Thông tin tài liệu
Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự TRANSISTOR TRƯỜNG Chương 4: MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Trong chương này, tìm hiểu Transistor đơn cực: Phân loại, phân cực, chế độ làm việc FET Ngoài ra, cách viết phương trình đường tải tĩnh (Đường tải DC) trình bày chương Chương so sánh BJT FET ứng dụng FET việc khuếch đại tín hiệu AC 4.1 TRANSISTOR TRƯỜNG – JFET 4.1.1 Cấu tạo JFET(JUNCTION FIELD EFFECT TRANSISTOR) linh kiện bán dẫn cực có cấu trúc ký hiệu JFET kênh N JFET kênh P hình 4-1 Máng - Drain(D) Máng - Drain(D) Kênh P Kênh N P N N P Cổng - Gate (G) P N Cổng - Gate (G) Vùng nghèo Vùng nghèo Nguồn - Source(S) Nguồn - Source(S) D D G I VGS G ID VGS S S Hình 4-1 Cấu trúc ký hiệu JFET kênh N JFET kênh P 117 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự 4.1.2 Hoạt động Do có loại JFET nên để giải thích nguyên tắc hoạt động transistor trường ta dùng JFET kênh N Thành phần chủ yếu cấu trúc lớp bán dẫn N hình thành kênh dẫn nằm lớp bán dẫn loại P Đỉnh kênh bán dẫn N nối với điện cực đưa tạo thành cực D (Drain: cực máng), phía bên tạo thành cực S (Source: cực nguồn) Hai lớp bán dẫn loại P nối chung với tạo thành cực G (Gate: cực cổng) 4.1.2.1 Trường hợp VGS = 0, VDS có giá trị dương + ID D Kênh N e G Pp e e + p e VDD VDS VGS = 0V IS S _ Hình 4-2 Hoạt động FET VGS=0 Ngay có điện áp VDD = VDS, điện tử di chuyển từ cực nguồn S đến cực máng D, thiết lập nên dòng điện ID với chiều xác định hình 4-2 Dịng điện chạy vào cực D dịng điện chạy khỏi cực S, kết ID = IS Ta thấy vùng nghèo rộng gần đỉnh lớp bán dẫn P tiếp giáp PN bị phân cực ngược suốt chiều dài kênh kết qủa dòng điện IG = Khi điện áp VDS tăng từ Volt đến vài Volt, dòng điện tăng xác định theo định luật Ohm kết vẽ dòng điện ID theo VDS hình 4-3 118 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Hình 4-3 Quan hệ dịng điện với điện áp Khi VDS tăng đạt đến giá trị VP, vùng nghèo hình 4-4 rộng làm giảm độ rộng của kênh dẫn Việc giảm kênh dẫn làm cho điện trở kênh tăng Hình 4-4 Quan hệ dòng điện với điện áp điện áp tăng Nếu VDS tăng đến giá trị Vp làm vùng nghèo đụng vào – điểm đụng gọi điểm thắt kênh (Pinch off) Giá trị điện áp VDS thiết lập nên điểm thắt gọi điện áp thắt ký hiệu VP Khi VDS tăng vượt qua giá trị VP, điểm thắt dài dịng ID khơng đổi Do nói điện áp VDS > VP JFET có đặc tính nguồn dịng Hình 4-5 trình bày nguồn dịng cố định ID = IDSS điện áp VDS xác định điện áp tải cung cấp 119 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự + ID = IDSS VDS tải Hình 4-5 FET có đặc tính nguồn dịng Ký hiệu IDSS dịng điện từ cực máng D đến cực nguồn S trường hợp ngắn mạch (Short) G-S Quan sát đường cong đặc tính cho ta thấy: IDSS dòng điện cực máng cực đại JFET xác định điều kiện VGS= VDS >VP Lưu ý hình 4-3, điện áp VGS = tồn đường cong đặc tính 4.1.2.2 Trường hợp VGS < 0, VDS có giá trị dương: Điện áp cực G cực S ký hiệu VGS điện áp điều khiển JFET Nếu giá trị khác đường cong dòng điện IC theo VCE thiết lập từ giá trị khác dòng IB BJT, JFET, đường cong dịng điện ID theo VDS thiết lập từ giá trị khác điện áp VGS D IG = 0A VGS = -1V Pp + ID Kênh N P N + VDS VDD _ + IS S _ Hình 4-6 Hoạt động FET VGS=-1V 120 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Trong hình 4-6, điện áp âm (–1V) cung cấp cho cực GS Ảnh hưởng điện áp phân cực (-VGS) đến việc thiết lập vùng nghèo giống VGS = 0V, giá trị VDS xảy tượng thắt kênh nhỏ Vp (do tiếp giáp PN bị phân cực ngược nên vùng nghèo nới rộng hơn) Kết việc cung cấp điện áp âm phân cực cho GS, để đạt giá trị bão hòa mức thấp điện áp VDS trình bày hình 4-7, (với giá VGS = -1V) Dòng điện bão hòa ID giảm tiếp tục giảm VGS âm Ta thấy điện áp điểm thắt giảm theo đường cong parabol VGS âm âm Tóm lại: Giá trị điện áp âm VGS làm cho dòng ID = 0mA xác định VGS = VP, JFET kênh N VP âm JFET kênh P VP dương 4.1.2.3 Điện trở điều khiển điện áp Vùng bên trái điểm thắt hình 4-7 xem vùng điện trở điều khiển điện áp Trong vùng JFET thực có vai trị biến trở (có thể sử dụng cho hệ thống tự động điều khiển độ lợi) mà giá trị điện trở điều khiển điện áp cung cấp VGS Ta thấy hình độ dốc đường cong điện trở JFET cực D S VDS < VP hàm VGS Khi VGS trở nên âm độ dốc đường cong trở nên nằm ngang tương ứng với mức điện trở tăng Phương trình sau cho phép tính giá trị điện trở theo điện áp VGS: rd r0 V (1 GS ) VP Trong r0 điện trở VGS = 0V rd điện trở giá trị xác định VGS Đối với BJT dòng điện ngõ IC dòng điện điều khiển ngõ vào IB có mối quan hệ với theo hệ số xem số I C f I B I B số IB biến điều khiển Phương trình diễn tả mối quan hệ tuyến tính dịng điện IB IC Cịn JFET mối quan hệ dòng điện ID V VGS xác định phương trình Shockley: I D I DSS 1 GS VP 121 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự ID IDSS VGS = 0V VGS = -1V VGS = -2V VGS = -3V VGS = -4V = VP VDS VP Hình 4-7 Đặc tuyến V- A Dấu mũ phương trình cho thấy mối liên hệ ID VGS khơng tuyến tính, tạo đường cong ID tăng theo hàm mũ tăng giá trị VGS 4.1.3 Đặc tính JFET Các đường cong đặc tính truyền có cách khảo sát phương trình Shockley ID(mA) ID(mA) IDSS VGS(V) VGS = 0V -4 -3 -2 -1 0 ID = 0mA VGS = -VP VGS = -1V VGS = -2V VGS = -3V VGS = -4V VP VDS Hình 4-8 Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến ngõ JFET kênh N 4.1.4 Các thông số JFET Điện áp cực đại Dịng điện cực đại Cơng suất tiêu tán cực đại PD VDS I D Và thông số VGS VDS 122 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Các thông số xác định sổ tay tra cứu linh kiện điện tử 4.2 PHÂN CỰC CHO JFET 4.2.1 Mạch phân cực cực nguồn Tương tự mạch phân cực định dòng cực B, mạch phân cực cực nguồn cho JFET trình bày hình 4-9 Nguồn -VG nguồn VGS Sử dụng cơng V thức I D I DSS GS , tính ID ( Với VDD, RD có) Khi có VP ID, VDS tính sau: VDS = VDD - IDRD VDD RD Q1 FET N RG -VG Hình 4-9 Mạch phân cực cực nguồn 4.2.2 Mạch tự phân cực Mạch tự phân cực thay nguồn VGS cực G điện trở hình 410 123 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự VDD RD Q1 FET N RG RS Hình 4-10 Mạch tự phân cực Ngồi ta thực mạch phân cực cầu phân áp BJT hình 4-11 VDD R R D G1 Q1 FET N R G2 R S Hình 4-11Mạch phân cực dùng cầu phân áp 124 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự 4.3 SO SÁNH GIỮA BJT VÀ JFET Sự khác loại transistor là: BJT linh kiện điều khiển dịng JFET linh kiện điều khiển áp Ngồi dịng điện IC hàm dòng IB dòng ID JFET hàm VGS Nếu BJT có loại NPN PNP JFET có loại JFET kênh N JFET kênh P Tuy nhiên điều quan trọng cần phải lưu ý BJT linh kiện có cực tính (bipolar: lưỡng cực), dòng điện dòng hạt tải đa số: điện tử lỗ trống Còn JFET linh kiện khơng có cực tính (unipolar) hay cịn gọi đơn cực, dòng tải dòng điện tử (kênh N) lỗ trống (kênh P) Một đặc tính quan trọng JFET tổng trở vào cao Tổng trở vào JFET đạt tới vài trăm M, lớn nhiều điện trở vào BJT, đặc tính quan trọng JFET thiết kế hệ thống khuếch đại AC tuyến tính Tần số hoạt động JFET cao BJT Ngược lại transistor BJT có độ nhạy cao thay đổi tín hiệu cung cấp ngõ vào Sự thay đổi dòng điện ngõ BJT thường lớn nhiều so với JFET với điện áp tín hiệu vào Chính lý mà độ lợi điện áp trung bình mạch khuếch đại BJT lớn JFET Thường JFET có độ ổn định nhiệt cao BJT JFET có cấu trúc nhỏ BJT nên thích hợp cho việc chế tạo IC C D IC = IB IB IG = 0A G BJT VBE= 0,7V IE + FET VGS IS _ E S Hình 4-12 So sánh BJT JFET Các phương trình JFET BJT xác định sau: 125 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự JFET BJT V I D I DSS 1 GS VP V B V BE RB IB ID IS IC I E I G 0A VBE 0,7V 4.4 MOSFET KÊNH CÓ SẴN (D-MOSFET: DEPLETION MOSFET) 4.4.1 Cấu tạo, Ký hiệu Cấu tạo MOSFET (METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FET) IGFET (ISOLATED GATE FET) transistor trường có cực cửa cách ly kênh N trình bày hình 4-13 SiO2 SiO2 D D Kênh N Kênh P N N G N S P Đế P p G ss Đế N ss P Metal S Hình 4-13 Cấu tạo D-MOSFET Ký hiệu MOSFET – IGFET có cực cửa cách ly kênh N trình bày hình 4-14 126 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Như IC có khả cung cấp dịng 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 công thức: kr 5% 0,05 3.f.R t C C 1 7739,3.10 F 7739,3F 0,05.4 3.f.R t 0,05.4 50.7,46 Chọn C theo tiêu chuẩn: C = 8200F 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: - + OUT Vout LED IN Rt 220V/50Hz GND 78XX 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 khơng 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 dịng 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 OUT GND 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 Dòng 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 + C1 0,33uF C2 2,2uF T1 KA7805C OUT GND +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 + +5V 0,1uF R1 1k + 1uF GND IN OUT 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 Dòng 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 nhôm giải nhiệt cho IC) Do giáo trình ta trình bày thông 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 = 50A 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 = 50A + 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 1,251 R1 R1 Vậy : Uout 1,251 R2 R1 212 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự U = Uin - Uout - + Iin IADJ Iout + 1,25V + LM317T IN OUT ADJ + R1 IL _ Uout Uin Taûi RL IR1 R2 IR2 - 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 không thay đổi điện áp ổn định Dịng 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 khơng dùng tải thành phần IL = 0, ta có Iout = IR1 Lúc dòng 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 dịng điện Iout lớn Vì thông 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 + LM317T IN OUT ADJ C 0.1uF Uout D2 R1 100 R2 + 1uF RL 0.1uF Hình 7-23 Mạch ổn áp điều chỉnh điện áp biến trở Các tụ điện khơng ghi tên hai Diode D1, D2 có nhiệm vụ chống nhiễu, cải thiện đáp ứng độ bảo vệ IC Các tính tốn : Xác định phạm vị điều chỉnh biến trở R2: Ta có : Uout 1,251 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 cơng thức: kr 6% 0,06 f.R t C C 1 4009,4.10 F 4009,4F 0,06.4 f.R t 0,06.4 50.12 Chọn C theo tiêu chuẩn: C = 4700F 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 OUT ADJ 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 công 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 khơng 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
Ngày đăng: 18/11/2023, 15:52
Xem thêm:
