử, … 2.2 Ứng dụng xử lý tín hiệu ( hình 1) Hình : Phân loại linh kiện dựa chức xử lí tín hiệu 2.3.Vi mạch (hình 2; hình 3) - Processors : CPU, DSP, Controllers Memory chips : RAM, ROM, EEPROM Analog : Thông tin di động ,xử lý audio/video Programmable : PLA, FPGA Embedded systems : Thiết bị ô tô, nhà máy , Network cards System-on-chip (SoC) Hình 2: Ứng dụng vi mạch Hình : Ứng dụng linh kiện điện tử Linh kiện thụ động: R,L,C… Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET… Vi mạch tích hợp IC: IC tƣơng tự, IC số, Vi xử lý… Linh kiện ch nh lƣu có điều khiển Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang 10 BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mã bài: 13-01 Giới thiệu: Nền tảng sở hệ thống điện nói chung điện kỹ thuật nói riêng xoay quanh vấn đề dẫn điện, cách điện vật chất gọi vật liệu điện Do hiểu đƣợc chất vật liệu điện, vấn đề dẫn điện cách điện vật liệu, linh kiện nội dung thiếu đƣợc kiến thức ngƣời thợ điện, điện tử Đó nội dung học Mục tiêu : - Phát biểu đƣợc tính chất, điều kiện làm việc dòng điện linh kiện điện tử theo nội dung học - Tính tốn đƣợc điện trở, dịng điện, điện áp mạch điện chiều theo điều kiện cho trƣớc - Rèn luyện tính xác, nghiêm túc học tập thực công việc 1.Vật dẫn điện c ch điện Mục tiêu: - Trình bầy đƣợc khái niệm bản, đặc tính vật dẫn điện, vật cách điện - Trình bầy đƣợc điện trở cách điện linh kiện điện tử, mạch điện tử thông số ghi thân linh kiện điện tử 1.1 Vật dẫn điện cách điện: Trong kỹ thuật ngƣời ta chia vật liệu thành hai loại chính: Vật cho phép dòng điện qua gọi vật dẫn điện Vật khơng cho phép dịng điện qua gọi vật cách điện Tuy nhiên khái niệm ch mang tính tƣơng đối Chúng phụ thuộc vào cấu tạo vật chất, điều kiện bên tác động lên vật chất Về cấu tạo: Vật chất đƣợc cấu tạo từ phần tử nhỏ gọi nguyên tử Nguyên tử đƣợc cấu tạo gồm hạt nhân (gồm proton hạt mang điện tích dƣơng (+) , neutron hạt không mang điện) lớp vỏ nguyên tử (là electron mang điện tích âm e ) Vật chất đƣợc cấu tạo từ mối liên kết nguyên tử với tạo thành tính bền vững vật chất (hình1-1) 154 chuyển sang trạng thái ngƣng dẫn đến xả hết điện, điện áp cực B tăng lên hình thành chu kỳ dẫn điện Hình thành xung tín hiệu ngõ Điểm quan trọng cần ghi nhớ đƣờng vòng hồi tiếp phải thoả mãn điều kiện pha tín hiệu ngõ qua mạch di pha phải lệch góc 1800, khơng thoả mãn điều kiện mạch khơng thể dao động đƣợc, dạng tín hiệu ngõ bị biến dạng không đối xứng Mạch thƣờng đƣợc dùng để tạo xung có tần số điều ch nh nhƣ mạch dao động dọc kỹ thuật truyền hình, mạch làm việc ổn định nguồn cung cấp không ổn định độ ẩm môi trƣờng thay đổi nên đƣợc sử dụng điện tử công nghiệp thiết bị cần độ ổn định cao tần số 1.3 Mạch dao động hình sin Dao động hình sin có ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử, chúng cung cấp nguồn tín hiệu cho mạch điện tử trình làm việc Có nhiều kiểu dao động hình sin khác nhƣng tất phải chứa hai thành phần sau: - Bộ xác định tần số: Nó mạch cộng hƣởng L-C hay mạch R-C Mạch cộng hƣởng kết hợp điện cảm tụ điện, tần số mạch dao động tần số cộng hƣởng riêng mạch L-C Mạch R-C không cộng hƣởng tự nhiên nhƣng dịch pha mạch đƣợc sử dụng để xác định tần số mạch dao động - Bộ trì: có nhiệm vụ cung cấp lƣợng bổ xung đến cộng hƣởng để trì dao động Bộ phận thân phải có nguồn cung cấp Vdc, thƣờng linh kiện tích cực nhƣ tranzito dẫn xung điện đặn đến mạch cộng hƣởng để bổ xung lƣợng, phải đảm bảo độ dịch pha độ lợi vừa đủ để bù cho suy giảm lƣợng mạch 1.3.1 Mạch dao động L-C: a Mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley) (hỡnh 5-15) +V T: Biến áp dao động Rb Vo: ngâ C1 C2 Q Hình 5-15 Mạch dao động hình sin ba điểm điện cảm 155 Trên sơ đồ mạch đƣợc mắc theo kiểu E-C, với cuộn dây có điểm giữa, cuộn dây tụ C1 tạo thành khung cộng hƣởng định tần số dao động mạch tụ C2 làm nhiệm vụ hồi tiếp dƣơng tín hiệu cực B tranzito để trì dao động Mạch đƣợc phân cực điện trở Rb Tín hiệu hồi tiếp đƣợc lấy nhánh cuộn cảm nên đƣợc gọi mạch dao động ba điểm điện cảm (hertlay) b Mạch dao động ba điểm điện dung(Colpitts) (hỡnh 5-16) +V Rc T: Biến áp dao động C1 C3 Rb1 Vo: Ngâ C2 Q Rb2 Hình 5-16 Mạch dao động ba điểm điện dung Trên sơ đồ mạch đƣợc mắc theo kiểu E-C với cuộn dây khơng có điểm giữa, khung cộng hƣởng gồm cuộn dây mắc song song với hai tụ C1, C2 mắc nối tiếp nhau, tụ C3 làm nhiệm vụ hồi tiếp dƣơng tín hiệu cực B tranzito Q để trì dao động, mạch đƣợc phân cực cầu chia Rb1 Rb2 Tín hiệu ngõ đƣợc lấy cuộn thứ cấp biến áp dao động thực tế để điều ch nh tần số dao động mạch ngƣời ta điều ch nh phạm vi hẹp cách thay đổi điện áp phân cực B Tranzito điều ch nh phạm vi lớn cách thay đổi hệ số tự cảm cuộn dây lõi ch nh đặt cuộn dây thay cho lõi cố định 1.3.2 Mạch dao động thạch anh (hình 5-17) Thạch anh cịn đƣợc gọi gốm áp điện, chúng có tần số cộng hƣởng tự nhiên phụ thuộc vào kích thƣớc hình dạng phần tử gốm dùng làm linh kiện nên chúng có hệ số phẩm chất cao, độ rộng băng tần hẹp, nhờ độ xác mạch cao Dao động thạch anh đƣợc ứng dụng rộng rãi thiết bị điện tử có độ xác cao mặt tần số nhƣ tạo nguồn sóng mang thiết bị phát, xung đồng hồ hệ thống vi xử lí 156 +V Rb C1 Rc Q Vo: ngâ X C2 Re Hình 5-17 Mạch dao động dùng thạch anh Nhiệm vụ linh kiện mạch nhƣ sau: Q: tranzito dao động Rc: Điện trở tải lấy tín hiệu ngõ Re: Điện trở ổn định nhiệt lấy tín hiệu hồi tiếp C1, C2: Cầu chia dùng tụ để lấy tín hiệu hồi tiếp cực B Rb: Điện trở phân cực B cho tranzito Q X: thạch anh dao động +V: Nguồn cung cấp cho mạch Hoạt động mạch nhƣ sau: Khi đƣợc cấp nguồn điện áp phân cực B cho tranzito Q đồng thời nạp điện cho thạch anh hai tụ C1 C2 Làm cho điện áp cực B giảm thấp, đến mạch nạp đầy điện áp cực B tăng cao qua vòng hồi tiếp dƣơng C1, C2 điện áp cực B tiếp tục tăng đến Tranzito dẫn điện báo hoà mạch bắt đầu xả điện qua tiếp giáp BE tranzito làm cho điện áp cực B tranzito giảm đến mạch xả hết điện bắt đầu lại chu kỳ tín hiệu Tần số mạch đƣợc xác định tần số thạch anh, dạng tín hiệu ngõ có dạng hình sin để tạo tín hiệu có dạng xung số cho mạch điều khiển tín hiệu xung đƣợc đƣa đến mạch dao động đa hài lƣỡng ổn (FF) để sửa dạng tín hiệu Mạch xén Mục tiêu: - Vẽ trình bầy đƣợc nguyên lý hoạt động mạch xén dùng tranzitor - Trình bầy đƣợc ứng dụng mạch xén 157 Mạch xén đƣợc gọi mạch cắt tín hiệu nhằm mục đích sửa dạng, giới hạn mức biên độ tín hiệu nên đƣợc dùng phổ biến mạch điều khiển xử lí tín hiệu điều khiển Mạch xén dùng Điot tranzito tuỳ theo nhu cầu mạch điện mà xén trên, xén dƣới, xén hai mức độc lập Trong ch giới thiệu mạch xén dùng tranzito Mức xén đƣợc xác lập dựa chế độ phân cực Tranzito (hình 5-18) vùng bão hồ Ic vùng khuếch đại Q Ib Ic vùng ngƣng dẫn Vc Vcc Uce Hình 5-18 Đặc tuyến làm việc tranzito Do tính chất làm việc tranzito biên độ tín hiệu ngõ vào mạch nằm dƣới mức phân cực làm việc tranzito khơng dẫn nên tín hiệu bị xén, ngƣợc lại tín hiệu ngõ vào vƣợt qua mức ngƣỡng tranzito bị dẫn bão hồ tín hiệu bị xén Lợi dụng tính chất mầ ngƣời ta thiết kế nên mạch xén dùng trazitor, gồm mạch xén trên, mạch xén dƣới xén hai mức độc lập 2.1 Mạch xén trên, xén dƣới Mạch có công dụng cắt bỏ phần hay phần dƣới tín hiệu ngõ vào thƣờng dùng để tách lấy tín hiệu riêng tín hiệu chung nhiều thành phần tín hiệu khác đƣợc điều chế dƣới dạng biên độ dùng để sửa dạng tín hiệu, dạng mạch Tranzito đƣợc phân cực tĩnh chế độ AB,B, C, D nằm nghiêng sang vùng ngƣng dẫn, tuỳ vào mức tín hiệu cần xén (hình 5-19) Là mạch dùng để tách tín hiệu đồng tín hiệu hình hỗn hợp kỹ thuật truyền hình có ngõ vào pha dƣơng, mạch xén trƣờng hợp mạch xén mức dƣới (cắt bỏ phần dƣới tín hiệu) 158 +V V Vc Rc C1 C2 Q Vi Vo Rb t t Tín hiệu ngõ vào: Vi Tín hiệu ngõ ra: Vo Hình 5-19 Mạch xén mức dƣới Hoạt động mạch nhƣ sau: Tranzito đƣợc phân cực tĩnh nằm sâu ngƣng dẫn (Chế độ C) nhờ điện trở Rb phân cực B cho tranzito xuống mass Vbe =0v, Tranzito ngƣng dẫn điện áp cực C = Vcc Khi có tín hiệu có pha dƣơng ngõ vào làm cho điện áp B tăng dần lên nhƣng chƣa đủ lớn làm cho tranzito dẫn điện đến đạt giá trị đủ lớn tranzito chuyển từ trạng thái ngƣng dẫn sang trạng thái dẫn điện, nhanh chóng rơi vào vùng khuếch đại, khoảng biên độ tín hiệu cịn lại đƣợc khuếch đại lấy cực C.trong trƣờng hợp tín hiệu ngõ vào có pha âm mạch điện có cấu trúc ngƣợc lại nhƣ (hình 5-20) +V V V Rb C2 Q C1 t Tín hiệu ngõ vào: Vi Vi Rc Vo t Tín hiệu ngõ ra: Vo Hình 5-20 Mạch xén mức Ngoài dạng mạch xén đƣợc trình bày cịn số dạng mạch khác dùng để tách sóng tạo xung kích thích tầng điều khiển - Ngõ tín hiệu - Ngõ vào tín hiệu điều biên có tần số thấp điều biên có tần số cao - Tín hiệu ch cịn lại - Tín hiệu có hai bán kỳ bán kỳ dƣơng 159 dƣơng âm - Đƣợc dùng mạch tách sóng biên độ Radio chu kỳ tín hiệu +V Rb1 Q C1 Re Rb2 Vo: ngâ Hình 5-21 Mạch xén dƣới mức khơng Trên sơ đồ mạch điện (hình 5-21), tiếp giáp BE tranzito đóng vai trị nhƣ điot tách sóng cắt bỏ phần âm tín hiệu (xén dƣới) mức khơng volt, đồng thời đóng vai trị nhƣ mạch khuếch đại dịng điện tín hiệu ngõ lấy cực E (mạch mắc theo kiểu C-C) 2.2 Mạch xén hai mức độc lập mạch xén tuỳ vào nhu cầu mạch điện mà ngƣời ta chọn xén hai mức cân xứng hay hai mức không cân xứng Một vấn đề quan trọng mạch xén dùng Tranzito biên độ tín hiệu ngõ vào phải cao để đảm bảo cho vùng tín hiệu bị xén nằm vùng ngƣng dẫn vùng bão hồ tranzito, tín hiệu lấy nằm vùng khuếch đại trƣờng hợp xén hai mức độc lập cân xứng tranzito đƣợc phân cực chế độ khuếch đại hạng A, xén hai mức độc lập khơng cân xứng tuỳ vào yêu cầu mà ngƣời ta chọn Tranzito loại PNP hay NPN phân cực chế độ AB để tăng tuổi thọ làm việc tranzito - Mạch xén cân xứng, đƣợc phân cực chế độ khuếch đại A - Tín hiệu ngõ bị xén lẫn dƣới cân xứng +V Rb1 Rc C3 Q Vi:Ngâ vµo Rb2 Vo: Ngâ 160 Hình 5-22 Mạch xén hai mức độc lập cân xứng +V Rb1 Rc C3 Q Vi:Ngâ vµo - Mạch xén khơng cân xứng, đƣợc phân cực chế độ khuếch đại AB Rb2 Vo: Ngâ Tín hiệu ngõ bị xén lẫn dƣới khơng cân xứng Hình 5-23 Mạch xén hai mức độc lập không cân xứng Trên hình vẽ hai mạch xén hai mức độc lập đối xứng không đối xứng không khác ch khác chế độ phân cực để thay đổi mức tín hiệu ngõ Mạch ổn p Mục tiêu: - Vẽ trình bầy đƣợc nguyên lý hoạt động mạch ổn áp - Lắp ráp đƣợc mạch ổn áp đạt thông số kỹ thuật 3.1 Khái niệm Định nghĩa: ổn áp mạch thiết lập nguồn cung cấp điện áp ổn định cho mạch điện thiết bị theo yêu cầu thiết kế mạch điện, từ nguồn cung cấp ban đầu Phân loại: tuỳ theo nhu cầu điện áp, dòng điện tiêu thụ, độ ổn định mà kỹ thuật ngƣời ta phân chia mạch ổn áp thành hai nhóm gồm ổn áp xoay chiều ổn áp chiêu Ổn áp xoay chiều dùng để ổn áp nguồn điện từ lƣới điện trƣớc đƣa vào mạng cục hay thiết bị điện Ngày với tốc độ phát triển kỹ thuật ngƣời ta 161 có loại ổn áp nhƣ: ổn áp bù từ, ổn áp dùng mạch điện tử, ổn áp dùng linh kiện điện tử Ổn áp chiều dùng để ổn định điện áp cung cấp bên thiết bị, mạch điện thiết bị theo khu vực, mạch điện tuỳ theo yêu cầu ổn định mạch điện Ngƣời ta chia mạch ổn áp chiều thành hai nhóm lớn ổn áp tuyến tính ổn áp khơng tuyến tính (cịn gọi ổn áp xung) việc thiết kế mạch điện đa dạng phức tạp, từ ổn áp dùng Điot zêne, ổn áp dùng tranzito, ổn áp dùng IC Trong mạch ổn áp dùng tranzito thơng dụng việc cấp điện áp thấp, dòng tiêu thụ nhỏ cho thiết bị mạch điện có cơng suất tiêu thụ thấp 3.2 Mạch ổn ấp tuyến tính dùng tranzito 3.2.1.Mạch ổn áp tham số Mạch lợi dụng tính ổn áp diot zêne điện áp phân cực thuận tranzito để thiết lập mạch ổn áp (hình 5-24) Q Tranzito ỉn ¸p Rb + ZENER + Vi:Điện áp ngõ vào Tụ lọc ngõ Vo: Điện áp ngõ tụ lọc ổn định Hỡnh 5-24 Mch ổn áp tham số dùng tranzito NPN Q: Tranzito ổn áp Rb: Điện áp phân cực B cho tranzito điot zêne Ở mạch cực B tranzito đƣợc giữ mức điện áp ổn định nhờ điot zêne điện áp ngõ điện áp điện áp zêne điện áp phân cực thuận tranzito Vo  Vz  Vbe Vz: Điện áp zêne Vbe: Điện áp phân cực thuận Tranzito (0,5 – 0,8v) Điện áp cung cấp cho mạch đƣợc lấy cực E tranzito, tuỳ vào nhu cầu mạch điện mà mạch đƣợc thiết kế có dịng cung cấp từ vài mA đến hầng trăm mA, mạch điện có dịng cung cấp lớn thƣờng song song với mạch đƣợc mắc thêm điện trở Rc khoảng vài chục đến vài trăm Ohm nhƣ (hình 5-25) gọi trở gánh dịng 162 Việc chọn tranzito đƣợc chọn tƣơng thích với dòng tiêu thụ mạch điện để tránh dƣ thừa làm mạch điện cồng kềnh dòng phân cực qua lớn làm cho điện áp phân cực Vbe không ổn định dẫn đến điện áp cung cấp cho tải ổn định Rc Q Tranzito ỉn ¸p Rb + ZENER + Vi:Điện áp ngõ vào Tụ lọc ngõ Vo: Điện áp ngõ tụ lọc ổn định Hỡnh 5-25: Mạch ổn áp tham số dùng tranzito NPN có điện trở gánh dòng Dòng điện cấp cho mạch dòng cực C tranzito nên dòng tải thay đổi dòng cực C thay đổi theo làm dịng cực B khơng thay đổi, nên điện áp không thay đổi (trên thực tế thay đổi khơng đáng kể) nhƣng dịng tải thay đổi làm cho tải làm việc không ổn định 3.2.2 Mạch ổn áp có điều ch nh (hình 5-26) Mạch ổn áp điều ch nh đƣợc điện áp ngõ có độ ổn định cao nhờ đƣờng vịng hồi tiếp điện áp ngõ nên cò đƣợc gọi ổn áp có hồi tiếp Rc Q1 Tranzito ỉn ¸p R4 Q2 R5 R1 + Vi:Điện áp ngõ vào Q3 Vr + R2 Vo: Điện áp ngõ R3 C1 ZENER C2 Tơ läc ngâ R6 tơ läc ỉn ®Þnh Hình 5-26: Mạch ổn áp có điều ch nh Nhiệm vụ linh kiện mạch nhƣ sau: + Q1: Tranzito ổn áp, cấp dòng điện cho mạch + Q2: Khuếch đại điện áp chiều + Q3: So sánh điện áp đƣợc gọi dò sai + Rc: Trở gánh dòng 163 + R1, R2: Phân cực cho Q2 + R3: Hạn dòng cấp nguồn cho Q3 + R4: Phân cực cho zener, tạo điện áp chuẩn cố định cho cực E Q gọi tham chiếu + R5, R6, Vr: cầu chia phân cực cho B Q3 gọi lấy mẫu + C1: Chống đột biến điện áp + C2: Lọc nguồn sau ổn áp cách li nguồn với điện áp chiều từ mạch *Hoạt động mạch chia làm hai giai đoạn sau: Giai đoạn cấp điện: Là giai đoạn lấy nguồn cấp điện cho mạch đƣợc thực gồm Rc, Q1, Q2, R1, R2 Nhờ trình cấp điện từ nguồn đến cực C Q1, Q2 phân cực nhờ cầu chia điện áp R1, R2 làm cho hai tranzito Q1, Q2 dẫn điện Trong Q2 dẫn điện phân cực cho Q1, dòng qua Q1 với dòng qua điện trở Rc gánh dòng cấp nguồn cho tải Trong mạch có dịng cung cấp thấp khơng cần điện trở gánh dịng Rc Giai đoạn ổn áp: Điện áp ngõ phần quay trở Q3 qua cầu chia R5, R6, Vr đặt vào cực B điện áp chân E đƣợc giữ cố định nên điện áp cực C thay đổi theo điện áp cực B nhƣng ngƣợc pha, qua điện trở R3 đặt vào cực B Q2 khuếch đại điện áp chiều thay đổi đặt vào cực B Q1 để điều ch nh điện áp ngõ ra, cấp điện ổn định cho mạch Điện áp ngõ điều ch nh đƣợc khoảng 20% so với thiết kế nhờ biến trở Vr Hoạt động Q1 mạch giống nhƣ điện trở biến đổi đƣợc để ổn áp Mạch ổn áp có dịng điện cung cấp cho mạch tƣơng đối lớn lên đến vài Amp điện áp cung cấp lên đến hàng trăm Volt *Ƣu nhƣợc điểm: Mạch có ƣu điểm dễ thiết kế, dễ kiểm tra, sửa chữa nhiên mạch có nhiều nhƣợc điểm cụ thể mạch kếm ổn định nguồn thay đổi, sụt áp nguồn tƣơng đối lớn nên tổn thất công suất nguồn cao mạch có cơng suất lớn cần phải có thêm tản nhiệt nên cồng kềnh Khơng cách li đƣợc nguồn ngồi nên Q1 bị thủng gây tƣợng áp mạch gây hƣ hỏng mạch điện, độ ổn định khơng cao 3.3 Mạch ổn áp khơng tuyến tính Mạch ổn áp khơng tuyến tính có nhƣợc điểm khó thiết kế nhƣng có nhiều ƣu điểm nhƣ: có độ ổn định cao nguồn thay đổi, tổn thất công suất thấp, không gây hƣ hỏng cho mạch điện ổn áp bị đánh thủng thiết kế 164 đƣợc mức điện áp,và dòng điện theo ý muốn Trong thực tế mạch ổn áp khơng tuyến tính có nhiều dạng mạch khác nhau, mạch dùng tranzito IC thơng dụng Chủ yếu ổn áp kiểu xung dùng dao động nghẹt Mạch điện điển hình dùng tranzito có dạng mạch đơn giản nhƣ (hình 5-27) C1 R1 D3 C4 T C6 C7 Vo: ngâ Q C3 + R2 C2 D2 + D1 D4 R3 R4 C5 +V Hình 5-27 Mạch ổn áp ổn áp kiểu xung dùng dao động nghẹt Trong mạch Tranzito Q đóng vai trò phần tử dao động đồng thời phần tử ổn áp, T biến áp dao động nghẹt đồng thời biến áp tạo nguồn thứ cấp cung cấp điện cho mạch điên thiết bị C1, R1 giữ vai trò mạch hồi tiếp xung để trì dao động R4 làm nhiệm vụ phân cực ban đầu cho mạch hoạt động D3, R4, C4, C5 làm nhiệm vụ chống áp bảo vệ tranzito Các linh kiện D1, R2, C3, C2 Tạo nguồn cung cho mạch ổn áp D2 làm nhiệm vụ tạo điện áp chuẩn cho mạch ổn áp gọi tham chiếu Hoạt động mạch tƣơng tự nhƣ mạch ổn áp có điều ch nh gồm có hai giai đoạn Giai đoạn tạo nguồn: Đƣợc thực nhƣ sau: Điện áp chiều từ nguồn đƣợc tiếp tế đến cực C Q qua cuộn sơ cấp biến áp T, phần đƣợc đƣa đến cực B tranzito qua điện trở phân cực R3 làm cho tranzito chuyển trạng thái từ không dẫn điện sang trạng thái dẫn điện sinh dòng điện chạy cuộn sơ cấp biến áp T, dòng điện biến thiên cảm ứng lên cuộn thứ cấp hình thành xung hịi tiếp cực B Tranzito Q để trì dao động gọi dao động nghẹt Xung dao động nghẹt lấy cuộn thứ cấp khác đƣợc nắn điôt D lọc tụ C7 hình nguồn chiều thứ cấp cung cấp điện áp cho mạch điện lúc điện áp ngõ chƣa đƣợc ổn định Giai đoạn ổn áp: Đƣợc thực nhánh thứ cấp khác nắn lọc xung để hình thành điện áp chiều có giá trị âm nhờ D1, C3 đặt vào cực B tranzito 165 Q qua Diot zener D2 điều ch nh điện áp phân cực tranzito Q để ổn định điện áp ngõ Giữ điện áp ngõ đƣợc ổn định Để hiểu rõ nguyên tắc ổn định điện áp mạch, giả thuyết điện áp ngõ tăng đồng thời làm cho điện áp âm đƣợc hình thành từ D1 C3 tăng làm cho điện áp anôt zener D2 tăng kéo theo điện áp catôt giảm làm giảm dòng phân cực cho Q ổn áp dẫn điện yếu điện áp ngõ giảm bù lại tăng ban đầu giữ mức ổn định Hoạt động mạch sảy ngƣợc lại điện áp ngõ giảm làm cho điện áp âm Anod D2 giảm làm cho điện áp catôt tăng nên tăng phân cực B cho tranzito Q Q dẫn mạnh làm tăng điện áp ngõ bù lại giảm ban đầu điện áp ổn định Mạch điện Hình 5.27 ch đƣợc dùng cung cấp nguồn cho mạch điện có dịng tiêu thụ nhỏ biến động điện áp ngõ vào thấp Trong mạch cần có dịng tiêu thụ lớn, tầm dị sai rộng cấu trúc mạch điện phức tạp hơn, dùng nhiều linh kiện hơn, kể tranzito, thành phần hệ thống ổn áp đƣợc hoàn ch nh đầy đủ có: ổn áp, dị sai, tham chiếu, lấy mẫu bảo vệ hệ thống nguồn cần độ an toàn cao CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Câu Hãy điền vào chỗ trống nội dung thích hợp với câu gợi ý dƣới đây? 1.1 Hãy điền vào chỗ trống nội dung thích hợp: a) Mạch dao động đa hài không ổn b) Trong mạch dao động đa hài không ổn dùng hai tranzito có thơng số loại, linh kiện định tần số dao động c) Trong mạch dao động đa hài không ổn, nguyên nhân tạo cho mạch dao động đƣợc d) Ngoài linh kiện R C đƣợc đƣa vào mạch dao động đa hài không ổn dùng tranzito hoặc, ngƣời ta cịn dùng để tạo tần số dao động ổn định xác e) Mạch xén cịn đƣợc gọi mạch f) Mức xén dùng tranzito đƣợc xác lập dựa g) Ổn áp mạch thiết lập nguồn cung cấp điện cho mạch điện thiết bị theo yêu cầu thiết kế mạch điện, từ 1.2.Trả lời nhanh câu hỏi dƣới đây: 166 a) Muốn thay đổi tần số mạch dao động đa hài nên thực cách ? b) Muốn thay đổi thời gian ngắt mở, thƣờng gọi độ rộng xung, cần thực cách nào? c) Muốn cho tranzito dẫn trƣớc cấp nguồn, cần thực cách nào? d) Với nguồn cung cấp 12V tần số 1kHz dòng điện tải I C = 10mA dùng tranzito C1815 (=100) chọn linh kiện RC cho mạch e) Hãy cho biết ngun nhân mạch dao động khơng thể tạo dao động đƣợc, điện áp phân cực hai tranzito hoàn toàn giống Câu Hãy lựa chọn phƣơng án mà học viên cho câu gợi ý dƣới tô đen vào vng thích hợp TT Nội dung câu hỏi Sơ đồ mạch dao động đa hài đơn ổn dùng tranzito khác mạch dao động đa hài không ổn dùng tranzito yếu tố sau: a b c d □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ a.Các linh kiện mạch mắc không đối xứng a Trị số linh kiện mạch không đối xứng b Cách cung cấp nguồn d.Tất yếu tố Xét mặt nguyên lí xác định đƣợc trạng thái dẫn hay khơng dẫn tranzito cách: a Nhìn cách phân cực mạch b Đo điện áp phân cực c Xác định ngõ vào mạch d.Tất yếu tố Thời gian phân cách là: a Thời gian hai xung liên tục ngõ mạch b Thời gian hai xung kích thích vào mạch c.Thời gian xuất xung d Thời gian tồn xung kích thích 167 Độ rộng xung là: a Thời gian xuất xung ngõ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ b Thời gian xung kích thích c Thời gian hồi phục trạng thái xung d Thời gian hai xung xuất ngõ Thời gian hồi phục là: a Thời gian từ xuất xung đến trở trạng thái ban đầu b Thời gian tồn xung c Thời gian mạch trạng thái ổn định d Thời gian từ trạng thái xung trở trạng thái ban đầu Mạch đa hài đơn ổn dùng nguồn có ƣu điểm a Dễ thiết kế mạch b Có cơng suất tiêu thụ thấp c Có nguồn cung cấp thấp d Tất Mạch đa hài đơn ổn có tụ gia tốc có ƣu điểm: a Có độ rộng xung nhỏ b Có biên độ lớn c Có thời gian chuyển trạng thái nhanh d Có thời gian hồi phục ngắn Bài tập Hãy làm tập dƣới theo số liệu cho Cho mạch điện có Re = 4,7K, Rb = 47K, C=0,01F Dùng tranzito C1815 (=100) với nguồn cung cấp 12V Hãy cho biết: a) Độ rộng xung mạch b) Tần số mạch 168 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện, mạch điện tử, NXB Giáo dục 2008 [2] Nguyễn Văn Tuân, Sổ tay tra cứu linh kiện điện tử,NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [3] Đỗ Xuân Thụ, Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo dục 2005 [4] Nguyễn Đình Bảo, Điện tử 1, NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [5] Nguyễn Đình Bảo, Điện tử 2, NXB Khoa học kỹ thuật 2004 ... tia tử ngoại tia Rơn ghen Một số nguyên tử phân tử khí điện tử lớp ngồi trở thành điện tử tự nguyên tử phân tử điện tử trở thành ion + , đồng thời điện tử tự liên kết với nguyên tử phân tử trung... bản, đặc tính vật dẫn điện, vật cách điện - Trình bầy đƣợc điện trở cách điện linh kiện điện tử, mạch điện tử thông số ghi thân linh kiện điện tử 1.1 Vật dẫn điện cách điện: Trong kỹ thuật ngƣời... tẩm sấy biến áp, động điện để chống ẩm Hàn gắn kiện điện- điện tử Dùng làm chất cách điện 16 1.1.2 Điện trở cách điện linh kiện mạch điện tử Điện trở cách điện linh kiện điện áp lớn cho phép đặt