đồ án điện tử ứng dụng đề tài mạch nghịch lƣu 1 pha

Bởi vậy cần phải có thiết bị biến đổi chúng thành nguồn một chiều trung gian sau đó nghịch lưu để tạo ra nguồn xoay chiều có điện áp và tần số thích hợp.. Mục đích làm đề tài : • Nghiên

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

ĐỀ TÀI: MẠCH NGHỊCH LƯU 1 PHA

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIÊN:

VŨ VÂN THANH

NGUYỄN ĐÌNH TOÀN NGUYỄN HỬU HÂN TRẦN VIẾT DUY

1LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHƯƠNG 6

1.1 Giới thiệu chương: 6

1.2 Khái niệm và phân loại nghịch lưu: 6

2 CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ 12

2.1 Giới thiệu chương: 12

2.4 Vi mạch khuếch đại thuật toán- OP-AMP 26

2.4.1Cấu tạo và ký hiệu 26

2.4.2Nguyên lý hoạt động 27

2.4.3Ứng Dụng chính của OP-AMP 28

2.5 Vi mạch định thời 29

2.5.1 Vi mạch định thời IC555 29

2.5.2Vi mạch định thời dùng Flip-Flop 35

3 Chương III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH NGHỊCH LƯU 37

3.1 Giới thiệu chương: 37

3.2 Yêu cầu thiết kế: 37

3.2.1Phân tích Furier dạng sóng ra của mạch nghịch lưu 37

3.2.2Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha 42

3.2.3Phân tích sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha 43

1 LỜI NÓI ĐẦU

1 Mục đích lựa chọn đề tài:

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, đời sống của người dân ngày càng phát triển và dân số ngày càng tăng, điều này dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao Ở nước ta hiện nay hầu hết hầu hết năng lượng đều được tạo ra từ các nhà mấy nhiệt điện và thủy điện Đây là những ngồn năng lượng truyền thống nhưng hầu hết đều không thể tái tạo và để lại nhiều hệ lụy cho môi trường và xã hội

Theo thống kê 2005 sản lượng khai thác than của nước ta chỉ đáp ứng 40 đến 50% nhu cầu sản xuất điện và theo dự đoán thì đến 2020 nước ta có thể phải nhập khẩu than vì trữ lượng than đã cạn kiệt

Theo dự báo kế hoạch phát triển thủy điện trong tổng sơ đồ điện VII đến năm 2020, Toàn bộ trữ lượng tiềm năng kinh tế - kỹ thuật của thủy điện lớn sẽ được khai thác hết, như vậy năng lượng thủy điện từ các dòng sống chính sẽ không còn khả năng khai thác nữa Và còn nhiều vấn đền khác trong việc sử dụng năng lượng truyền thống như dầu khí địa nhiệt …

Từ những điều trên cho thấy sự cấp thiết trong việc đẩy mạch khai thác những nguồn năng lượng tái tạo và ít gây những hệ lụy về sau đối với môi trường

Như năng lượng gió, mặt trời, sóng…Đặc điểm của điện được sản suất ra có tần số cố định Bởi vậy cần phải có thiết bị biến đổi chúng thành nguồn một chiều trung gian sau đó nghịch lưu để tạo ra nguồn xoay chiều có điện áp và tần số thích hợp

Để hòa vào lưới điện, những nhà máy năng lượng sạch cần đảm bảo điều kiện giống với lưới điện và việc sử dụng nghịch lưu là điều bắt buộc

Bên cạnh những vấn đề trên, Hiện nay các thiết bị điện ướng dụng nghịch lưu rất phổ biến, như điều khiển tốc độ động cơ, biến đổi nguồn 1 chiều từ pin, acquy cung cấp cho thiết bị điều khiển và thiết bị sử dụng ngồn xoay chiều

Như vậy ta đã thấy được tầm quan trọng của nghịch lưu trong đời sống

2 Mục đích làm đề tài :

• Nghiên cứu thiết kế và thi công mạch nghịch lưu ứng dụng trong các thiết bị biến đổi điện 1 chiều từ pin và acquy để phụ vụ vung cấp điện cho các hộ dân vùng sau vùng xa chưa tiếp cận được với lưới điện

• Khi làm đề tài này sẽ ứng dụng được các kiến thức ở các môn điện tử ứng dụng, kĩ thuật điện tử, kĩ thuật xung số, và các môn học về điện khác

• Đây cũng là một đề tài để hoàn thành môn đồ án điện tử ứng dụng tại trường • Sản phẩm sẽ được ứng dụng trong các sản phẩm lớn hơn sau này

3 Các phần của đề tài:

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sỡ lý thuyết

Chương 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng

4 Trong quá trình làm việc được sự hỗ trợ của những người nào:

Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm đã gặp một số vướng mắc và đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn- Vũ Vân Thanh Nhóm rất cảm ơn thầy vì đã nhiệt tình trong việc hướng dẫn thực hiện đồ án

Đây cũng là đồ án đầu tiên và cũng là lần đầu tiên thực hiện làm tiếp xúc với điều kiện thực tế Nên không thể thiếu những sai sót, Mong quý vị thông cảm và đóng góp để nhóm có thể hoàn thiện mạch hơn

Đà nẵng, 10/12/2018

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHƯƠNG

1.1 Giới thiệu chương:

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu sử dụng đa dạng về dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều Điều này đòi hỏi phải có sự biến đổi lẫn nhau giữa xoay chiều và một chiều trong cùng một hệ thống công nghệ Trong phần này chúng ta sẽ đi khái quát về mạch nghịch lưu 1 pha để thấy được sự cần thiết của nó trong đời sống hiện nay

1.2 Khái niệm và phân loại nghịch lưu:

1.2.1 Khái niệm:

Mạch nghịch lưu là thiết bị dùng để biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều Điện áp và tần số đầu ra có thể biến đổi được để phù hợp với yêu cầu sử dụng của từng cá nhân hoặc đơn vị Nguồn cung cấp cho nghịch lưu điện áp chỉnh lưu, acquy, và một số nguồn khác

Có rất nhiều cách phân loại mạch nghịch lưu nhưng phổ biến nhất mọi người vẫn thường phân loại theo:

Phân loại theo sơ đồ: ví dụ nghịch lưu 1 pha và nghịch lưu 3 pha

Phân loai theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu: Nghịch lưu áp, nghịch lưu

dòng, nghịch lưu cộng hưởng

Trong chương đề tài này chúng tôi chỉ chú trọng đên cách phân loại thứ hai để lựu chọn ưu tiên trong quá trình thiết kế Vì vậy chúng tôi sẽ chỉ đi sâu và phân tích theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu để lựa chon phương án thiết kế

Hình 1.1 Sơ đồ nghịch lưu cầu 1 pha

Khi công nghệ bán dẫn phát trển mạnh Công suất truyền tải điện của các thiết bị bán dẫn ngày càng lớn Những van động lực như IGBT, MOSFE, GTO v.v có công suất lớn và kích thước trở nên nhỏ gọn Do đó nghịch lưu áp trở nên thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp Để dể hình dùng chúng ta sẽ xem qua sơ đồ nguyên lý của nghịch lưu áp cầu 1 pha

Hình 1.2 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu 1 pha

1.2.4 Nghịch lưu cộng hưởng

1.2.4.1 Phân loại

a Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp

b Nghịch lưu cộng hưởng song song

1.2.4.2 Ưu nhược điểm nghịch lưu cộng

a Ưu điểm

áp (Ld=0), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho khi kết hợn với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch sẽ xuất hiện hiện tượng dao động

1.2.5 Nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM

Các bộ nghịch lưu đã trình bày ở trên có điện áp ra có chứa nhiều sóng hài Để nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu, bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) được đưa ra nghiên cứu và ứng dụng

Ưu điểm của kỹ thuật này là:

Các thành phần điều hoà của điện áp hoặc dòng điện ra bị đẩy sang phía tần số cao do đó dễ lọc

Cho phép thay đổi điện áp ra bằng sơ đồ có hai khoá chuyển mạch trong một pha Luật điều khiển của phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được sử dụng nhiều nhất là luật so sánh Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ được so sánh với các xung hình tam giác Tần số chuyển mạch của nghịch lưu fcm bằng tần số xung tam giác fx, có giá trị không đổi; tần số xung tam giác còn gọi là tần số mang

Tần số tín hiệu điều khiển f1 có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu

Xét một chu kỳ điện áp mang (hình 1.2.5a) Khi xếp chồng Udk và Uxchúng cắt nhau tại các hoành độ  va 2  Các giao điểm của

chúng quyết định giá trị trung bình của điện áp ra

Qua biểu thức ta thấy rằng: giá trị trung bình của điện áp ra trong một chu kỳ điện áp mang tỉ lệ với điện áp điều khiển Nếu điện áp điều khiển có dạng hình sin thì Utb dạng hình sin Người ta có thể điều chỉnh biên độ điện áp ra bằng cách tác động vào tỉ số Udkm /Uxm

1.3 Mạch nghịch lưu mà nhóm chọn:

1.3.1 Mục đích chọn đề tài

Qua sự phân tích các lọai nghịch lưu trên nhóm em chọn nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM bởi vì:

do đó dễ lọc

mạch xén… để làm đề tài này

1.3.2 Sơ đồ khối

Trong đề tài này đƣợc chia thành các khối chức năng cần thiết kế nhƣ sau:

- Khối chia xung thành 50Hz

2 CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ

2.1 Giới thiệu chương:

Trong chương này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về những kiến thức của các linh kiện điện tử Cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động và công thức tính toán cho từng khối thành phần có trong bộ nghịch lưu

2.2 Các linh kiện thụ động:

Trong chương này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về những kiến thức của các linh kiện điện tử Cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động và công thức tính toán cho từng khối thành phần có trong bộ nghịch lưu

2.2.1 Điện trở

Từ khi mạch điện tử ra đời, các linh kiện điện tử thụ động đã trở thành những phần tử chính của mạch Sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu các linh kiện thụ động phổ biến như điện trở, cuộn dây, tụ điện

2.2.1.1 Phân loại và ký hiệu

a Điện trở có giá trị xác định: - Điện trở than ép

- Điện trở dây quấn - Điện trở màng mỏng

b Điện trỏ có giá trị thay đổi được - Biến trở

- Nhiệt trở, gồm có 2 loại là: nhiệt trở có hệ số âm và nhiệt trở có hệ số dương

- Điện quang trở

c Ký hiệu

2.2.1.2 Thông số kỹ thuật

a) Giá trị điện trở

Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của điện trở Yêu cầu cơ bản đối với giá trị điện trở đó là ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và thời gian, Điện trở dẫn điện càng tốt thì giá trị của nó càng nhỏ và ngược lại

Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω), kΩ, MΩ, hoặc GΩ

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau:

R = (2.2.1a)

Trong đó:

ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu L là chiều dài dây dẫn

S là tiết diện dây dẫn

R là điện trở đơn vị là Ohm

Trong thực tế điện trở được sản xuất với một số thang giá trị xác định Khi tính toán lý thuyết thiết kế mạch điện, cần chọn thang điện trở gần nhất với giá trị được tính

b) Sai số

Sai số là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị thực tế của điện trở và giá trị danh định, được tính theo %

c) Công suất tối đa cho phép

Khi có dòng điện cường độ I chạy qua điện trở R, năng lượng nhiệt tỏa ra trên R với công suất:

P = U.I = I2 R (2.2.1b)

Nếu dòng điện có cường độ càng lớn thì nhiệt lượng tiêu thụ trên R càng lớn làm cho điện trở càng nóng, do đó cần thiết kế điện trở có kích thước lớn để có thể tản nhiệt tốt

Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có thể chịu đƣợc nếu quá ngƣỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy

Công suất tối đa cho phép đặc trƣng cho khả năng chịu nhiệt

Pmax = U2max/R = I2max.R (2.2.1c)

2.2.1.3 Ứng dụng tiêu biểu

Điện trở có mặt hầu hết trong mọi mạch điện tử, và sau đây ta chỉ xét tới ứng dụng của điện trở trong mạch lấy mẫu

Điện trở đƣợc mắc thành cầu phân áp để có đƣợc một điện áp theo ý muốn từ một

Khi đó, Vout phụ thuộc vào giá trị hai điện trở R1 và R2 theo công thức

2.2.2.1 Tiếp giáp P – N và Cấu tạo của Diode bán dẫn

Khi đã có đƣợc hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P – N ta đƣợc một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dƣ thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa

hai chất bán dẫn

Mối tiếp xúc P – N => Cấu tạo của Diode

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn

2.2.2.1 Phân cực thuận cho Diode

(vùng bán dẫn N), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai

cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)

2.2.3 Tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động rất phổ biến, được cấu tạo bới hai bản cực đặt song song, có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp

Tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường bằng cách lưu trữ các electron, nó cũng có thể phóng ra các điện tích này để tạo thanh dòng điện Đây chính là tính chất phóng nạp của tụ, nhờ có tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều

2.2.3.1 Cấu tạo

Bên trong tụ điện gồm hai bản cực kim loại được đặt cách điện với nhau bởi một lớp điện môi Điện môi có thể là: không khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, thuỷ tinh Tùy theo lớp cách điện ở giữa hai bản cực là gì thì tụ có tên gọi tương ứng như tụ giấy, tụ gốm, tụ hóa,

2.2.3.2 Ký hiệu đơn vị và trị số

Ký hiệu tụ điện: Tụ điện có ký hiệu là C

Đơn vị của tụ điện là Fara, 1 Fara có trị số rất lớn và trong thực tế người ta thường

µF = 109 nF = 1012 pF

2.2.3.3 Phân loại

 Tụ không phân cực  Tụ có phân cực  Tụ xoay

phần xoay chiều bị giữ (lọc) lại toàn bộ ở khâu lọc

Thường chọn trước trị số điện cảm L theo biểu thức sau:

Trong đó

nguồn xoay chiều

RT: Điện trở của tải

ksb: hệ số san bằng để đánh giá hiệu quả của bộ lọc

- Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N1 > N2 hoặc ngƣợc lại

- Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện - Trong thực thế thì máy biến áp có dạng nhƣ hình 2, còn trong việc biểu diễn sơ đồ máy biến áp thì có dạng nhƣ hình 1

Từ đó ta thấy nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tƣợng cảm ứng điện từ

2.2.4.3 Khảo sát máy biến áp

Gọi N1 N2 là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Gọi U1, U2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp

Gọi I1, I2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp

Trong khoảng thời gian Δt vô cùng nhỏ từ thông biến thiên gây ra trong mỗi vòng dây

 

Suất điện động trên một cuộn sơ cấp là: e1 N e1 0

Suất điện động trên cuộn thứ cấp: e2 N e2 0

=> Tỉ số điện áp 2 đầu cuộn thứ cấp bằng tỉ số vòng dây của 2 cuộn tương

ứng 2211

e  N

Tỉ số 21

2.3 Các linh kiện điện tử chủ động

Linh kiện chủ động là loại tác động phi tuyến lên nguồn nuôi AC/DC để cho ra nguồn tín hiệu mới, trong mạch tương đương thì biểu diễn bằng một máy phát tín hiệu, như diode, transistor,…Ta sẽ cùng tìm hiểu về BJT và MOSFET

2.3.1 BJT

Tranzito lưỡng cực nối hay BJT (Bipolar junction transistor) là một loại linh kiện bán

dẫn, có 3 cực là B (base - cực nền), C (collector - cực thu), E (emitter - cực phát) Đây là một linh kiện vô cùng quan trọng và có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện tử

2.3.1.1 Cấu tạo và ký hiệu

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn loại P và loại N ghép lại với nhau Do đó có hai loại

transistor là NPN và PNP tương ứng với 2 cách sắp xếp 3 lớp bán dẫn trên

2.3.1.2 Phân loại

Transistor có rất nhiều loại với hàng tá chức năng chuyên biệt khác nhau

 Transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar junction transistor)

 Transistor hiệu ứng trường (Field-effect transistor)

 Transistor mối đơn cực UJT (Unijunction transistor)



Trong đó, transistor lưỡng cực BJT là phổ biến nhất Có nhiều người thường xem khái niệm transistor như là transistor lưỡng cực BJT Do vậy bạn nên chú ý đến điều đó để tránh nhầm lẫn cho mình

2.3.1.3 Các thông số kỹ thuật của BJT

Các ký hiệu ở đây được sử dụng cho transistor loại NPN Transistor loại PNP cũng có những thông số hoàn toàn tương tự Chúng được nhà sản xuất ghi rất cụ thể trong tài liệu kĩ thuật của mỗi loại transistor

a Dòng điện cực đại qua cực Base IB

 Mỗi loại transistor có các mức dòng IB cực đại khác nhau, đừng nghĩ rằng transistor càng to và hầm hố thì IB cực đại sẽ càng lớn hay ngược lại

 Nếu dòng điện qua cực Base của transistor vượt quá mức IB cực đại, nó có thể làm hỏng transistor Do vậy người ta luôn mắc nối tiếp với cực Base một điện trở hạn dòng

b Hệ số khuếch đại hFE (β)

 Là tỉ số IC / IB đặc trưng cho khả năng khuếch đại dòng điện của transistor Mỗi loại transistor có một mức hệ số khuếch đại khác nhau Trong những điều kiện làm việc khác nhau, hFE cũng khác nhau

 Với các transistor có hFE lớn, bạn chỉ cần một dòng IB nhỏ là đã có thể kích cho nó mở hoàn toàn

 hFE thường có trị số từ vài chục đến vài ngàn

c Cường độ dòng điện cực đại IC

là dòng điện tối đa mà transistor có thể mở cho nó đi vào ở cực Collector Các loại transistor lớn nhất thường chỉ có IC tối đa khoảng 5A và đòi hỏi phải có quạt tản nhiệt

d Hiệu điện thế:

 UCE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Emitter của transistor UCE thường chỉ có trị số từ vài chục đến vài trăm volt Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này

 UCB: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Base của transistor UBE thường chỉ có trị số từ vài chục đến vài trăm volt Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này

 UBE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Base và Emitter của transistor (là hiệu UB - UE) Với dòng hoạt động nhỏ, UBE gần bằng 0V Với dòng lớn hơn, UBE sẽ tăng lên lên khá nhanh Với đa phần transistor, UBE hiếm khi vượt quá 5V

e Công suất tiêu tán năng lượng tối đa

Đặc trưng cho công suất hoạt động lớn nhất của transistor, có giá trị bằng tích UCE * ICE Một số loại transistor lớn có công suất lên đến 65W như TIP120/121/122 và tỏa ra rất nhiều nhiệt lượng nên cần phải gắn thiết bị tản nhiệt, một số khác như 2N3904 thì chỉ là 625mW và không cần tản nhiệt.

2.3.1.4 Phân cực cho BJT

a Mạch phân cực dùng hai nguồn điện khác nhau

Mạch phân cực dùng hai nguồn điện khác nhau

b Mach phân cực có điện trở phân áp

Để có thể khuếch đại được nhiều nguồn tín hiệu mạnh yếu khác nhau, thì mạch phân cực thường sử

c Mạch phân cực có hồi tiếp

Là mạch có điện trở phân cực đấu từ đầu ra

(cực C) đến đầu vào (cực B) mạch này có tác dụng tăng độ ổn định cho mạch khuyếch đại khi hoạt động

2.3.1.5 Ứng dụng của BJT

BJT có thể xem là một linh kiện quan trọng nhất trong các thiết bị điện tử, các loại IC thực chất là các mạch tích hợp nhiều BJT trong một linh kiện duy nhất Trong mạch điện, BJT được dùng để khuyếch đại tín hiệu Analog, chuyển trạng thái của mạch Digital, sử dụng làm các công tắc điện tử, làm các bộ tạo dao động v v

2.3.2 MosFest

Mosfet còn gọi transistor trường là một loại transistor hiệu ứng trường thuộc nhóm các linh kiện bán dẫn, sử dụng điện trường để kiểm soát tác động đến độ dẫn của kênh dẫn của vật liệu bán dẫn

2.3.2.1 Phân loại

Mosfet chia làm 2 loại:

Trong mỗi loại MOSFET có hai loại là kênh dẫn loại P và kênh loại N

2.3.2.2 Cấu tạo và ký hiệu

2.3.2.3 Các thông số kỹ thuật của Mosfet

Trước khi bắt đầu chúng ta cần biết các thông số kỹ thuật cần quan tâm của các linh kiện

sử dụng trong mạch

- MOSFET kênh N và kênh P

Rds: trở nội bão hòa – điện trơ bé nhất giữa 2 đầu D-S

 Uds: Điện áp tối đa giữa 2 đầu D-S mà mosfet có thể chịu được (càng cao càng tốt)

 Id: Dòng điện tối đa mà mosfet chịu được (càng cao càng tốt)

 Tần số hoạt động tối đa (phụ thuộc vào tụ ký sinh giữa các cặp cực)

 Đồ thị dòng Id theo Ugs (để cấp đủ áp mở mosfet)

2.3.2.4 Nguyên lý hoạt động

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao

Đối với kênh N: Điện áp điều khiển mở Mosfet là UGS > 0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D

2.3.2.5 Ứng dụng của Mosfet

Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên

Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao

Vi mạch khuếch đại thuật toán (OP-AMP) là mạch điện tử có chức năng khuếch đại tín hiệu (điện áp, dòng điện) Nhờ sự phát triễn của công nghệ bán dẫn mà OP-AMP ngày càng trở nên tin cậy, kích thước nhỏ và ổn định nhiệt, …và trở thành thành phần không

thể thiếu trong các mạch điện tử

2.4.1 Cấu tạo và ký hiệu

2.4.1.1 OP-AMP lý tưởng có cấu tạo như hình vẽ

- Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại

độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v- Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn

- Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra

- Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau

2.4.1.2 AMP lý tưởng và OP-AMP thực tế

Để đơn giản trong việc tính toán trên OP-AMP, có thể tính toán trên OP-AMP lý tưởng sau đó thực hiện bổ chính các thông số trong mạch Để có được một cái nhìn tổng quan giữa OP-AMP thực tế và OP-AMP lý tưởng, có thể so sánh một vài thông số giữa chúng như bảng sau:

Hệ số khuếch đại điện áp vòng hở: A0=

Tổng trở ngõ vào Ri = Tổng trở ngõ ra R0 = 0 Dòng vào i(+) = i(-)

A0 có giá trị hữu hạn

Tổng trở ngõ vào Ri = 106 - 1013Ω Tổng trở ngõ ra R0 có giá trị nhỏ Dòng vào lệch 20-30nA

2.4.1.3 Ký hiệu của OP-AMP

Vs+/Vs-: Nguồn cung cấp Vout/V0: Ngõ ra

2.4.2 Nguyên lý hoạt động

hiệu ngõ vào như sau:

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = A0.V+

- Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout = A0.V

được ứng dụng rộng rãi nhất là mạch trừ, sau đây ta cùng tìm hiểu và phân tích mạch trừ

Giả sử OP-AMP là lý tưởng: A0L = , Vid =

= 0 => VP = VN (2.4.4.1)

Ri = => i+ = i- = = 0 Áp dụng KCL tại N:

i2 = i- + i4

 = => Vsl = VN - V2 (2.4.4.2 ) Áp dụng KCL tại P: i1 = i+ + i3

=> VP =

V1 (2.4.4.3) Từ (2.4.4.1)( 2.4.4.2)( 2.4.4.3) Ta được Vsl =

V1 - V2 (2.4.4.4)

2.5 Vi mạch định thời

2.5.1 Vi mạch định thời IC555.

Linh kiện của hãng CMOS sản xuất Sau đay là bảng thông số của 555 co trên thị trường:

+ Điện áp đầu vào: 2-18V

(Tuy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555.) + Dòng điện cung cấp: 6mA 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao: 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03- 0.06V + Công suất lớn nhất là: 600mW

* Các chức năng của 555: + Là thiết bị tạo xung chính xác

+ Máy phát xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị tri xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại

2.5.1.1 Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của IC555

a sơ đồ nguyên lý

b Cấu tạo của IC555

 Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng

 Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi

 Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng xung, không ở mức áp thấp thì ở mức áp cao

 Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp trên chân 3 ở mức thấp, hay hoạt động

 Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555  Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi

 Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mức nguồn từ 3 đến 15V

+-

 Nguyên lý hoạt động

Đây là mạch dao động đa hài có 2 trạng thái nhưng cả 2 trạng thái đều không bền Nhờ có sự thay đổi điện áp trên tụ C mà mạch luôn tự động chuyển đổi trạng thái và luôn tạo độ dài xung ra

* 0 ≤ t < t1: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu Ngõ ra V0 = 1⇒ QRSFF = 0,

trở R1 qua Diode D với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị VCC Tụ càng nạp thì điện

SS1: v− > v+ → R = 0

SS2: v+ >v− → S = 1 ⇒ Q = 0 ⇒ v0 = 1

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng thái không bền thứ 2

* t1 ≤ t < t2:

Tại thời điểm t = t1: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 Q =1, v0 = 0 Vì Q = 1

thì điện áp trên tụ càng giảm → điện áp tại chân số 2 và chân số 6 cùng giảm xuống Khi điện áp trên tụ C giảm đến giá trị tụ

thì ta có:

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 và bắt đầu chuyển sang

và quá trình cứ tiếp diễn nhƣ vậy để liên tục tạo độ dài xung ra  Tính độ dài xung ra

Gọi: T1 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 1

T2 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 0

T là chu kì dao động của mạch: T = T1+T2

Vậy chu kỳ dao động là T= T1 +T2 =0,7C (2R2+ R1)

b Mạch dao động đa hài một trạng thái bền  Sơ đồ mạch và dạng sóng

6

2

1 5 3 Vcc

C5 vi

R10

VR2

IC555

Vì tụ C mắc song song với transistor nên vC = v (7) = vCES = 0,2V ≈ 0V → tụ C không

đƣợc nạp điện Mạch luôn tồn tại trạng thái bền  t1 ≤ t < t1 + T0: Mạch ở trạng thái không bền

t = t1 : Mạch đƣợc kích khởi bằng tín hiệu kích khởi đƣa vào chânsố2

IC555 Ở bộ so sánh 1 có v− < v+ ⇒ R = 1⇒ Q = 0 ⇒ v0 = 1 Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái bền và chuyển sang trạng thái không bền

Lúc này vì Q = 0 nên transistor T tắt ⇒ tụ C đƣợc nạp điện từ nguồn Vcc qua R Tụ

càng nạp thì áp trên tụ càng tăng mà vC = v (6) nên khi vC > 23VCC thì ở bộ so sánh 2 có v− ≤

v+

chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền và bắt đầu chuyển sang trạng thái phục hồi

 t≥ t1 + T0: giai đoạn phục hồi

Do Q = 1, v0 = 0 ⇒ T dẫn ⇒ tụ xả qua T cho đến khi vC ≈ 0 Sau khi kết thúc giai đoạn phục hồi mạch trở về trạng thái bền ban đầu

 Tính độ dài xung ra

T0 là thời gian cần thiết để tụ C tăng từ 0 ⇒