Sách hướng dẫn học tập điện tử tương tự

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH DƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ ***** ThS Ngô Sỹ - ThS Lê Trường An ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ (Lưu hành nội bộ) Thủ Dầu Một, tháng năm 2017 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự LỜI NÓI ĐẦU Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự môn Điện tử - Viễn thông biên soạn sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên Khoa Kỹ thuật – Cơng nghệ Xuất phát từ việc phải có tài liệu giảng dạy phù hợp với điều kiện giảng dạy học tập riêng khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Thủ Dầu Một Chúng biên soạn sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho giảng viên sinh viên Khoa việc dạy học tập môn học Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự biên soạn phù hợp với chương trình mơn học Điện tử tương tự phê duyệt Nó cung cấp kiến thức Diode, LED, BJT, FET, Op - Amp, loại mạch khuếch đại, mạch dao động, mạch nguồn, v.v Tài liệu giúp sinh viên có khả thực hiện, tính tốn, mơ mạch điện Điện tử tương tự phần mềm mô Tuy nhiên, lần đầu biên soạn nên không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc để có sản phẩm hồn thiện lần in ấn sau! Mọi góp ý xin gửi Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại Học Thủ Dầu Một Tác giả Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CHẤT BÁN DẪN - DIODE MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 1.1 CHẤT BÁN DẪN VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA DIODE 1.2 DIODE CHỈNH LƯU 11 1.3 DIODE ZENER 19 1.4 LED (LIGHT EMITTING DIODE) 26 1.5 ỨNG DỤNG CỦA DIODE 30 1.6 BÀI TẬP 55 CHƯƠNG 2: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 58 MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 58 2.1 CẤU TẠO, KIỂU VỎ, PHÂN LOẠI THEO MÃ HIỆU 58 2.2 TRANSISTOR LOẠI N-P-N 60 2.3 TRANSISTOR LOẠI P-N-P 64 2.4 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRANSISTOR 66 2.5 PHÂN CỰC CHO BJT 69 2.6 BÀI TẬP 80 CHƯƠNG 3: KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT 86 MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 86 3.1 SƠ ĐỒ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT 86 3.2 TẦNG KHUẾCH ĐẠI E CHUNG (CE) 87 3.3 TẦNG KHUẾCH ĐẠI C CHUNG (CC) 90 3.4 TẦNG KHUẾCH ĐẠI B CHUNG (CB) 93 3.5 ĐƯỜNG TẢI AC 95 3.6 MỘT SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÁC 97 3.7 PHƯƠNG PHÁP GHÉP CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI 99 3.8 TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 102 3.9 BÀI TẬP 109 CHƯƠNG 4: TRANSISTOR TRƯỜNG 117 MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 117 4.1 TRANSISTOR TRƯỜNG – JFET 117 4.2 PHÂN CỰC CHO JFET 123 4.3 SO SÁNH GIỮA BJT VÀ JFET 125 4.4 MOSFET KÊNH CÓ SẴN (D-MOSFET: DEPLETION MOSFET) 126 4.5 MOSFET CHƯA CÓ SẴN KÊNH (E-MOSFET) 129 4.6 TRANSISTOR ĐƠN NỐI UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR) 132 4.7 MƠ HÌNH FET 134 4.8 THÔNG SỐ CỦA FET 135 4.9 ỨNG DỤNG UJT TRONG MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG 136 4.10 BÀI TẬP 137 CHƯƠNG 5: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 145 MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 145 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 145 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG OP - AMP 152 MẠCH CỘNG 160 MẠCH TRỪ 166 MẠCH VI PHÂN, TÍCH PHÂN 168 BÀI TẬP 170 CHƯƠNG 6: CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG 173 MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 173 6.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH TẠO DAO ĐỘNG 173 6.2 MẠCH DAO ĐỘNG BẰNG THẠCH ANH 175 6.3 MẠCH TẠO XUNG VUÔNG 177 6.4 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI BẤT ỔN DÙNG IC555 180 6.5 BÀI TẬP 189 CHƯƠNG 7: NGUỒN ĐIỆN 191 MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 191 7.1 GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN ĐIỆN 191 7.2 NGUỒN ỔN ÁP BẰNG ZENER 192 7.3 NGUỒN ỔN ÁP NỐI TIẾP 193 7.4 NGUỒN ỔN ÁP SONG SONG 196 7.5 ỔN ÁP BẰNG VI MẠCH 199 7.6 BÀI TẬP 217 TÀI LIỆU THAM KHẢO 218 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Mục lục hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 1-1 Cấu tạo Diode 10 1-2 Lớp tiếp giáp Diode 11 1-3 Ký hiệu Diode 11 1-4 Đặc tuyến Diode 13 1-5 Hoạt động Diode 14 1-6 Hoạt động Diode 15 1-7 Dòng điện qua Diode 17 1-8 Ký hiệu Zener 19 1-9 Đặc tuyến Vôn-Ampere Diode Zener 20 1-10 Mơ hình Zener phân cực thuận 21 1-11 Mơ hình Zener phân cực ngược 22 1-12 Ổn áp dùng Zener 23 1-13 Nguyên lý mạch xén dùng Zener 25 1-14 Dòng điện mạch xén bán kỳ (+) (-) 25 1-15 Giản đồ thời gian mô tả quan hệ Uin Uout 26 1-16 Hình dạng ký hiệu LED 27 1-17 Đặc tuyến LED 28 1-18 Cách dùng LED thực tế 28 1-19 Bảo vệ LED Diode 29 1-20 Sơ đồ khối hệ thống chỉnh lưu pha 30 1-21 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu bán kỳ 31 1-22 Nguyên lý hoạt động chỉnh lưu bán kỳ (+) 32 1-23 Nguyên lý hoạt động chỉnh lưu bán kỳ (-) 32 1-24 Quan hệ điện áp thứ cấp biến áp điện áp tải 33 1-25 Dạng sóng chỉnh lưu bán kì 34 1-26 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng Didode 39 1-27 Hoạt động mạch bán kỳ (+) u2 39 1-28 Hoạt động mạch bán kỳ (-) u2 40 1-29 Quan hệ điện áp u2 thứ cấp biến áp điện áp ut tải 40 1-30 Biến áp có điểm điện áp đầu a,b so với điểm n 41 1-31 Dạng sóng điện áp tải 42 1-32 Điện áp UAK Diode D1 trình vận hành 45 1-33 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 47 1-34 Vận hành mạch bán kỳ (+) u2 48 1-35 Vận hành mạch bán kỳ (-) u2 48 1-36 Quan hệ điện áp ut tải điện áp u2 thứ cấp biến áp 48 1-37 Dạng dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp 50 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 1-38 Hai phương pháp ghép mạch chỉnh lưu 53 2-1 Cấu tạo ký hiệu Transistor 58 2-2 Nồng độ tạp chất lớp BJT 59 2-3 Một số kiểu vỏ Transistor thông dụng 59 2-4 Chiều dòng điện BJT 61 2-5 Thí nghiệm đo đặc tuyến IC, UCE Transistor 62 2-6 Họ đặc tuyến IC, UCE Transistor 62 2-7 Hệ số  hay hFE Transistor C535 63 2-8 Quan hệ dòng điện BJT PNP 65 2-9 Đường tải DC Transistor NPN 68 2-10 Phân cực dùng nguồn riêng 69 2-11 Phân cực dùng nguồn riêng có RE 69 2-12 Phân cực cố định 72 2-13 Phân cực hồi tiếp cực phát 73 2-14 Phân cực hồi tiếp cực thu 75 2-15 Phân cực dùng cầu phân áp 77 2-16 Phân cực dùng cầu phân áp có RE 77 2-17 Mạch tương đương nguồn riêng 78 2-18 Mạch tương đương nguồn riêng có RE 78 3-1 Mạch khuếch đại CE 87 3-2 Mơ hình mạch khuếch đại CE thông số h 87 3-3 Mơ hình mạch khuếch đại CE thơng số h đơn giản 88 3-4 Sơ đồ tương đương không RE 89 3-5 Sơ đồ tương đương có RE 89 3-6 Mạch khuếch đại CC 90 3-7 Sơ đồ tương đương mạch CC khơng có RC 92 3-8 Sơ đồ tương đương mạch CC có RC 92 3-9 Mạch khuếch đại CB 93 3-10 Mơ hình mạch khuếch đại CB thông số h 94 3-11 Mơ hình mạch khuếch đại CB thông số h đơn giản 94 3-12 Sơ đồ tương đương mạch CB có Cb 95 3-13 Sơ đồ tương đương mạch CB khơng có Cb 95 3-14 Mạch khuếch đại Darlington 97 3-15 Mạch khuếch đại vi sai 98 3-16 Ghép tầng tụ điện 99 3-17 Ghép tầng MBA 100 3-18 Ghép tầng trực tiếp 101 3-19 Mạch khuếch đại lớp A 102 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 3-20 Tín hiệu mạch khuếch đại lớp A 102 3-21 Tín hiệu mạch khuếch đại lớp A bị xén 103 3-22 Tín hiệu mạch khuếch đại lớp A bị xén bán kì 104 3-23 Phân cực ổn định mạch khuếch đại 105 3-24 Tín hiệu mạch khuếch đại lớp B 106 3-25 Phân cực mạch khuếch đại lớp AB 107 3-26 Tín hiệu mạch khuếch đại lớp AB 107 3-27 Mạch khuếch đại đẩy kéo 108 3-28 Hiện tượng méo xuyên tâm 109 4-1 Cấu trúc ký hiệu JFET kênh N JFET kênh P 117 4-2 Hoạt động FET VGS=0 118 4-3 Quan hệ dòng điện với điện áp 119 4-4 Quan hệ dòng điện với điện áp điện áp tăng 119 4-5 FET có đặc tính nguồn dịng 120 4-6 Hoạt động FET VGS=-1V 120 4-7 Đặc tuyến V- A 122 4-8 Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến ngõ JFET kênh N 122 4-9 Mạch phân cực cực nguồn 123 4-10 Mạch tự phân cực 124 4-11Mạch phân cực dùng cầu phân áp 124 4-12 So sánh BJT JFET 125 4-13 Cấu tạo D-MOSFET 126 4-14 Ký hiệu D-MOSFET kênh N P 127 4-16 Đặc tuyến D-MOSFET 128 4-15 Hoạt động D- MOSFET 127 4-17 Cấu tạo E-MOSFET 129 4-19 Hình thành kênh dẫn E-MOSFET kênh N (VGS > 0) 130 4-18 Ký hiệu E-MOSFET 129 4-20 Sự thay đổi bề rộng kênh dẫn VDS tăng VGS cố định 131 4-21 Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến ngõ E_MOSFET kênh N 132 4-22 Cấu tạo, ký kiệu UJT 133 4-23 Đặc tuyến UJT 134 4-24 Mơ hình FET 134 4-25 Mạch tạo xung dùng UJT 136 4-26 Dạng xung điện áp R1 137 5-1 Ký hiệu Op-Amp ngõ vào, ra, cấp điện 145 5-2 Một số kiểu vỏ phổ biến vi mạch Op-Amp 146 5-3 Cấp nguồn kép nguồn đơn cho Op-Amp 146 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Hình 5-4 Điện áp ngõ vào, điện áp vi sai 147 Hình 5-5 Điện áp ngõ Op-Amp giới hạn mức -Usat +Usat 148 Hình 5-6 Điện áp ngõ Op-Amp giới hạn mức 0v +Usat 148 Hình 5-7 Tổng trở ngõ vào 149 Hình 5-8 Hoạt động chế độ vịng hở Op-Amp 151 Hình 5-9 Hoạt động Op-Amp chế độ vòng hở nguồn đơn 151 Hình 5-10 Hồi tiếp âm dương chế độ vịng kín Op-Amp 151 Hình 5-11 Mạch khuếch đại điện áp đảo dấu 152 Hình 5-12 Quan hệ tín hiệu tín hiệu vào mạch khuếch đại đảo 154 Hình 5-13 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại điện áp không đảo 155 Hình 5-14 Quan hệ tín hiệu vào - mạch khuếch đại không đảo 158 Hình 5-15 Tín hịệu vào lớn làm tín hiệu bị xén đỉnh 158 Hình 5-16 Mạch đệm với tổng trở vào lớn, không làm suy giảm tín hiệu uin 159 Hình 5-17 Mạch cộng đảo dấu 160 Hình 5-18 Các tín hiệu ngõ vào uin1 uin2 161 Hình 5-19 Tín hiệu ngõ tổng đảo dấu tín hiệu ngõ vào 162 Hình 5-20 Mạch Mixer AC kênh với tín hiệu kênh khuếch đại lần 163 Hình 5-21 Mạch cộng khơng đảo 164 Hình 5-22 Mạch trừ 167 Hình 5-23 Mạch tích phân 168 Hình 5-24 Mạch vi phân 169 Hình 6-1 Sơ đồ khối mạch dao động 174 Hình 6-2 Mạch tương đương thạch anh 175 Hình 6-3 Cách mắc tụ vào thạch anh 176 Hình 6-4 Mạch dao động dùng thạch anh 176 Hình 6-5 Mạch RC 177 Hình 6-6 Mạch dao động dùng BJT 178 Hình 6-7 Mạch dao động dùng Op - Amp 179 Hình 6-8 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động tạo xung vuông 180 Hình 6-9 Quan hệ điện áp tụ (dạng cưa) điện áp ngõ (xung vng) mạch dao động tạo sóng vuông với Ucc = 9v 181 Hình 6-10 Mạch tạo sóng vng có độ rộng mức cao 50% chu kỳ 183 Hình 6-11 Quan hệ điện áp tụ điện áp ngõ với Ucc = 9v Điện áp ngõ có dạng xung vng có độ rộng mức cao 50% chu kỳ 184 Hình 6-12 Sơ đồ nguyên lý mạch đơn ổn 185 Hình 6-13 Trạng thái ổn định mạch hình 6-12 186 Hình 6-14 Hoạt động mạch hình 6-12 mạch kích 187 Hình 6-15 Quan hệ tín hiệu kích, điện áp tụ C điện áp ngõ 187 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 6-16 Mạch đơn ổn kích nút nhấn 188 6-17 Mạch đơn ổn kích mạch vi phân 189 7-1 Sơ đồ khối mạch ổn áp 191 7-2 Mạch ổn áp dùng Zener 192 7-3 Sơ đồ khối nguồn ổn áp nối tiếp 193 7-4 Mạch nguyên lý ổn áp nối tiếp dùng Op_Amp 194 7-5 Mạch ổn áp dùng BJT 195 7-6 Mạch ổn áp dùng BJT 196 7-7 Sơ đồ khối nguồn ổn áp song song 196 7-8 Mạch ổn áp song song dùng Op_Amp 197 7-9 Mạch ổn áp song song dùng BJT 198 7-10 Mạch ổn áp song song dùng BJT 199 7-11 Kiểu vỏ TO-220 200 7-12 Kiểu vỏ D-PAK 200 7-13 Thông số IC họ 78XX 201 7-14 IC họ 78xx nhôm tản nhiệt dùng kèm 203 7-15 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu, ổn áp 5V 204 7-16 Quan hệ Uin Uout mạch làm việc 205 7-17 Mạch ổn áp dương dùng IC 207 7-18 Thứ tự ngõ vào/ra hai họ IC ổn áp 78XX 79XX 209 7-19 Dùng kết hợp IC họ 78XX với IC họ 79XX tạo nguồn ổn áp +/- 210 7-20 Dùng kết hợp IC họ 78XX với IC họ 79XX tạo nguồn ổn áp +/- 210 7-21 Một số dạng vỏ Series LM317 211 7-22 Nguyên lý thiết kế mạch ổn áp dùng LM317T 213 7-23 Mạch ổn áp điều chỉnh điện áp biến trở 214 7-24 Mạch ổn áp chỉnh điện áp theo nấc dùng công tắc chuyển mạch 216 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Chương 1: CHẤT BÁN DẪN - DIODE MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Trong chương này, khảo sát tính chất Diode, Diode zener, LED hoạt động chúng Ngoài ra, ứng dụng linh kiện trình bày chương Chương cung cấp kiến thức phục vụ cho chương sau Cho nên, sinh viên phải thực lại ví dụ tập Từ đó, tự cho ví dụ, tập tương tự giải chúng để tự khám phá tri thức 1.1 CHẤT BÁN DẪN VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA DIODE 1.1.1 Khái niệm chất bán dẫn phân loại 1.1.1.1 Xét điện học, vật chất chia thành loại Các chất môi trường có chứa hạt mang điện tự (electron, Ion+, Ion-) có khả dẫn điện gọi chất dẫn điện Các chất môi trường không chứa hạt mang điện tự khơng thể dẫn điện được, chúng chất cách điện Có vật chất trung gian loại trên, bình thường chúng khơng có hạt mang điện tự nên khơng dẫn điện nhận lượng kích thích từ bên ngồi nhiệt độ, ánh sáng số hạt mang điện electron bị bứt khỏi ràng buộc nguyên tử trở thành tự sẳn sàng tham gia dẫn điện Những chất gọi chất bán dẫn, gọi chúng chất dẫn điện có điều kiện 1.1.1.1 Bán dẫn loại P bán dẫn loại N Chất bán dẫn có chứa hạt mang điện tự có điện tích (+) gọi bán dẫn loại P (Positive: dương) Các hạt mang điện (+) tự bán dẫn loại P thường lỗ trống (lỗ trống nguyên tử trung hoà bị electron nên trở thành Ion+) Chất bán dẫn có chứa hạt mang điện tự có điện tích (–) (thường hạt electron) gọi bán dẫn loại N Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Như IC có khả cung cấp dòng điện đến 1A với điện áp ổn áp 5V (thoả mãn yêu cầu toán) Điện áp ngõ vào IC cho phép dao động khoảng từ đến 20V Để có điện áp này, phương pháp phổ biến dùng mạch chỉnh lưu lọc, phải tính tốn điện áp thứ cấp biến áp chọn tụ lọc cho điện áp sau mạch chỉnh lưu lọc nằm khoảng cho phép Ta có sơ đồ ngun lý tồn mạch Hình 7-15 D1 BRIDGE T1 - KA7805A IN OUT Iin Iout GND Cout + Cin IQ 0,1uF 0,33uF 5V + u2 + C Uin - + IL Uout RL Hình 7-15 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu, ổn áp 5V 204 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Uin Utm Utmin UDC Umin Uout Time 0v Hình 7-16 Quan hệ Uin Uout mạch làm việc Chênh áp Umin thông thường phải  3V với tất IC ổn áp họ 78XX Các tụ Cin Cout có tác dụng chống nhiễu ngõ vào ngõ IC, cải thiện đáp ứng giai đoạn độ, giá trị điện dung lấy theo nhà sản xuất Diode D1 có tác dụng bảo vệ IC khỏi bị hỏng điện áp ngược Nếu lý mà điện áp ngõ lớn điện áp ngõ vào IC bị hỏng điện áp ngược Khi có Diode D1 lúc D1 dẫn điện điện áp ngược IC khoảng 0,7V Với điện áp ngược này, IC không bị hỏng Điện áo sau tụ lọc cấp thẳng đến ngõ vào IC ổn áp Điện áp có dạng nhấp nhơ trị trung bình tăng giảm theo lưới điện, ta phải tính điện áp trường hợp lưới điện khu vực mạch làm việc có giá trị thấp Điện áp chỉnh lưu sau lọc không nhấp nhô nhiều, tốt nên chọn tụ lọc C cho hệ số gợn sóng kr < 5% Muốn tính tốn chọn tụ lọc, phải tính giá trị tải tương đương phần mạch sau tụ lọc Ta gọi tải tương đương Rt xác định theo công thức: Rt  Uin(min) , giá trị Rt nhỏ tương ứng với điều kiện sụt áp thứ cấp Iin(max) máy biến áp Diode độ gợn sóng lớn Nếu tính tụ lọc với tải Rt khi dùng dịng tải hơn, điện áp ngõ vào IC ổn áp tăng lên lớn giới hạn tối thiểu đảm bảo mạch làm việc tốt, đồng thời độ gợn sóng giảm 205 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Các bước tính tốn bản:  Xác định Iin(max) : Iin(max)  Iout(max)  IQ  1A  5mA  1,005 A  Xác định điện áp Uin(min) : Uin(min) = 7,5V (theo tài liệu nhà sản xuất)  Xác định điện trở tương đương nhỏ mạch ổn áp (phần mạch đường bao nét rời Hình 7-15) Rt  Uin(min) 7,5   7,46 Iin(max) 1,005  Tính tốn chọn tụ lọc theo độ gợn sóng yêu cầu: Giả sử độ gợn sóng yêu cầu phải < 5% Với mạch chỉnh lưu cầu ta có tụ lọc C tính theo cơng thức: kr   5%  0,05 3.f.R t C C 1   7739,3.10  F  7739,3F 0,05.4 3.f.R t 0,05.4 50.7,46 Chọn C theo tiêu chuẩn: C = 8200F Khi đó: k r  1   4,72% f.R t C 50.7,46.8200.10   Tính điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Ta có điện áp cực tiểu sau tụ lọc là: Utmin = Uin(min) = 7,5V Mặc khác với chỉnh lưu cầu ta có: U t  4.f.R t C  Utm 4.f.R t C   Utm  4.f.R t C  4.50.7,46.8200.10   Ut  7,5  8,835V 4.f.R t C  4.50.7,46.8200.10   206 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Do dùng chỉnh lưu cầu nên: U2m = Utm + 1,4V = 8,835 + 1,4 = 10,235V  U2  U2 m  10,235  7,31V U2 = 7,31V Thực tế, để thiết kế mạch ổn áp đơn giản hóa số bước với mục đích làm bớt khâu tính tốn đảm bảo chức Ví dụ: Thiết kế mạch ổn áp có điện áp ngõ 5V/1A từ nguồn 220V/50Hz Mạch nguyên lý chung: - + 78XX IN OUT Vout LED Rt 220V/50Hz GND T1 C1 C2 R Hình 7-17 Mạch ổn áp dương dùng IC Từ mạch nguyên lý, ta cần tính đại lượng sau: Chọn IC ổn áp Vì ngõ yêu cầu +5V/1A nên chọn IC 7805 Điện trở tải tối thiếu Rtmin = Vout/Imax = 5V/1A=5Ω Công suất điện trở: PR = UI = I2R=5W Vậy Rtmin = 5Ω/5W Tải giả tối đa để trì dịng ngõ tối thiểu (khi không tải) 207 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Khi khơng tải R tải giả để trì dịng ngõ tối thiểu cho mạch ổn áp, dòng tải tốt thiểu 5mA Ở R kết hợp với LED với mục đích làm đèn báo nguồn Vì vậy, dịng tối đa qua LED (cũng dòng qua R) 20mA Từ điều kiện ta tính giá trị R 5mA ≤ IR ≤ 20mA Khi IR = 5mA: R = VR/IR = (Vout - VLED)/IR = (5-2)V/5mA = 600Ω Khi IR = 20mA: R = VR/IR = (Vout - VLED)/IR = (5-2)V/20mA = 150Ω Vậy: 150Ω ≤ R ≤ 600Ω, ta chọn R = 180Ω; 220Ω; 330Ω; 390Ω; 470Ω; 560Ω Tính chọn ngõ máy biến áp Điều kiện ổn áp: XX + Umin ≤ Vin ≤ XX + 15 (Umin theo nhà sản xuất từ 2- 3V, tài liệu chọn Umin = 3V) 8V ≤ Vin ≤ 20V Giả sử tụ lọc đủ để Vin phẳng, mạch chỉnh lưu cầu nên đầu MBA đỉnh là: 8V + 1,4V ≤ VAC ≤ 20V + 1,4V Đầu MBA giá trị hiệu dụng là: 9,4V/√2 ≤ VAC ≤ 21,4V/√2 6,7V ≤ VAC ≤ 15,28V Chọn ngõ đầu phân áp MBA (9V, 12V, 15V)  9V 7.5.2 MẠCH ỔN ÁP (-) DÙNG IC HỌ 79XX Giống IC ổn áp họ 78XX, IC ổn áp (-) họ 79XX nhiều hãng sản xuất cung cấp có cách dùng tương tự IC ổn áp (+) Tuy nhiên cần lưu ý vài điểm khác sơ đồ chân cách mắc mạch Phổ biến thị trường ta có IC ổn áp âm mang số: 7905; 7906; 7908; 7909; 7910; 7912; 7915; 7918; 7924 208 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Dòng điện ngõ cực đại IC thường có cấp: 0,5A; 1A 1,5A 7.5.2.1 Sư khác thứ tự ngõ vào/ra họ 78XX 79XX KA7805C 1 GND OUT GND IN KA7905C OUT IN Hình 7-18 Thứ tự ngõ vào/ra hai họ IC ổn áp 78XX 79XX 7.5.2.2 Các vấn đề cần quan tâm làm việc với IC họ 79XX Điện áp ngõ IC ổn áp (-) họ 79XX có giá trị âm (-XX) với XX hai số sau số 79 Điện áp đưa đến ngõ vào IC phải âm điện áp tối thiểu 2,5V IC họ 79XX nói chung Dịng điện ngõ cho phép tối đa phụ thuộc vào chữ cuối ký hiệu IC giống IC họ 78XX IC ổn áp (-) dùng riêng lẻ mà dùng kết hợp với IC ổn áp (+) để tạo thành nguồn ổn áp kép (nguồn +/-), dùng để làm nguồn cấp điện cho vi mạch OPAMP (ta khảo sát chương 5) Để tạo nguồn điện DC +/- cấp cho ngõ vào IC ổn áp, dùng mạch chỉnh lưu cầu với biến áp thứ cấp có điểm điểm nối đến đường mass chung mạch Một cách khác dùng hai mạch chỉnh lưu riêng biệt, sau kết hợp với để tạo thành nguồn kép Sơ đồ mạch ổn áp kép dùng hai phương pháp hình 7-19 7-20 209 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự D5 D1 D2 + T1 KA7805C OUT GND C1 0,33uF C2 2,2uF +5V IN 0,1uF R1 1k u2 u2 + D4 D3 1uF GND IN R2 1k OUT -5V KA7905C D6 Hình 7-19 Dùng kết hợp IC họ 78XX với IC họ 79XX tạo nguồn ổn áp +/D5 BRIDGE1 T1 - + C1 KA7805C OUT IN GND 0,33uF C2 2,2uF u2 + BRIDGE2 T2 u2 + + 0,1uF 1uF IN +5V GND OUT R1 1k R2 1k -5V KA7905C D6 Hình 7-20 Dùng kết hợp IC họ 78XX với IC họ 79XX tạo nguồn ổn áp +/Trên Hình 7-19 7-20 sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ổn áp kép +/- 5V với mạch chỉnh lưu theo hai phương pháp: chỉnh lưu cầu với biến áp thứ cấp có điểm (Hình 7-19) kết hợp hai mạch chỉnh lưu (Hình 7-20) Khi tính tốn nguồn kép ta tính tốn cho phần ổn áp (+), phần ổn áp (-) suy từ phần ổn áp (+) tính 210 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự 7.5.3 MẠCH ỔN ÁP (+) ĐIỀU CHỈNH ĐƯỢC DÙNG IC HỌ LM317 7.5.3.1 Khái niệm Khi thiết kế mạch với IC ổn áp (+) họ 78XX, điện áp ngõ mạch ổn định giá trị Trong thực tế nhiều trường hợp ta cần mạch ổn áp với điện áp điều chỉnh theo ý muốn chủ quan người sử dụng vào thời điểm Để thiết kế mạch ổn áp vậy, tiện dụng dùnh IC ổn áp họ LM317 Series LM317 có nhiều kiểu đóng vỏ khác theo dịng điện tối đa cho phép ngõ khác (xem Hình 7-21) Mã hiệu LM317T LM317K LM317H Kiểu vỏ TO220 TO-3 TO-39 Dịng Iout(max) 1,5A 1,5A 0,5A Hình 7-21 Một số dạng vỏ Series LM317 Giống IC ổn áp khác, thiết kế mạch ổn áp với IC Series LM317, ta cần qua tâm tới thông số cần thiết giống trình bày phần IC ổn áp (+) họ 78XX Ngoài cần ý kiểu vỏ Hình 7-21, kiểu vỏ TO-220 hiệu LM317T dễ sử dụng (dễ dàng lắp lên mạch in gắn nhơm giải nhiệt cho IC) Do giáo trình ta trình bày thơng số kỹ thuật IC ổn áp LM317T phương pháp thiết kế mạch ổn áp dùng IC Nếu muốn sử dụng IC khác, cần tham khảo thêm thông số kỹ thuật cần thiết tài liệu nhà sản xuất 211 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự 7.5.3.2 Các thông số kỹ thuật LM317T:  Khoảng chênh lệch điện áp cho phép Input Output: 3V ≤ U ≤ 40V (U = Uin - Uout) Điện áp ngõ vào phải lớn điện áp ngõ tối thiểu 3V tối đa 40V  Dòng điện ngõ tối đa cho phép: Iout(max) = 1,5A  Dòng điện ngõ tối thiểu yêu cầu: Iout(min) = 10mA  Dòng điện chảy khỏi IC chân ADJ (Adjust – điều chỉnh): IADJ = 50A  Điện áp tính từ ngõ (OUT) đến chân điều chỉnh (ADJ): Uref = 1,25V  Thời gian tối đa cho phép hàn nối: 10 giây với loại vỏ kim loại giây với loại vỏ Plastic 7.5.3.3 Thiết kế mạch ổn áp dùng IC LM317T: Khi điện áp ngõ vào (Uin) đủ lớn điện áp từ ngõ (OUT) đến chân (ADJ) có giá trị ổn định khoảng 1,25V Với mạch Hình 7-22 ta có: Dịng điện qua R1 : IR1  1,25 , dòng phụ thuộc vào R1 R1 Dòng điện qua R2 : IR2 = IADJ + IR1 = 50A + IR1 =0,00005 + IR1  IR1 Điện áp ngõ là: Uout = UR1 + UR2 = 1,25 + IR2.R2  1,25 + IR1.R2  Uout  1,25   R  1,25 R  1,251   R1  R1   Vậy : Uout  1,251   R2   R1  212 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự U = Uin - Uout + Iin IADJ + _ Uin R2 Iout 1,25V + LM317T IN OUT ADJ IR1 IR2 - + R1 IL Uout Tải RL - Hình 7-22 Nguyên lý thiết kế mạch ổn áp dùng LM317T Như điện áp vào đủ lớn (cụ thể lớn điện áp 3V để IC ổn áp làm việc đúng) ta có điện áp ngõ mạch phụ thuộc vào tỉ số R2/R1 Bằng cách thay đổi tỉ số ta thay đổi điện áp Khi tỉ số R2/R1 giữ cố định khơng thay đổi điện áp ổn định Dòng điện ngõ : Iout  IR1  IL  1,25 Uout  R1 RL Dòng điện ngõ gồm hai thành phần: Thành phần chảy qua R1 có nhiệm vụ trì điện áp ổn định Thành phần IL cung cấp cho tải Khi không dùng tải thành phần IL = 0, ta có Iout = IR1 Lúc dịng Iout phải đảm bảo lớn 10mA điện áp ngõ ổn định Như ta chọn R1 cho thành phần IR1 > 10mA tức là: 1,25  10mA  10  A  R1 125Ω R1 Nếu chọn R1 nhỏ thành phần IR1 lớn, tức IC ổn áp phải cung cấp dòng điện Iout lớn Vì thơng thường ta chọn R1 theo tiêu chuẩn : 100 120 Vậy để thay đổi điện áp Uout, ta cố định R1 thay đổi R2 Có nhiều cách thay đổi R2 trình bày mạch ứng dụng Hình 7-23và 7-24 Trên mạch ứng dụng Hình 7-23 7-24 ta sử dụng mạch chỉnh lưu để tạo điện áp DC cung cấp cho ngõ vào IC ổn áp Như để tính tụ lọc C điện áp hiệu dụng 213 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự thứ cấp biến áp, ta phải xác định điện trở tương đương nhỏ mạch ổn áp sau tính theo trình tự ví dụ phần thiết kế mạch ổn áp (+) dùng IC họ 78XX 7.5.3.4 Ví dụ thiết kế mạch ổn áp dùng IC LM317T: Ví dụ 1: Thiết kế mạch ổn áp dùng IC LM317T cho điều chỉnh điện áp ngõ phạm vi từ đến 15V, dùng mạch chỉnh lưu cầu có lọc để cung cấp điện DC cho ngõ vào mạch ổn áp D1 BRIDGE T1 - Uin + C 0.1uF LM317T IN ADJ OUT Uout D2 R1 100 R2 + 1uF RL 0.1uF Hình 7-23 Mạch ổn áp điều chỉnh điện áp biến trở Các tụ điện không ghi tên hai Diode D1, D2 có nhiệm vụ chống nhiễu, cải thiện đáp ứng độ bảo vệ IC Các tính toán :  Xác định phạm vị điều chỉnh biến trở R2:  Ta có : Uout  1,251   R2   R1  U   R   out  1.R1  1,25  Phạm vi điều chỉnh điện áp ngõ theo yêu cầu là: Uout =  15V  Phạm vị điều chỉnh R2 tính là: R2 = 300  1100  Xác định khoảng cho phép điện áp ngõ vào mạch ổn áp: Để đảm bảo IC ổn áp làm việc điện áp vào (Uin) phải thoả mãn: Umin = 3V Umax = 40V tức là: < Uin – Uout < 40V (điều kiện áp) 214 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Để thoả mãn điều kiện ta tính sau: Với Uout = 5V ta cần có: < Uin – < 40V  < Uin < 45V Với Uout = 15V ta cần có: < Uin – 15 < 40V  18 < Uin < 55V Lấy phần chung hai khoảng ta được: 18 < Uin < 45 Khoảng giới hạn Uin thoả mãn điều kiện áp toàn dải điều chỉnh Uout từ đến 15V  Tính điện trở tương đương nhỏ mạch ổn áp: Ta có: Uin(min) = 18V Iin(max) = Iout(max) + IADJ  Iout(max) = 1,5A Rt  Uin(min) 18   12 Iin(max) 1,5  Tính tốn chọn tụ lọc theo độ gợn sóng yêu cầu: Giả sử độ gợn sóng yêu cầu phải < 6% Với mạch chỉnh lưu cầu ta có tụ lọc C tính theo công thức: kr   6%  0,06 f.R t C C 1   4009,4.10  F  4009,4F 0,06.4 f.R t 0,06.4 50.12 Chọn C theo tiêu chuẩn: C = 4700F Khi đó: k r  1   5,12% f.R t C 50.12.4700.10   Tính điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: Ta có điện áp cực tiểu sau tụ lọc là: Utmin = Uin(min) = 18V Mặc khác với chỉnh lưu cầu ta có: 215 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự U t  4.f.R t C  Utm 4.f.R t C   Utm  4.f.R t C  4.50.12.4700.10   U t  18  21,5V 4.f.R t C  4.50.12.4700.10   Do dùng chỉnh lưu cầu nên: U2m = Utm + 2V = 21,5 + = 23,5V  U2  U2m  23,5  16,6 V U2 = 16,6V Ví dụ 2: Thiết kế mạch ổn áp dùng LM317T điều chỉnh điện áp theo nấc 5V; 9V; 15V Dùng mạch chỉnh lưu cầu để cung cấp điện áp DC cho ngõ vào mạch ổn áp D1 BRIDGE T1 - Uin + LM317T IN ADJ OUT Uout D2 R1 100 C + 0.1uF R21 RL 1uF 0.1uF R22 R23 Hình 7-24 Mạch ổn áp chỉnh điện áp theo nấc dùng cơng tắc chuyển mạch Các tính tốn bản:  Xác định trở: R21, R22, R23 cho nấc điều chỉnh: Giả sử chuyển mạch vị trí điện áp Uout = 5V, tương ứng tính được: R21 = 300 Khi chuyển mạch vị trí 2: Uout = 9V, tương ứng tính được: R22 = 620 Khi chuyển mạch vị trí 3: Uout = 15V, tương ứng tính được: R23 = 1100 Các tính tốn cịn lại giống ví dụ Ở khoảng điều chỉnh điện áp xác định từ đến 15V 216 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Mạch ổn áp Hình 7-24 tiện dụng, với giá trị R2 tính trước cho vị trí, ta cần chuyển cơng tắc đến vị trí phù hợp để có điện áp mong muốn mà không cần phải đo chỉnh ví dụ 7.6 BÀI TẬP 7.6.1 Bài tập Từ nguồn 220V/50Hz, thiết kế mạch ổn áp có điện áp ngõ +12V dùng: b) Zener c) ổn áp nối tiếp d) ổn áp song song e) IC ổn áp 7.6.2 Bài tập Từ nguồn 220V/50Hz, thiết kế mạch ổn áp có điện áp ngõ -9V 7.6.3 Bài tập Thiết kế mạch ổn áp thay đổi từ -2V đến -15V dùng IC ổn áp 7.6.4 Bài tập Thiết kế mạch ổn áp đối xứng +/- 12V dùng IC ổn áp 7.6.5 Bài tập Thiết kế mạch ổn áp đối xứng thay đổi từ +/- 2V đến +/- 15V dùng IC ổn áp 217 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thu Hà (2013 ), Giáo trình điện tử bản, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Trinh Đường ( 2008 ), Điện tử tương tự, Giáo dục [3] Trần Văn Thịnh (2005 ), Kỹ thuật điện tử , ĐHSP [4] Lê Tiến Thường ( 2008 ), Tuyển tập tập mạch điện tử tương tự, Đại học Quốc gia TP.HCM 218 .. .Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự LỜI NÓI ĐẦU Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự môn Điện tử - Viễn thông biên soạn sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên Khoa... cho giảng viên sinh viên Khoa việc dạy học tập môn học Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự biên soạn phù hợp với chương trình mơn học Điện tử tương tự phê duyệt Nó cung cấp kiến thức Diode,... cực thuận dẫn điện dịng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở mạch (được mắc nối tiếp với Diode) Dịng điện phụ thuộc 13 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự vào điện trở thuận Diode điện trở